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SmARt Factory: Planen, Analysieren und Visualisieren

Mixed-Reality-Apps für die Industrie 4.0


Dieser Artikel soll die Potenziale und Grenzen von Mixed Reality im Kontext der Indus-trie 4.0 aufzeigen. Im Rahmen des Projekts SmARt Factory wurde ein Proof of Concept zur Anlagenplanung mit Hilfe eines fischertechnik-Anlagenmodells entworfen. Aus technologischer Sicht wurden die Protokolle MQTT, OPC UA sowie Amazon Web Services und eine speicherprogrammierbare Steuerung von Siemens verwendet.

Durch den digitalen Wandel kommt es in der indus-triellen Produktion und im Dienstleistungsbereich zu Wandlungsprozessen, die sich auch auf die Fabrikplanung auswirken. Die Globalisierung der Produktion, steigender Kostendruck und die zunehmende Marktdynamik zwingen Industrieunternehmen zu Anpassungen an Fertigungsprozessen und Fabrikstrukturen [1]. Im Weiteren verändert sich das Kaufverhalten der Kunden und die Nachfrage nach individuellen Produkten steigt, wodurch sich auch die Produktionszyklen verkürzen. Durch diese wechselnden Anforderungen entstehen neue Herausforderungen für die Fabrikplanung. Diesen Herausforderungen muss die Industrie mit flexiblen Planungs- und Fertigungsprozessen begegnen. In der Fa-brikplanung lassen sich virtuelle Techniken, wie bspw. Augmented Reality (AR), Mixed Reality (MR) oder Virtual Reality (VR) immer dann sinnvoll einsetzen, wenn räumlich geometrische Aufgaben durch den Menschen als Entscheidungsträger zu lösen sind. Virtuelle Techniken können in der Fabrikplanung, in der Gebäudeplanung oder der Produktionsanlagenplanung verwendet werden [2].

Dieser Artikel fokussiert sich vor allem auf die Planung von Produktionsanlagen mit Hilfe von MR. Im Weiteren stellt der Artikel eine prototypische Anwendung vor, die die Planung von Industrieanlagen anhand eines physischen Anlagenmodells von fischertechnik und einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) von Siemens veranschaulicht. Bei der Umsetzung der Anwendung wurde auch das sensor- und aktorbasierte Kommunikationssystem des physischen Anlagenmodells berücksichtigt. Es kann dabei mit Produktionsparametern der virtuellen Anlagenmodelle experimentiert werden, um das zukünftige Anlagenverhalten auszutesten und zu optimieren.

Was ist Mixed Reality?

Der Begriff Mixed Reality ist nicht eindeutig, deshalb wollen wir ihn zunächst einordnen. In diesem Zusammenhang werden auch immer wieder die Konzepte Augmented Reality und Virtual Reality genannt. Durch den technologischen Wandel verwischen die Grenzen zwischen diesen beiden Technologien immer mehr. Milgram u. a. [3] entwarfen das Reality-Virtuality Continuum (RVC), um die Konzepte für die Verschmelzung von virtuellen Komponenten mit der Realität zu klassifizieren. Die Abbildung 1 zeigt das Reality-Virtuality Continuum nach Milgram.

tinz_tinz_smart_factory_1.tif_fmt1.jpgAbb. 1: Reality-Virtuality Continuum (in Anlehnung an [3])

Die linke Seite des Kontinuums stellt eine Umgebung aus realen Objekten dar. Das rechte Ende des Kontinuums definiert eine Umgebung mit nur virtuellen Objekten. Der Bereich zwischen den beiden Enden wird als Mixed Reality bezeichnet, in welchem reale, aber auch virtuelle Objekte Verwendung finden. Das Kontinuum stellt also einen fließenden Übergang dar. Im linken Bereich des Kontinuums befinden sich Anwendungen, die die reale Welt mit virtuellen Objekten anreichern, deshalb der Begriff „Erweiterte Realität“ (Augmented Reality). Je weiter man sich nach rechts bewegt, desto stärker wird eine Anwendung durch virtuelle Objekte geprägt. Der rechte Bereich des Kontinuums ist durch eine virtuelle Umgebung mit realen Objekten gekennzeichnet, daher auch der Begriff „Erweiterte Virtualität“ (Augmented Virtuality). Der fließende Übergang zwischen den einzelnen MR-Bereichen macht es schwierig, eine Anwendung einem Bereich eindeutig zuzuordnen. Die Einordnung ist immer subjektiv, deshalb kann eine Anwendung mit verschiedenen Begriffen aus dem Kontinuum assoziiert werden.

Microsoft verwendet in Zusammenhang mit der Microsoft HoloLens häufig die Bezeichnung „Mixed Reality“. Aus diesem Grund werden wir in diesem Artikel diesen Begriff einsetzen.

Microsoft HoloLens 2

Die Erklärung der Funktionsweise und die technischen Details der Microsoft HoloLens 2 können der Mixed-Reality-Dokumentation von Microsoft [4] entnommen werden. Die HoloLens 2 ist ein Optical see-through Head-Mounted Display, wobei Microsoft die HoloLens 2 als Mixed-Reality-Brille bezeichnet. Ein Optical See-through Head-mounted Display (OSTHMD) hat die Charaktereigenschaft, dass man durch das Display hindurchsehen kann. Bei diesem Display ist die Sicht auf die Realität direkt, die virtuellen Objekte werden optisch eingeblendet.

SmARt Factory – eine prototypische Umsetzung zur Anlagenplanung

Im Rahmen des Projekts SmARt Factory wurden eine MR-App für die Microsoft HoloLens 1 und 2 sowie eine AR-App für das Apple iPad Pro entworfen. In diesem Artikel beschäftigen wir uns allerdings mit der Anwendung für die HoloLens 2. Zunächst stellen wir kurz die eingesetzte Software und Hardware vor. Anschließend beschreiben wir die prototypische Umsetzung für die Anlagenplanung.

Anlagenmodell ...

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