Werkzeugbahnen für Zerspanprozesse in CAM-Systemen zu planen erfordert tiefgehendes Expertenwissen. Eine Vielzahl an Parametern muss bestimmt und geprüft werden, um die Bahnplanung Schritt für Schritt zu optimieren. Damit diese zeitaufwändige Aufgabe zukünftig einfacher von der Hand geht, hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit Partnern eine KI-gestützte Virtual-Reality-Umgebung zur Gesteneingabe geschaffen, in der sich die Werkzeugbahnen auf der Werkstückoberfläche intuitiv skizzieren lassen.

Werkzeugbahnen für CNC-Werkzeugmaschinen werden heute mithilfe von CAM-Software geplant, die eine Vielzahl an CAM-Parametern berücksichtigt. Diese Parameter geben dem CAM-System vor, wie die genaue Werkzeugbahn generiert wird, bevor der Werkzeugweg an die Maschinensteuerung übergeben wird. Je komplexer ein Bauteil ist, desto umfangreicher und auch fehleranfälliger ist die Beschreibung des Werkzeugpfades. Daher setzt eine gute CAM-Programmierung eine hohe Expertise voraus, denn nur sehr geübte und erfahrene Arbeitskräfte können das Ergebnis schnell und ohne zahllose aufwändige Iterationen richtig abschätzen. Häufiger müssen in mehreren Durchgängen viele verschiedene Parameter ausprobiert werden, bis das Werkzeug den optimalen Weg abfährt.

Diesen Aufwand möchte das Forschungsteam des Fraunhofer IPT gemeinsam mit seinen Industriepartnern zukünftig reduzieren: Im Projekt »CAMStylus« arbeitete das Team daran, die Planung von Werkzeugbahnen in CAM-Systemen durch eine Virtual-Reality-Anwendung (VR) intuitiver zu gestalten. Die VR-Anwendung in Kombination mit speziell entwickelter Hardware erlaubt es den Anwenderinnen und Anwendern, Werkzeugbahnen durch Gestensteuerung dreidimensional zu beschreiben. Aus den erfassten Gesten errechnet das System dann die CAM-Parameter, die im CAM-System zur Berechnung der Werkzeugbahn verwendet werden.

CAMStylus: Mit dem Stift in der Hand den Weg vorzeichnen 

Die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IPT entwickelten dazu im ersten Projektabschnitt die VR-Umgebung und programmierten eine passende Software zum Tracking von Gesten, die die Bahnbewegungen beschreiben. Die Kombination aus Hard- und Software ermöglicht es die Bewegungen sogenannter Trackingstifte zu erfassen, die im Projekt entwickelt wurden.

Damit aus den Daten des Bewegungs-Trackings die richtigen Informationen für die vorgesehene Werkzeugbahn abgeleitet werden können, setzt das Forschungsteam auf eine KI-Anwendung auf Grundlage Neuronaler Netze, die anhand speziell designter geometrischer Körper für diese Aufgabe trainiert wurden. Eine besondere Herausforderung bei der Softwareentwicklung war es, die CAM-Daten immer wieder mit den erfassten Daten des Trackingsystems abzugleichen, um für die späteren Berechnungen über eine verlässliche Datenbasis zu verfügen.

Voxeldarstellung zur Beschreibung der Gesten 

Die VR-Anwendung nutzt einen Stereo-Bildschirm zur Erzeugung des 3D-Effekts. Mit dem Tracking-Stylus können die Gesten eingegeben werden. Die erfassten Positionen und Orientierungen des Eingabegeräts werden in Echtzeit in der VR-Anwendung dargestellt, sodass ein direktes Feedback zur eingegebenen Geste erfolgt. Im Anschluss rechnet das System die Daten in eine Voxeldarstellung um, aus der die Künstliche Intelligenz die wesentlichen Merkmale der Geste erkennt. Die Software berechnet auf Grundlage der erkannten Merkmale dann die Werkzeugbahn. Diese kann, wie in konventionellen CAM-Systemen, dazu genutzt werden, um den Prozess zu simulieren, zu untersuchen und durchzuführen.

Erfolgreiche Schlichtbearbeitung von Testbauteilen 

Für die Erprobung setzte das Team des Fraunhofer IPT das CAMStylus-System erfolgreich zum Planen einer Schlichtbearbeitung an einer realen Testgeometrie der WBA Aachener Werkzeugbauakademie GmbH ein.

Die Projektergebnisse weisen den Weg für weiterführende Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit Industriepartnern. Sie werden jetzt im Rahmen wissenschaftlicher Veröffentlichungen und Konferenzen vorgestellt und zukünftig in den verschiedenen Anwender-Communities des Fraunhofer IPT mit Partnern weiterentwickelt. Eine erste Veröffentlichung mit dem Titel »Intuitive toolpath planning in computer-aided manufacturing systems using artificial intelligence in a virtual reality environment« wird in diesem Jahr im Rahmen der 17. CIRP-ICME-Konferenz veröffentlicht.

Projektpartner 

ModuleWorks GmbH, Aachen (Projektkoordination) Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen Schneider Digital Josef J. Schneider e. K. WBA Aachener Werkzeugbauakademie GmbH, Aachen 

Förderhinweis

Das Forschungsprojekt »CAMStylus – Entwicklung einer KI-gestützten Virtual-Reality-Lösung für die intuitive Bedienung von Computer-Aided-Manufacturing-Systemen« wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen: 01IS22006D)