Adaptive CAD-Modelle zur Kompensation von Formabweichungen beim Laserschneiden

Ziel des hier entwickelten Verfahrens war, die beim der Laserscheiden von tiefgezogenen Blechbauteilen auftretenden Formabweichungen, zu kompensieren. Hierzu ist das Steuerprogramm für die Lasermaterialbearbeitungsanlage an die Formabweichungen anzupassen. Ausgangspunkt für das im Rahmen der Forschungsvorhabens entwickelte Verfahren ist, eine Anpassung des CAD-Modells an das Blechbauteil durchzuführen, das der Erstellung des Steuerprogramms zugrunde liegt. Die tatsächliche Bauteiloberfläche ist hierfür zunächst durch eine Abstastung mittels hinreichend genauer optischer oder taktiler Messverfahren festzustellen.

Das CAD-Modell ist daraufhin an die im Zuge der Vermessung generierte Punktewolke anzupassen.

Erst während der Bearbeitung auftretende Formabweichungen des Bauteils von dem idealen CAD-Modell werden durch ein iteratives Vorgehen berücksichtigt. Hierbei werden zunächst Teilschnitte durchgeführt. Die aus ihnen resultierenden Deformationen werden vermessen und eine ihnen entsprechende Anpassung des CAD-Modells vorgenommen. Die aus der Anpassung des CAD-Modells resultierenden Änderungen werden auf das Steuerprogramm übertragen.

Im Zuge des Vorhabens wurde zunächst das im Antrag zum Forschungsvorhaben als Formanpassungsverfahren vorgeschlagene Zonenkonzept untersucht. Das Konzept sieht vor, die Oberfläche des CAD Modells in eine invariante, eine elastische und in eine adaptive Zone aufzuteilen. Die adaptive Zone wird durch eine Starrkörpertransformation an eine Messpunktewolke mit einem Besteinpassungsverfahren angepasst. Die Transformation kann mit dem im Bericht beschriebenen und im Zuge des Projekts implementieren Lageanpassungsverfahrens berechnet werden. Während die invariante Zone keiner Transformation unterzogen wird, dient die elastische Zone der Vermittlung eines stetigen Übergangs zwischen den vorgenannten Zonen.

Das im Forschungsantrag zur Berechnung der Form des elastischen Zone vorgeschlagene Verfahren wurde implementiert. Es führte aber zu unbefriedigenden Ergebnissen. Erfolgversprechender erscheint ein während der Vorhabenslaufzeit publiziertes Berechnungsverfahren, das ein Energieminimierungsprinzip nutzt und auf eine komplexere Darstellung des Oberfläche des CAD-Modells zurückgreift. Ein alternatives Verfahren zur Formanpassung wurde mit dem Deformatorkonzept untersucht. Deformatoren sind parametrisierte Operatoren, die ein trianguliertes CAD-Modell auf ein deformiertes Modell abbilden. Die Parameter der Deformatoren müssen hierzu zunächst durch den Anwender grob vorgewählt werden. Hierzu wurde im Verlauf des Vorhabens ein Softwarewerkzeug erstellt, das über eine grafische Benutzerschnittstelle verfügt. Durch das Werkzeug werden dem Benutzer sowohl das CAD-Modell dargestellt, als auch die Wirkung des Deformators durch eine intuitive grafische Repräsentation vergegenwärtigt.

Das Programm bietet dem Benutzer darüber hinaus die Möglichkeit die Parameter eines Deformator zu verändern. Eine Parameteroptimierung wird nach der Grobeinstellung mittels einer evolutionären Strategie vorgenommen. Ziel der Optimierung ist es, ein Parametersatz zu gewinnen, der zu einem möglichst geringen Abstand zwischen dem deformierten Modell und einer Messpunktewolke führt. Die hierfür erforderlichen, relativ aufwändigen Berechnungen werden durch eine im Projektverlauf entwickelte Cache-Strategie reduziert. Bei einer Erprobung konnte durch den Einsatz der Strategie in einem Beispielfall eine Verkürzung des Berechnungszeit auf etwa zehn Prozent erzielt werden.

Zur Übertragung der Formänderungen des CAD-Modells auf Steuerprogramme wurde das Konzept der lokalen Darstellung der Steuerprogramme entwickelt und erprobt. Das Konzept sieht eine Interpolation der durch das Steuerprogramm formulierten Maschinenbewegungen vor. Die Bewegungen werden durch eine Koordinatentransformation direkt mit der Oberfläche des CAD-Modells verknüpft. Die korrigierten Steuerprogramme können durch eine Rücktransformation nach erfolgter Formänderung des CAD-Modells unmittelbar berechnet werden. Für die entsprechenden Berechnungsverfahren ist bei einer ausreichend feinen Triangulierung des CAD-Modells mit einem erheblichen zu durchsuchenden Datenvolumen zu rechnen. Zur Beschleunigung des Verfahrens wurde daher ein räumlicher Suchindex implementiert und erprobt. Durch die Verwendung des Index konnte in einem Beispielfall die Dauer der Berechnung der lokalen Darstellung eines Steuerprogramms auf unter ein Prozent reduziert werden.

Als Ergebnis des Forschungsvorhabens sind softwaregestützte Methoden zur Anpassung von Steuerprogrammen für Laserwerkzeugmaschinen an gegenüber ihren Planvorgaben deformierten Werkstücken vorgestellt, prototypisch umgesetzt und erprobt worden. Die Verfahren können durch Systemhäuser zum Produktstatus weiterentwickelt und in vorhandene CAD/CAM-Softwaresysteme integriert werden. Hierdurch können auch klein- und mittelständischen Laser-Jobshops Werkzeuge an die Hand gegeben werden, die die Verwendung des Laserschneidverfahrens insbesondere im Hinblick auf die Anwendung im Prototypenbau befördern.