Die DWG-CAD-Programme BricsCAD und AutoCAD besitzen recht eindrucksvolle Modellierungsfähigkeiten. Reichen die eingebauten Befehle nicht aus, lassen sich in der Programmiersprache LISP neue Funktionen dazuschreiben. In den letzten 33 Jahren entstanden so allerorten tausende kleine und große CAD-Hilfswerkzeuge.

Leider ist die uralte Sprache LISP zwar ziemlich leistungsfähig, aber sie ist schon etwas speziell mit ihrer Syntax voller Klammerausdrücke. Ihre fremdartige polnische Notation trägt wohl auch mit dazu bei, dass die meisten CAD-Anwenderinnen und -anwender noch nie eine LISP-Routine selber geschrieben haben.

Ich fragte mich, ob es wohl möglich sei, auch mit einem Python-Programm CAD-Daten aus einer bestehenden Zeichnung zu lesen. Da es weder in AutoCAD noch in BricsCAD eine Programmierschnittstelle für Python gibt, müsste die Datenübergabe allein über Textdateien erfolgen.

Um Daten aus dem CAD-Programm heraus zu bekommen, hilft der Befehl DATENEXTRAKT, der eine CSV-Datei mit den Geometriedaten ausgewählter Zeichnungsobjekte erzeugt. Diese CSV-Datei kann von Python problemlos gelesen werden.

Der Rückweg ist etwas kniffliger, da Python ja wegen der fehlenden Programmierschnittstelle keine Möglichkeit hat, unmittelbar vorhandene Objekteigenschaften abzufragen. Alles, was Python ausgibt, muss praktisch „im Blindflug“ vom CAD-Programm ausgeführt werden. Zu diesem Zweck erzeugt das in diesem Beitrag vorgestellte Pythonprogramm eine SCR-Datei, in der alle Zeichenbefehle genau so stehen, wie sie ohne Maus über die Tastatur eingetippt werden müssten. Sinnvollerweise geschieht das in einer neuen, leeren Zeichnung.

Um beispielsweise das Haus vom Nikolaus bildschirmfüllend darzustellen, würde man folgendes eintippen:

LINIE 1,1 1,3 2,4 3,3 1,3 3,1 1,1 3,3 3,1 ↲
ZOOM G↲

Das Zeichen ↲ steht dabei für das Drücken der Eingabetaste auf der Tastatur. In Python wird das entsprechende Steuerzeichen durch die Ersatzdarstellung \n in die SCR-Datei eingefügt.

Damit unser Pythonprogramm nicht allzu trivial wird, bekommt es die Aufgabe, eine zweidimensionale Zeichnung auf einem Zylindermantel abzubilden. Die Beispielzeichnung unten besteht aus 12 geschlossenen Polylinien. Die Bögen sind als Splines konstruiert worden und verwandeln sich dadurch beim Verbinden mit dem Rest der Polylinie zu einer Kette kurzer Linienstücke. Kreisbogenstücke würden dagegen durch ein einzelnes Linienstück ersetzt.

Exportiert man die Geometrie aus BricsCAD mittels DATENEXTRAKT in eine CSV-Datei, so kann man auswählen, welche Objektarten und -eigenschaften exportiert werden sollen. Wir beschränken uns bei der Objektart auf „Polylinien-Scheitelpunkte“ und bei den Eigenschaften auf „Position X“, „Position Y“ und „Scheitelpunkt“. Das Häkchen vor „kombiniere gleiche Zeilen“ darf nicht gesetzt sein.

Die „extrahierte“ CSV-Datei besteht aus ein paar hundert Zeilen mit den Koordinaten aller Scheitelpunkte der ausgewählten Polylinien.

Anzahl;Name;Position X;Position Y;Scheitelpunkt
1;Polylinien Scheitelpunkt;8.527978;0.410224;1
1;Polylinien Scheitelpunkt;7.976107;0.410224;2
1;Polylinien Scheitelpunkt;7.976107;1.279974;3
1;Polylinien Scheitelpunkt;7.979059;1.328747;4
1;Polylinien Scheitelpunkt;7.987645;1.377615;5
1;Polylinien Scheitelpunkt;8.001463;1.426065;6
1;Polylinien Scheitelpunkt;8.020111;1.473588;7

Der Zähler in der letzten Spalte ist die Nummer des Scheitelpunkts in der jeweiligen Polylinie. Er beginnt bei jeder neuen Polylinie wieder bei Eins. Wir verwenden ihn, um herauszufinden, zu welcher Polylinie ein Scheitelpunkt gehört.

Unser Programm hat nun die Aufgabe, aus dieser CSV-Datei die X-Y-Koordinaten in 3D-Zylinderkoordinaten umzurechnen und die CAD-Befehle zu erzeugen, die diese Geometrie auf einen Zylindermantel abbilden. Diese werden in eine Datei geschrieben und mit dem Befehl SCRIPT in AutoCAD oder BricsCAD ausgeführt.

