KBE-TECHNOLOGIE. Rainer Hochgeladen Prachi Vyas Senden

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1 Nr. 3 März 2004 Entwurf komplexer Zusammenbauten mit UML Rainer Hochgeladen Prachi Vyas Senden oderne CAD-Systeme M fördern und fordern den Aufbau immer komplexerer Zu - sammenbauten. Dies erfordert einen hohen Zeitaufwand. Deshalb ist der Wunsch, derartige Zusammenbauten wiederzuverwenden, nur allzu plausibel. Dazu müssen allerdings weitgehende Vorkehrungen getroffen werden. Ein wiederzuverwendender Zusammenbau muss robust sein, weil der spätere Nutzer möglicherweise unvorhergesehene oder fehlerhafte Eingaben macht. Trotzdem ist eine hohe Flexibilität gefordert, die zulässige Variationen des Zusammenbaus in einer umfassenden Kombinationsvielfalt ermöglicht. Dabei muss der spätere Nutzer auf Verletzungen von Standards und Regeln zumindest hingewiesen, im Einzelfall sogar daran gehindert werden. Er sollte notwendige Anpassungen in kurzer Zeit vornehmen können, dabei aber mit der Komplexität, sowohl des CAD-Systems als auch des Zusammenbaus, so wenig wie möglich konfrontiert werden. Die Konzeption beziehungsweise der Entwurf solcher Strukturen stellt den Konstrukteur vor völlig neue Herausforderungen. Die aus der Software-Entwicklung bekannte Unified Modeling Language (UML) eignet sich besonders gut zur sicheren und schnellen Konzipierung derartiger Strukturen, was in den folgenden Ausführungen verdeutlicht werden soll. Zunächst gilt es, die Struktur des Zusammenbaus aus Baugruppen, Unterbaugruppen und Einzelteilen festzulegen. Dabei sind die Abhängigkeiten der Komponenten untereinander sorgfältig zu beachten. Bewegliche Teile oder Baugruppen bedürfen besonderer Aufmerksamkeit. Ferner ist möglichst weitsichtig einzukalkulieren, welche Anforderungen bei der späteren Wiederverwendung auf das System zukommen könnten. Schließlich muss die Einhaltung von Standards und Regeln sichergestellt werden und der spätere Nutzer eine umfassende Unterstützung erhalten, damit er innerhalb der Standards und Regeln schnell und zuverlässig zu seiner angestrebten Variante kommt. Zur Erreichung dieser Ziele ist eine andere Vorgehensweise als bei herkömmlichen Konstruktionsaufgaben erforderlich. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass viele dieser Forderungen in ähnlicher Form auch in der Software-Entwicklung ihre Gültigkeit haben. Schon in voran- Bild 1: Als Beispiel dient ein sehr einfacher Zusammenbau, die Verschraubung von drei Platten mittels zwei oder drei Schrauben (Bild: SmardCAD Deutschland

2 gehenden Veröffentlichungen wurde erläutert, wie sich Konzepte und Prinzipien aus der objektorientierten Software-Entwicklung auf die Realisierung von 3D-Zusammenbauten übertragen lassen /1/. Für die Planung und den Entwurf solcher Zusammenbauten ist die UML als Werkzeug aus der Software-Entwicklung hervorragend nutzbar. UML wird seit vielen Jahren zum Entwurf objektorientierter Systeme in der Software-Entwicklung genutzt. Wer sich mit den Veröffentlichungen der Entwickler dieser UML befasst, stellt fest, dass fast nirgendwo die Entwicklung von Software erläutert wird, sondern ausschließlich von»systemen«/2 und 3/. Die UML stellt einen Kanon von grafischen Repräsentationen eines Systems dar, von denen jede eine bestimmte Sicht auf dieses gestattet. Einige dieser Darstellungsweigramm in Bild 2 ist die oberste Baugruppe mit Metaklassen und Datentypen (siehe unten) dargestellt. Das UML-Diagramm in Bild 3 zeigt die komplette statische Struktur des Zusammenbaus, Bild 4 die der Unterbaugruppe»Screws«. Dabei wurden Entsprechungen, die den urter, deren Zuweisungen aus mathematischen Formeln (eventuell unter