DE4417878C2 - Vorrichtung zur Herstellung von räumlichen Modellen aus geometrisch regelmäßig ausgebildeten Grundmodulen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatisierten Herstellung und Veränderung räumlich ausgeprägter Oberflächen (angenäherter Freiformflächen) und ist anwendbar insbesondere beim Modellbau für unterschiedliche Einsatzgebiete, in der Werbebranche, als Lehrmittel für Sehbehinderte, im Design- und Kunstbereich, zur Herstellung speziell geformter reflektierender oder adsorbierender Oberflächen usw.

Gegenwärtig gewinnt die Erfassung, der Entwurf und das Editieren von virtuellen Modellen dreidimensionaler Körper und Körperoberflächen immer größere Bedeutung in immer mehr Bereichen der Industrie, in Bereichen des Design, der Präsentation, Werbung, aber auch der Medizin, Kunst (Film) und Kultur (Museen, Archäologie etc.). Die dazu entwickelten verschiedenen CAD-Software-Systeme erlauben - je nach ihrer speziellen Anwendungsausrichtung - die virtuelle Darstellung von 3D-Körpern mit Gitternetzlinien oder sogenannte gerenderte Oberflächendarstellungen in unterschiedlichen, ebenfalls simulierten Beleuchtungs­ verhältnissen, das virtuelle Drehen, Öffnen, Zerlegen und Zusammensetzen der modellierten Körper auf dem Bildschirm. Die Transformation der zugrundeliegenden Beschreibungen der virtuellen Körper in Steuerprogramme von CNC- oder anderen Automaten zur physischen Herstellung der beschriebenen Teile (z. B. Werkstücke) ist ebenfalls in vielen Anwendungen gelöst. Die durchgehenden Technologien der Erfassung, Modellierung, Umsetzung in Steuerungsprogramme und Fertigung (Rapid Prototyping, Reverse Engineering) gewinnen schnell an wirtschaftlicher Bedeutung. In diesem Zusammenhang erfahren Verfahren zur digitalen Erfassung mit verbesserten taktilen, zunehmend aber auch berührungslosen Verfahren einen breiten Aufschwung. Die virtuellen Modelle von Körpern und Oberflächen werden über den Weg der Visualisierung erfolgreich in Fernsehen und Filmindustrie ebenso wie bei Trainingssimulatoren und anderen virtual-reality-Anwendungen und eingesetzt. Je nach CAD-System und zugrundeliegender Rechentechnik können die Darstellungen der Modelle dabei auch in Echtzeit (z. B. Videonorm) verändert werden [z. B. Henrich, W.: AutoCAD in der Anwendung, Addison-Weslay Verlag Bonn 1988, K. Weinert, R.M. Aretz : Digitalisierte Freiformflächen, CAD-CAM-Report, Heft 3/93 S. 56ff, R. Bögge: CAD-Systeme im Produktionsdesign, CAD-CAM-Report, Heft 3/93 S. 133ff, CAD-CAM-JOURNAL in CAD CAM - Zeitschrift für Computer-Anwendungen in der Entwicklung, Konstruktion, Planung und Fertigung, Februar 1993 S. 26ff, "CAE im Maschinen und Anlagenbau", PRIME TIME 2/1990 S. 11, Herausgeber: PrimeTime Computer GmbH, A.Krautwurm, K. Wewer: Volumenmodellierung in der Karosseriekonstruktion, PRIME TIME 4/1990, Herausgeber: PrimeTime Computer GmbH].

Mit Hilfe von Rapid-Prototyping Technologien wie Stereolithographie, Laminattechniken und aufwendigen Mehrachs-Fräsmaschinen können körperlich reale Formen und Kopien der virtuellen Modelle zunehmend schneller und mit hohem Automatisierungsgrad hergestellt werden. Es gibt Systeme, die einfache CAD- Modelle sehr schnell (im Minutenbereich) in Kunststoff-Reliefs, also in physische 3D-Oberflächen umsetzen. Solche Systeme werden zur Herstellung von Lehr- und Anschauungsmitteln für Sehbehinderte eingesetzt. Sie sind auf flache Reliefs, allerdings mit hoher Kurvenauflösung beschränkt [Artikel "Damit Blinde eine Mathe-Formel begreifen", in informatik magazin, Springer Verlag GmbH & Co und Gesellschaft für Informatik e.V., Heft 6/93, Seite 7].

Nach wie vor gibt es jedoch Bereiche, in denen die Darstellung nur graphischer bzw. auf dem Bildschirm präsentierter Information und die mehr oder weniger automatisierte Herstellung von physischen Entsprechungen der betreffenden Körpermodelle nicht allen Anforderungen gerecht wird, weil

• - in einigen Fällen selbst die perfekteste Bilddarstellung nicht allen Ansprüche der visuellen Rezeption gerecht wird (z. B. im Bereich Präsentation, Werbung),
• - neben der visuellen Rezeption in vielen Fällen auch andere Funktionen erfüllt werden müssen (Körperlichkeit) und weil es den Personenkreis der Sehbehinderten gibt, für die eine taktile Rezeption Vorrang hat,
• - weil die Anfertigung immer neuer physischer, aber unveränderlicher Modelle oder Modellvarianten oder aber die Lagerung einer großen Anzahl dieser Modelle kostspielig oder zu zeitaufwendig ist (z. B. Landschafts-, Gebäude- oder Stadtteilmodelle),
• - in solchen Bereichen wie Design, Kunst, Animation sowie bei speziellen technischen Anwendungen (Teleskope, Strahlbündelung, Sonnenenergie, Strömungstechnik), wo bewegliche Oberflächenelemente bzw. definiert änderbare Oberflächen prozeßbedingt erforderlich oder erwünscht sind.

