Berechnen, Simulieren, Visualisieren Immersive 3D-CAD Konstruktion – Virtual Reality zur Konstruktion von Werkzeugmaschinen

Derzeitige CAD-Systeme bieten dem Konstrukteur von heute effiziente Funktionen zur Modellierung und Baugruppenerstellung. Viel Zeit verbringt er dabei mit Zoomen, Teile und Baugruppen auffinden/ ausblenden, sowie Schnitte erzeugen. Aktuelle Virtual Reality(VR)-Systeme bieten ergänzend für die Visualisierung noch unerschlossene Möglichkeiten. Der Konstrukteur kann intuitiver interagieren und bewerten. Chemnitzer Forscher erproben deshalb Interaktionsmethoden, die eine Synthese von Virtual Reality- und parametrischen CAD-Systemen ermöglichen. Mit „NAVIMODE“ wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem der Konstrukteur in seiner gewohnten CAD-Umgebung arbeiten und dabei die Vorteile der Virtual Reality zur Navigation nutzen kann.

Anbieter zum Thema

CADFEM Germany GmbH

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Xometry Europe GmbH

Fak.für Maschinenbau/Verfahrenstechnik

VR-Systeme sind gekennzeichnet durch drei wesentliche Merkmale: Immersion, Interaktion und Echtzeit. Durch eine stereoskopische Darstellung von 3-dimensionalen Modellen im Maßstab 1:1 wird der Benutzer in die virtuelle Welt „mit einbezogen“. Dieses Eintauchen bezeichnet man als Immersion. Der Benutzer kann Objekte der virtuellen Welt verändern, er interagiert mit ihnen. Wenn der Benutzer dabei keinerlei Verzögerung auf seine Aktionen verspürt, dann spricht man hier von Echtzeit.

Für die stereoskopische Darstellung haben sich verschiedene VR-Projektionssysteme in der Praxis durchgesetzt. Eine der technisch aufwändigsten VR-Anlagen ist die CAVE (Computer Automatic Virtual Environment). Sie ist zurzeit das VR-System mit dem höchsten Immersiongrad. In diesem ca. 3x3x3 Meter messenden Raum kann der Benutzer vollkommen in seine Konstruktion eintauchen. So können Werkzeugmaschinenkonstruktionen bereits heute sehr realitätsnah überprüft werden[1,2]..

Die bisherige Interaktion in VR-Systemen sieht wie folgt aus ...

Mit Hilfe von speziellen Eingabegeräten kann der Benutzer die Objekte frei im Raum verschieben und orientieren. Für diese Interaktion mit der virtuellen Welt werden meist so genannte fliegende Geräte verwendet. Die Position dieser Geräte wird mit Hilfe von Trackingsystemen in Echtzeit verfolgt. Diese Trackingsysteme gibt es in verschieden Ausführungen: mechanisch, optisch oder magnetisch. Beim optischen Tracking „beobachten“ mehrere Kameras das Eingabegerät welches mit speziell reflektierenden Markern versehen wurde.

Das Fenster zur virtuellen Welt

Abhilfe dieser Unzulänglichkeit können der Einsatz eines neuen Interaktionsgerätes und die Anwendung einer neuen Navigationsmethode- NAVIMODE schaffen. Die Idee ist die Folgende: auf einem Tablet-PC wird ein 3D-CAD-System eingerichtet. Mit Hilfe eines optischen oder mechanischen Trackingsystems wird die Position des Tablet-PCs in einer VR-Umgebung bestimmt. Im VR-System wird die Geometrie der Konstruktion im Maßstab 1:1 stereoskopisch dargestellt.

Die Darstellung des 3D-Views des CAD-Systems auf dem Tablet-PC entspricht dabei der Perspektive, als wenn der Benutzer durch eine Lupe auf die Konstruktion im VR-System sieht (Bild 4). Beim Bewegen des Tablet-PCs wird automatisch in Echtzeit der VIEW so angepasst, dass Details genau betrachtet werden können und ZOOM, PAN und weitere Navigationsaufgaben sozusagen „nebenbei mit abfallen“.

Ein VR-System besitzt nur eine begrenzte Auflösung, Details lassen sich nur bis zu einem bestimmten Grad darstellen. Dies reicht dem Konstrukteur von heute aber nicht!

Deshalb erfüllt der Tablet-PC folgende Zwecke: zum einen Geometriedetails mit höherer Auflösung darzustellen, zum anderen kann der Benutzer durch das berührungsempfindliche Touchdisplay des Tablet-PCs das CAD-System wie gewöhnlich bedienen.

Der kleine Unterschied

Zwischen VR-Systemen und CAD-Systemen gibt es entscheidende Unterschiede, die eine Synthese erschweren bzw. fast unmöglich machen. Zum einen werden für die Darstellung im VR-System polygonal-basierte Geometriedaten benötigt, während für die CAD-Konstruktion mathematisch- korrekte Geometriebeschreibungen verwendet werden.

Aus den CAD-Daten können durch Tesselierung polygonale Modelle erzeugt werden, die Gegenrichtung jedoch funktioniert nur bedingt. Man spricht hier von der „Einbahnstrasse CAD-VR“. Auch spezielle Konstruktionselemente wie Hilfsebenen, Punkte, Koordinatensysteme gehen bei der Konvertierung von CAD-Daten in VR-Datenformate verloren.

