Prototypen-Entwicklung innerhalb der 3D-Software ISG-virtuos

Wer ist die ISG und was macht sie?

Die ISG bietet Ihren Kunden Softwarelösungen und Technologien im Bereich industrieller Steuerungs- und Automatisierungstechnik. In Zusammenarbeit mit vielen namhaften Industrie- und Forschungspartnern werden seit 1987 immer wieder wegweisende und innovative Entwicklungen vorgestellt.

ISG-kernel ist eine durchgängige, modular aufgebaute Software zur Steuerung von Robotern (RC), von Werkzeug-, Holzbearbeitungs- und Strahlschneidemaschinen (CNC) sowie von Verpackungs- und Textilmaschinen (MC), wobei die Konfigurierung und die Parametrierung auch durch den Anwender möglich sind.

Das 3D-Simulations-Tool ISG-virtuos ist die Lösung zur Reduzierung von Engineeringkosten und Inbetriebnahmezeiten um bis zu 80%. Sie ermöglicht die virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen mit realen Steuerungen und realen Feldbussen in Echtzeit. Die 3D-Visualisierung erfolgt dabei durch den Import originaler CAD-Daten. Beratung und Implementierung auf Basis von „best practice“-Lösungen führen zum effizienten Einsatz von virtuos sowohl bei Steuerungs-, Maschinen- und Anlagenherstellern als auch bei Betreibern von Automatisierungssystemen.

Sind Usability, UX und Intuitive Benutzung für 3D-Software-Tools wie ISG-virtuos wirklich von Bedeutung?

Es ist nicht Neues, dass dem Digitalen Engineering ein enormes Entwicklungspotential nachgesagt wird.  Deutlich spürbar ist vor allem ein steigender Bedarf an Simulationsaufgaben/ Virtuellem Engineering. Dass Simulations- und Visualisierungswerkzeuge auf dem Vormarsch sind, geht auch aus dem „IT-Report Simulation + Visualisierung 2017“ des VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.) hervor.  Laut der Befragung wird zukünftig besonders die virtuelle Inbetriebnahme davon profitieren.

Während des Engineering-Prozesses kommen in der Regel verschiedene Simulations-Tools zum Einsatz. Das Spektrum reicht hierbei von CAD-Systemen mit der Möglichkeit zur Strukturdynamik-Simulation sowie zur Maschinen- und Anlagensimulation (Fabrikplanung) über Fluid-Simulationssysteme (Hydraulik, Pneumatik) bis hin zu Offline-Programmiersystemen zur Steuerungsentwicklung und Simulationslösungen zur virtuellen Inbetriebnahme.

Es wird sich wohl auch in Zukunft kein Software-Tool herausstellen, welches die gesamte Prozesskette abdeckt. Eine Abkehr von dieser heterogenen 3D-Software-Landschaft im Bereich des Virtuellen Engineerings ist also nicht absehbar. Aus dieser Tatsache heraus resultieren die folgenden wichtigsten (Kunden-)Anforderungen:

  • Effizientes Software-Engineering durch einheitliche Daten-Schnittstellen
  • Einfache, einheitliche Bedienung

Für die Weiterentwicklung von ISG-virtuos bedeutet dies u.a. einen noch stärkeren Fokus auf die Verbesserung von Usability, UX und Intuitive Benutzung zu setzen. Eine einfache, einheitliche Bedienung heißt für uns jedoch nicht, dass jedes 3D-Software-Tool gleich aufgebaut sein muss und sich identisch bedienen lassen muss. Vielmehr geht es hier um die Implementierung standardisierter, Branchen-typischer Bedienaktionen. Validierte Patterns dienen dabei als verlässliche Grundlage für die softwaretechnische Umsetzung.

Wie haben wir den Prototyping-Prozess durchgeführt?

Mit ISG-virtuos ist es dem Anwender möglich basierend auf den originalen CAD-Daten Komponenten einer Maschine oder Anlage einschließlich kinematischem Verhalten zu modellieren und als wiederverwendbare Modelle in einer benutzerdefinierten Modulbibliothek abzuspeichern. An einer Komponente können dabei beliebig viele Andockpunkte definiert werden. Diese werden mit der Komponente in der Modulbibliothek abgespeichert und haben den Zweck weitere Komponenten aus der Bibliothek an eine gewünschte, vorher definierte Position „anzudocken“.

Vor der Prototypen-Entwicklung erfolgte das Andocken in ISG-virtuos nicht in der 3D-Szene. Andockpunkte wurden auch nicht visuell dargestellt. Stattdessen musste die Komponente aus der Modulbibliothek über die 3D-Szene hinweg in den Objektbaum auf den gewünschten „Andock-Knoten“ gezogen werden. Ziel des Prototypings war es, die für den Andock-Prozess notwendigen Bedienaktionen direkt in die 3D-Szene zu integrieren.

