iWindow

Hintergrund/Motivation

In heutigen Werkzeugmaschinen sind Sichtfenster zur Beobachtung des Bearbeitungsprozesses integriert. Diese müssen sicherheitstechnischen Anforderungen genügen, da sie eine schützende Einrichtung zwischen Bediener und Maschineninnenraum darstellen. Daher sind Sichtfenster in Laser-Werkzeugmaschinen und in der spanenden Verarbeitung mit sehr hohen Kosten verbunden.

Zur Inbetriebnahme, Bedienung und Wartung von Werkzeugmaschinen werden neben der visuellen Erfassung des Maschinenzustands durch das Sichtfenster unterstützende Systeme und Bediensysteme eingesetzt. Bei diesen Systemen handelt es sich um HMIs (Human Machine Interfaces) zur Interaktion mit der Maschine (Bedienung, Maschinenstatusanzeige, Steuerungsinbetriebnahme, Diagnose), neuerdings um Smart Devices, meist zur passiven Interaktion mit der Maschine (Statusanzeige, Diagnose, Fernwartung), sowie um Simulationssysteme zur virtuellen Inbetriebnahme der Maschine und zur Prozessvalidierung im Vorfeld der Produktion (Offline-Kollisionskontrolle, Prozessoptimierung). 



Problemstellung

Trotz der vorhandenen Sichtfenster kann während der Bearbeitung oft keine Beobachtung des Werkzeugs und des Werkstücks erfolgen, da die Sicht in den Maschineninnenraum durch Kühlschmierstoffnebel (KSS-Nebel), Bearbeitungsstaub und Späne nicht möglich ist. In diesem Fall bieten die Sichtfenster trotz der sehr hohen Kosten nur einen geringen Nutzen.

Die eingesetzten unterstützenden Systeme und Bediensysteme werden meist getrennt voneinander auf unterschiedlicher Hardware und zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingesetzt. Dadurch wird das Potential dieser Systeme nicht ausreichend genutzt. Eine Verschmelzung dieser Systeme würde zu einem deutlichen Mehrwert führen, beispielsweise um den Bediener bei manuellen Vorgängen, die trotz eines hohen Automatisierungsgrades in der heutigen Produktion durchgeführt werden müssen, systemseitig besser zu unterstützen. Aus diesem Grunde besteht bei Maschinenbauunternehmen und Anwendern der Bedarf, die sehr teuren Sichtfenster mit geringem Nutzen durch intelligente Maschinenfenster zu ersetzen, die trotz beispielsweise schmutzintensiver Bearbeitungsprozesse eine Beobachtung des Maschineninnenraums erlauben. Um eine bessere Bedienunterstützung zu erreichen soll gleichzeitig das Sichtfenster aufgewertet werden, indem HMI-, Simulationssysteme und der Prozess enger verzahnt und Konzepte zur intuitiven Benutzerführung eingebracht werden.



Zielsetzung/Lösungsansatz

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, konventionelle Sichtfenster, wie sie aktuell an Werkzeugmaschinen vorzufinden sind, durch neue intelligente Maschinenfenster zu ersetzen. Das intelligente Maschinenfenster soll zugleich Fenster und Bedienoberfläche sein, um dem Bediener die Interaktion mit der Maschine zu ermöglichen. Der Maschineninnenraums soll weiterhin nach dem Augmented Reality Prinzip um computergenerierte Informationen, erzeugt durch sogenannte Mehrwertdienste, erweitert werden. Die genannten Funktionalitäten des intelligenten Maschinenfensters finden sich jeweils in einer von drei Informationsebene - Maschineninnenraum, Mehrwertdienste und Bedienung - und werden überlagert dargestellt. Der Maschineninnenraum ist entweder durch ein transparentes Display direkt sichtbar oder wird mittels Kamerabild oder durch realitätsnahe Visualisierung auf einem konventionellen Display dargestellt. Im Falle der letzten beiden Visualisierungsmethoden soll die Rekonstruktion bzw. die Visualisierung in Echtzeit erfolgen, damit die Darstellung während des Bearbeitungsprozesses genutzt werden kann. Eine perspektivische Darstellung soll unter Einbeziehung von Head-Tracking-Systemen erzielt werden.

Ersetzen der herkömmlichen Sichtfenster durch intelligente Maschinenfenster:

  • Nutzung von transparenten und opaken Bildschirmen
  • Überblendung des realen oder visualisierten Maschineninnenraums mit kontextbezogenen Informationen durch Augmented Reality

Entwicklung eines Software-Frameworks:

  • Herstellerunabhängige Steuerungsanbindung mittels OPC UA
  • Visualisierung des Maschineninnenraums durch ein Echtzeit-Computermodell oder Kamerabilder
  • Innenraumerfassung und 3D-Rekonstruktion von Werkstücken und Spannmitteln durch Kameras
  • Integrierte Maschinensimulation mit Materialabtrag und Kollisionserkennung
  • Bereitstellung von Mehrwertdienste in einem Plug-In-System
  • Steuerung von Maschine und Mehrwertdiensten direkt am Sichtfenster und über Second-Screen (z.B. Tablet)
  • Untersuchung neuer Visualisierungssysteme wie bspw. Gameengines zur Steigerung der Realitätsnähe


Konsortium

Name Schwerpunkte
DMG MORI Aktiengesellschaft Fräs- und Drehmaschinen
Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW), Universität Stuttgart Projektmanagement
Mehrwertdienstframework
Realitätsnahe Visualisierung
Bosch Rexroth AG

Steuerungs- und Antriebskomponenten
Bedienkonzepte
Kommunikation

ModuleWorks GmbH Parsen von NC-Code
Mehrwertdienste
TRUMPF GmbH + Co. KG Laser-Schneidemaschinen
ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH Echtzeit-Simulation
Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS), Universität Stuttgart 3D-Rekonstruktion

Das zugrundeliegende Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01IM14003C gefördert.

Das Verbundvorhaben wird betreut vom Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR).

 



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