Heinig, René

Neugebauer, Reimund

Riedel, Tino

Wittstock, Eckhart

Wittstock, Volker

Qucosa

VR-basierte Serviceanwendungen als Produkt im Werkzeugmaschinenbau

HSSS - Hochschulschriftenserver der SLUB

Technische Universität Dresden: Qucosa

ENTWERFEN ENTWICKELN ERLEBEN10. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik KT2012 | Residenzschloss Dresden | 14.–15. Juni 2012 Ralph Stelzer · Karl-Heinrich Grote · Klaus Brökel Frank Rieg · Jörg Feldhusen (Hrsg.)Methoden und Werkzeuge in der Produktentwicklung Stelzer · Grote · Brökel · Rieg · Feldhusen (Hrsg.) ENTWERFEN ENTWICKELN ERLEBEN Methoden und Werkzeuge in der Produktentwicklung 10. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik KT2012TUDpress ENTWERFEN ENTWICKELN ERLEBENRalph Stelzer · Karl-Heinrich Grote · Klaus Brökel Frank Rieg · Jörg Feldhusen (Hrsg.)Methoden und Werkzeuge in der Produktentwicklung Entwickeln – Entwerfen – Erleben.Methoden und Werkzeuge in der Produktentwicklung10. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik (KT2012) Herausgeber: Prof. Dr. Ralph Stelzer (Technische Universität Dresden)Prof. Dr. Karl-Heinrich Grote (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg)Prof. Dr. Klaus Brökel (Universität Rostock)Prof. Dr. Frank Rieg (Universität Bayreuth)Prof. Dr. Jörg Feldhusen (RWTH Aachen)Wir bedanken uns für die Unterstützung beima design, Tedata, Continental, xPLM, B.I.M. Consulting und Reiss BüromöbelBibliograﬁsche Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der  Deutschen Nationalbibliograﬁe; detaillierte bibliograﬁsche Daten sind  im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Bibliographic information published by the Deutsche NationalbibliothekThe Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche  Nationalbibliograﬁe; detailed bibliographic data are available in the  Internet at http://dnb.d-nb.de. ISBN 987-3-942710-80-0© 2012 TUDpress Verlag der Wissenschaften GmbHBergstr. 70 | D-01069 DresdenTel.: 0351/47 96 97 20 | Fax: 0351/47 96 08 19http://www.tudpress.deAlle Rechte vorbehalten. All rights reserved.Layout und Satz: Sandra Olbrich/Technische Universität Dresden.Umschlaggestaltung: TU Dresden, Illustration Audi A6 Limousine © 2012 Audi AGReimund Neugebauer, Volker Wittstock,  René Heinig, Tino Riedel & Eckhart WittstockVR-basierte Serviceanwendungen als  Produkt im WerkzeugmaschinenbauEinführungDienstleistungen spielen in der Werkzeugmaschinenindustrie eine wichtige Rolle, da üblicherweise eine Maschine nicht allein son-dern mit einem Bündel an Dienstleistungen verkauft wird. In der Wissenschaft werden solche Produkte als Produkt-Service Syste-me oder hybride Leistungsbündel bezeichnet. Im aus Mitteln des Freistaates Sachsen im Rahmen des Europäischen Fonds für regio-nale Entwicklung (EFRE) geförderten Verbundprojekt »Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur adaptiven Unterstützung des Lebenszyklus produktionsnaher Dienstleistungen im Maschi-nenbau« wurden in einem Schwerpunkt die Möglichkeiten unter-sucht und Grundlagen geschaffen, um produktbegleitende Diens- tleistungen mit Mitteln der Virtual Reality (VR) zu unterstützen.Anwendungen der virtuellen RealitätVirtual Reality bindet den Nutzer in eine künstliche Welt ein, die er erkunden und mit der er interagieren kann. Diese Eigenschaften machen VR für alle diejenigen Anwendungen interessant, in denen Vorteile aus der Nutzung einer künstlichen Welt gegenüber einem realen Szenario entstehen. So existieren beispielsweise in der Me-dizin Anwendungen zur Ausbildung von Chirurgen (Hassan et al. 2005) oder im militärischen Bereich beispielsweise als Simulatoren für Piloten (Moshell 1993) oder U-Boote (Stone et al. 2008).781VR-basierte Serviceanwendungen als Produkt im Werkzeugmaschinenbau Im Bereich der Produktion technischer Produkte kann der Automobil-bau als einer der Hauptanwender virtueller Techniken identiﬁziert wer-den (Stark et al. 2010). Typische Anwendungen sind Design-Review, Ein- und