Fertigungsprozeßorientierte Geometriemodellierung unter dem
Aspekt der integrierten Informationsverarbeitung für CAD/CAPP
Ziel
Die CAD/CAPP-Integration.
Problemstellung
Die Integration von CAD- und CAPP-Systemen ist ein entscheidender Schritt zu einer durchgängigen
Informationsverarbeitung in der gesamten Produktion, welcher eine bilaterale, intelligente Kommunikation zwischen diesen beiden Systemwelten gewährleisten soll. Die Werkstückgeometrie nimmt einen großen Anteil des Informationsflusses innerhalb der technische Auftragsabwicklung eines Produkts ein. Der Konstrukteur legt sie z.B. mit Qualitätsmerkmalen fest, damit das Werkstück seine Funktionen erfüllen kann. Diese Geometrie repräsentiert den Fertigzustand des Werkstücks. Ausgehend von diesem Zustand haben Arbeitsplaner die Aufgabe, Fertigungsunterlagen und -anweisungen auszuarbeiten, aus denen eindeutig hervorgeht, woraus, wie, in welcher Reihenfolge, womit und in welcher Zeit ein Werkstück, eine Baugruppe usw. gefertigt und montiert werden soll. In der Arbeitsplanung ist man hauptsächlich mit der Werkstückgeometrie sowie ihrer Änderung konfrontiert. In Fertigung und Montage ist die jeweils aktuelle Geometrie Bezugsgegenstand für viele Tätigkeiten wie z.B. Kollisions- oder Qualitätskontrolle, Spannsituation etc.. Die Verarbeitung der geometrischen Informationen ist somit ein wichtiger Bestandteil der Aufgaben der Arbeitsplanung. Es handelt sich hierbei auch um prozeßorientierte Informationen, denn wie bei der späteren Herstellung verändert sich die Geometrie zu planender Werkstücke von einem Arbeitsvorgang zum nächsten. Da oft ausführliche, explizite Informationen über Werkstücke zur Steuerung automatisierter Fertigungsprozesse benötigt werden, interessiert einen Arbeitsplaner nicht nur ein (Fertig-) Zustand des Werkstücks, sondern auch alle Zwischenzustände, die für seine Planung relevant sind. Ihm steht jedoch nur das von der Konstruktion bereitgestellte Fertigteil (u. evtl. das Rohteil) auf dem Rechner zur Verfügung, alle benötigten Fertigungszwischenstufen sind nicht vorhanden und können auch nicht oder nur schwerlich erzeugt werden. Damit kann z.B. eine Kollisionskontrolle nur anhand der Fertigteil- oder Rohteilabmaße durchgeführt werden.
Lösungsansatz
Die Problematik, Zwischenzustände zu generieren, scheint vor allem in der Domäne der gekrümmten Flächen nicht leicht zu lösen zu sein. Um dieses Problem, das für die Geometrieverarbeitung in der Arbeitsplanung von großer Bedeutung ist, in den Griff zu bekommen, wird in diesem Projekt versucht, einen indirekten Lösungsweg zu beschreiben. Hierbei wir das Problem zunächst in der Domäne der Ebenen bzw. Polyeder gelöst. Da in diesem Bereich ausschließlich lineare Zustände vorliegen, läßt sich die Problematik in Bezug auf Formulierung, Darstellung und Implementierung vereinfachen. Als nächster Schritt wird die gefundene Lösung in die Domäne der gekrümmten Flächen, welche eigentlich von Interesse ist, überführt, wobei diese Überführung einer topologischen Gültigkeit (topological Validity) unterliegen muss. Da die Generierung von Fertigungszwischenstufen mit den gebräuchlichen Geometriemodellierungsverfahren B-Rep (fehlende Umsetzungsmöglichkeiten) und CSG (zu langsam und aufwendig, da Berechnung und Evaluierung nach jeder Änderung notwendig) nicht realisierbar ist, wird das Werkstück in ein BSP-Modell (Binary Space Partitioning) Überführt. Dieses
Modell ist einfach zu modifizieren bzw. editieren. BSP-Trees sind in der CAD-Welt schon lange bekannt, sie wurden bisher jedoch nur für die Generierung schattierter Darstellungen verwendet. BSP-Modelle stellen einen Körper lediglich als Polyeder dar, d.h. man benötigt nur einen begrenzten Satz an Algorithmen für die Verschneidungsoperationen, und die Ergebnisse werden sehr schnell erhalten, da aufwendige Schnittkurvenberechnungen u.ä. hierbei nicht auftreten können.
Mit BSP-Modellen sind Körper mit planaren Flächen ohne größeren Aufwand zu bearbeiten. Für die o.a. gekrümmten Flächen muss das Modell zum ISOS-BSP-Modell (Inner Space Outer Space) erweitert werden, bei welchem ein innerer und ein äußerer Polyeder um den jeweiligen Körper gelegt wird. Ist bei Verschneidungsoperationen das Ergebnis von innerem und äußerem Modell gleich, so ist es egal, mit welchem Polyeder weiter gearbeitet wird. Ist es ungleich, so wird das Verfahren der adaptiven Approximation angewendet. Dabei wird der betroffene Bereich weiter unterteilt, bis die Ergebnisse übereinstimmen oder ein Grenzwert erreicht wird. Ist dann noch immer keine Übereinstimmung gegeben, so wird einer der beiden Polyeder um den halben Teilungswinkel gedreht und eine erneute Berechnung durchgeführt. Ist ein Modell auf diese Art erstellt, so läßt es sich einfach modifizieren, indem die benötigten Zusatzvolumina, welche dem Modell zugefügt werden sollen, um die vorherige Fertigungsstufe zu erhalten, mit dem jeweils aktuellen BSP-Baum verknüpft werden. So gelangt der Arbeitsplaner Schritt für Schritt vom Fertigteil zum Rohteil und hat für jeden Arbeitsgang das aktuelle Modell für sämtliche Untersuchungen zur Verfügung. Das Forschungsvorhaben wird von der DFG gefördert.
Ergebnisse
- Einbindung des Feature-Erkenners aus dem Vorgüngerprojekt;
- Erstellung einer Benutzeroberflüche für die CAD/CAPP-Integration;
- Implementierung von Schnittstellen mit bestehenden CAD-Systemen;
- Implementierung einer Schnittstelle zu CAPP-Systemen;
- Implementierung von Grundkürpern und eines Abbildungssystems für BSP-Modelle.