Produktionssysteme

Abbildung von Kinematik mit leichtgewichtigen Datenformaten

Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Dipl.-Inf. Florian Gerhardt, Dipl.-Ing. Torsten Gilz Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Technische Universität Kaiserslautern

Leichtgewichtige Datenformate gewinnen im Kontext der Virtuellen Produktentwicklung zunehmend an Bedeutung. Zwar bieten Formate wie 3D XML, JT und PRC Konstrukte zur Abbildung Prozess relevanter Daten, doch fehlen noch immer Möglichkeiten, um die in vielen Downstream-Prozessen essentiell wichtigen, kinematischen Informationen zur Verfügung zu stellen. Dabei könnten sich Container, die zur Speicherung der Produktstruktur verwendet werden, künftig Format übergreifend auch als Träger solcher kinematischer Daten erweisen.

Globalisierte Märkte und verteilte Entwicklungsnetzwerke verlangen Zugang zu kostengünstigen und effektiven Methoden zur Bereitstellung von Produktdaten für eine Vielzahl von Bereichen und Interessensgruppen. Während sich Prozesse von heute oftmals auf native CAD-Dateien stützen, ist ein Paradigmenwechsel hin zur Integration von leichtgewichtigen Datenformaten erkennbar. Hierbei erweist sich speziell JT (Jupiter Tessellation) als heiß diskutiertes und anerkanntes Format. Die erfolgreiche Einleitung der ISO-Standardisierung von JT treibt die Akzeptanz weiter voran. Des Weiteren wurden im Rahmen einer Prostep iViP Verein / Verband der Automobilindustrie (VDA) Projektgruppe (JT Workflow Forum) Anforderungen an den Einsatz von JT in der Industrie in Form von Use Cases definiert. Der Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) engagierte sich als Partner in diesem Projekt. In einem weiteren Prostep iViP Verein / VDA Projektgruppe (JT Translator Benchmark) wurden relevante Systeme und JT Translatoren auf die Qualität der von ihnen erzeugten JT Daten überprüft. Da alle Beteiligten den größten Klärungsbedarf im Umfeld der klassischen Datenaustauschszenarien sahen und testen wollten, wie weit sie sich bei der Umsetzung der erarbeiteten Use Cases bereits auf die in ihren Häusern derzeit im Einsatz befindlichen Systeme und Konverter stützen können, wurde beim ersten Benchmark ein eher pragmatischer Ansatz gewählt.

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Auf Basis der erarbeiteten Dokumente und Ergebnisse lassen sich Rückschlüsse hinsichtlich der Unterstützung von Downstreamprozessen ziehen. Im Speziellen ist folgender Trend erkennbar: Trotz der insbesondere für die Downstream-Produktabsicherung wichtigen Rolle von kinematischen Informationen (speziell in der Automobilindustrie), ist ein Support für Kinematik-relevante Anwendungsfälle durch JT nicht gegeben. Stand heute existieren in JT, so wie in anderen leichtgewichtigen Datenformaten auch, keine expliziten Konstrukte zur Abbildung von Gelenken, Constraints und deren Attribute, so dass eine Umstellung von Prozessen insbesondere im Kontext von Einbauuntersuchungen oder Mehrkörpersimulationen undenkbar erscheint.

Erst wenn sich idealerweise die gesamtheitliche Downstream-Prozesskette durch ein solches Datenformat bedienen lässt, kann das volle Potential ausgeschöpft werden; denn nur dann wird es möglich, auch die Zulieferer-Anbindung neu auszurichten. Ist im Datenaustausch über die Unternehmensgrenzen hinweg ein Format wie JT einsetzbar, eröffnet sich – sofern Schnittstellen vorhanden sind – eine hochgradige Optimierung der Wertschöpfung: Die Konvertierung von Konstruktionsdaten in eine oftmals große Menge unterschiedlicher Zielsysteme bleibt erspart. Ziel ist es also, auch Prozesse auf Basis kinematischer Daten bedienen zu können. Hierfür wird ein Vorgehen vorgestellt, das die Abbildung solcher Informationen über die Produktstruktur erlaubt. Nahezu alle etablierten, leichtgewichtigen Formate aus dem CAD-Umfeld bieten neben der Möglichkeit zur Speicherung von tessellierter und/oder exakter Geometrie auch Konstrukte zur Übertragung hierarchischer Produktstrukturen. Somit ist die Anwendbarkeit des vorgestellten Konzepts auf unterschiedliche Datenformate übertragbar.

