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Uni Siegen

Augmented Reality optimiert Rüstprozesse in der Serienproduktion

| Autor/ Redakteur: Linda Borchmann, Bernd Engel, Sven Hoffmann und Oliver Selter / Frauke Finus

Aufgrund der beschleunigten Adaption an neue Markterfordernisse sind bei industriellen Produktionsprozessen in immer kürzer werdenden Abständen Rüstvorgänge nötig. Eine Lösung mit Augmented Reality der Uni Siegen hilft dabei.

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Neben dem virtuellen Bedienpanel kann die Hololens ebenfalls Hologramme der Maschine anzeigen.
Neben dem virtuellen Bedienpanel kann die Hololens ebenfalls Hologramme der Maschine anzeigen.
( Bild: Uni Siegen )

Um einen Rüstvorgang mit möglichst geringem Zeitaufwand und wenigen Ausschussteilen durchzuführen, bedarf es ein hohes Maß an Erfahrung. In diesem Kontext bietet die Hololens, die die Uni Siegen in Kooperation mit weiteren Projektpartnern entwickelt hat, eine Rüstunterstützung. Diese besteht aus einer „Schritt-für-Schritt“-Anweisung auf Basis der Augmented-Reality-Technologie. Zusätzlich ermöglicht eine maschinelle Lernsoftware die Bereitstellung von Einstell-Empfehlungen für Werkzeugpositionen und Maschinenkonfigurationen.

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Die Unterstützung von Rüstprozessen in der Hololens basiert auf einem virtuellen Bedienfeld, das dem Anwender permanent eingeblendet wird. Es gliedert sich in drei Bereiche:

  • Links werden Montagefotos, technische Zeichnungen oder 3D-CAD-Modelle anzeigt.
  • In der Mitte befinden sich die Interaktionsflächen zur Navigation durch die einzelnen Rüstschritte.
  • Rechts können Montagevideos aufgerufen werden.

Die Anwendung der Hololens zur Optimierung von Rüstprozessen wird derzeit bei der Westfalia Metallschlauchtechnik GmbH & Co. KG in Hilchenbach industriell erprobt. Das Unternehmen fertigt gasdichte Entkopplungselemente für automotive und industrielle Anwendungen. Je nach Anforderungen des Maschinenbedieners, kann das virtuelle Bedienfeld durch den Anwender entweder im Raum fixiert oder bei räumlich verteilten Rüstschritten in einen Folge-Modus versetzt werden, sodass das Panel dem Anwender zeitverzögert auf Schritt und Tritt folgt.

Farbliche Markierung des zu montierenden Werkzeugs

Neben dem virtuellen Bedienpanel kann die Hololens ebenfalls Hologramme der Maschine anzeigen. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um die Position und die Montage von Werkzeugen, Hinweistexten an bestimmten Werkzeug- und Maschinenpositionen sowie Einstellwerten an Bedienelementen. Die Applikation wurde von Lachmann und Rink aus Freudenberg, so programmiert, dass ein einfaches CAD-Baugruppen-Modell genügt, um ein Hologramm zu erstellen und die einzelnen Rüstschritte interaktiv zu modellieren. Je nach Rüstschritt wird das zu montierende Werkzeug farblich hervorgehoben und eine interaktive Montagerichtung inklusive aller benötigten Verbindungselemente angezeigt. Kombiniert man die Darstellung auf Basis der Augmented Reality, als auch die Infos auf dem virtuellen Bedienpanel, ergibt sich eine detaillierte Rüstbeschreibung. Zur Erstellung der Rüstanweisung ist in der Hololens ein definierter Workflow hinterlegt. So lassen sich alle Informationen zur Beschreibung des Rüstprozesses mithilfe der Hololens erstellen und bei Bedarf nacharbeiten.

Darüber hinaus dient die Hololens nicht nur als reines Visualisierungsinstrument, sondern kann auch als Sensor im Kontext des Rüstprozesses Anwendung finden. Beispielhaft kann durch eine bereits integrierte Raumerkennung ein Weg-Tracking der Laufwege im Zuge eines Rüstprozesses ermittelt, ausgewertet und im Nachgang optimiert werden. Zudem lassen sich weitere Sensoren mit der Hololens koppeln, um beispielsweise die korrekte Durchführung der Rüstschritte sicherzustellen.

Im Nachgang den Korrekturprozess dokumentieren

Nach den interbetrieblichen, logistischen Vorbereitungen und der Demontage/Montage der Werkzeuge an der Fertigungslinie bei Westfalia folgt der Aufruf des Produktionsprogrammes. Das Knowhow eines erfahrenen Maschinenbedieners ist für eine gezielte, zeitsparende Prozesseinstellung erforderlich. Dabei werden iterativ Werkzeugkräfte und/oder Achsenwege derart verändert, dass die geforderten Qualitätsmerkmale am Bauteil erfüllt werden.

Um den Vorgang während des Rüstens zu erleichtern, wird eine Software zum maschinellen Lernen mittels Analogieschlusses (Case-Based Reasoning) eingesetzt. Die Software ist in der Maschinensteuerung hinterlegt. Kommt es in der beginnenden Serienproduktion zu einem qualitätsrelevanten Bauteilfehler, speichert der Maschinenbediener das gefertigte Bauteil samt Fehler als sogenannten „Case“ in der Software ab, um im Nachgang den Korrekturprozess zu dokumentieren.

Jeder Case beinhaltet die Information über die Artikelbezeichnung des Bauteils, dem entstandenen Fehlerbild (zum Beispiel einer Toleranzabweichung) und einer durch den Bediener vorgeschlagenen Korrekturmaßnahme am Prozess oder Werkzeug. Weiterhin erfolgt im Nachgang die Bewertung, ob die Maßnahme zur Behebung des Fehlerbildes positiv beigetragen hat. Die Cases werden je nach Ähnlichkeit der Artikel und Fehler sortiert. Der Detaillierungsgrad des Fehlers ist frei wählbar. Er hat Einfluss auf die Berechnung der Ähnlichkeit zweier Cases. Der Maschinenbediener wählt einen Case aus, gibt die vorgeschlagene Parameteränderung an der Maschine ein und fertigt ein neues Bauteil. Nachdem er das neue Bauteil auf Qualitätskonformität bewertet hat, wird aus seinen Angaben ein neuer Case abgespeichert. Dadurch wird die Case-Datenbank mit jeder Korrekturschleife erweitert. Je mehr Cases eingespeichert werden und je häufiger jeder einzelne Case durchgeführt wird, desto größer ist die Genauigkeit des Systems.

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Vorschläge von erfolgreichen Korrekturmaßnahmen

Die in der Case-Datenbank hinterlegten Informationen unterstützen einen weniger erfahrenen Maschinenbediener bei Beseitigung eines Fehlers. Anstelle einer zeitintensiven Suche nach Lösungen, erhält der Maschinenbediener Vorschläge aus der Datenbank mit bereits erfolgreich umgesetzten Korrekturmaßnahmen.

Case-Base-Reasoning und Augmented Reality in der Hololens bieten erfahrenen Maschinenbedienern die Möglichkeit, ihr Expertenwissen zu speichern und es anderen Mitarbeitern zur Verfügung zu stellen. So werden Rüstprozesse stetig optimiert und Rüstzeiten reduziert.

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