Ausbauuntersuchungen, Ergonomieuntersuchungen und Produktpräsentationen. Weitere mögliche Anwendungen in der »Di-gitalen Fabrik« sind Prozessplanung, Sicherheitstechnik und Anlagen-projektierung (Westkämper et al. 2006). Im Wesentlichen sind dies al-les Anwendungen, die unternehmensintern zur Produktentwicklung genutzt jedoch vom Kunden nicht explizit monetär vergütet werden.Auch in der im Projekt im Fokus stehenden Werkzeugmaschinenin-dustrie sind die Anwendungen ähnlich. So ﬁnden sich Beispiele für Design Review in der Entwicklung von Werkzeugmaschinen, die Nutzung als Werkzeug zur Anlagenplanung und für den Vertrieb (Neugebauer et al. 2006). Neuere Entwicklungen gehen dabei bis hin zur Kopplung einer realen Steuerung mit einem virtuellen Modell (Neugebauer et al. 2010).Eine im Rahmen des Projektes unter Werkzeugmaschinenbauern durchgeführte Umfrage ergab eine noch geringe Nutzung von Techniken der VR in dieser Branche. Die Ergebnisse bestätigten die Annahme des vorwiegend internen Einsatzes für Belange der Pro-duktentwicklung in Design Reviews, Ergonomiestudien und CAD-Visualisierungen (Neugebauer et al. 2011a). Methoden für VR-unterstützte DienstleistungenStandardsoftwaresysteme für die VR-Darstellung, wie VDP von ICIDO, sind vorrangig auf eine reine Visualisierung von 3D-Informa-tionen in einer immersiven Umgebung ausgelegt. Durch die stereo-skopische 1:1 Darstellung kann so in einer größeren Gesprächsrunde leichter ein grundlegendes gleiches Verständnis für den Diskussi-onsgegenstand geschaffen und Probleme leichter identiﬁziert wer-den. Im Dienstleistungsbereich reicht jedoch ein grobes Verständnis nicht aus. Häuﬁg  ist es notwendig viele verschiedene miteinander zusammenhängende Detailaspekte gleichzeitig zu betrachten. Die Informationen liegen jedoch in unterschiedlichen Systemen und Formaten vor. Insbesondere im Servicebereich müssen einzelne 782Reimund Neugebauer, Volker Wittstock, René Heinig, Tino Riedel & Eckhart Wittstock     Baugruppen, sowie Kraft- und Medienﬂüsse berücksichtigt werden. Bestenfalls geschieht dies bereits bei einer servicegerechten Kon-struktion der Werkzeugmaschine von Beginn an.Integration von ZusatzinformationenZusatzinformationen sind Informationen, welche über die 3D-Modell-Daten hinaus für eine VR-Präsentation wichtig und deshalb in einer VR-Anwendung zu integrieren sind. Häuﬁg sind dies Beschreibun-gen in Textform oder Bilder bis hin zu komplexeren schematischen interaktiven Darstellungen, wie z.B. sich im Zeitverlauf ändernde Diagramminhalte (siehe Abbildung 1). Zur Integration von Zusatzin-formationen, wurde innerhalb des Projektes ein Informationsträger konzeptioniert und zusammen mit ICIDO umgesetzt.BedienungBisherige VR-Präsentationen beschränken sich häuﬁg auf eine rei-ne Darstellung der 3D-Modelle. Es ist möglich sich in das Modell oder um das Modell herum zu navigieren, eventuell auch einzelne Teile farblich hervorzuheben, zu verschieben und entfernen oder auch Schnittebenen zu erzeugen. In solchen Anwendungen reicht ein Interaktionsgerät, wie ein »Standard-Flystick« noch aus (siehe Abbildung 2).Abbildung 1:   Zusatzinformationen – Bsp. Messwerte-Diagramm783VR-basierte Serviceanwendungen als Produkt im Werkzeugmaschinenbau Will man jedoch eine komplexe VR-Präsentation durchführen, bei der es möglich ist im Zeitverlauf Präsentationsgegenstände zu wechseln oder ohne Menunavigation direkt einzelne Funktionen, wie einen Screenshot zu erstellen oder zusätzliche Informationen ein- und auszuschalten, wird ein komplexeres Interaktionsgerät mit einer höheren Anzahl individueller Freiheitsgrade benötigt. Aus Gründen der Ergonomie, Kosten und des Reifegrades wurde innerhalb des Projektes aus einem Vergleich von am Markt erhältlichen Interakti-onsgeräten (Neugebauer et al. 2011b) die Wii-Remote ausgewählt und an die speziﬁschen Erfordernisse angepasst. So wurde im er-sten Schritt ein Prototyp entworfen, indem an einen käuﬂich erwerb- baren Zusatzaufsatz für die Wii-Remote das