Einstieg in CATIA V5

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1 Einstieg in CATIA V5 Rudolf W. Rembold Objektorientiert konstruieren in Übungen und Beispielen ISBN Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 Was ist ein Einzelteil? Maschinenbauliches Konstruieren ist ein komplexer Prozess, der von der Funktionsfindung bis zur geometrischen und endgültig herstellbaren Auslegung in sinnvolle Schritte unterteilt wird. Mit zunehmender Konkretisierung der Aufgabe wird die Konstruktionsidee von Arbeitsschritt zu Arbeitsschritt immer klarer strukturiert und damit geometrisch genauer beschreibbar. Der den Prozess begleitende Kern ist das räumliche Einzelteil mit seiner schrittweise konkreter werdenden geometrischen Gestalt. Einerseits bestimmt seine Körperform die Gestalt des Endprodukts, andererseits bestimmt die Struktur der Gesamtkonstruktion, also das Zusammenspiel aller unabhängigen Einzelteile, die Verwendbarkeit des fertigen Produkts. Das Einzelteil als kleinste maschinenbauliche Einheit ist, wie eine Befestigungsmutter oder eine Spannfeder, genau das, was aus einem Material am Stück hergestellt werden kann. Die Befestigungseinheit, die aus den 3 Einzelteilen Kipphebel, Schraube und Befestigungsbolzen besteht, stellt schon eine einfache Baugruppe dar. Das räumliche Einzelteil ist die kleinste maschinenbauliche Einheit Möglichst früh im Prozess soll begleitend das physikalische Geschehen analysiert werden, beispielsweise die kinematische Beweglichkeit oder die Tragfähigkeit und Festigkeit der Bauteile. Erst wenn alle physikalischen und fertigungstechnischen Fragestellungen befriedigend beantwortet sind, kann die endgültige geometrische Auslegung erfolgen. Es zeigt sich als effektiv, wenn einerseits die geometrische Gestalt des Produkts räumlich beschrieben wird und möglichst lange variabel und anpassungsfähig bleibt, andererseits möglichst früh deren Auswirkungen auf die funktionalen und konstruktiven Eigenschaften erkannt werden können. Dazu bietet modernes CAD ineinander greifende Mittel an: Das geplante Produkt kann klar in selbstständige Einheiten oder Baugruppen strukturiert werden. Baugruppen bestehen aus Einzelteilen und eventuell aus weiteren eigenständigen Baugruppen. Die Form der Einzelteile kann mit geometrischen Regeln in sich variabel festgelegt werden. Alle definierten Zusammenhänge und Abhängigkeiten werden bei jeder geometrischen Änderung angepasst. Diese Eigenschaft wird assoziativ genannt. Dadurch bleibt das Einzelteil während des Konstruktionsprozesses maßlich variabel. Im Sinne des zugrunde liegenden Geometrieaufbaus ist das Teil auch bedingt in seiner Gestalt veränderlich. 39

3 Die Körpergeometrie kann schon in einem frühen Stadium der Gestaltfindung auf ihre Funktion hin überprüft werden. Das Einzelteil kann beispielsweise auf seine Belastbarkeit getestet oder die Baugruppe in ihrer Beweglichkeit simuliert werden. Die Körpergeometrie dient auch als Basis für die sich anschließende Arbeitsvorbereitung, für die NC-Fertigung und kann in den betriebswirtschaftlichen Datenstrom integriert werden. Wie wird ein Einzelteil aufgebaut? Teilekonstruktion Das Einzelteil entsteht mit den Arbeitsfunktionen der Funktionsumgebung Teilekonstruktion und wird in einer Datei vom Typ CATPart abgelegt. Die Anweisung Start > Mechanische Konstruktion > Part Design stellt beides bereit. Die Datei für Einzelteile stellt automatisch einen Strukturbaum mit dem Einzelteilnamen, das Achsensystem in Form der drei Hauptebenen und eine Datenschachtel Hauptkörper als Basis zur Verfügung. In diesem Hauptkörper entsteht im Laufe des Gestaltungsprozesses das Einzelteil mit seinen Grundkörpern und den Aufbauvorschriften. Einzelteile