Diesen Ansprüchen wird die in "Anlage zur dreidimensionalen Darstellung von Bauteilen, insbesondere Modellen" [europäische Patentanmeldung, Veröffentlichung EP 0 410 028 A1] bedingt gerecht. Hier wird eine programmierbare Anordnung von in einer Ebene angebrachten, in der Länge verstellbaren Stäben mit Stellantrieben und Weggebern vorgeschlagen, die in der Lage sind, eine elastische Bespannung punktweise in der fixierten Richtung der Stäbe aufzuspannen. Der vorgeschlagene Modelltisch weist jedoch einige wesentliche Beschränkungen für die realisierbaren dreidimensionalen Modelle auf. Die wichtigste Einschränkung resultiert daraus, daß jeder durch einen fixierten Stab verschiebbare Oberflächenpunkt nur entlang der fixierten Geraden im Raum und nur um den durch die Konstruktion des Stabes vorgegebenen Betrag verschoben werden kann. Damit entstehen für die Anwendung insbesondere dann wesentliche Hindernisse, wenn die zu modellierenden Oberflächen Hinterschneidungen oder in der fixierten Richtung (bei einem waagerechten Modelliertisch senkrecht) ausgeprägte Abschnitte ausweisen. Somit bleibt die Anwendung auf reliefartige Oberflächenstücke beschränkt. Desweiteren sind durch nicht vermeidbare konstruktive (Stäbe) bzw. materialtechnische (elastische Bespannung) Beschränkungen auch nicht alle reliefartigen Oberflächen realisierbar, da starke Raumkrümmungen in einem solchen Relief nur durch extrem unterschiedliche Längen direkt benachbarter Elemente erzeugt werden könnten, was zu hohen Materialbelastungen der Bespannung und zu entsprechend starken elastischen Gegenkräften aus der Bespannung führt. Einen Winkel von annähernd 90 Grad zu erzeugen, ist darüber hinaus schon wegen der Beschränkung der verfügbaren Verfahrlänge eines Stabes fast ausgeschlossen.

Weiterhin weist die Lösung mit der Vielzahl gleichzeitig anzusteuernder Antriebe einen hohen Energiebedarf auf.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, Einschränkungen der bekannten Lösungen bei der Modellbildung durch die räumliche Fixierung und durch Eigenschaften eines einzelnen, eindimensional vergrößerbarer Elemente zu vermeiden, so daß auch starke Raumkrümmungen und Hinterschneidungen realisiert werden können. Die vorgeschlagene Lösung soll darüber hinaus einen geringeren Energieverbrauch ermöglichen.

Die Erfindung stellt eine reale, physische Oberfläche dar, die über eine spezielle, rechnerkompatible Schnittstelle geformt werden kann. Damit wird es möglich, vorhandene CAD-Modelle oder andere Datensätze von dreidimensionalen Objekten schnell in der Realität "aufzubauen", zu editieren und auch in bestimmtem Rahmen dynamisch zu verändern (Animation). Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, in kurzer Zeit nacheinander verschiedene Oberflächen, beispielsweise Landschaften, Stadtteil- oder Gebäude- oder Kopf/Gesichtsmodelle, Reliefs, sowie bei entsprechender Fertigung und Vorinstallation der Ausgangsoberfläche auch Oberflächen von Karosserie- oder Schiffs-/Flugkörpermodellen etc. mit einer durch die Konfiguration der realisierten Lösung vorgegebenen Genauigkeit nachgebildet und anschließend verändert werden. Die Statik des entstehenden Aufbaus wird in der Realisierung durch Einbeziehung der Schwerkraft in die interne Berechnungen sowie durch konstruktive Maßnahmen garantiert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 bilden die Kanten der Grundmodule 1 ein Tetraeder, wobei benachbarten Grundmodule zum Teil die gleichen Kantenelemente zugeordnet sind. Gegenüber einer Realisierung mit prismatischen Grundmodulen werden hierbei wesentlich weniger bewegliche Kantenelemente benötigt.