Target Tree für das optische Tracking befestigt wurde. Nach einigen Tests und einer studentischen Arbeit, welche die Bedienung im Vergleich zum herkömmlichen Flystick untersuchte, wurde klar, dass die Lösung mit einem Zusatzaufsatz die Bedienbarkeit erheblich beeinﬂusst. Im zweiten Schritt wurde darauf verzichtet und eine modiﬁzierte Wii-Remote konstruiert bei der die native Infrarot-Blende durch ein eigens angefertigtes Bauteil ersetzt wurde (siehe Abbildung 3). VR-PresenterZur Nutzung des Informationsträgers und der Einbindung des neu-en Interaktionsgerätes wurde innerhalb des Projektes eine Soft-ware erstellt, welche es ermöglicht  VR Präsentationen ähnlich wie im Powerpoint zu erstellen. Der sogenannte VR-Presenter wurde mit der Software VDP von ICIDO und der Wii-Remote verknüpft. Er besitzt jedoch Schnittstellen, die es ermöglichen weitere VR-Anzeigesysteme und Interaktionsgeräte anzukoppeln. Umgesetzte Funktionen des VR-Presenter sind unter anderem: — Einzelne Klicks vor- und zurückschalten, — Kapitel vor- und zurückschalten, — Sämtliche Informationsträger mit Zusatzinformationen ein- und ausblenden — Screenshots erzeugen — Die Präsentation steuern (Start/Stop, Play/Pause) — Den Viewpoint und Animationen mit einem Klick än-dern/ weiterschalten — Klicks über einen Zeitverlauf automatisch weiterschalten 784Reimund Neugebauer, Volker Wittstock, René Heinig, Tino Riedel & Eckhart Wittstock     Abbildung 2:   Interaktionsgerät – FlystickAbbildung 3:   Interaktionsgeräte – umgebaute Wii-Remote (links mit Zusatzaufsatz, rechts ohne)785VR-basierte Serviceanwendungen als Produkt im Werkzeugmaschinenbau Außerdem wurde eine graﬁsche Desktopoberﬂäche geschaffen, um auch am Desktop PC die Präsentation steuern und die Wii-Remote konﬁgurieren zu können (siehe Abbildung 4).Beispielanwendung „Schulung von Instandhaltungspersonal“Der Projektpartner Niles Simmons (NSI), ein multinationaler Werk-zeugmaschinenhersteller, bietet 3 Arten von Schulungen zur ver-kauften Maschine an, dies sind Instandhalterschulungen, Bediener-schulungen und Programmierschulungen. Im Projekt wurden zwei Anwendungen für Instandhaltungsschulungen umgesetzt, da hier im konkreten Anwendungsfall das größte Potenzial für den Einsatz von VR gesehen wurde. Die erste Anwendung betraf die Hauptspin-deleinheit eines typischen NSI Bearbeitungszentrums. Gerade in diesem Bereich kommen die Vorteile der VR-Visualisierung sehr gut zum Tragen, da die Arbeitsweise der Spindel während des Betriebes durch einen Ölﬁlm und der für das Auge zu hohen Geschwindigkeit nicht erkennbar ist. Die zweite Anwendung betraf die Geometrieabnahme der Maschi-ne an sich. Diese muss bei Inbetriebnahme einer Maschine und nach einer Kollision innerhalb der Maschine, durchgeführt werden. Die Geometrieabnahme besteht dabei aus einer Vielzahl von ein-zelnen Schritten, wie Geometrievermessungen an Maschinenbett, Hauptspindel, Reitstock und Fräsaggregat. Dabei werden Messun-gen durchgeführt und die Messwerte analysiert, ob sie im Toleranz-bereich liegen. Falls Messwerte außerhalb des in der jeweiligen DIN-Vorschrift deﬁnierten Toleranzbereiches liegen, werden Maß-nahmen durchgeführt, wie z.B. Justierungen an Verstelleinheiten oder Auswechslungen von Bauteilen.ProblemeEin grundlegendes Problem für die Nutzung von VR im Werkzeug- maschinenbau ist das Fehlen von Schnittstellen, um 3D-Daten direkt zu verwenden. Aus diesem Grund müssen teilweise aufwendig Da-ten erzeugt oder konvertiert werden. Bei einer Konvertierung gehen häuﬁg bereits erstellte Animationen und Informationen zur Kinema-786Reimund Neugebauer, Volker Wittstock, René Heinig, Tino Riedel & Eckhart Wittstock     Abbildung 4:   VR-Presenter787VR-basierte Serviceanwendungen als Produkt im Werkzeugmaschinenbau tik verloren. Über zusätzliche Systeme müssen diese Informationen wieder neu erzeugt werden. Um 3-Modelle echtzeitfähig zu machen müssen für die VR-Aufbereitung häuﬁg Daten-Reduktionen vorge-nommen werden. Durch die Reduktion