The present thesis addresses the detection of unwanted collisions in the workspace of a machine tool. It presents a new method based on hulls, which allows to avoid impending collisions in real time. A process of ten steps defines the basis of the approach. It describes how, based on the design data, it is possible to use a virtual machine model to detect impending collisions in real time and stop the machine before they occur. The newly suggested n hull model is the core of the methodology, which defines the necessary brake volume for every dynamic component. In order to prove the practicability, this paper focuses on a software implementation of the proposed solution as well as the validation of the software in process on mill-turning machines. Another essential aspect of a collision avoidance systems is the material removal at the work piece to consider the current state of it in the collision check. Therefore, it is another content point in this thesis to investigate the real-time capability of a material-removal simulation based on an adaptive voxel model.

Aus dem Inhalt:

1 Einleitung

2 Kollisionserkennung für Werkzeugmaschinen
2.1 Grundlagen
2.1.1 Klassifizierungen für Kollisionsschutz-Strategien
2.1.2 Einordnung der Echtzeit-Anforderung
2.2 Bestehende Lösungen für Kollisionserkennung
2.2.1 CAM-Lösungen
2.2.2 NC-Maschinensimulation
2.2.3 Sensorbasierte Verfahren
2.2.4 Sensorlose Verfahren
2.3 Simulation des Materialabtrags am Werkstück
2.3.1 Abtrag auf Basis von Non-Uniform Rational B-Splines
2.3.2 Abtrag auf Basis von Dreiecksnetzen
2.3.3 Abtrag auf Basis von Voxelmodellen
2.4 Zusammenfassung

3 Kollisionserkennung in der Informatik
3.1 Grundlagen der Kollisionserkennung
3.1.1 Einführung
3.1.2 Hüllkörper
3.1.3 Hüllkörperhierarchien
3.1.4 Spatial Partitioning
3.2 Kollisionserkennung für Voxelmodelle
3.2.1 Klassische Verfahren
3.2.2 Grafikprozessorbeschleunigte Verfahren
3.2.3 Sparse Voxel Octree
3.3 Zusammenfassung

4 Zielsetzung und Vorgehensweise
4.1 Anforderungen und Ziele
4.2 Prozesseinfluss
4.3 Vorgehensweise

5 Methodik zur Kollisionsvermeidung basierend auf dem n-Hüllen-Modell
5.1 Grundlegender methodischer Ansatz zur Kollisionserkennung
5.2 Prinzipieller Ablauf der Methodik
5.3 n-Hüllen-Modell
5.3.1 Ausgangslage und Vergleichskriterium
5.3.2 Allgemeine Definition
5.3.3 Einfluss der Reaktionszeit
5.3.4 Herleitung des Anhalteweges
5.3.5 Hüllentoleranz und Definieren eines Sicherheitsabstands
5.4 Intelligente Steuerung der Testfälle durch Bedingungssystem
5.5 Hüllenerstellung auf Basis der CAD-Eingangsdaten
5.5.1 Vorbereitung des CAD-Datensatzes
5.5.2 Szenengraphen aufbauen
5.5.3 Hüllen auf Basis von CAD-Daten erzeugen
5.5.4 Einbeziehen von Werkzeugen und Werkstücken
5.5.5 Zusammenfassung
5.6 Definition eines Datenmodells für die Strukturbeschreibung
5.6.1 Standard-Modell
5.6.2 Template-Definition
5.6.3 Kollisionsobjekte
5.6.4 Zusammenfassung
5.7 NC-Steuerungsanbindung
5.7.1 Schnittstellen-Definition
5.7.2 Auslesen von NC-Daten auf der Steuerung
5.8 Zusammenfassung

6 Implementierung und Validierung der n-Hüllen-Methode
6.1 Aufbau der Softwareimplementierung
6.1.1 Aufbau der Software
6.1.2 Wichtige Aspekte zur Leistungsfähigkeit
6.1.3 Anbindung der NC-Steuerung
6.1.4 Einflüsse auf das Zeitverhalten der Anwendung
6.2 Validierung der Methode und Untersuchung des Prozesseinflusses
6.2.1 Ausgangslage für die Validierung
6.2.2 Testsetting I: 2-Hüllen-System ohne Bedingungssystem
6.2.3 Testsetting II: 3-Hüllensystem ohne Bedingungssystem
6.2.4 Testsetting III: 3-Hüllensystem mit Bedingungssystem
6.3 Bewertung der Ergebnisse
6.3.1 Auswertung der durchgeführten Validierung
6.3.2 Verletzung der Takttreue
6.3.3 Anwendbarkeit der n-Hüllen-Methode

7 Materialabtragssimulation mittels Sparse Voxel Octrees in Echtzeit
7.1 Anforderungen an einen Materialabtrag
7.2 Materialabtrag im Kontext der n-Hüllen-Methode
7.3 Kollisionsprüfung mit statischem Modell
7.4 Mögliche Geometrierepräsentationen und Vorteile von Voxeln
7.5 Umsetzung eines Materialabtrags mittels SVO
7.5.1 Allgemein
7.5.2 Voxel-Datenstrukturen
7.5.3 Speichermanagement
7.5.4 Algorithmus für Materialabtrag
7.5.5 Erzeugung von Voxel-Werkstückmodellen
7.5.6 Analyse der Echtzeitfähigkeit
7.5.7 Optimierungsansätze
7.5.8 Simulationsmodus
7.6 Integration des Materialabtrags in n-Hüllen-Implementierung
7.7 Zusammenfassung

8 Zusammenfassung und Ausblick
8.1 Zusammenfassung
8.2 Ausblick

Literaturverzeichnis