Einbeziehung von Funktionsaufrufen) aus Tabellen oder, sofern das betreffende CAD-System die Möglichkeit bietet, aus Regeln kommen dürfen. Die meisten dieser Zuweisungen stammen aus einer Tabelle, UML gestattet unterschiedliche Sichten auf das System Bild 3: Das UML- Diagramm zeigt die komplette statische Struktur des Zusammenbaus (Bild: SmardCAD Deutschland Bild 2: In dem noch sehr einfachen Diagramm ist die oberste Baugruppe mit Metaklassen und Datentypen dargestellt (Bild: Smard- CAD Deutschland sen sind ausgezeichnet geeignet, komplexe Zusammenbauten strukturell zu visualisieren. Insbesondere das Statische Diagramm, das Aktionsdiagramm und das Sequenzdiagramm sollen zu diesem Zweck hier vorgestellt werden. Als Beispiel dient ein sehr einfacher Zusammenbau, die Verschraubung von drei Platten mittels zwei oder drei Schrauben (Bild 1). Aus didaktischen Gründen sollen die Schrauben in einer eigenen Unterbaugruppe angelegt werden. In dem noch sehr einfachen Diasprünglichen Sinn der UML-Elemente sehr gut erhalten, zu Grunde gelegt (Tabelle 1). Die Darstellung in Bild 4 enthält wichtige Informationen über die Verschraubung. Als erstes fällt die große Box der eigentlichen Schraube (DIN_912.1) auf. Hier sind alle Parameter zur Steuerung der Schraube zusammengefasst. Im oberen Teil des Kastens sind die so genannten»treibenden Parameter«mit ihrem jeweiligen Datentyp und gegebenenfalls mit einem Standardwert gelistet, die vom Anwender in gewissen, vorgegebenen Grenzen änderbar sind. Der untere Teil beschreibt, woher die Werte von automatisch zugewiesenen Parametern kommen. Dies sind die so genannten»getriebenen«paramezwei werden errechnet und zwei werden extern zugewiesen. Bei Berechnungen aus anderen Parametern wird davon ausgegangen, dass diese ebenfalls innerhalb des betreffenden Teils deklariert worden sind. Soll zu einer Berechnung ein Parameter eines anderen Teils herangezogen werden, so ist dieser mit»extern\«zu kennzeichnen. Externe Parameter dürfen ausschließlich aus dem Steuerungselement der Baugruppe stammen. Rechts oben, neben dem eigentlichen Einzelteil»DIN_912.1«befindet sich das Symbol der Tabelle. Sie ist als Datentyp implementiert. Den einzelnen Spalten der Tabelle sind jeweils Parameter fest zugeordnet. Nach bestimmten, vom Konstrukteur gewollten Kriterien wird

3 eine Zeile der Tabelle ausgewählt. Die den Spalten dieser Zeile zugehörigen Parameter werden automatisch zugewiesen. Wichtige Funktionen zum Ermitteln der entsprechenden Zeile sind: genaue Übereinstimmung eines Spaltenwertes mit einem Sollwert, Übereinstimmung oder größer, Übereinstimmung oder kleiner, Interpolation zwischen zwei Werten. Oberhalb des Kastens für die Schraube ist ein Objekt namens»centerlinescr«dargestellt, das zur Metaklasse»Linie«gehört. Es ist durch eine Verbindung des Typs»Komposition«(Schwarze Raute) mit der Schraube verbunden, das heißt, dass diese Linie ohne die Schraube nicht lebensfähig ist, denn es ist deren Mittellinie. Die Tabelle ist mit einer weißen Raute mit der Schraube verbunden (Aggregation). Dies bedeutet, dass die Tabelle ohne die Schraube lebensfähig wäre. Bild 4 Hier wird die statische Struktur der Unterbaugruppe»Screws«dargestellt (Bild: SmardCAD Deutschland In UML-Darstellungen von 3D- Aufbauten werden die grafischen Objekte explizit dargestellt, die außerhalb der betreffenden Teile benötigt werden, zum Beispiel für Beziehungen zu anderen Objekten (Constraints). Die Schraube insgesamt ist per»aggregation«an die Baugruppe angeschlossen und zwar durch eine»1 zu 2..3«-Beziehung, das heißt an einer Baugruppe hängen zwei oder drei Schrauben. Dies wird durch die entsprechende Beschriftung der