sind geometrisch und topologisch verbundene Grundkörper 40 Ein Einzelteil oder Bauteil ist grundsätzlich genau ein Körper, der durchaus eine komplexe Gestalt haben kann. Die Gesamtform dieses Einzelteilkörpers baut sich schrittweise aus nur wenigen kanonischen (einfach beschreibbaren) Körperformen auf. Es können auch freie Oberflächenformen hinzukommen. Den Erfordernissen der Gestalt des Einzelteils folgend, wird dieses, ähnlich einem Baukasten mit einfachen Klötzchen, nach und nach aus passenden Grundkörpern (primitives) zusammengesetzt. Diese Grundkörper werden einerseits geometrisch miteinander verbunden und andererseits topologisch durch so genannte Boolesche Operationen (vereinigen, abziehen, auf das Gemeinsame begrenzen,...) miteinander verknüpft. Auf diese Weise entsteht ein sequenzieller Aufbau des endgültigen komplexen Einzelteils, der im Strukturbaum protokolliert wird. Die Auswahl und Zusammensetzung der Grundkörper für die endgültige Gestalt des Einzelteils ist vielfältig möglich. Ein geschickter, also die Gestaltungsidee anpassungsfähig beschreibender, und einfach strukturierter Aufbau der Gesamtgestalt ist die Kunst des Konstrukteurs. Dafür stellt das Programm CATIAV5 ein mächtiges Werkzeug zur Verfügung. Weitere Datenschachteln wie die des Hauptkörpers können für zusätzliche eigenständige Körper oder als Sammelstelle für alle nicht körperbildende Geometrie (Punkte, Linien und Flächen im Raum) in den Strukturbaum aufgenommen werden. Mit dem Menü Einfügen > Körper beispielsweise lassen sich solche neuen Körper anlegen. Da ein Einzelteil grundsätzlich nur genau ein Hauptkörper ist, werden Zusatzkörper nur eingefügt, wenn dies

4 Was ist ein Einzelteil? für den Konstruktionsaufbau temporär erforderlich ist. Sind mehrere Körper angelegt, ist nur genau einer davon aktiv und durch einen Unterstrich gekennzeichnet. Neue Geometrie wird immer nur in diesem am Ende angefügt. Körpergeometrie wird in der Reihenfolge der Einträge im Strukturbaum streng sequenziell ausgewertet. Das jeweils neu erzeugte Objekt wird im Baum am Ende des Körpers eingetragen und wirkt sich in seiner Einbaubedingung auf die schon vorhandene Geometrie aus. Ist das neue Objekt eine Durchgangsbohrung, haben alle betroffenen Grundkörper desselben Körpers ein Loch. Für diese Aufbauhierarchie wird auch die Bezeichnung konstruktive Körpergeometrie (constructive solid geometry CSG) verwandt. Ist der Strukturbaum in mehrere Datenschachteln Körper aufgeteilt, betrifft das neu eingefügte Objekt nur den bearbeiteten Körper. Wie entsteht ein Grundkörper? Damit das Einzelteil gestaltet werden kann, muss seine komplexe Endform in passende Grundkörper aufgeteilt und dadurch strukturiert werden. Erst dann beginnt die eigentliche Gestaltung des Einzelteils durch den Aufbau der geplanten Grundkörper. Ein Grundkörper besteht aus einem formbestimmenden geschlossenen Profil oder Umriss und einer Vorschrift zum Verziehen in die dritte Dimension. Das Profil ist in der Regel ein ebener Kurvenzug, für einen Quader beispielsweise ein geschlossenes Rechteck oder für einen Drehkörper ein mit der Achse geschlossenes Halbprofil. Die Verziehrichtung ist beim Quader dessen Höhe und beim Rotationskörper ist es die Drehung. Verallgemeinert werden begrenzte Flächen in eine Richtung zum Körper verzogen. Das geschlossene Profil eines Grundkörpers ist fast immer eine ebene Skizze, und nur damit beschäftigt sich dieser Abschnitt. Eine Skizze liegt als Einheit auf einer Stützebene, die im Raum beliebig positioniert und verschoben werden kann. Besteht das Einzelteil nur aus einem Grundkörper, ist dessen Lage bedeutungslos. Baut sich die Form des Einzelteils aus mehreren Grundkörpern auf, müssen diese