Das Ergebnis sieht in unserem Beispiel so aus:

Mit dem CAD-Befehl AUFPRÄGEN lassen sich auf dem Zylindermantel liegende Flächen erzeugen, die dann beispielsweise verstärkt oder zurückgesetzt werden können. Wenn wir unserem Zylinder eine Wandstärke zuweisen, sieht das Ergebnis der Modellierung so aus:

Damit die erzeugte Geometrie überhaupt korrekt aufgeprägt werden kann, muss sie exakt auf dem Zylindermantel liegen. Die Verbindungslinien zwischen den Scheitelpunkten sind daher stets Ellipsenbögen, die jeweils auf einer Ebene liegen, welche den Zylinder schneidet. Einzige Ausnahme sind senkrechte Linien, die weiterhin geradlinig bleiben.

Als Kuriosum ist zu beachten, dass weder AutoCAD noch BricsCAD Ellipsenbögen im Raum kennen. Um einen Ellipsenbogen zu zeichnen, muss zuerst eine Zeichenebene durch ein Benutzerkoordinatensystem definiert werden, auf der dann in einem zweiten Schritt ein Ellipsenbogen vom Startpunkt zum Endpunkt gezeichnet werden kann.

Das Programm kann auch dazu verwendet werden, Schrift auf Zylindermäntel aufzuprägen. Der Text muss lediglich vorher mit dem Befehl TXTAUFL in Polylinien umgewandelt werden. Je nach Font ist nach der Umwandlung ein Zwischenschritt notwendig, in dem möglicherweise vorhandene doppelte Umrisslinien gelöscht werden.

from math import sin, cos, pi, hypot
from tkinter import Tk
from tkinter.filedialog import askopenfilename
import sys
 
## Version 5 vom 10. April 2019
 
print("""
Dieses Python-Programm erzeugt ein BricsCAD-Script, um geradlinige Teilstücke
von 2D-Polylinien als Ellipsenbögen auf einem Zylindermantel abzubilden.
 
### Anleitung ###
 
Schritt 1: Die später auf dem Zylindermantel anzuordnenden Elemente müssen als
2D-Polylinien in der x-y-Ebene vorliegen. Bei mittels TXTAUFL aus Texten
erzeugten Objekten müssen ggf. doppelte Polylinien gelöscht werden.
 
Schritt 2: In BricsCAD mittels DATENEXTRAKT eine CSV-Datei mit den Scheitel-
punktdaten der gewünschten Polylinien erstellen. Es müssen mindestens die
Eigenschaften "Position X", "Position Y" und "Scheitelpunkt" ausgewählt werden.
Gleiche Elemente dürfen nicht zusammengefasst werden.
 
Als Trennzeichen ist das Semikolon zu wählen.
 
Schritt 3: Diese CSV-Datei laden.
""")
 
Tk().withdraw()
csvname = askopenfilename(title = "CSV-Datei wählen:",
                          filetypes = (("CSV-Dateien","*.csv"),
                                       ("Alle Dateien","*.*")))
if not csvname:
    print("Keine CSV-Datei ausgewählt. Programm wird abgebrochen.")
    sys.exit()
 
with open(csvname) as csv:
    Zeilen = [Z.strip() for Z in csv]
 
# Kopfzeile der CSV-Datei
Z = Zeilen[0].split(";")
 
# Führt diese alle benötigten Spalten auf?
try:
    xSpalte = Z.index("Position X")
    ySpalte = Z.index("Position Y")
    sSpalte = Z.index("Scheitelpunkt")
except ValueError:
    print("""
CSV-Formatfehler!
 
In der Kopfzeile der CSV-Datei müssen die Spaltenüberschriften "Position X",
"Position Y" und "Scheitelpunkt" aufgeführt sein.
 
Programm wird abgebrochen.
""")
    sys.exit()
 
# Liste aller Polylinien in der CSV-Datei
PL = []
 
# Grenzen des erkannten Bereichs
xmin = ymin = float("inf")
xmax = ymax = float("-inf")
 
# Alle Zeilen der CSV-Datei auswerten
for Zeile in Zeilen[1:]:
    zs = Zeile.split(";")
 
    if "Scheitelpunkt;" in Zeile:
        # Nummer des Scheitelpunkts
        sp = zs[sSpalte]
 
        # Beginn einer neuen Polylinie?
        if sp == "1":
            PL.append([])
 
        # x- und y-Ordinaten holen
        x = float(zs[xSpalte])
        y = float(zs[ySpalte])
 
        # Grenzen ggf. erweitern
        xmin = min(xmin, x)
        ymin = min(ymin, y)
        xmax = max(xmax, x)
        ymax = max(ymax, y)
 
