München (CW) - Von CAD-Grundbegriffen bis zu Entwicklungstendenzen in diesem Bereich schlägt Privatdozent Frank-Lothar Krause vom Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik, Berlin, eine Brücke. Der folgende Beitrag basiert in wesentlichen Teilen auf einem Vortrag, den Krause auf der Camp '83 hielt.

Für die Rechneranwendung in den verschiedenen technischen Bereichen gibt es eine Reihe von Begriffen, die regelmäßig wiederkehren:

- CAD: rechnergestütztes Konstruieren (computer aided design)

- CAD: rechnerunterstützte Arbeitsplanung (computer aided planning)

- CAD/CAM: rechnerunterstützte Konstruktion und Arbeitsplanung

- CAM: rechnerunterstütztes Fertigen (computer aided manufacturing)

- CAQ: rechnerunterstützte Qualitätssicherung (computer aided quality assurance)

- CAE: rechnerunterstütze Ingenieurarbeiten (computer aided engineering).

Die rechnerunterstützte Herstellung von Konstruktions- und Fertigungsunterlagen wie Zeichnungen, Stücklisten, Arbeitsplänen und NC-Steueranweisungen nennt man CAD-Prozeß. Die dazugehörige Software umfaßt Programme und Daten die ausschließlich der Herstellung von Konstruktions- und Fertigungsunterlagen dienen. Dazu gehören Programme, die es erlauben, Entwurfs-, Konstruktions- und Fertigungsplanungsaufgaben zu bearbeiten.

Schlüsselfertig oder rechnerflexibel

CAD-Systeme können schlüsselfertig oder rechnerflexibel realisiert sein. Schlüsselfertige Systeme bestehen aus einer Liefereinheit von Hard- und Software. Bei den meisten angebotenen schlüsselfertigen Systemen ist die CAD-Software auf die Programmiersprachen des verwendeten Rechners, die Größe des Hauptspeichers und der peripheren Speicher sowie auf die grafischen Peripheriegeräte und die Betriebssoftware angepaßt. Dadurch lassen sich vor allem für die interaktive Arbeit kurze Systemantwortzeiten erzielen.

Rechnerflexible CAD-Systeme sind Softwaresysteme, die auf unterschiedlichen Rechnern mit verschiedenartiger Speicherausrüstung und Peripherie lauffähig sind. In den meisten Fällen werden Mindestanforderungen hinsichtlich der Betriebssoftwareeigenschaften, der verwendeten Programmiersprache, des Mindestbedarfs an Speicherkapazität und hinsichtlich der Anschlußmöglichkeiten von Peripheriegeräten gestellt. Die meisten rechnerflexiblen Systeme sind in der Programmiersprache Fortran geschrieben.

Bildet man aufgrund der Leistungsfähigkeit und des Kaufpreises eine Rangfolge von Rechnersystemen, so ergibt sich folgende Gliederung:

- Mikroprozessoren

- Kleinrechner mit 16-Bit-Worten

- Rechner mit 32-Bit-Worten

- große Byte-Rechner

- große Wort-Rechner.

Auf Mikroprozessorsystemen, als Tischrechner ausgeführt und mit grafisch-interaktiven Bildschirmen ausgestattet, sind spezielle Lösungen für CAD-Aufgaben möglich. Die Anwendung als Nachfolger des Taschenrechners unter Einbeziehung von Grafik macht diese Systeme auch für kleine und mittlere Betriebe wirtschaftlich nutzbar.

Kleinrechnersysteme mit 16-Bit-Worten sind von ihrem Ursprung her meist Prozeßrechner, die für CAD-Programme angewendet werden. Sie sind noch heute die Standardrechner für schlüsselfertige Systeme.

32-Bit-Rechner finden sich vor allem bei der Arbeit mit 3D-Systemen. Diese Maschinen stehen zwar den Prozeßrechnern nahe, verfügen aber andererseits über fast alle Eigenschaften großer Rechner, so daß kaum Beschränkungen in der Anwendung gegeben sind.

Großrechnersysteme auf Byte-Basis oder Wortmaschinen mit 36 bis 60 Bit lassen sich im Gegensatz zu den kleineren Systemen für eine zentrale Verarbeitung von CAD-Programmsystemen auslegen.