geometrisch und topologisch zusammengehören. Für das Profil bedeutet dies, dass ein anbauender Grundkörper auch geometrisch am Einzelteil liegt. Dies gilt sowohl für die Lage der Stützebene als auch für die Ausdehnung des Profils. Der topologische Zusammenhang der Grundkörper wird durch Boolesche Vereinigung der Körpermengen hergestellt. Besteht das Einzelteil wieder nur aus einem Grundkörper, ist das unerheblich. Bei mehreren Grundkörpern muss klar sein, ob der neue Grundkörper anbaut oder abzieht. Dies erledigt im einfachen Fall die Körperfunktion selbst. Grundkörper entstehen aus Profilen und einer Verziehrichtung 41

5 42 Block Welle Rippe Volumenkörper mit Mehrfachschnitten Tasche Nut Rille Entfernter Körper mit Schnitten Bohrung Versteifung Kombinierter Volumenkörper Grundkörper orientieren sich geometrisch an Nachbarn Die Aufbaureihenfolge definiert die Teileform Die Körperfunktionen beschreiben die Vorschrift zum Verziehen. Gleichzeitig bauen diese Funktionen den entstehenden Grundkörper in die Topologie des Einzelteils ein. Die Funktion Block für Prismen verzieht das Profil entlang einer Geraden, die Welle für Drehteile verzieht in Kreisform, die Rippe für allgemeine strangartige Körper verzieht entlang einer Kurve und Volumenkörper mit Mehrfachschnitten verbindet mehrere Profile. Diese vier Funktionen erzeugen positive Körper, das heißt, sie werden als Positivform erstellt. War der gerade aktive Körper leer, entsteht ein neuer Grundkörper, gab es schon Geometrie, wird der neue Grundkörper mit dem vorhandenen Körper vereinigt, dieser wird also größer. Tasche für Löcher in Oberflächen, Nut für Abzugringe an Zylinderflächen, Rille für Abzüge durch allgemeine Verziehkörper eines und Entfernter Volumenkörper mit Mehrfachschnitten für mehrere Profile erzeugen negative Körper und damit die entsprechenden Gegenstücke. Es entsteht ein Abzug an einem schon bestehenden Körper. Die zusätzlich angebotene Funktion Bohrung ist eine spezielle Kreistasche mit Attributen als negativer Körper. Die Versteifung entspricht einer senkrechten Rippe als positiver Körper. Auch einen positiven Körper liefert die Funktion Kombinierter Volumenkörper, die einen Körper als Schnittmenge zweier sich kreuzender Prismen erzeugt. Beim Aufbau des Körpers aus den Grundkörpern bauen die hinzukommenden Grundkörper am schon bestehenden Körper weiter. Neue Geometrie orientiert sich geometrisch am schon bestehenden Objekt. Beispielsweise hat eine Tasche definierte Abstände zu den Rändern des Blocks, beginnt auf dessen Oberfläche und ist um ein bestimmtes Maß tief. Eine Bohrung erstreckt sich von der Oberfläche bis zur Unterfläche eines Bleches. Auf diese Weise müssen nur noch die unbedingt notwendigen Maße für den neuen Konstruktionsschritt vorgegeben werden. Viele Abmessungen ergeben sich aus dem schon konstruierten Körper und können von diesem geometrisch übernommen werden. Dies entspricht der geometrischen Abhängigkeit der Teile. Die sequenzielle Reihenfolge der Grundkörper und ihre Verknüpfung bestimmen die Gesamtform des jeweiligen Körpers. Dies wird im Strukturbaum protokolliert und entspricht der topologischen Abhängigkeit der Teile. (Zuerst der Quader als Block.1, dann die Säule als Block.2, und anschließend bohrt der Körper Bohrung.3 im Bild durch beide Blöcke.) Diese Aufbaureihenfolge kann nachträglich verändert werden, hat aber dann Auswirkungen auf die Gesamtform. Im Beispiel wird die Bohrung jetzt nur am ersten Block ausgeführt, zuvor bohrte sie als dritter Eintrag beide Blöcke. (Der dritte Körper Bohrung.3 liegt jetzt vor der Säule Block.2 und bohrt nur noch den Quader Block.1 im Bild.) Dies muss allerdings mit der geometrischen Abhängigkeit konform sein.

6 Was ist ein Einzelteil? Wie wird ein Profil skizziert? Nach Auswahl einer Ebene im Raum (Körperoberfläche an der weitergebaut werden soll, Hauptebene,...) wird mit der Arbeitsfunktion Skizzierer zur Funktionsumgebung für Profilskizzen gewechselt. Skizzierer Die Umgebung Skizzierer stellt Funktionen für die Gestaltung von Profilen oder Körperumrissen bereit (Punkt, Linie, Profil, Bedingungen,...). Das Skizzenblatt liegt auf der ausgewählten Ebene als Unterlage, so wie ein Blatt Papier, auf dem gezeichnet wird, auf einem Tisch liegt. Zu dieser Skizze als Einheit gehören die gelben Achsen H und V, der Nullpunkt und die ebene Profilgeometrie. Der Ursprung dieser Achsen liegt meist senkrecht über dem aus dem Raum durchscheinenden gedachten Nullpunkt der weißen (im Bild schwarzen) Hauptebenen des Einzelteils. Das Skizzenblatt kann sich aber gegenüber den Hauptebenen verschieben. Nach erfolgreicher Umrissgestaltung muss aus dieser Funktionsumgebung mit Umgebung verlassen wieder zur Teilekonstruktion gewechselt werden. Im Raum ist die Skizze eine Einheit. Sie wird vorzugsweise für die Erzeugung eines Körpers eingesetzt und wird danach normalerweise automatisch verdeckt. Eine Skizze kann auch für mehrere Grundkörper gleichen Umrisses verwendet werden. Umgebung verlassen Sollte der Umriss auf einer falschen Ebene liegen, kann der gesamte Skizzeninhalt auf eine andere Ebene übertragen werden mit der Funktion Bearbeiten > Objekt > Stützelement für Skizze ändern... Dabei wird keine Geometrie kopiert, sondern nur topologisch anders zugeordnet. Auch die auf der Skizze aufgebauten Grundkörper passen sich dabei an die neue Lage an. Ziel der Umrissgestaltung ist, einen nach den Erfordernissen der geplanten Körperfunktion geschlossenen Umriss so aufzubauen, dass er in seiner Form eindeutig in sich geometrisch bestimmt ist, und dies unabhängig vom Achsensystem. Die Arbeitsweise im Skizzierer orientiert sich am Skizzieren mit freier Hand: zuerst die grobe Form etwa in wahrer Größe und danach erst formlich und maßlich genau. Zur Größenorientierung zeigt die Skizzierebene ein Raster (10 mm Maschenlänge ist Standard), auf dessen Gitterknoten sich Umrisspunkte mit aktivem An Punkt anlegen beziehen können. Werden Umrisse, die meist aus Geraden und Kreisen bestehen, gleich in einem Zug mit der Funktion Profil in unmittelbarer Folge der Kurven skizziert, hängen die Umrisslinien an ihren Endpunkten automatisch unlöslich zusammen. Dieser Zusammenhang ist eine implizite geometrische Regel (nicht angezeigte Regel). Derselbe Effekt kann aufwändiger auch erreicht werden, wenn als Einzelstücke getrennt gezeichnete Kurven mit so genannten expliziten geometrischen Regeln (angezeigte Regeln) an ihren Endpunkten kongruent (deckungsgleich) miteinander verbunden werden. An Punkt anlegen Profil 43

7 Im Dialogfenster def. Bedingungen Für diese und alle anderen geometrischen Verknüpfungen des Profils werden geometrische Regeln, oder Im Dialogfenster definierte Bedingungen angeboten, die optisch durch Symbole in grüner Farbe gekennzeichnet sind. Diese Bedingungen sind Bestandteil der Skizze und erscheinen im Strukturbaum und als Symbole oder Objekte der Zeichnung, die auch wieder gelöscht werden können. Diese Regeln steuern die Form des Umrisses. Es kann damit wirklich geometrisch konstruiert werden. Beispiele für explizite geometrische Regeln sind, dass zwei Linien an ihren Endpunkten zusammenhängen oder die Endpunkte kongruent oder deckungsgleich sind (Kongruenz wird als Kreis dargestellt), zwei Geraden parallel zueinander sind (Parallelität wird als Maß mit Doppelstrich dargestellt), Kreis und Gerade tangieren (Tangentenstetigkeit wird als Doppelstrich dargestellt) oder ein Punkt äquidistant oder mit gleichem Abstand zu zwei parallelen Geraden liegt (Äquidistanter Punkt wird als spitzer Winkel dargestellt). 44 Geometrische Bedingungen Geometrische Bedingungen Bedingung Bemaßungsbedingungen Bemaßungsbedingungen Die Regeln sind sichtbar, wenn die Funktion Geometrische Bedingungen in der Funktionsgruppe Darstellung aktiv ist (orange). Damit diese Regeln auch erhalten bleiben, muss die Funktion Geometrische Bedingungen in den Skizziertools aktiv sein (orange). Ist die Form des Umrisses geregelt, werden Maße mit der Funktion Bedingung festgelegt. Die Bemaßungsregeln sollten funktionsgerecht definiert werden. Ein guter Ansatz sind dabei die Fragen: Was sind originäre, was abhängige Maße? und Wie wird das Teil gefertigt?. Am Stufenprofil des bis zur Drehachse halben Rotationskörpers Welle beispielsweise soll im Bild das mittlere Wellenteil bemaßt werden. Die obere Gerade selbst kann bemaßt werden, die beiden Endpunkte der Geraden relativ zueinander oder aber die normal zur Geraden weiterführenden parallelen senkrechten Kanten. Vorgeschlagen wird, die weiterführenden Kanten zu nutzen, da nur diese die Welle tatsächlich als Flächen begrenzen. Wird zum Beispiel später an den Ecken ausgerundet, würden die Eckpunkte wegfallen und der gerade Teil der oberen Kante selbst würde kürzer. (In beiden Bedingungsfunktionen können jeweils beide Bedingungsarten beschrieben werden, auch in deren Kontextmenü. Die vorgeschlagene Handhabung wird empfohlen.) Die Maße sind sichtbar, wenn die Funktion Bemaßungsbedingungen in der Funktionsgruppe Darstellung aktiv ist (orange). Damit die Maße auch erhalten bleiben, muss die Funktion Bemaßungsbedingungen in den Skizziertools aktiv sein. Im Raum, also außerhalb der Skizze, stehen ebenfalls geometrische Bedingungen zur Verfügung. Ein Grundkörper lässt sich damit als starres Ganzes relativ zu anderen

8 Was ist ein Einzelteil? Grundkörpern positionieren. Dies gelingt allerdings nur, wenn die Skizze solche Regeln zulässt. Im Grunde entspricht dies einem ähnlichen Regelsatz für den Raum, wie er gerade für die Skizzen beschrieben wurde. Allerdings können diese räumlichen Bedingungen die Skizzenform nicht ändern und sind ohne Einfluss auf die Skizzenlage. Für objektorientiertes, anpassungsfähiges Arbeiten werden die Form und die Anbindung an das Gesamtteil effektiver vollständig in und mit der Profilskizze definiert. Die räumlichen Bedingungen sind in der Anwendbarkeit beschränkt und werden daher nicht empfohlen. Welches Profil ist verwendbar? Profile sind immer Umrisse aus Geraden, Kreisen und Kurven als geschlossener Linienzug von Standardelementen (Standardelemente werden normalerweise weiß und durchgezogen dargestellt). Die Standardlinien dürfen sich nicht verzweigen oder überschneiden. Was geschlossen ist, hängt auch von der verwendeten Grundkörperfunktion ab. Für den prismatischen Block, der senkrecht zum Umriss verzieht, muss der Umriss umlaufend geschlossen sein. Den Drehkörper Welle schließt eine Drehachse am Halbprofil oder ein geschlossenes Profil hat eine außen liegende Drehachse. Für die entlang einer Kurve zu verziehende Rippe, ähnlich der aus der Tubenöffnung quellenden Zahnpasta, muss der Umriss umlaufend geschlossen sein, wozu auch der angrenzende Körper mitbenutzt werden kann. Profile müssen umlaufend und geschlossen sein Geschlossenes Profil für den Block oder die Tasche Geschlossenes Außen- und Innenprofil für Block Falsches überschneidendes Profil Mit der Drehachse geschlossenes Profil für Welle Geschlossenes Profil und Drehachse für Welle Falsches offenes Profil Mit dem Körperrand geschlossenes Profil für Tasche Mit dem Körperrand geschlossenes Profil für Nut 45

9 Geschlossenes Profil und Verziehkurve für Rippe Durch Körperrand geschlossenes Profil und Verziehkurve für Rille Falsches doppeltes Profil Mit dem Körperrand geschlossenes Profil für Versteifung Die Regel, nur geschlossene Profile für Körper zu verwenden, wird erweitert. Profile können auch eben zusammenhängende Raumkurven sein oder auch räumlich geschwungene berandete Flächen. