Software

Visualisierung und Dokumentation parametrischer Informationen von 3D-CAD-Modellen

Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens, M.Sc. M. Marchenko Leibniz Universität Hannover Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM), Garbsen Dr. M. Pleßow, R. Scheffler, M.Sc. G. Wrobel Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. (GFaI), Berlin

Die Gesamtarchitektur des VIPA-Systems ist modular aufgebaut und besteht aus drei Bausteinen: Modell-Scanner, Layout- System und grafische Benutzeroberfläche.
Aufgrund der verstärkten Zunahme des Einsatzes parametrischer 3D-CAD-Systeme in Großunternehmen der Umformtechnik wie der Automobilindustrie sind auch kleine und mittelständische Zulieferbetriebe gezwungen, derartige Systeme einzusetzen. Häufig wird insbesondere bei der Modellierung von komplexen Baugruppen ein umfangreiches Geflecht aus verschiedenen parametrischen Informationen und Parameterabhängigkeiten erzeugt, welches bereits für den Konstrukteur nur schwer überschaubar ist. Da CAD-Systeme nur eingeschränkt die Visualisierung parametrischer Zusammenhänge unterstützen, werden Fehlerbehebungen, Wiederverwendungen und Variantenkonstruktionen erheblich erschwert. Der nachfolgende Beitrag beschäftigt sich mit Methoden zur Gewinnung und Visualisierung aller im CAD-Modell enthaltenen parametrischen Informationen.

Im Sektor des Automobilbaus aber auch im allgemeinen Maschinenbau erfordern die immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen und eine zunehmende Anzahl von Produktvarianten speziell angepasste Produktionskonzepte. Gerade der Werkzeugbau in blechverarbeitenden Unternehmen ist durch die betriebene Unikatfertigung von der hohen Variantenvielfalt betroffen [GRI05]. Es unterscheiden sich nicht nur Werkzeuge verschiedener Bauteile erheblich voneinander, sondern bereits für eine Bauteilfamilie kommen verschiedene Varianten und damit Werkzeugausführungen in Frage. Seit mehreren Jahren nimmt der Einsatz moderner parametrisch arbeitender 3D-CAD-Systeme, die Modellmodifikationen über variable Größen (Parameter) steuern, stetig zu. Charakteristisch für ein vollständig parametrisches Geometriemodell ist die Möglichkeit, Abhängigkeiten zwischen einzelnen Parametern, Geometrieelementen, Baugruppen etc. zu definieren und damit den Aufbau und die Konstruktionslogik des Produktes zu gestalten [HOC02, SCH01]. Die Zunahme solcher 3D-CAD-Systeme in blechverarbeitenden Unternehmen ist in der hohen geometrischen Komplexität einzelner Blechbauteile sowie der dazugehörigen Werkzeuge begründet. Ferner ist die Blechumformung häufig durch mehrstufige Prozesse gekennzeichnet, bei denen sich eine parametrische Modellierung als Grundlage von Anpassungs- und Variantenkonstruktionen besonders bezahlt macht [EVE01, GRI02].

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Neueinsteiger, aber auch Konstrukteure mit großer Erfahrung im Umgang mit CAD-Systemen, stehen vor der schwierigen Aufgabe, die sehr umfangreichen Funktionen der parametrischen 3D-CAD-Systeme effektiv zu nutzen. Häufig entsteht insbesondere bei der Modellierung von komplexen Baugruppen ein komplexes Geflecht aus verschiedenen parametrischen Informationen und Parameterabhängigkeiten, welches bereits für den erzeugenden Konstrukteur nur schwer überschaubar ist. Für Bearbeiter, die mit diesem CAD-Modell nicht vertraut sind, ist die weitere Nutzung nahezu unmöglich [SCH01, VAJ04]. Bislang existiert kein geeignetes Hilfsmittel, um die zahlreichen sich ergebenden Abhängigkeiten innerhalb eines parametrisch aufgebauten 3D-CAD-Modells automatisiert und anschaulich zu visualisieren und zu dokumentieren. Es werden lediglich Baumdarstellungen angeboten, in denen über Modell-Elemente navigiert werden kann.

Analyse parametrischer Informationen und Datenaufbereitung

Komplexere Beziehungen erschließen sich dem Konstrukteur darin nur schwer. Das Ziel des Forschungsvorhabens »Visualisierung und Dokumentation parametrischer Informationen von 3D-CADModellen für Blechumformwerkzeuge« ist daher die Entwicklung einer Methodik zur Gewinnung und zur geeigneten Visualisierung aller im CAD-Modell enthaltenen parametrischen Informationen.