Enden der Aggregation dargestellt. Die Baugruppe»Screws«wiederum komponiert einen Punkt namens»insptscr«, der ebenfalls zwei- oder dreimal auftreten kann. Diese Punkte und die Linien der Schrauben sind durch einen Constraint namens»coincpo«verbunden, was letztlich besagt, dass die Baugruppe über zwei oder drei Punkte die Positionen von zwei oder drei Schrauben steuert. Ein weiterer Constraint besteht als Koinzidenz zwischen der XY-Standardebene der Schraube und der XY-Standardebene der Baugruppe. Damit wird die Einbauhöhe der Schrauben in Z-Richtung festgelegt. Die XY-Standardebene der Baugruppe hat noch einen weiteren Constraint, der aber scheinbar keine weitere Verbindung hat. Dieser Constraint führt aus der Baugruppe hinaus. Er muss in der übergeordneten Baugruppe wieder auftauchen, und zwar mit zwei»anschlüssen«. Außerdem verfügt die Baugruppe über eine Schnittstelle mit der Bezeichnung»Exp_Screws«, mit der Daten zur Verwendung durch andere Baugruppen exportiert werden. Innerhalb dieser Schnittstelle sind weitere Details zum Export festgelegt. Der komplette strukturelle Aufbau wird abgebildet Damit ist der komplette strukturelle Aufbau der Baugruppe»Screws«mit allen Beziehungen Bild 5: Die Wirkung der Änderung eines bestimmten Parameters wird im Sequenzdiagram verdeutlicht (Bild: SmardCAD Deutschland

4 und Abhängigkeiten bekannt, die geometrische Erscheinung jedoch nicht. Das ist zum einen auch nicht der Sinn dieser Darstellung, denn das wird dem CAD-System überlassen; zum anderen ist es auch nicht erforderlich. Einen Schritt aufwärts, in Bild 3, ist die Hauptbaugruppe»PlatesAndScrews«dargestellt. Auch hier wird wieder das zur Baugruppe gehörige Steuerelement gleichen Namens als Einzelteil beziehungsweise Klasse dargestellt. In der Baugruppe befinden sich oben zwei Ebenen, die XY-Standardebene sowie eine mit der Bezeichnung»ScrInsPlane«. An letztere ist ein Constraint gekoppelt, dessen Namen»CO- INCScr«bereits bekannt ist, und der in die Unterbaugruppe»Screws«hineingeht, die wir zuvor genauer betrachtet haben. Damit ist der dort erwähnte, einseitig offene Constraint vervollständigt und eindeutig definiert. An der XY-Standardebene hängen über Koinzidenz- beziehungsweise Offset-Constraints drei Platten mit ihren jeweiligen XY-Standardebenen. Die Export-Schnittstelle der Baugruppe»Screws«blieb bislang noch unerwähnt. Aus ihr gehen die Verbindungen zu den drei Platten: zweimal AZK_DIN_912_DK zu den Platten 1 und 2 und einmal AZK_DIN_912_GW zur Platte 3. Dabei handelt es sich um geometrische Objekte, die durch die Baugruppe»Screws«exportiert werden. In diesem Beispiel sind das die Kopf- beziehungsweise Durchgangsbohrungen, die in den Platten 1 und 2 benötigt werden und die Gewindebohrung, die in Platte 3 vorgenommen werden muss. Damit ist der komplette Zusammenbau strukturell vollständig beschrieben und es ist eindeutig klar: wie die Abhängigkeiten und Beziehungen der Komponenten untereinander sind, welcher Parameter wie und von welchen anderen Parametern gesteuert wird, welche Komponenten welchen Raumbedarf in welchen weiteren Komponenten haben. Oft ist es wichtig zu wissen, welche Wirkung die Änderung eines bestimmten Parameters im Zusammenbau hat. Dies leicht erfassbar darzustellen, eignet sich das Sequenzdiagram der UML (Bild 5). Was passiert in den einzelnen Komponenten, wenn sich die Plattendicke ändert? Das hat zunächst sicher eine Änderung der Schrauben zur Folge. Die Schraube wiederum holt sich ihre Werte aus einer entsprechenden Tabelle und passt sich geometrisch an. Die erforderliche Tiefe der Senkbohrung wird ermittelt und die Platte schließlich prüft die Restmaterialdicke unter der Senkbohrung. Wie werden jedoch die Dimensionen einer Schraube genau ermittelt? Auch zur Beantwortung dieser Frage stellt die UML ein geeignetes Diagramm zur Verfügung, das Aktivitätsdiagramm (Bild 6). Dieses erinnert entfernt an die bekannten Flussdiagramme (Flow Charts), ist aber deutlich leistungsfähiger als

5 Bild 6: Das Aktivitätsdiagramm erinnert entfernt an ein Flussdiagramm, ist aber deutlich leistungsfähiger als dieses (Bild: SmardCAD Deutschland formationsfluss im Zusammenbau sind viel klarer und einfacher zu erfassen und zu überschauen als in der klassischen geometrischen Konstruktion, die, etwas übertrieben ausgedrückt, nun als»rein mechanische«arbeit folgt. Die Geometrie lässt sich in wünschenswertem Rahmen komplett durch vorhandene Parameter steuern. Damit wird die klassische geometriezentrierte Konstruktion (unerheblich ob 2D oder 3D) verlassen und ein großer Schritt hin zur spezifikationszentrierten Konstruktion vollzogen. Die nahe liegende Frage, ob sich ein solcherart vorbereiteter Strukturentwurf nicht automatisch in die Baumstruktur für ein spezifisches CAD-System übertragen lässt, muss klar mit»ja«beantwortet werden. Das wird Gegenstand eines weiteren Artikels zu diesem Thema sein. Literaturhinweise diese. Aus einer bekannten Belastung, eventuell dem Gewicht der Platte 3, wird ein Solldurchmesser der Schrauben ermittelt. Aus einer Tabelle wird dafür der passende oder, in diesem Beispiel, der nächst größere Durchmesser ausgelesen. Erst dann kann eine Soll-Länge errechnet werden, in welche der Durchmesser mit dem Faktor 1,5 eingehen soll. Das UML-Diagramm verdeutlicht den Ablauf im Detail und lässt erkennen, dass hier eine Anforderung vorliegt, die die statische Struktur eines CAD-Systems gar nicht leisten kann! Auch hier wird sehr früh ein Problem deutlich, das in der klassischen Konstruktion unter Umständen erst nach langer Suche gefunden wird, denn die Algorithmen sind nicht ohne weiteres in einen statischen Zusammenbau zu implementieren. Hier muss mit Makros oder mit Regeln gearbeitet werden. Viele potenzielle Konstruktionsfehler offenbaren sich also bereits in dieser frühen Entwurfsphase. Sie sind hier aber in ungleich kürzerer Zeit zu beheben, als während des eigentlichen geometrischen Aufbaus, oder sie sind sogar vollständig zu vermeiden. Die Zusammenbaustruktur und der In- /1/ R. Hochgeladen: Objektoriente Modellierung von 3D-Geometrien; CAD-CAM RE- PORT, 22 (2003) Nr. 9, S /2/ G. Booch; J. Rumbaugh; I. Jacobsen: The Unified Modeling Language, Addison-Wesley, /3/ /4/ H. Balzert: Lehrbuch der Software-Technik, Spektrum Akad. Verlag, /5/ H. Balzert: Lehrbuch der Objektmodellierung, Spektrum Akad. Verlag, Tabelle 1: Bei der Verwendung der UML für 3D-Modelle wurden die Entsprechungen zu Grunde gelegt, die dem ursprünglichen Sinn der UML-Elemente möglichst nahekommen. Eventuelle Probleme werden schon sehr früh erkennbar 3D-Modell-UML Baugruppe (jede Baugruppe enthält notwendig ein»steuerteil«) Einzelteil (kennt Parameter, Formeln und gegebenenfalls Regeln) Geometrisches Element (wie Ebene, Linie und Punkt) Abhängigkeit (wie Vermaßungen) Unterordnung (eines geom. Elementes unter ein Teil oder eines Teiles oder einer Unterbaugruppe unter eine Baugruppe) Schnittstelle (zwischen Teilen und Baugruppen) Parameter Wertezuweisungen (aus mathematischen Formeln oder Regeln) Original UML Paket/Package (jedes Package enthält eine»package-class«) Klasse/Class (eine Klasse enthält Attribute und Methoden) Objekt/Object, das zu einer Metaklasse gehört Einschränkung (Constraint) Aggregation (Aggregation) Komposition (Composition) Schnittstelle (Interface) Attribut (Attribute) Methode (Operations)