Zur Durchführung kinematischer, beziehungsweise im weiteren Sinn auch dynamischer Simulationen, kommen neben CAD-Systemen selbst auch speziell für diese Zwecke entwickelte Beschreibungssprachen mit dazugehörigen Entwicklungsumgebungen zum Einsatz. Hierzu gehören beispielsweise Modelica sowie das weit verbreitete Matlab/Simulink der Firma The Mathworks, Inc. Zur vereinfachten Überführung konstruierter Daten existieren Schnittstellen in oft Standard-konforme Zwischenformate (etwa XML), die dann wiederum der automatischen Generierung eines Simulationsmodells gerecht werden. So stehen beispielsweise für Pro/Engineer Wildfire, Autodesk Inventor und Solidworks kostenfreie Translatoren zur Erstellung so genannter Physical Modelling XML-Dateien zur Verfügung, die anschließend zur Erstellung eines Simmechanics TM Blockdiagramms mitsamt Standard-Tessellation-Language (STL) Visualisierung verwendet werden können. STL ist ein Quasi-Standard zur Beschreibung facettierter (Dreiecke) Oberflächen.

Die Brücke der angesprochenen, leichtgewichtigen Datenformate zu solchen Zwischenformaten, beziehungsweise Direktschnittstellen in entsprechenden Umgebungen, ist auf Grund der fehlenden Konstrukte für kinematische Inhalte bis jetzt noch nicht geschlagen worden. Im Folgenden wird das Konzept zur Abstraktion der Produktstruktur in einer allgemeinen Form dargestellt.

Die Produktstruktur, in erster Linie bestehend aus Baugruppen und Einzelteilen zur Gliederung der geometrischen Komponenten, kann um einen kinematischen Dummy-Knoten ergänzt werden. Dieser gibt an, dass es sich bei nun untergeordneten Konten um kinematische Elemente handelt, im Speziellen um so genannte Constraints (Einschränkung der Freiheitsgrade).

Hierbei wird zwischen Gelenken und Fixierungen (Befestigung eines Körpers etwa durch Verschweißung) unterschieden, wobei für beide Gruppen eine Unterbaugruppe in der bestehenden Struktur verknüpft wird. Gelenke werden jeweils durch die Erzeugung eines weiteren Knotens und einer Reihe von Schlüssel-Wert Paaren spezifiziert. Hat jeder geometrische Körper in der Produktstruktur eine eindeutige Identität, was in den meisten leichtgewichtigen Datenformaten der Fall ist, können Quell- und Zielkörper (Links) über entsprechende ID-Werte sehr einfach referenziert werden. Zu den Schlüssel-Wert-Paaren kommt eine Reihe von Kindern für die primitiven Verbindungen hinzu, die in ihrer Kombination ein komplexeres Gelenk definieren. Wird dem Gelenk-Knoten lediglich eine primitive Verbindung als Kind hinzugefügt, handelt es sich um ein primitives Gelenk. Die folgenden primitiven Verbindungen bilden die Basis eines kinematischen Systems: Translation entlang einer Achse und Rotation um eine Achse.

Komplexere Gelenke charakterisieren sich durch sequentielle Aneinanderreihung primitiver Verbindungen. Ein Kugelgelenk ist beispielsweise eine Kombination aus drei Drehgelenken. Man spricht hier von zusammengesetzten Gelenken. Zur Abbildung eines zusammengesetzten Gelenks ist eine repräsentative »Unterbaugruppe« mit untergeordneten Knoten für die entsprechend primitiven Gelenke zu erstellen. Zur prototypischen Darstellung des Konzepts können zusammengesetzte Gelenke vernachlässigt werden.

Zur Realisierung wurde auf das JT Datenformat mitsamt JT Open Toolkit zurückgegriffen. September 2009 wurde offiziell bekannt, dass die Spezifikation von JT als Publicly Available Specification (ISO/NP PAS 14306) veröffentlicht wird. Damit wurde eine wesentliche Voraussetzung zur breiteren Akzeptanz des Formates geschaffen, und eine verbesserte Unterstützung im Kontext unterschiedlicher Software-Applikationen im Umfeld Product Lifecycle Management (PLM) ist über die nächsten Jahre zu erwarten.

Eine eigens entwickelte Workbench auf Basis von JT dient zur Darstellung von Produktstruktur und Geometrie. Die Implementierung einer minimal gehaltenen Workflow-Technik leitet den Anwender durch die Definition primitiver Gelenke und Fixierungen auf Basis von Referenzgeometrie. Für die vorangehende Erstellung von JT (aus CAD heraus) ist also darauf zu achten, dass die Option für den Export der Referenzgeometrie aktiviert ist. Durch so genannte void-Pointer lässt sich jedem Workflow-Schritt ein Verweis auf den durch interaktive Picking-Mechanismen ausgewählten Körper, beziehungsweise die ausgewählte Referenzgeometrie hinterlegen.