Die nicht der Oberfläche zugeordneten Eckpunkte der Tetraeder können im einfachsten Fall auf einer vorgefertigten Oberfläche oder auf anderweitig manipulierbaren Trägern fixiert sein. Die Realisierung einfacher reliefartiger Oberflächen kann so im Einzelfall kostengünstiger als durch ein System nach Anspruch 3 gelöst werden. Im Gegensatz zu der bekannten Lösung EP 0 410 028 A1 weisen alle verwendeten Grundmodule jedoch wesentlich mehr Freiheitsgrade auf. Die nicht der zu modellierenden Oberfläche zugeordneten Kantenelemente sind lediglich in einem Eckpunkt, nicht jedoch in ihrer Raumlage fixiert, während die zur Oberfläche gehörenden Kantenelemente in jeder beliebigen Richtung bewegt werden können. Für die realisierbaren Oberflächen sind jedoch dann Einschränkungen gegeben, die in der Größenordnung der Verstellbarkeit eines Kantenelements liegen. Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 verleiht der erfindungsgemäßen Lösung dagegen größtmögliche Variabilität hinsichtlich der zu realisierenden Oberflächen. Dabei müssen nur wenige Gelenkpunkte des aus Grundmodulen bestehenden Systems (vorzugsweise die Randpunkte) fixiert werden. Durch die Verbindung der freien Tetraedereckpunkte untereinander durch Kantenelemente nach Anspruch 1 können so aus einem an den Randmodulen aufgehängten System in drei Dimensionen variierbare, doch nach jedem Schritt statisch stabile Strukturen erzeugt werden, wobei wesentliche Einschränkungen durch die Eigenschaften eines einzelnen Kantenelements entfallen. In einem solchen frei aufgehängten System sind auch Hinterschneidungen der modellierten Oberflächen sowie beliebige Raumlagen realisierbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 5 besitzen die längenverstellbaren Kantenelemente Federelemente, so daß um die eingestellte Ruhelage entgegen der Federkraft die Länge zur Verhinderung von Verspannungen kurzzeitig verringert oder erhöht werden kann.

Gemäß der vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 4 weisen die Kantenelemente neben den zur Längenverstellung ansteuerbaren Stellantrieben Blockierungsmechanismen auf. Mit Hilfe der Blockierungsmechanismen kann gewährleistet werden, daß die Verstelleinrichtungen im blockierten Zustand stromlos sind. Soll die Oberfläche geändert werden, werden Kantenelemente einiger Grundmodule deblockiert und über ihre Stellantriebe in der Länge verändert (aktiver Modus) und Kantenelemente in der Umgebung der aktivierten nur deblockiert (passiver Modus). Die Längen der deblockierten, passiven Kantenelemente werden dann durch die aktivierten Kantenelemente verändert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1a Realisierung der Kantenelemente 5,

Fig. 1b Realisierung der Kopplung von Kantenelementen sowie der Federelemente nach Anspruch 5,

Fig. 2a, b Realisierung der Antriebseinheit zur definierten Längenänderung sowie zur Blockierung/Deblockierung,

Fig. 3a Schematische Ansicht eines tetraedrischen Grundmoduls 1 aus Kantenelementen 5 mit Antriebseinheiten 10,

Fig. 3b, c Zuordnung von Antriebseinheiten 10 verschiedener Kantenelemente zu einem Kantensteuerungselement 17,

Fig. 4a, b Übersicht und Blockschaltbild der Kantensteuerungselemente 17,

Fig. 5a Darstellung einer Realisierungsvariante für notwendige Indizierungen,

Fig. 5b Indizierung der tetraederischen Grundmodule,

Fig. 5c Indizierung der Eckpunkte der tetraederischen Grundmodule,

Fig. 5d Indizierung der Oberflächenkanten bezüglich der tetraederischen Grundmodule,

Fig. 5e Indizierung der nach Anspruch 3 eingefügten Kantenelemente zwischen den nicht zur Oberfläche gehörenden Tetraederpunkten hinsichtlich der tetraederischen Grundmodule,

Fig. 6 Programmablaufplan zur Herstellung der in Fig. 7 dargestellten Oberflächenform aus einer ebenen Ausgangslage,

Fig. 7 3D-Darstellung einer Rechnersimulation der erfindungsgemäßen Lösung.

Der Aufbau eines Gesamtsystems durch tetraedrische Grundmodule ist der mit Quadern insofern vorzuziehen, als bei diesem Aufbau (gleiche Ausgangsfläche und gleiche Genauigkeit der Approximation einer sphärischen Oberfläche vorausgesetzt) wesentlich weniger bewegliche Kantenelemente 5 eingesetzt werden müssen. In Fig. 7a, b ist ein Teilstück einer solchen durch die erfindungsgemäße Lösung realisierten Oberfläche (Rechnersimulation) dargestellt. In der Abbildung sind sowohl Kantenelemente im Ausgangszustand 3 als auch in der Länge bereits modifizierte Kantenelemente 4 zu erkennen. Eine schematische Darstellung eines tetraederförmigen Grundmoduls 1 mit Kantenelementen 5 und elastischer Bespannung 2 ist in Fig. 3a dargestellt.

Bei der Realisierung mit tetraedrischen Grundmodulen sind für jedes Grundmodul 1 neun Kantenelemente 5 zu betrachten (sechs Kanten des Tetraeders plus drei Kantenelemente von der freien Tetraederspitze zu den freien Spitzen der benachbarten Tetraeder). Durch die zuletztgenannten Kantenverbindungen wird praktisch eine zweite "Tetraederschicht", umgekehrt zur ersten, an die bisher beschriebenen Tetraeder angefügt. Da jedoch in einem größeren Verbund von Grundmodulen letztere sowie die drei der Oberfläche zugeordneten Tetraederkanten stets zwei benachbarten Grundmodulen zuzurechnen sind, bleibt die durchschnittliche Anzahl von Kantenelementen pro Grundmodul auf sechs beschränkt:

N_k = n(6-3 _* 1/2 + 3 _* 1/2) = 6 _* n (für große n).

Die praktische Umsetzung der Erfindung setzt für jedes Kantenelement 5 eine Antriebseinheit 10 zur Realisierung einer definiert änderbaren Kantenlänge voraus. Dabei ist unwesentlich, ob die notwendige mechanische Arbeit von einem elektromechanischen, pneumatischen, hydraulischen oder sonstigem Antrieb aus erfolgt. Neben der definierten linearen Veränderung seiner Länge erfüllt die Antriebseinheit weiter die Funktionen des Blockierens und der Freigabe (Deblockieren) zur Längenveränderung. Die für das Beispiel zugrundegelegte Realisierung einer solchen Antriebseinheit 10 ist ein Miniatur-Schrittmotor mit der Aufgabe entsprechenden mechanischen und elektromechanischen Komponenten zur Kraftumsetzung und Blockierung/Deblockierung. Eine solche Realisierungsvariante ist in Fig. 1 und Fig. 2 hinsichtlich der elektromechanischen und mechanischen Komponenten gezeigt und wird im weiteren beschrieben.

Charakteristisch für die in der Länge definiert verstellbaren Kantenelemente ist weiterhin, daß sie an den Kantenenden mit einer Vorrichtung zur mechanischen Kopplung 6 mit den Nachbarmodulen ausgestattet sind, die jedem Kantenelement die notwendigen Freiheitsgrade hinsichtlich möglicher bzw. vorgesehener Positionen der Nachbarelemente verschafft. Die mechanische Realisierung einer derartigen Kopplung ist in Fig. 1b dargestellt und besteht aus einem Ring, an welchem sechs drehbar gelagerte Kopplungselemente 9 so angebracht werden, daß diese hinsichtlich des Rings radial fixiert, jedoch aus der Ringebene heraus frei beweglich sind. Die Kopplungselemente 9 sind wiederum mit den Kantenelementen 5 derart verbunden, daß sie Verdrehungen der Kantenelemente in Kantenrichtung zulassen. Dazu sind die Kopplungselemente in den Kantenschienen 19 drehbar in Lagern 8 montiert. Außerdem sind sie gemäß Anspruch 3 mit Federelementen 7 zum Ausgleich von Verspannungen ausgestattet.

Der für die Funktion des Gesamtsystems wesentlichste Parameter der Grundmodule 1 ist die maximal erreichbare Ausdehnung derselben (das Verhältnis der größten realisierbaren Länge zur kleinsten realisierbaren Länge) sowie die Anzahl möglicher Zwischenzustände und die Ausgangslage jedes einzelnen Elementes (zwischen minimaler und maximaler Ausdehnung). Diese Parameter legen für das Gesamtsystem sowohl die maximal mögliche Deformierung wie auch den kleinsten im Raum realisierbaren Krümmungsradius fest.

Zur Erläuterung des Ausdehnungsfaktors soll folgendes Beispiel dienen: Eine in Ausgangslage (alle Kantenlängen sind minimal) befindliche ebene, aus n _* n Grundmodulen mit der minimalen Kantenlänge l₀ bestehende Ausgangsoberfläche soll in einen Kugelabschnitt mit dem Radius R = L₀/2 transformiert werden, wobei L₀ die Summe von n Ausgangslängen l₀, also die Gesamtausdehnung des Systems in einer Richtung darstellt. Der dazu notwendige Ausdehnungsfaktor α berechnet sich dann annähernd aus

(π _* L₀)/2 - L₀ = n _* l₀ _* (α-1)

Da n _* l₀ = L₀, ergibt sich für diesen Fall: α = (π-2)/2 + 1 = 1,5708.

Bereits ein Ausdehnungsfaktor von rund 1,6 ist also für einige Aufgabenstellungen ausreichend.

Bei der Verwendung von Kantenelementen nach Fig. 1 ist ein Ausdehnungsfaktor von 1,8-1,9 erreichbar, durch spezielle, aufwendigere Konstruktion der Kantenelemente (beispielsweise nach dem Teleskopprinzip mit flexiblen Teleskopseelen) können auch Ausdehnungen von mehr als 2,0 realisiert werden. Eine Einschränkung der Variabilität des Gesamtsystems kann auch aus den Abmessungen der an den Kanten realisierten Antriebseinheiten erwachsen, da sich bei Verformung der betrachteten Tetraeder die zur Verfügung stehenden Rauminhalte bzw. Teilräume ändern. Es muß gewährleistet sein, daß bei jeder vorgesehenen Kombination von Kantenlängen des betrachteten Tetraeders deren Antriebselemente noch vollständig innerhalb des durch die Kantenelemente begrenzten Raumes Platz finden. Daraus resultiert die Forderung, daß die Kantenantriebseinheiten möglichst flach und lang (entlang der Kanten) auszuführen sind.