Verbundsysteme erweitern Benutzerhorizont

Eine Rechnerverbundkonfiguration eignet sich für den Aufbau von CAD-Systemen höchster Entwicklungsstufen. Sie ermöglicht den Datenaustausch auch zwischen entfernten Rechenanlagen und ihren Benutzern. Andererseits hat der Benutzer Zugriff zu bestimmten Funktionen, die seine Möglichkeiten erheblich erweitern.

Die Anwendungsfunktionen von CAD-Systemen sind durch die Software bestimmt. Das Betriebssystem der verwendeten Rechenanlage muß die Verbindung des Anwenderprogramms mit der Hardware vornehmen und beispielsweise die Dialogverarbeitung und Dateibereitstellung steuern.

Bei produktspezifischer Gestaltung der erforderlichen Softwarekomponenten lassen sich Speicherbedarf und Rechenzeiten hinsichtlich der Lösung einer Aufgabe optimieren. Ob sich durch die produktspezifische Auslegung auch eine bessere Wirtschaftlichkeit ergibt, ist vom Erstellungsaufwand und der Anwendungshäufigkeit abhängig.

Bei produktspezifischen Lösungen kann man mit Einkomponentensoftware arbeiten, bei der alle Programmbestandteile untrennbar verbunden sind. Programme, die nach dieser Methode erstellt wurden, dienen meist nur zur Lösung kleiner Aufgaben, da man die Software dafür jeweils vollständig neu erzeugen muß.

Die aufgrund der allgemeinen Systemarchitektur ermöglichte Anwendungsflexibilität läßt sich noch steigern, wenn die Programme portabel und erweiterbar sind. Die Portabilität wird hauptsächlich durch die Verwendung einer genormten Programmiersprache erreicht. Weltweit hat sich für die industrielle Anwendung von CAD-Software die Programmiersprache Fortran durchgesetzt. Die Erweiterbarkeit und Integrationsfähigkeit hängt außerdem von der Definition von Schnittstellen zwischen Programmoduln ab, die auf der Basis von Daten und Programmaufrufen definiert werden können.

Die Anwendung des grafischen Dialogs kann mittels Symbolen zur Erzeugung von Schemazeichnungen wie Schaltplänen für elektronische Bauteile, Layoutpläne für Fabrikanlagen und Fließbilder der Anlagentechnik erfolgen. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist die Herstellung technischer Zeichnungen des Maschinenbaus.

Eine für die Konstruktion sehr anschauliche Verarbeitung von Geometrie-Informationen läßt sich durch dreidimensional arbeitende Systeme bereitstellen. Die Hauptanwendungsgebiete liegen in der Visualisierung technischer Objekte und in der Darstellung von Schnittbildern bei der rechnerunterstützten Überprüfung von räumlichen Anordnungen, wie beispielsweise zur Montage oder zur Prüfung auf Kollision bei Bewegungssimulationen. Das Softwaresystem ermöglicht ferner zur besseren Visualisierung ein Drehen des Werkstücks in jede beliebige Raumlage und das automatische Ausblenden verdeckter Kanten.

Zur weiteren Steigerung des Benutzerkomforts von Eingabemöglichkeiten entwickelt man Methoden, die Mustererkennungsverfahren zur Eingabe von grafischen Symbolen und Handskizzen verwenden. Der Vorteil eines solchen symbolhaften Eingabesystems liegt in der Möglichkeit zur simultanen Eingabe mehrerer Kommandos (Position, Bedeutung, Lage, Größe) mit nur einem grafischen Symbol. Die Anwendung der grafischen Mustererkennung bietet dort Vorteile, wo sehr häufig mit Sinnbildern gearbeitet wird.

Die CAD-Systeme der Zukunft sollen in ihrem Leistungsspektrum noch mehr Auswahlmöglichkeiten bieten als die gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Systeme. Dabei wird die aufgabengerechte Nutzung durch eine starke Modularisierung ermöglicht.

Ein wesentlicher Entwicklungsschritt ist bei der Dateneingabe notwendig. Dieser Schwachpunkt bei allen CAD-Systemen kann durch neue Eingabetechnologien wie Mustererkennung oder Eingabe in natürlicher Sprache einerseits, durch rechnergestützte Konstruktionslogiken andererseits beseitigt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt der zukünftigen Entwicklung dürfte die Nutzung von Retrievalmöglichkeiten zum Aufbau von Datenbanken sein, die es gestatten, das betriebliche Teilespektrum abzuspeichern und wieder verfügbar zu machen, wobei die Verknüpfung mit Stücklisten, Arbeitsplänen und Organisationsmitteln ebenfalls zu lösen ist.