        # Scheitelpunkt an zuletzt begonnene Polylinie anhängen,
        # doppelte Punkte überspringen
        if not PL[-1] or (x,y) != PL[-1][-1]:
            PL[-1].append((x,y))
 
print(len(PL),"Polylinien gefunden.\n")
 
print(f"x-Bereich {xmin:.2f} bis {xmax:.2f}")
print(f"y-Bereich {ymin:.2f} bis {ymax:.2f}")
 
breite = xmax - xmin
höhe = ymax - ymin
 
# Radius für 360° Umwicklung
rmin = breite/pi/2
 
print(f"\nKleinster sinnvoller Radius: {rmin:.2f}")
r = float(input("Gewählter Radius r = "))
 
# Zylinderumfang
u = 2*pi*r
 
def zk(r,x,y):
    """Berechnet Zylinderkoordinaten"""
    z = y-ymin
    w = 2*pi*(x-xmin)/u
    x = r*cos(w)
    y = r*sin(w)
    return x, y, z
 
# Die Scriptdatei heißt wie die CSV-Datei   
scrname = csvname[:-4]+".scr"
 
print(f"\nSchreibe Skriptdatei „{scrname}“ …")
with open(scrname,"w") as scr:
    # Aus Geschwindigkeitsgründen: visueller Stil "2D-Drahtmodell"
    scr.write("-VIS A 2D\n")
    # Definierende Geometrie immer löschen
    scr.write("DELOBJ 2\n")
    # Schrägansicht
    scr.write("APUNKT 1,1,1\n")
    # Zoom auf interessanten Bereich
    scr.write(f"ZOOM F {-r},{-r} {r},{r}\n")
 
    # Für alle Polylinien in der Liste:
    for P in PL:
        # Erster und letzter Punkt müssen übereinstimmen
        if P[0] != P[-1]:
            P.append(P[0])
 
        # Für alle Teilstücke in der Polylinie:
        for i in range(len(P)-1):
            # Die beiden Endpunkte auf den Zylindermantel projizieren
            x1z, y1z ,z1z = zk(r, P[i][0], P[i][1])
            x2z, y2z ,z2z = zk(r, P[i+1][0], P[i+1][1])
            # Mittlerer Punkt der Linie auf dem Zylindermantel
            xmz, ymz, zmz = zk(r,
                               (P[i][0]+P[i+1][0])/2,
                               (P[i][1]+P[i+1][1])/2)
            # Sehnenlänge im Grundriss
            dx = x2z-x1z
            dy = y2z-y1z
            dh = hypot(dx, dy)
            # Höhenunterschied zwischen Start- und Endpunkt
            dz = z2z-z1z
            # Sehnenlänge im Raum
            ds = hypot(dh, dz)
 
            # Um Nulldivisionen zu vermeiden, müssen Linien
            # parallel zur Zylinderachse gesondert betrachtet werden:
 
            if not dh:
                # Senkrechte Linie
 
                scr.write("LINIE "
                          f"{x1z},{y1z},{z1z} "
                          f"{x2z},{y2z},{z2z} \n")
 
            else:
                # Ellipsenbogen
 
                # Radius der langen Halbachse
                rl = -ds/dh * r
 
                # Radius bis zur Sehnenmitte
                rs = hypot((x1z+x2z)/2,(y1z+y2z)/2)
 
                # Ellipsenbögen können nur
                # im ebenen BKS gezeichnet werden.
                scr.write(f"BKS 0,0,{zmz} "
                          f"{xmz},{ymz},{zmz} "
                          f"{x2z},{y2z},{z2z}\n")
 
                # Wir sammeln alle Punkte ein
                scr.write("ELLIPSE B "
                          f"0,{-rl} "
                          f"0,{rl} "
                          f"{r},0 "
                          f"{rs},{-ds/2} "
                          f"{rs},{ds/2}\n"
                          "BKS W\n")
 
    # Alle Ellipsen zu "Splines" verbinden
    scr.write("VERBINDEN alle \n")
 
    # Zum Schluss noch den dazugehörigen Zylinder bauen …
    scr.write(f"ZYLINDER 0,0,{-höhe/4} {r} {höhe*1.5}\n")
 
    # … und alle Splines auf den Zylindermantel aufprägen
    scr.write("AUFPRÄG L ")
    for P in PL:
        scr.write("alle J ")
    scr.write("\n")
 
print("""
Schritt 4: In BricsCAD in einer leeren Zeichnung mittels SCRIPT die gerade
erzeugte Scriptdatei ausführen lassen.
 
Die Umrisse werden vom Skript mittels AUFPRÄGEN auf die Zylinderwand
aufgeprägt. 
 
Die dadurch erzeugten Teilflächen der Zylinderwand können mittels
DMVERSTÄRKEN erhaben oder vertieft ausmodelliert werden.
 
""")
 
input("[Enter]")

--
Dipl.-Ing. Martin Vogel
Leiter des Bauforums

Bücher:
CAD mit BricsCAD
Bauinformatik mit Python

Tags:
Python, AutoCAD, BricsCAD, Zylinder