Parallelisierung des NC-Kanals zur Ausführung auf Multicore-Architekturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Verl
• Fachliche Zuordnung: Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227087804

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Um den anstehenden Herausforderungen im Bereich der numerischen Steuerungen (NC – Numerical Control) zu begegnen, ist die Multicore-Technologie unverzichtbar. Die Werkzeugmaschinenindustrie und damit auch die Hersteller von NC-Steuerungen müssen kosteneffiziente und gleichzeitig hochentwickelte Systeme bereitstellen. Der Einsatz von Mulitcore-Prozessoren stellt eine leistungsstarke Plattform dar, um diesem Anspruch gerecht zu werden. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde deshalb untersucht, inwiefern die Systemarchitektur einer NC-Steuerung dahingehend genutzt und verändert werden kann, um die verfügbare Rechenleistung von Multicore-Systemen abrufen zu können. Fokus des Projekts lag auf den Funktionen der Bahnplanung, wie sie im Steuerungskern (NCK – Numerical Control Kernel) einer NC-Steuerung angesiedelt sind. Konkret wurden die vier Funktionen Interpreter, Look-Ahead, Slope und Interpolator betrachtet, die sich zusammen zu einer minimalistischen NC-Steuerung kombinieren lassen. Im Verlauf des Forschungsprojekts wurde ein Konzept entwickelt, welches vornehmlich durch Datenparallelität eine parallele Ausführung der Funktionen einer NC-Steuerung ermöglicht. Die zu verarbeitenden Daten werden durch die entsprechenden Funktionen aufgeteilt und durch mehrere Instanzen einer Funktion parallel bearbeitet. Die Ausführung der entsprechenden Funktionen konnten so stark beschleunigt werden. Im Gesamten lässt sich feststellen, dass im verwendeten Szenario (Intel-Prozessor mit vier Prozessorkernen) der Speedup bei der parallelen Ausführung der Funktionen einer NC-Steuerung auf einem Multicore-System im Vergleich zur rein sequentiellen Abarbeitung nahezu mit der Anzahl an Rechenkernen skaliert. Es gilt diesbezüglich jedoch noch die Sättigung zu ermitteln. Die Performance-Steigerung hinsichtlich der Funktionen einer NC-Steuerung kann zielführend eingesetzt werden. Beispielsweise kann für die vorausschauende Bahnplanung innerhalb der gleichen Berechnungszeit eine größere Anzahl an Interpolationspunkten für die Berechnung der vorausschauenden Geschwindigkeitsplanung berücksichtigt werden. In Bezug auf den Interpolator kann demgegenüber durch die hinzugewonnene Rechenleistung die Berechnungsgenauigkeit gesteigert werden oder komplexere Interpolationsverfahren Einsatz finden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Analysis of CNC Software Modules regarding Parallelization Capability. In: Proceedings of the 24th International Conference on Flexible Automation & Intelligent Manufacturing FAIM 2014, 2014, S. pp. 79-86
  Keinert, Matthias; Kaiser, Benjamin; Lechler, Armin; Verl, Alexander
  
• CNC Tool Path Generation on Multi-Core Processors. In: Applied Mechanics & Materials, 794 (2015), S. 339-346
  Kaiser, Benjamin; Keinert, Matthias; Lechler, Armin; Verl, Alexander
  
• Analysis and Design of Computerized Numerical Controls for Execution on Multi-core Systems. In: Procedia CIRP, 41 (2016), S. 864 – 869
  Vivanco, José María; Keinert, Matthias; Lechler, Armin; Verl, Alexander
  
• Concept of a Computerized Numerical Control Kernel for Execution on Multi-core Processors. In: IEEE Advanced Motion Control, 2016, S. 599-604
  Keinert, Matthias; Lechler, Armin; Verl, Alexander