Entwicklung von Augmented-Reality-basierten Methoden zur interaktiven, simulationsgestützten Prozessplanung beim 5-Achsen-Fräsen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die fünfachsige Fräsbearbeitung findet vermehrt Einzug in den Werkzeug- und Formenbau, um die Wirtschaftlichkeit der Prozesse und die Qualität der Erzeugnisse zu verbessern. Allerdings ist diese Art der Bearbeitung im Vergleich zu rein dreiachsigen Bearbeitungen sehr anfällig gegenüber Ungenauigkeiten oder Fehlern bei der CAM-Programmierung. So kann auch bei aktueller Software zur Generierung von fünfachsigen NC-Bahnen nicht immer gewährleistet werden, dass keine Kollisionen während der Bearbeitung auftreten. Diese Kollisionen können sowohl zwischen Werkzeug bzw. Werkzeughalter und Aufspannelementen als auch zwischen Werkzeug bzw. -halter und Werkstück erfolgen, was insbesondere bei Fräsprozessen, die zu einem späteren Zeitpunkt innerhalb der Prozesskette (Endbearbeitung) integriert sind, bei Beschädigung des Werkstücks zu einem großen wirtschaftlichen Verlust führt. Weiterhin ist die von der CAM-Software oder vom Benutzer gewählte Vorschubgeschwindigkeit unter Umständen so eingestellt, dass Kraftspitzen auftreten können und dass die gewünschte Oberflächenqualität bzw. Maßhaltigkeit nicht erreicht wird. Um diese Problemsituation im realen Umfeld vor oder auch während der eigentlichen Bearbeitung erkennen und beheben zu können, wurde die bereits bestehende am Institut für Spanende Fertigung entwickelte Simulationssoftware um ein Augmented-Reality (AR)-Modul erweitert. Dieses Modul bietet die Möglichkeit, Videodaten des realen Fräsvorgangs beziehungsweise der Bewegung des Fräsers ohne Werkstück aufzunehmen, um anschließend die Prozessplanung und -optimierung simulationsgestützt durch eine augmentierte Darstellung vornehmen zu können. Über die synchrone Darstellung der realen Maschinenbewegungen können aufgrund einer besseren Übersicht Aufspannelemente besser platziert werden, und es eröffnen sich neue Möglichkeiten für die NC-Bahnoptimierung. Des Weiteren besteht die Option, die Simulation synchron zum Bearbeitungsprozess auszuführen, wobei diese dann der realen Bearbeitung um einige NC-Sätze vorauseilt. Dadurch ist es möglich, Kollisionen und Kraftspitzen im Voraus zu erkennen, ohne vorherige Probefräsvorgänge und Messungen ausführen zu müssen. Dem Maschinenbediener bietet sich damit die Möglichkeit, die Vorschubgeschwindigkeit im Fall von Kraftspitzen manuell an der Maschine zu reduzieren oder den Prozess im Fall von drohenden Kollisionen zu stoppen. Die NC-Bahn kann durch die neu integrierten Interaktionsmöglichkeiten der Software angepasst und anschließend wieder auf die Maschine übertragen werden, wo die Bearbeitung an gleicher Stelle fortgesetzt werden kann. Weiterhin bietet sich die Anzeige des mit der Simulation verbundenen Videos mithilfe einer Virtual-Reality (VR)-Projektion an, um den Immersionsgrad der Darstellung weiter zu erhöhen. Durch die dreidimensionale Betrachtungsweise lassen sich der Umfang der Prozessinformationen und damit die Entscheidungsfähigkeit des Anwenders erheblich vergrößern. Da das eigentliche Augmented-Reality-Modul der Softwareumgebung sehr zuverlässig arbeitet, sollten sich zukünftige Arbeiten in erster Linie auf die Optimierung und Erweiterung der Simulation beschränken, um den Einsatz synchron zur realen Bearbeitung mit möglichst vielen Zusatzinformationen zu ermöglichen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine Person mehrere Maschinen bedient beziehungsweise kontrolliert, um Problemsituationen rechtzeitig erkennen zu können. Da jedoch bei komplexen Werkstücken die Simulationsgenauigkeit reduziert werden muss, um die Simulation in Echtzeit und damit dem Prozess voreilend zu gewährleisten, ist die Anwendung parallel zum echten Bearbeitungsprozess zwar jetzt schon möglich, kann aber nur einen Teil der Informationen liefern, die prinzipiell verfügbar wären. Die volle Funktionalität steht dagegen bei Benutzung der Software zur Prozessplanung vor der eigentlichen Bearbeitung eines Bauteils zur Verfügung. Hier kann die Darstellung der Maschine zusätzliche Einblicke in den Prozess liefern und dadurch das Prozessverständnis erhöhen, um eine verbesserte Bahnoptimierung vornehmen zu können. Auch für den Einsatz zur Vermeidung von unerwünschten Kollisionen mit zu platzierenden Aufspannelementen oder mit weiteren Maschinenkomponenten ist das Augmented-Reality-Modul vorteilhaft, da eine Kollisionsüberprüfung für die gewählte Lage dieser Elemente durchgeführt und eine bessere Übersicht über den Arbeitsraum zur Ermittlung der Position gewährt wird. Diese Übersicht ließe sich durch den Einsatz einer frei beweglichen Kamera im Arbeitsraum noch erhöhen, wodurch dem Anwender die Möglichkeit geboten würde, den realen Prozess von allen Seiten zu betrachten. Allerdings müsste hierfür gewährleistet werden, dass die Kamera einen ausreichenden Sicherheitsabstand zu allen am Prozess beteiligten Maschinenteilen einhält.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Konzept eines prototypischen Augmented Reality und Simulationssystems als Hilfsmittel für die Prozessplanung beim fünfachsigen Fräsen. 5. Paderborner Workshop Augmented & Virtual Reality in der Produktentstehung, 31. Mai - 01. Juni 2006, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 188, S. 269-278, 2006
Weinert, K.; Zabel, A.; Ungemach, E.
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Simulation of Five-Axes Milling Processes ¿ Approaches and Applications. Journal of Machine Engineering, Vol. 6 (2006) 4, S. 39-48
Zabel, A.
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Simulation und Optimierung der mehrachsigen Fräsbearbeitung. Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2006, ISBN 3-8027-8732-3
Stautner, Marc, Dissertation
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Augmented Reality Based Approach for the Handling of Complex Machine Tool. Process Interactions in CAM-Programming. Technical Presentation in the PMIWorkgroup, CIRP January Meeting, 26. Januar 2007, Paris, Frankreich
Zabel, A
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Augmented-Reality-System zur Unterstützung der Bahnplanung für 5-achsige Hochleistungsfräsprozesse. 6. Paderborner Workshop Augmented & Virtual Reality in der Produktentstehung, 14.-15. Juni 2007, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 209, S. 191-202, 2007
Zabel, A.; Ungemach, E.
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Fünfachsbearbeitung mit Werkzeugführungslinien. wt - Werkstattstechnik online, 97 (2007) 11/12, S. 831-836
Peuker, A.; Rautenberg, J.; Zabel, A.