gehen häuﬁg Informationen zur Struktur verloren. Dies kann sich im späteren Verlauf, wenn sich diese Informationen als wichtig erweisen, als Problem herausstellen. CADSysteme bieten einen speziﬁschen Funktionsumfang, der sich speziell an die Bedürfnisse in der Konstruktion orientiert. Für eine Präsentation im Service-Bereich, in welchem häuﬁg auch externe Personen Adressat sind, werden noch zusätzliche Funktionalitäten, wie erweiterte Materialeinstellungen oder Touch-Sensoren an spe-ziellen Objekten, zur Interaktion benötigt. Diese müssen in dafür ge-eigneten Folge-Systemen erstellt werden. In Summe der Probleme, setzt die bisherige Nutzung durch den Endanwender, eine vorherige grundlegende Erstellung durch Experten voraus.Abbildung 5:   Schulungsanwendung788Reimund Neugebauer, Volker Wittstock, René Heinig, Tino Riedel & Eckhart Wittstock     Zusammenfassung und AusblickErfahrungen innerhalb des Projektes und Beobachtung der aktuel-len Entwicklung zeigen, dass professionell einsetzbare Lösungen für VR im Dienstleistungsbereich schrittweise näher rücken. Grö-ßere Fortschritte durch die ständige Weiterentwicklung von Inter-aktionsmöglichkeiten verbessern die Bedienung und machen den stetig wachsenden Funktionsumfang leichter nutzbar. Der Endanwender kann jedoch bisher ohne sich intensiv mit der Technik auseinanderzusetzen nur Details in einer fertigen Anwen-dung ändern. Dies zu verbessern durch die Schaffung von intuitiv bedienbaren Autorensystemen sind ein Schlüsselkriterium für die Durchsetzung und eine Vermarktung von VRSchulungen als neues Dienstleistungsangebot in einem hybriden Produkt zur Werkzeug-maschine.Forschungspotentiale existieren in der Konzeptionierung von kon-kreten Vorlagen für speziﬁsche Anwendungen und einem intuitiven Autorensystem insgesamt. Dieser Vorhaben wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und des Freistaates Sachsen gefördert.LiteraturverzeichnisHassan I., Sitter H., Schlosser K., Zielke A., Rothmund M., Gerdes B. 2005: A virtual reality simulator for objective assessment of surgeons’ laparoscopic skill. In: Der Chirurg; Zeitschrift für alle Gebiete der operativen Medizin, 76, 151–156Moshell M. 1993: Three views of virtual reality: virtual environments in the US military. In: Computer, 26, 81–82 Stone R., Caird-Daley A., Bessell K. 2008: SubSafe: a games-based training system for submarine safety and spatial awareness (Part 1). In: Virtual Reality, 13, 3–12Stark R., Hayka H., Israel J.H., Kim M., Müller P., Völlinger U. 2010: Virtuelle Produkt-entstehung in der Automobilindustrie. In: Informatik-Spektrum, 34, 20–28. Westkämper E., Runde C. 2006: Anwendungen von Virtual Reality in der Digitalen Fabrik – eine Übersicht. In: wt Werkstattstechnik online, 96, 99–103.789VR-basierte Serviceanwendungen als Produkt im Werkzeugmaschinenbau Neugebauer R., Weidlich D., Zickner H. 2006: Virtual Reality in der Werkzeugmaschinenindustrie - Praktische Anwendung und Forschung. In: ZWF-Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 9Neugebauer R., Klimant P., Wittstock V. 2010: Virtual-Reality-Based Simulation of NC Programs for Milling Machines. CIRP Design Conference 2010 Neugebauer R., Heinig R., Wittstock E., Jentsch S. 2011a: Virtual Reality im konstruktiven Einsatz. In: IT & Production, 11, 7Neugebauer, R., Heinig, R., Wittstock, E., Junghans, T., Riedel, T., Richter, A. 2011b: Enhancing Technical Training with Virtual Reality (Case Study), Proceedings of Annual International Conference “Virtual and Augmented Reality in Education” (VARE 2011)KontaktUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Reimund NeugebauerDr.-Ing. Volker WittstockDipl.-Wirt.-Inf. René HeinigDipl.-Ing. (FH) Tino RiedelDipl.-Wirt.-Ing. Eckhart WittstockTechnische Universität ChemnitzProfessur für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik09113 Chemnitzhttp://www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch/790

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