Seit den 80er Jahren existieren auf dem Markt zahlreiche parametrische 3D-CAD-Systeme [BEH04]. Für die Untersuchung innerhalb des Forschungsvorhabens wurde Catia V5 ausgewählt, da die Konstruktion von Blechumformwerkzeugen häufig mit diesem System durchgeführt wird. Die Visualisierungskonzepte und die erarbeitete Methodik können aber auch ausgehend von anderen parametrischen 3D-CAD-Systemen wie NX Unigraphics oder Pro/Engineer eingesetzt werden. In Catia V5 können Volumen- und Flächenmodelle parametrisch-assoziativ konstruiert werden. Die Parameter ermöglichen die Verwendung konstanter oder variabler Größen zur Definition von Eigenschaften in einem Bauteil oder einer Baugruppe. Eine Assoziativität stellt eine Verbindung zwischen verschiedenen CAD-Elementen her und erstellt Referenzen auch über die Modellgrenzen hinweg. Für die Visualisierung parametrischer Informationen konnten in Catia V5 fünf Arten von CAD-Elementen klassifiziert werden:

Strukturelemente realisieren eine Eltern-Kind-Beziehung und bilden somit ein hierarchisches Modell.

Geometrische Elemente können sowohl 2D-Geometrien sein als auch komplexe 3D-Features darstellen.

Parameter sind konstante oder variable Größen zur Definition von geometrischen oder nicht geometrischen Eigenschaften im 3D-CAD-Modell.

Abhängigkeiten sind Assoziativitäten in einem 3D-CAD-Modell.

Schnittstellen dienen dem Austausch von Informationen zwischen den Bauteilen oder Baugruppen.

Die Aufgabe des Modell-Scanners ist das Auslesen, das Analysieren und das Speichern eines CAD-Modells in einem CAD-systemunabhängigen Datenformat. Zur Speicherung von hierarchisch strukturierten Daten ist die Extensible Markup Language (XML) sehr gut geeignet. Der Modell-Scanner implementiert die CAD-Schnittstelle und kann an eine beliebige CAD-Software angepasst werden. Das Layout-System hingegen interpretiert die XML-Datei und stellt parametrische Informationen samt Abhängigkeiten übersichtlich auf dem Bildschirm dar. Über die grafische Benutzeroberfläche kann der Konstrukteur die Darstellung anpassen und als Bilddatei speichern, um diese dann in externen Applikationen – etwa zur Dokumentation des Modells – weiter zu verwenden.

Die verschiedenen Visualisierungsformen

Die Entkopplung des analysierenden Moduls (Modell-Scanner) vom interpretierenden Bestandteil (Layout-System) ist notwendig, damit die Visualisierung CAD-systemunabhängig bleibt. Dies erfordert aber auch ein CAD-systemunabhängiges Datenmodell zur Speicherung parametrischer Informationen. Zur Realisierung des Datenmodells und zur Implementierung des Gesamtsystems inklusive der Visualisierungsformen wird auf ein existierendes Softwareframework aufgebaut [WRO07].

Die Aufgabe der Visualisierung ist es, die Modellzusammenhänge leicht verständlich darzustellen. Einige Anforderungen müssen hierzu umgesetzt werden: Modell-Elemente sind durch aussagekräftige Symbole zu visualisieren. Elemente, die in einem Zusammenhang stehen, sollen räumlich nah beieinander dargestellt werden. Verbindungen zwischen Elementen sollen möglichst kurz und kreuzungsfrei verlaufen. Und die Darstellung soll auch bei strukturellen Veränderungen (z. B. Ein- oder Ausblenden von Elementen) topologisch stabil bleiben, damit die Wiedererkennbarkeit gewährleistet ist.

Zur Lösung der Aufgabenstellung sind die zwei Visualisierungsformen Parameter-Bäume und Parameter-Pläne im Rahmen des Projekts entwickelt worden. Für eine übersichtliche Visualisierung wurden entsprechende Layoutverfahren (für Platzierung und Routing) erarbeitet.

CAD-Modelle haben einen hierarchischen Aufbau, der sich als Baum übersichtlich visualisieren lässt (vgl. Konstruktionsbaum in CATIA V5). Darüber hinaus sind die Modellelemente durch Abhängigkeiten über die Hierarchiestufen hinweg miteinander verknüpft. Die Schwierigkeit der Visualisierung besteht darin, neben der Hierarchie diese Beziehungen übersichtlich darzustellen. Eine vollständige Abbildung aller Parameter und Abhängigkeiten eines komplexen CAD-Modells würde den Betrachter allein durch die Menge der Elemente überfordern. Daher ist ein interaktiv-selektiver Ansatz erforderlich.

Blick auf den Parameter-Baum

Die Visualisierungsmethode Parameter-Baum verfolgt zwei Strategien: Einerseits die einfache und intuitive Darstellung der Modellhierarchie und andererseits die Hervorhebung der zusätzlichen Abhängigkeiten.

