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EFB-Forschungsbericht Nr. 267

Adaptive CAD-Modelle zur Kompensation von Formabweichungen beim Laserschneiden

EFB267.jpg

Verfasser:
Dr.-Ing. habil. Andreas Ostendorf, Dipl.-Phys. Michael Huse, Laser Zentrum Hannover e.V.

117 Seiten (sw 34 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-299-1

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 59,00

Zuaammenfassung

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.

Das Forschungsvorhaben „Adaptive CAD-Modelle zur Kompensation von Formabweichungen beim Laserschneiden“ wurde unter der Fördernummer AiF 14293N  von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 267 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Adaptive CAD-models for the compensation of shape-deviations in laser-cutting

The aim of the project was to develop a method to allow for a compensation of shape-deviations arising while laser-cutting deep-drawn sheet metal parts. Therefore the machine program of the laser machine used has to be adapted to the shape deviations. Starting point of the method developed in this project was to adapt the CAD-model that was used to derive the machine program to the Jeep drawn work-piece. This requires a scanning of the work-pieces surface with sufficient accuracy, for instance by using optical or tactile measurement methods. The CAD-model has to be adapted to the point cloud, generated by these methods then.

Shape deviations arising while cutting the semi-finished part are considered by an iterative adaptation process. During this process partial cuttings are passed followed by an adaptation of the CAD-model to the resulting deviations. The changes in the CAD-model are then to be transferred to the machine program for successive partial cuttings.

During the project investigations on the so-called "zone-concept" have been carried out. As initially been proposed in the projects application the zone-concept envisages the subdivision of the work-pieces surface into an invariant zone, an elastic zone and an adaptive zone. Whereas the invariant zone of the work-pieces surface remains unchanged during the adaptation process, the adaptive zone is meant to be registered to a point cloud by a rigid-body transformation using a best-fit procedure. For instance, the rigid-body transformation can be computed by the registration algorithm implemented during the projects runtime. A description of the algorithm can also be found in the projects final report. Finally, the elastic zone is meant to provide a continuous transition between the aforementioned zones. The algorithm for the computation of the elastic zones shape was implemented as proposed in the projects application. Test of the algorithm showed unsatisfying results. More promising seems to be a computation method using an energy-minimization-principle and a more complex surface representation. The method was published during the projects runtime. As an alternative adaptation method the so-called "deformator-concept" was examined.

Deformators are defined to be parameterized Operators that map triangulated CAD-models on a deformed model. The deformators parameters have to be pre-determined by the user roughly before applying the deformator on the CAD-model. To support the user choosing appropriate parameter values a software-tool including a graphical user Interface has been developed. The tool visualizes the initial CAD-model as well as the effect of the deformators application an the models shape. Moreover the tool Jets the user edit deformator parameter set. After setting the initial parameter values an optimization algorithm can be applied. The algorithm is based an an evolutionary strategy. lt aims to find a parameter set that minimizes the maximum distance between the deformed model and a cloud of points which were measured from the work-pieces surface. To enhance the computation speed, a caching-strategy was developed, allowing for a runtime reduction to about ten percent.

To transfer changes in the CAD-models shape to machine programs the concept of a "local representation" of a machine program was developed and tested. The concept envisages an interpolation of the laser machines movements as they are stated in the machine program. The movements are directly coupled to the CAD-models surface by a coordinate transformation. So, after having the CAD-model adapted to the work-piece, the accordingly corrected machine program can immediately be computed by a back-transformation. To achieve an appropriate precision a fine triangulation of the CAD-model is essential. This leads to a considerable data volume to be searched for the computation of the coordinate transformation. Using a spatial search index the computations could be speed up to less than one percent of former computation time.

As a result of the research project computer-based methods for the adaptation of machine programs for laser material processing machines to deformed work-pieces are presented, implemented prototypically and tested. The methods described in the final report can be advanced to a product-state and can then be integrated into CAD/CAM system. This provides small or medium-sized enterprises with tools to promote laser-cutting especially in prototype manufacturing.

Inhalt

1 Zusammenfassung
2 Ausgangssituation
2.1 Problemstellung
2.1.1 Lageabweichungen
2.1.2 Formabweichungen
2.2 Zielstellung
3 Lösungsansatz
3.1 Verfahrensidee
3.2 Aufgabenstellung
3.2.1 Aufgaben
3.2.2 Rahmenbedingungen
4 Modellierung
4.1 Oberfläche
4.1.1 Triangulation
4.1.2 Netzparameter
4.2 Metrik
4.3 Lageanpassung
4.3.1 Minimierungsproblem
4.3.2 Algorithmus
4.3.3 Parameteroptimierung
4.4 Formanpassung
4.4.1 Zonenkonzept
4.4.2 Deformatoren
4.5 Steuerprogramme
4.5.1 Interpolation
4.5.2 Lokale Koordinaten
5 Implementierung
5.1 Vorbemerkungen
5.2 Erste Prototypengeneration
5.2.1 Modularisierung
5.2.2 Pakete
5.3 Zweite Prototypengeneration
5.3.1 Triangulation
5.3.2 Netzverfeinerung
5.3.3 Internes Dateiformat
5.4 Geometrische Primitive und Algorithmen
5.4.1 Geometrische Primitive
5.4.2 Algorithmen
5.5 Räumliche Indexierung
5.5.1 Erschöpfende Suche
5.5.2 R-Baum
5.6 Lageanpassung
5.6.1 Ermittlung der Transformation
5.6.2 Anwendung der Transformation
5.7 Formanpassung
5.7.1 Parameteroptimierung
5.7.2 Umsetzung
5.7.3 Cache
5.8 Anpassung der Steuerprogramme
5.8.1 Zwischensprache
5.8.2 Interpolation und Projektion
5.9 Visualisierung
5.9.1 Einleitung
5.9.2 Benutzeroberfläche
5.9.3 Funktionsumfang
5.9.4 Umsetzung
5.10 Prozesskette
6 Erprobung
6.1 Erste Prototypengeneration
6.1.1 Interne Darstellung des CAD-Modells
6.1.2 Einfluß der Triangulationsparameter
6.1.3 Einfluß der Oberflächenstruktur
6.1.4 Räumliche Suche
6.1.5 Suchverfahren
6.1.6 Eigenschaften des Suchverfahrens
6.1.7 Anpassung
6.2 Zweite Prototypengeneration
6.2.1 Modellerzeugung
6.2.2 Steuerprogramm
6.2.3 Lokale Koordinaten
6.2.4 Formanpassung
7 Anwendung
7.1 Innovation
7.2 Transfer
A Dateiformate
A.1 Elementare Datentypen
A.2 CLOUD
A.3 MESH
A.4 INDEX
A.4.1 Unterformat INDEX/NODE
A.4.2 Unterformat INDEX/NODE/ENTRY
A.5 IAP
A.5.1 Unterformat IAP/IELEM
B Projektbegleitender Ausschuss
C Förderung