Mehrere Arbeitstreffen der 3D-GUIde Projektpartner dienten dazu, gemeinsam ein umfassendes Verständnis für den Use-Case „Andocken“ zu entwickeln und auf dieser Grundlage ein erstes Konzept für den Prototyp zu erstellen.

Abbildung 1: Prototyping-Prozess „Andocken“ (1. Entwicklungsphase)

Unter Berücksichtigung der technischen Machbarkeit wurden dabei zunächst die konkreten Anforderungen an den Prototyp „Andocken“ zusammengetragen, so dass auf dieser Basis ein erstes Konzept ausgearbeitet werden konnte. Dieses sah vor, dass Komponenten per Drag&Drop aus der Modulbibliothek direkt in die 3D-Szene gezogen werden können, wobei sowohl das Platzieren der Komponente auf der Arbeitsfläche als auch das Andocken mit mehreren Andockpunkten und Komponenten mit abgedeckt sein sollten.

Entscheidend für die erfolgreiche und reibungsfreie Implementierungsphase, d.h. die softwaretechnische Umsetzung, war das iterative Vorgehen in „kleinen Etappen“, in welchen sich Programmierung, Test und Anpassung des Konzepts abwechselten. Dieser Prozess ist in Abbildung 1 dargestellt.

Der ISG-virtuos Prototyp „Andocken“ nach der 1. Entwicklungsphase wird im nachfolgenden Video vorgestellt.

 

Video: ISG-virtuos-Prototyp „Andocken“ nach 1. Entwicklungsphase (vor der Evaluation)

Basierend auf diesem Entwicklungsstand wurden im Anschluss die Evaluationen durchgeführt. Dabei wurde auf in 3D-GUIde entwickelte Evaluationsmethodiken zurückgegriffen.

Die Evaluationsergebnisse haben die folgenden 3 wesentlichen Probleme bestätigt:

  1. Objekt bestätigen:
    • Bestätigungs-Interaktion unklar
    • Rechtsklick für Nicht-Bestätigen als Funktion doppelt belegt
  2. Andockpunkte:
    • Unterscheidung im 3D-Raum schwierig
    • Aktivierung der Andockpunkte unklar
    • Hervorhebung der Andockpunkte schwer erkennbar
    • Belegte Andockpunkte nicht kenntlich gemacht
  3. Vorschau:
    • Ausrichtung in der Vorschau verwirrt
    • Interaktionsmöglichkeiten unklar

Das Vorgehen in der 2. Entwicklungsphase gestaltete sich analog zur 1. Entwicklungsphase, diesmal unter Berücksichtigung der Evaluationsergebnisse. Neben Performance-Optimierungen wurden dabei in erster Linie die Andockpunkte überarbeitet (Symbole) und das Andockverhalten optimiert (Bestätigungs-Interaktion, Vorschau). In Abbildung 2 ist der Prozess wiederum graphisch dargestellt.

Abbildung 2: Prototyping-Prozess „Andocken“ (2. Entwicklungsphase)

 

Der unter Berücksichtigung der Evaluationsergebnisse überarbeitete ISG-virtuos Prototyp „Andocken“ wird im nachfolgenden Video vorgestellt.

 

Video: ISG-virtuos-Prototyp „Andocken“ nach 2. Entwicklungsphase (unter Berücksichtigung der Evaluationsergebnisse)

 Ausblick

Welche Patterns sind für ISG-virtuos besonders interessant?

Für ISG-virtuos ist im Bereich von Mouse-/ Desktop-Anwendungen vor allem die Implementierung einer Messfunktionalität innerhalb der 3D-Darstellung von Maschinen, Anlagen und Robotern interessant. Dies kann einerseits in Form einer Messfunktion bzw. eines Mess-Modus zur Berechnung von z.B. Abständen, Winkeln, Kreismittelpunkten, etc. geschehen. Andererseits hat sich im Verlauf der Analyse herausgestellt, dass viele Kundenanforderungen durch eine Erweiterung des Manipulations-Modus um Funktionen zur einfachen Positionierung von Objekten oder Koordinaten-Systemen bereits abgedeckt sein könnten.

Aber auch Patterns für VR-/ AR-Anwendungen werden in Zukunft immer wichtiger. Innerhalb des 3D-Simulations-Tools ISG-virtuos kann vor allem an Navigationsmöglichkeiten in der 3D-Szene (z.B. Orbiting) gearbeitet werden. Die Entwicklung einer AR-Umgebung und die Implementierung von AR-Patterns wie z.B. POIs (Points of Interest) können zukünftig den digitalen Zwilling (virtuelle Maschine) noch näher an die reale Maschine bringen.

17. April, 2018