Da die Lage des Rotors von Schrittmotoren bei angelegter Spannung praktisch fixiert ist, ist eine Blockierung in der zuletzt erreichten Lage automatisch gegeben. Die Realisierung der Blockierungen in dieser Art bedeutet jedoch, daß sämtliche Antriebseinheiten der Kantenelemente zu jeder Zeit Arbeitsstrom benötigen, was in der Summe zu großen Strömen und Erwärmungsleistungen etc. führen würde. Aus diesem Grund wird die funktionelle Blockierung/Deblockierung in der Realisierung quasi umgekehrt, um zu erreichen, daß die Kantenelemente im blockierten Zustand stromlos sind. Die Kraftübertragung von der Rotorachse 16 wird über das Radpärchen 14, 15 auf eine in Achsenrichtung verschiebbare Achse, auf welcher der Spulenkern 12 fixiert ist, zu dem die Kantenschienen 19 treibenden Rad realisiert. Mittels einer Spule 11 und des Spulenkerns 12 wird die Bewegungsfreiheit der Kantenschienen 19 und damit der Kantenelemente nur für die Zeit der Kantenlängenänderung hergestellt. Nach Erreichen der Endposition wird zuerst die Spule 11 abgeschaltet, was eine mechanische Fixierung bewirkt. Danach können die Schrittmotorwicklungen abgeschaltet werden und die gesamte Antriebseinheit 10 benötigt bis zur nächsten Aktion praktisch keinen Strom mehr. Für den oft auftretenden Fall, daß eine Kante von benachbarten Kantenelementen passiv in der Länge verändert werden muß, wird dann die Spule 11 zur mechanischen Deblockierung aktiv, ohne das die Schrittmotorwicklungen aktiviert sind.

Die Schrittmotorsteuerung erfolgt für relative Längenänderungen stets hinsichtlich der augenblicklichen Position. Die augenblickliche Ausdehnung und Lage des Kantenelementes muß im Steuerrechner nach jeder aktiven oder passiven Veränderung einer Kantenlänge gespeichert werden. Unabhängig davon, ob eine Kante letztmalig aktiv durch ihren zugeordneten Schrittmotor oder passiv durch die Schrittmotoren benachbarter Kantenelemente in der Länge verändert wurde, besteht somit nach dem "Einkuppeln" durch den Spulenmechanismus 11, 12 wieder die Möglichkeit, eine errechnete Längenänderung durch eine definierte Zahl von Spindelimpulsen zu realisieren. Ebenso besteht die Möglichkeit, den Rotor jedes Schrittmotors vor dem "Einkuppeln" im Leerlauf in eine gewünschte Ausgangslage zu bringen.

Die Leistung jedes Schrittmotors ist so ausgelegt, daß er (unter Beachtung der mechanischen Kraftumsetzung) außer der mechanischen Arbeit zur Längenänderung der zugeordneten Kante unter Überwindung der Schwerkraft jeweils noch drei benachbarte Kanten, die sich im deblockierten Zustand befinden, sicher in der Länge modifizieren kann.

Die Ansteuerung der einzelnen Grundmodule 1 erfolgt durch eine von der realisierten Aufgabe abhängige hierarchische Anordnung von speziellen elektronischen Baugruppen bzw. Bauelementen. Die Ansteuerung der einzelnen Kantenelemente 5 erfolgt durch im System gleichmäßig verteilte Kantensteuerungselemente (KSE) 17, die im folgenden beschrieben werden.

Wie oben angeführt, brauchen im Falle tetraedrischer Grundmodule im Sinne des Anspruches 2 die jeweils für ein Grundmodul vorhandenen Kantensteuerungselemente nur sechs Elemente anzusteuern. Voraussetzung dafür ist allerdings eine eindeutige Zuordnung der Kantenelemente 5 verschiedener Grundmodule zu den Kantensteuerungselementen (Indizierung). In jedem Fall sind von einem KSE die drei Kantenelemente anzusteuern, die die Verbindungen der Tetraederpunkte 0-3, 1-3, 2-3 nach der beschriebenen Indizierungsvariante (Fig. 5c) bilden, da diese Kanten ausschließlich zu dem jeweils betrachteten Grundmodul gehören. Darüber hinaus wird die Ansteuerung von abwechselnd je zwei Kanten der Oberfläche (eine der Kanten 0-1, 1-2, 2-0) mit einer Verbindung der Tetraederspitzen (3-3) untereinander (Siehe Fig. 3b) und einer der Oberflächenkanten mit zwei Verbindungen vom Typ 3-3 realisiert (Fig. 3c).

Die Ansteuerung der sechs einem Kantensteuerungselement 17 zugeordneten Antriebselemente 10 kann jeweils durch einen im Mittelpunkt des Tetraeders oder im Bereich zwischen den freien Tetraederspitzen (Scheitelpunkten) angeordneten Spezialschaltkreis mit geringfügiger Außenbeschaltung erfolgen. Die Verbindungsleitungen zwischen einem KSE 17 und den Antriebseinheiten sind mit einer flexiblen Aufhängung 18 funktionell gekoppelt, die einem Verdrehen der Kantenelemente und damit der Verbindungsleitungen entgegenwirkt. Das Blockschaltbild eines Kantensteuerungselementes 17 ist in Fig. 4a und 4b gezeigt.