Die hierarchische Struktur des eingelesenen Modells wird in einer typischen Baumdarstellung visualisiert. Diese Visualisierungsform bietet grundlegende Interaktionen, um im Modell zu navigieren: Expandieren, Zuklappen oder Markieren von Baumelementen. Die gewählte Baumdarstellung garantiert weitgehende topologische Stabilität: Der Baum dehnt sich beim Expandieren nur in einer Dimension aus.

Die Besonderheit des Parameter-Baums besteht in der doppelten Darstellung. Dies erlaubt es, die Abhängigkeiten zwischen den Bäumen einzuzeichnen. Dadurch werden neue Interaktionsformen ermöglicht: Der Fokus der Darstellung liegt zunächst auf einem Modellelement. Der Konstrukteur kann die dargestellte Abhängigkeit zur Navigation in den anderen Baum hinein benutzen und durch Wiederholung der Interaktion auch indirekte Abhängigkeiten durch das Modell verfolgen. Ein so beschrittener Weg kann aufgezeichnet und in Form eines Parameter-Planes visualisiert werden.

Parameter-Plan visualisiert Vernetzungen

Während bei den Parameter-Bäumen eine einzelne Abhängigkeit mit ihren zugehörigen Elementen im Mittelpunkt steht, werden in Parameter-Plänen Vernetzungen verschiedener Abhängigkeiten visualisiert. Ausgehend von einer im Parameter-Baum dargestellten Abhängigkeit werden alle beteiligten Elemente um das Beziehungselement herum unterteilt nach Input- und Output-Elementen platziert und verbunden. Die Verbindungspfeile verdeutlichen die Richtungsabhängigkeit einzelner Elemente. Der Aufbau der Elemente wird durch hierarchische Elementsymbole dargestellt, deren identische Hierarchiestufen durch Balken verbunden werden.

Von den dargestellten Modell-Elementen ausgehend können durch Interaktionen weitere Beziehungen angezeigt werden. Gehen die Beziehungen nicht direkt von einem dargestellten Modell-Element sondern von einem in dessen Hierarchie weiter oben gelegenen Element aus, wird die Anzahl der Hierarchiestufen durch Querstriche an den Beziehungspfeilen verdeutlicht. Auf diesem Wege können komplexe Vernetzungen von Parameterabhängigkeiten visualisiert werden.

Durch die geschaffene Lösung wird ein Beitrag geleistet, Konstruktionswissen allen potentiellen Beteiligten im Unternehmen jederzeit in elektronischer Form bereit zu stellen und somit die Entwicklungszeit zu verkürzen. Die vorgestellten Visualisierungsformen werden in nächsten Arbeitsschritten in einen Software-Demonstrator implementiert. Weitere Tätigkeiten werden sich der Optimierung der CAD-Schnittstelle, des Layouts und weiteren Interaktionsmöglichkeiten widmen. Durch den allgemeinen Systemansatz können die Lösungen auch auf andere CAD-Systeme übertragen werden. Auch in Zukunft wird insbesondere im Hinblick auf ein in der Entwicklung durchgängig greifendes Wissensmanagement die vorgestellte Lösung für eine Dokumentation komplexer Werkzeugkonstruktionen an Bedeutung gewinnen. Ferner sind kontinuierliche Qualitätsverbesserungen der zu entwickelnden Modelle durch den konsequenten Einsatz solcher Methoden zu erwarten. Aktuelle Informationen zum Projekt unter http://www.ifum.uni- http://hannover.de/vipa/. -sg-

Literatur
[EVE01] Eversheim, W.; Aßmus, D.; Weber, P.: Parametrik als Grundlage für eine integrierte Produkt- und Prozessentwicklung. Werkstattstechnik 91 (2001), Heft 3, S. 112-116.

[GRI02] Griesbach, B.; Hochholdinger, P.; Knott, S.; Kaltenecker, M.: Visionen des Audi Werkzeugbaus. 17. Umformtechnisches Kolloquium Hannover, 2002.

[GRI05] Griesbach, B.: Innovationen im Werkzeugbau. 18. Umformtechnisches Kolloquium Hannover, 2005.

[HOC02] Hochgeladen, R.: Wissensintegration in der Praxis. CAD-CAM-Report (2002), Heft 12, S. 16-21.

[SCH01] Schenke, F.: Methodik zur parametrischen Konstruktion - Ein Beitrag zur integrierten Produkt- und Prozessgestaltung, Shaker Verlag, Dissertation Aachen, 2001.

[VAJ04] Vajna, S.; Klette, G.: Wissensbasierende Erzeugung von Bohrungen. CAD-CAM-Report (2004), Heft 7, S. 16ff.

[WRO07] Wrobel, G.; Ebert, R.-E.; Pleßow, M.: Graph-Based Engineering Systems. Electronic Communications of the EASST, Volume 6 (2007), Hrsg.: EASST e.V., Berlin, 2007.

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