Nach Durchlaufen des Workflows kann darauf zurückgegriffen und das kinematische Element erstellt werden. Hierbei überprüft eine Workbench Kontrollinstanz, ob die geladene JT-Datei schon eine Produktstrukturerweiterung nach obig beschriebenem Konzept enthält. Wird beim Durchlaufen der Knoten auf erster Ebene der hierarchischen Struktur kein Baugruppen namens virt:kin gefunden, so kann sie inklusive Unterbaugruppe virt:kin:constraints sowie deren Kinder virt:kin:joints und virt:kin:fixes angelegt werden. Hierbei wird, sowie zur anschließenden Erstellung des Gelenks beziehungsweise der Fixierung mit entsprechenden Eigenschaften, auf JT Open Toolkit Funktionalität zurückgegriffen. Dabei interessiert insbesondere der Verweis auf betroffene Körper. Das JT-Format enthält für jeden Knoten der Produktstruktur (JtkHierarchy) einen eindeutigen Ganzzahl-Identifier. Die IDs der betroffenen geometrischen Knoten werden bei Erstellung des kinematischen Elementknotens in den Properties hinterlegt. Selbiges gilt für die Primitive definierenden Attribute, etwa die Wirkachse einer translatorischen Verbindung. Zur weiteren Verwendung definierter kinematischer Elemente, etwa in einer Mehrkörpersimulation (MKS), sind zusätzliche auf Körper bezogene Attribute unabdingbar. Hierzu gehören beispielsweise Masse, Dichte, Gewicht, Volumen, Schwerpunkt und Masseträgheitsmoment. Während der Export aus CAD nach JT solche Attribute (in JT spricht man von Eigenschaften) Stand heute nicht zur Verfügung stellt, sind dennoch folgende Szenarien zu deren Berücksichtigung denkbar: Anpassung oder auch Erweiterung der Translatoren, Manuelles Nachladen und Berechnung auf Basis exakter Geometrie und Materialien.

Im Rahmen der prototypischen Realisierung wurde die zweite Lösung am Beispiel von Siemens PLM Nxtm 6 implementiert. Ergebnisse von Messungsberechnungen bezüglich relevanter Körper können als Ascii-Datei hinterlegt und gefiltert in die Workbench geladen werden. Einem jeweiligen Parse-Vorgang folgt die Bereicherung des aktuell ausgewählten geometrischen Knotens um entsprechende Eigenschaften (Properties). Funktionen zur Berechnung und Anzeige (und somit Speicherung) dieser Attribute finden sich in auch in weiteren CAD-Systemen wieder.

Ist der geladene JT Inhalt um kinematische Informationen ergänzt, so kann daraus ein für die MKS-Simulation gängiges Zwischenformat abgeleitet werden, sofern für das ausgewählte System keine direkte JT Eingabeschnittstelle zur Verfügung steht. Die entwickelte Workbench erlaubt eine automatische Generierung von Physical Modelling XML (Physmod) für die darauf aufbauende Simmechanics Simulation. Hierfür wurde ein an Physmod angelehntes Datenmodell spezifiziert und implementiert. Bei Anstoßen des Exportvorgangs wird dieses instanziiert. Im Anschluss wird unter Zuhilfenahme einer XML-Bibliothek schrittweise ein Document Object Model (DOM) Baum erzeugt und gespeichert.
Abbildung 4 veranschaulicht erneut die prototypische Realisierung des vorgestellten Konzepts auf Basis der entwickelten Workbench. Mit der Möglichkeit zur Definition und Überführung primitiver Gelenke ist ein erster Schritt zur Unterstützung von Kinematik mit JT getan. Obwohl sich komplexere Gelenke durch eine Kombination der schon implementierten zusammensetzen, muss eine Definition dieser künftig jedoch noch ermöglicht werden.

Damit sich das vorgestellte Konzept bewähren kann, ist dessen Implementierung in Translatoren (speziell aus CAD heraus) notwendig. Hierfür bedarf es einer Einigung hinsichtlich der Begrifflichkeiten. Der Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung arbeitet an einer ›best-practice‹ Guideline. Nur so werden die kinematischen Daten zwischen Translatoren unterschiedlicher Anbieter weitergegeben und folgerichtig interpretiert.

Unabhängig von JT ist das Konzept übertragbar auf beliebige Datenformate, insofern Konstrukte zur Speicherung der Produktstruktur zur Verfügung stehen. -sg-

Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern Tel. 0631/2053686, http://vpe.mv.uni-kl.de

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