Zur Überwindung dieser Probleme gibt es unterschiedliche Ansätze. Zum einen werden CAD-Kernel in ein VR-System integriert. Funktionen zur Modellierung werden im VR-System implementiert und durch den CAD-Kern zur Laufzeit ausgeführt. Diese Methode hat den Nachteil, dass sämtliche Modellierfunktionen, welche von den Graphical User Interface (GUI) der CAD-Systeme realisiert werden, aufwändig im VR-System noch einmal implementiert werden müssen.

Im Gegensatz dazu wird mit der NAVIMODE-Methode ein komplettes CAD-System mit einem VR-System gekoppelt. Bei letzterem werden das CAD- und das VR-Modell strickt voneinander getrennt und durch Informationsaustausch zwischen den beiden Modellen konsistent gehalten.

Der Konstruktionsworkflow

Bisher wird bei der Konstruktion, von z.B. Werkzeugmaschinen, so verfahren, dass ein Entwurf und eine Detaillierung in einem CAD-System am Desktop erstellt werden. Für die Darstellung in einem VR-System werden Geometriedaten aus dem CAD-System exportiert. Diese Daten werden anschließend entsprechend den Anforderungen an Performance und Funktionen für das VR-System aufgearbeitet.

In einer VR-Sitzung können nun Fehler und gewünschte Änderungen identifiziert und markiert werden. Anschließend muss der Konstrukteur an den Desktop zurückkehren und diese Änderungen einarbeiten.

Der neue Arbeitsablauf sieht nun wie folgt aus: für den groben Konstruktionsentwurf geht der Konstrukteur mit seinem Tablet-PC in eine VR-Umgebung. Er erzeugt wie gewohnt im CAD-System seine Geometrien. Diese werden jetzt unverzüglich an das VR-System übergeben und sind sofort im Maßstab 1:1 stereoskopisch sichtbar. Indem sich der Konstrukteur durch die virtuelle Konstruktion bewegt, kann er jedes Detail seiner Konstruktion betrachten und an entsprechender Stelle Konstruktionsdetails hinzufügen.

Ist der Entwurf im Groben fertig, geht es an die Detaillierung

Dies kann wahlweise konventionell am Desktop erfolgen oder weiterhin in der VR. Der Konstrukteur hat jederzeit die Möglichkeit, in die VR zurückzukehren und sich den aktuellen Konstruktionsstand anzeigen zu lassen. Mehrere Konstrukteure können optimal an einer Konstruktion zusammenarbeiten, Absprachen können klar definiert und visuell dargestellt werden.

Generell soll der Konstrukteur beim Umstieg von seinem gewohnten Ablauf keine tief greifenden Änderungen erfahren. Mit diesem Tablet-PC wird nur eine zusätzliche Darstellung der Konstruktionsdetails in der VR zur Verfügung gestellt. Die gewohnte Bedienung des CAD-Systems bleibt, bis auf einzelne Veränderungen, unberührt.

Nutzen und Vorteile

Die Benutzung von CAD-Systemen wird intuitiver. Durch die Verwendung eines VR-Systems werden Geometrien und Topologien von komplexen Konstruktionsmodellen anschaulich dargestellt. Das Konstruieren in realer Modellgröße ermöglicht eine bessere Vorstellung von Größenverhältnissen. Aufgaben zum Navigieren, Orientieren des Modells, Zoomen, Ausblenden von Teilen, Erzeugen von Schnitten usw. entfallen oder werden deutlich erleichtert. Dadurch verringert sich die Gesamtmodellierzeit, die der Konstrukteur zur Verbesserung von Funktion und Design nutzen kann.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil ergibt sich aus dem besonderen Blickwinkel des Konstrukteurs, welchen er auf das virtuelle Modell hat. Er kann mit seinem CAD-System direkt in das Modell „eintauchen“. Innen liegende Konstruktionsdetails können intuitiver beurteilt und verändert werden.

Probleme und Lösungen

Heutige Konstruktionsdaten sind so umfangreich, dass leistungsfähige CAD-Workstations benötigt werden, um ein verzögerungsfreies Arbeiten zu ermöglichen. Heutige Tablet-PC lassen sich zwar leistungsfähig ausstatten, trotzdem sind sie bezüglich Performance und Darstellungsqualität nicht mit den konventionellen Graphikworkstations vergleichbar.

Abhilfe schafft hier in Zukunft die Abkopplung von Rechenleistung und Visualisierung. Das bedeutet: der Konstrukteur nimmt nicht den kompletten PC mit in die VR-Umgebung, sondern nur die Anzeigeeinheit. Kommerzielle Hardware wird hierzu bereits von der Industrie angeboten.

Weiterhin stellt sich die Frage nach einem ergonomischen Arbeiten mit dieser Methode. Der Konstrukteur wird mit einer dynamischeren Arbeitsweise konfrontiert, entgegen der fast ausschließlich sitzenden Tätigkeit, sieht man von einigen Gängen in die Fertigungshalle und zur Kaffeemaschine ab. Zurzeit laufen am IWP im Rahmen einer Ergonomie Studie User Tests, um eine optimale Arbeitsweise zu definieren. Weiterhin werden in dieser Studie die Geschwindigkeitsvorteile im Vergleich zur jetzigen Arbeitsweise ermittelt.

Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer ist Geschäftsführender Direktor des Institutes für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP) an der TU Chemnitz und Institutsleiter des Fraunhofer IWU in Chemnitz; Dipl.-Ing. Torsten Polzin ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWP; Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich ist Geschäftsführender Oberingenieur des IWP

(ID:236424)