Modellierung und Visualisierung
von zerspanenden Prozessen

Die Virtual Machining Library (VML) der RISC Software GmbH, Hagenberg (Österreich), ist eine C++-Software-Bibliothek. Sie implementiert neue Algorithmen zur Simulation und Visualisierung der Werkstückbearbeitung, mit denen es möglich ist, Bearbeitungsprozesse mit den für die industriellen Anwendungen notwendigen Genauigkeiten in Echtzeit zu simulieren.

Für die interaktive Visualisierung der komplexen Geometriemodelle kommen neue massiv parallele Algorithmen zur Anwendung, die das Potenzial moderner, hybrider Hardware-Architekturen wie Multi-Core Central Processing Units (CPUs) und Graphic Processing Units (GPUs) bestmöglich nutzen. Im Vergleich zu Implementierungen für konventionelle Rechnerarchitekturen bietet die Virtual Machining Library eine skalierbare Leistungsfähigkeit und ermöglicht Echtzeitvisualisierungen der Werkstückbearbeitung in Full-HD-Auflösung (1920x1080 Pixel).

Leistungsfähigkeit

Die resultierenden geometrischen Modelle sehr detailreicher Werkstücke bestehen aus mehreren hundert Millionen Oberflächenelementen. Das implementierte Verfahren ermöglicht auch nach mehreren 100.000 Bearbeitungsschritten sowohl die Berechnung der geometrischen Operationen als auch die Visualisierung interaktiv in Echtzeit. Im Unterschied zu etablierten Verfahren, die sehr oft auf geometrischen Approximationen (zum Beispiel Voxelmodelle) oder numerischen Verfahren (beispielsweise Verschneidungen der beteiligten Oberflächenmodelle) basieren, implementiert die Virtual Machining Library ein neuartiges, geometrisch exaktes und algorithmisch robustes Visualisierungsverfahren. Dieses zeichnet sich insbesondere durch seine herausragende Darstellungsgenauigkeit und Echtzeitfähigkeit aus.

Funktionsprinzip

Die Grundlage für die Leistungsfähigkeit der Virtual Machining Library bilden die drei Komponenten Hüllvolumenberechnung, Modellierungskern und Visualisierungskern. Am Beginn der Bearbeitungssimulation wird der Modellierungskern mit der Rohteilgeometrie (in Form eines Dreiecksnetzes) initialisiert. Für jeden Bearbeitungsschritt ermittelt die Hüllvolumenberechnung basierend auf der Werkzeuggeometrie und dem aus der Bewegung resultierenden Werkzeugpfad (in Form der Transformationsmatrizen) den vom Werkzeug durchquerten Raum als Hüllvolumen (in Form eines Dreiecksnetzes). Jedes dieser Hüllvolumen wird auf den Modellierungskern angewendet, worauf dieser die Werkstückgeometrie aktualisiert. Dabei führt der Modellierungskern eine geometrische Subtraktion zwischen Werkstückgeometrie und Hüllvolumen durch, sodass man in diesem Zusammenhang das Hüllvolumen auch als Abzugsvolumen bezeichnet.

Innerhalb des Modellierungskerns sorgt eine effiziente Raumpartitionierung dafür, dass nicht zur finalen Oberfläche beitragende Geometrieteile entfernt werden können. Diese Strategie ermöglicht es, dass bei einer steigenden Anzahl von Abzugsvolumen, die Anforderungen hinsichtlich einer interaktiven, echtzeitfähigen Visualisierung erfüllt werden können und das Wachstum des Speicherbedarfs moderat bleibt. Um die aktuelle Werkstückgeometrie darstellen zu können, kann jederzeit mittels des Visualisierungskerns für eine Kameraperspektive eine Dreiecksnetzrepräsentierung angefordert werden, welche dann in ein bestehendes Visualisierungsystem integriert werden kann. Der Visualisierungskern benutzt ein angepasstes Raytracing-Verfahren, um das Geometriemodell des Modellierungskerns zu verarbeiten. Die verwendeten massiv parallelen Algorithmen können, basierend auf einem flexiblen Treibermodell mit alternativen Implementierungen, das Potenzial moderner Hardware-Architekturen (Multi-Core CPUs und GPUs) bestmöglich ausnutzen.

Flexibilität

Da die generische Schnittstelle der Virtual Machining Library einen einfachen Datenaustausch ermöglicht, ist eine Integration in ein bestehendes CAM-System auf einfache Art und Weise möglich. Die aus der Bearbeitung des Werkstücks resultierenden Werkzeugpfade unterliegen hinsichtlich der Bewegungen keinerlei Einschränkungen. Das heißt, die Virtual Machining Library ist dadurch auch für 5-Achs-Bearbeitung bestens geeignet.

Die Virtual Machining Library ist sowohl für CAM-System-Hersteller als auch für Werkzeugmaschinenhersteller aufgrund der Leistungsfähigkeit und der einfachen Integration interessant. Das Produkt ist ab Frühjahr 2015 verfügbar und kann im Bedarfsfall an kundenspezifische Wünsche angepasst werden. EIn Arbeitsschwerpunkt der RISC Software GmbH liegt in der Simulationserstellung für zerspanende Bearbeitungsprozesse. Die Dienstleistungen umfassen einerseits die Implementierung exklusiver Lösungen als auch die Adaptierung an bestehende Systeme.