Die KSE sind über eine serielle Datenleitung (incl. der notwendigen handshake- Verbindungen) sowie einer zusätzlichen Signalleitung, die die synchrone Ausführung von Aktionen unterschiedlicher Kantensteuerungselemente gewährleistet, mit einer hierarchisch höheren Steuerebene verbunden, wobei darunter im einfachsten Fall ein Rechner verstanden werden kann, auf dem die zum Produkt gehörende Software läuft, jedoch ebenso (im Fall großer Systeme mit vielen Grundmodulen) eine Baugruppe zur Verteilung und Verstärkung der von diesem Rechner kommenden Steuersignale.

Jedes KSE muß über eine einmalige Adresse ansprechbar sein. Die Realisierung der Fixierung bzw. Einstellung der Adresse jedes KSE kann unterschiedlich realisiert werden: Eine komplett im Schaltkreis-Layout fixierte Vergleichsadresse wird nur mit sehr großen Stückzahlen ökonomisch, so daß zumindest der niederwertige Teil der Vergleichsadresse durch ein im Komplex mit jedem KSE vorhandenes steckbares Schaltfeld bzw. durch spezielle Verdrahtung realisiert sein sollte. Alternativ kann auch eine Programmierung der Adressen der einzelnen KSE vom Steuerrechner vorgesehen werden, was dann allerdings zusätzlichen Aufwand hinsichtlich des initialen Ansprechens der KSE (beispielsweise durch Vorsehen einer langen "daisy­ chain"-Leitung zwischen sämtlichen KSE) bedeutet. Bei dieser Form der Initialisierung wird stets dasselbe KSE zuerst mit ihrer von Null verschiedenen Adresse programmiert, nach Übernahme dieser Adresse würde sie über die besagte "daisy-chain"-Leitung ein weiteres KSE in Bereitschaft zur Übernahme der nächsten Adresse versetzen usw.

In den KSE sind pro anzusteuernder Kante (Fig. 4b) mehrere Register 22 für Blockierungsstatus, Schrittanzahl, Status- und Gültigkeitsflags enthalten. Diese werden über die serielle Empfangsleitung programmiert und nach der Ausführung der entsprechenden Aktion intern zurückgesetzt (bzw. ihr Inhalt als ungültig deklariert). Über eine gesonderte Signalleitung, an die alle KSE angeschlossen sind, wird die gleichzeitige Ausführung von Längenänderungen aller zu diesem Zeitpunkt programmierten KSE angestoßen.

Die von den KSE seriell empfangene Information ist jeweils in einen Adreßwert und einen Datenwert unterteilt. Der Adreßwert wiederum setzt sich aus der für jedes KSE fixierten Adresse und einem KSE-internen Adreßteil zusammen, wobei letzterer zur Auswahl der verschiedenen KSE-internen beschreibbaren Register dient.

Stimmt der höherwertige Teil des von der seriellen Empfangseinheit 20 (Fig. 4a, b) empfangenen Adreßwortes mit der fixierten Adresse und der niederwertige Teil des Adreßwortes mit der Adresse eines Registers für eine Kantenelementsteuerung überein, dann wird das darauffolgende Datenwort in das entsprechende Register 22 übernommen. Jedoch werden lediglich die Registerinhalte zur Blockierung/ Deblockierung sofort über entsprechende Treiberstufen 21 umgesetzt. Für die anderen Register gilt, daß ihr Inhalt beliebig oft neu beschrieben werden kann, bis ein beschreibbares Flag von der höheren Steuerebene aus gesetzt wird, womit der Abschluß der Programmierung der KSE für eine auszuführende Aktion manifestiert wird. Nur wenn dieses Flag gesetzt ist, löst ein nachfolgend über die Synchronisationsleitung empfangener Impuls die (eventuell für mehrere Kantenelemente gleichzeitige) Ausführung der Kantenlängenänderung durch entsprechend verstärkte Schrittmotorimpulse aus. Gleichzeitig wird das die abgeschlossene KSE-Programmierung anzeigende Flag zurückgesetzt.

Die Ausgangsstufen der KSE müssen die von den elektromechanischen Komponenten benötigte Leistung erbringen. Innerhalb eines KSE hinsichtlich der Leistungsbilanz/ Abwärme etc. muß die gleichzeitige Ausführung der Änderung dreier angeschlossener Kantenelemente zuzüglich der Deblockierung weiterer gewährleistet sein.

Auf den Vorteil einer großen Zahl gleichartiger Grundelemente und damit die Möglichkeit der Massen- bzw. Großserienfertigung bei der praktischen Umsetzung der Erfindung sei hingewiesen.

