Entwicklung eines Sicherheitssystems für Clay-Designmaschinen

Abstract

Die Formgestaltung der Karosserien und der Innenräume im Automobildesign wird bis heute mithilfe von Clay-Fahrzeugmodellen im Maßstab 1:1 entwickelt. Im Laufe der Designentstehung wird der Entwurf von den Modellierenden mehrfach überarbeitet, bevor das endgültige Design festgelegt wird. Da die Bearbeitung eines Modells aus Clay viel Aufwand erfordert, wird die Form mit Designmaschinen gefräst, während die Designenden mit der Hand an den Details arbeiten. Aus diesem Grund sind diese Modelliermaschinen frei zugänglich. Trotz des geschulten Personals bleiben in der gemeinsamen Zusammenarbeit Restgefahren bestehen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll ein nachrüstbares Sicherheitssystem entwickelt werden, welches Personen im Arbeitsraum der Maschine detektiert und in Abhängigkeit der relativen Position zwischen Mensch und Maschine auf deren Annäherung reagiert. Im ersten Schritt wurden die Hersteller- und Kundenanforderungen ermittelt und in einer Risikoanalyse der erforderliche Performance-Level bestimmt. Anschließend entstand das finale Systemkonzept mit zweidimensionalen, sicherheitszertifizierten Laserscannern und einer sicherheitskritischen Steuerung. Das automatische Teach-In-Verfahren, welches zum Scannen des Maschinenraumes einschließlich der platzierten Modelle dient und die Form und Größe der zu überwachenden Zonen berechnet, wurde selbstständig entwickelt. Diese Kerntechnologie sowie der Personenerkennungsmechanismus wurden an der TU Wien im Messlabor am Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien auf deren grundlegende Funktionen geprüft. Abschließend wurde ein Prototyp beim Maschinenhersteller aufgebaut, unter realen Bedingungen getestet und kritisch beurteilt. Das System ist in der Lage, seine Umgebung innerhalb weniger Minuten zu erfassen und diese dynamisch zu verfolgen. Nähert sich eine Person der Gefahrenstelle, verfährt die Anlage mit einer reduzierten Geschwindigkeit. Wird ein kritischer Mindestabstand unterschritten, wird die Maschine sicher angehalten. Es müssen jedoch enge, von der Norm abweichende Mindestabstände zur Gefahrenstelle definiert werden, um eine praktikable Kollaboration zu gewährleisten. Zukünftig soll die Kerntechnologie weiterentwickelt und das System mit weiteren Hardwarekomponenten ergänzt werden, bis die Sicherheitseinrichtung alle für die Maschinensicherheit erforderlichen Richtlinien erfüllt und in einem marktfähigen Zustand vorliegt.

The formal design of car bodies and interiors in automotive design is still carried out with the help of clay vehicle models on a scale of 1:1. In the course of the drafting process, the design is revised several times before the final shape is determined. Working on a clay model requires a lot of effort, hence the mold is milled with design machines while the designers work on the details by hand. For this reason, the modeling machines are freely accessible. Despite the trained personnel, residual dangers remain in the collaboration. Within the scope of this thesis, a retrofittable safety system is to be developed, which detects persons in the working area of the machine and reacts to their approach depending on the relative position between human and machine. In the first step, the manufacturer and customer requirements were researched, and the required performance-level was determined in a risk analysis. Following this step, the final concept of the system was created, consisting of two-dimensional, safety-certified laser scanners and a safety-critical control system. The self-developed automatic teach-in-procedure is used for scanning the operating range of the machine and the various clay-models placed in this area. Based on this scan data, the shape and size of the zones to be monitored are calculated. The basic functions of this core technology as well as the person recognition mechanism were tested in the measurement laboratory at the Institute of Production Engineering and Photonic Technologies at Vienna University of Technology. Finally, a prototype was built at the machine manufacturer to be tested under real conditions and evaluated critically. The system is capable of learning its environment within minutes and tracking it dynamically. If a person approaches the defined danger zone of the milling tool, the system moves at a reduced speed. If the distance falls below the critical minimum, the machine is stopped safely. In order to ensure a practicable collaboration, the minimum safety distances required by the standard must be narrowed down. To achieve a marketable state, which meets all safety requirements, the core technology has to be further developed, and the system must be complemented with additional hardware units.