Grundlage für die Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Gesamtsystems ist ein leistungsfähiger Rechner, in welchem der Ist-Zustand aller Kanten, die Koordinaten der Scheitelpunkte, die zu realisierenden Veränderungen der Oberfläche (Ziel- Oberfläche) sowie ein Modell der jeweils an den Grundmodulen wirkenden Kräfte und der realisierten untergeordneten Steuerungsebenen verfügbar ist. Mit Hilfe eines speziellen Programmkomplexes wird aus diesen Informationen eine Strategie für die die Reihenfolge und die Quantität der auszuführenden Aktionen (Längenänderungen an Kanten) abgeleitet, anhand einer Simulation der geplanten Aktionen überprüft und die Ausführung richtig ausgelöst. Um zu gewährleisten, daß das System ohne Positionsmeldungen von den einzelnen KSE auskommt, ist in der Steuerung ein vollständiger Simulator für sämtliche Kanten- und Positionsveränderungen enthalten, der bei Notwendigkeit auch die durch Ungenauigkeit der Mechanik entstehenden integralen Fehler berücksichtigt und gleichzeitig die statische Zulässigkeit jeder einzelnen Operation prüft.

Mit einer Basismenge an implementierten Regeln und Funktionen lassen sich so die verschiedensten Oberflächen im Rahmen der durch die Konfiguration gegebenen Möglichkeiten aus einer angenommenen Ausgangslage aller Grundelemente realisieren. Vor Beginn der Ausführung muß dazu der Datensatz der gesamten zu realisierenden Oberfläche vorliegen, um eine optimale Ausnutzung des vorhandenen Längenpotentials und eine optimierte Umsetzungszeit zu erreichen.

Als Beispiel für den Ablauf einer Oberflächenänderung wird im Folgenden das einfache Herausheben eines Scheitelpunktes aus einer ebenen Ausgangsposition beschrieben, was zu der in Fig. 7 dargestellten Oberflächenmodifikation führt. Zunächst soll zum besseren Verständnis die in Fig. 5a dargestellte Indizierung der Scheitelpunkte, der einzelnen tetraedrischen Grundkörper, ihrer Eckpunkte und ihrer Kanten sowie der Verbindungskanten zwischen den unten liegenden Tetraederspitzen erläutert werden:
Die beschriebene Art der Indizierung ist nicht die einzig mögliche, soll jedoch für das Realisierungsbeispiel gültig sein. Die Scheitelpunkte der zu verändernden Oberfläche sind mit den Variablen i und j einmal unabhängig von der Tetraederstruktur, andererseits aber auch durch die Tetraederindizierung (in Fig. 5a, b fett-kursiv) zuzüglich eines der Tetraedereckpunkte (Fig. 5a, c kursiv) beschreibbar. Eine eindeutige Zuordnung jedes Tetraederscheitelpunktes hinsichtlich der äußeren Indizierung mit i und j ist gegeben. Folgende Umrechnungsformeln für die drei zur Oberfläche gehörenden Tetraederpunkte sind für die gewählte Indizierungsart gültig:

Innerhalb der tetraedrischen Grundkörper werden die Eckpunkte in der verbundenen Oberfläche wie in Fig. 5c dargestellt von 0 bis 2 indiziert, wobei die oben aufgeführten vier Fälle zu unterscheiden sind. Die nicht der Oberfläche zugeordneten Tetraederspitzen erhalten jeweils die Punktnummer 3. Die Indizierung der Tetraederkanten ist aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 5a nicht gezeigt. Die zur Oberfläche gehörenden Tetraederkanten sind ebenfalls von 0-2 wie folgt numeriert (Fig. 5d):
0 - Verbindung der Tetraederpunkte 0-1,
1 - Verbindung der Tetraederpunkte 1-2,
2 - Verbindung der Tetraederpunkte 2-0.

Die vom unten liegenden Eckpunkt ausgehenden Tetraederkanten sind mit der Nummer des Oberflächenpunktes anzusprechen, zu dem sie führen (ebenfalls 0-2, jedoch stellen sie funktionell eine andere Kantenklasse dar und werden so von den Oberflächenkanten unterschieden). Schließlich sind die Verbindungskanten zwischen den unten liegenden Tetraederspitzen (Fig. 5e) jeweils mit der Nummer der Oberflächenkante indiziert, die von ihnen in der Draufsicht scheinbar geschnitten werden (ebenfalls 0-2).

Um aus der Ausgangslage (die Oberfläche bildet eine Ebene, alle Kanten sind blockiert) den in Fig. 7 gezeigten Zustand zu erreichen, ist ein funktioneller Ablauf entsprechend dem Programmablaufplan in Fig. 6 erforderlich. Die Aktion kann in die drei gezeigten Phasen untergliedert werden. In Phase 1 sind zunächst sämtliche Kantenelemente blockiert. Von den am Oberflächenpunkt (3,1) zusammenlaufenden 12 Kanten werden 6 der Oberflächenkanten und drei der sechs anliegenden Verbindungskanten zu den übrigen Tetraederspitzen deblockiert. Die Statik des Aufbaus wird dadurch nicht beeinträchtigt und der Oberflächenpunkt bleibt unbeweglich. In Phase 2 erfolgt nach entsprechenden Berechnungen das definierte "Ausfahren" der drei bisher noch blockierten Kanten, der Punkt (3,1) verlagert sich aus der Ebene heraus, die anliegenden Tetraederflächen verändern ihre Geometrie. Die erreichten Endzustände werden im rechnerinternen Modell abgespeichert und die deblockierten Kantenelemente werden schließlich in Phase 3 erneut blockiert.

Soll eine teilweise oder ganz aufgebaute Oberfläche geändert (editiert) werden, so müssen unter Umständen bereits realisierte Kantenlängenveränderungen - auch in nichteditierten Oberflächenbereichen - rückgängig gemacht werden. Die Qualität der Strategie für die Überführung des realen Systems aus einem vom Ausgangszustand verschiedenen Zustand in einen gewünschten Endzustand unter Berücksichtigung der durch die Mechanik gegebenen Randbedingungen ist wesentlich für die Transformationszeit des Systems, stellt jedoch keine zusätzliche Einschränkung der prinzipiell realisierbaren Oberflächen dar, da im einfachsten Fall vor jeder Änderung wieder der Ausgangszustand angefahren werden kann.

Die zugrundeliegenden Flächenelemente (begrenzt durch Kantenelemente) besitzen eine minimale Ausdehnung und Form, durch welche die Auflösung der zu modellierenden Oberfläche, der kleinste mögliche Krümmungsradius etc. festgelegt ist. Ein Großteil der damit verbundenen Einschränkungen kann jedoch durch eine Veränderung des Maßstabs der Darstellung (und damit der Anzahl der verwendeten Flächenelemente) prinzipiell ausgeglichen werden, was allerdings zur Erhöhung der Anschaffungskosten führt.

Die maximal erreichbare Größe der Flächenelemente ist nur insofern eine Einschränkung, als zur Erzeugung großer Ebenenabschnitte mehr physische Flächenelemente eingesetzt werden müssen als Polygone in einem adäquaten CAD- Modell vorhanden sind.

Eine prinzipielle Einschränkung ist dagegen hinsichtlich nicht in sich geschlossener ("aufgerissener") Oberflächen gegeben: Oberflächen können nicht durch Parameterveränderungen geschlossen oder aufgetrennt werden, allerdings ist eine Vorfertigung von sphärischen Grundformen oder von Aussparungen möglich, die dann dynamisch verändert werden können.

Bezugszeichenliste

1 tetraedrisches Grundmodul
2 elastische Bespannung der Oberfläche
3 Kantenelemente in Ausgangslage
4 modifizierte Kantenelemente
5 Kantenelement mit Antriebseinheit
6 Vorrichtung zur Kopplung von sechs Kantenelementen
7 Federelemente zum Ausgleich von Verspannungen
8 Lager
9 drehbar gelagertes Kopplungselement
10 Antriebseinheit
11 Spule
12 Spulenkern
13 Friktionsmaterial (Gummi etc.) zur Lagefixierung im blockierten Zustand
14 getriebenes Rad
15 treibendes Rad
16 Rotorachse des Schrittmotors
17 Kantensteuerungselement (KSE)
18 flexible Aufhängung mit Verbindungskabeln
19 Schienen zur Realisierung der Kanten
20 Serielles Empfangsmodul
21 Ausgangstreiberstufen der Kantensteuerungselemente
22 Datenregister für jedes Kantenelement

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Herstellung von räumlichen Modellen aus geometrisch regelmäßig ausgebildeten Grundmodulen, die jeweils mit Positionierantrieben ausgerüstet sind und aus einer hierarchisch höheren Steuerungsebene angesteuert werden, wobei eine zu modellierende Oberfläche wahlweise durch elastische Bespannung eines Teils der Grundmodule realisiert werden kann, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche durch im Verhältnis zur Oberfläche kleine, räumliche Grundmodule (1) bildende Kantenelemente (3, 4) gebildet ist, wobei zumindest die der Oberfläche zugeordneten Kantenelemente (3, 4) jedes räumlichen Grundmoduls (1) an den Enden untereinander und mit Enden der Kantenelemente (3, 4) der benachbarten Grundmodule (1) beweglich so verbunden sind, daß die Winkel, die die verbundenen Kanten bilden, variabel sind und daß auch die Grundmodule an den Verbindungsstellen verdrehbar sind,
daß die Längen der Kantenelemente (3, 4) jedes Grundmoduls (1) definiert veränderbar sind und daß alle nicht angesteuerten Kantenelemente in ihrer Lage und Form blockiert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Grundmodule (1) ein Tetraeder bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht der Oberfläche zugeordneten Tetraederspitzen untereinander durch weitere Kantenelemente in der unter Anspruch 1 beschriebenen Art und Weise verbunden sind, so daß ein aus mehreren Grundmodulen bestehendes System bei fixierten Randpunkten eine variable, jedoch statisch stabile räumliche Struktur erhält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Einrichtungen zur Veränderung der Länge der Kantenelemente (3, 4) neben den ansteuerbaren Stellantrieben (10) Blockierungsmechanismen, die im blockierten Zustand stromlos sind, aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenelemente Federelemente (7) aufweisen und daß zur Vermeidung von Verspannungen die Länge der Kantenelemente von der eingestellten Ruhelage ausgehend gegen den Federdruck um den Federweg verringerbar oder vergrößerbar ist.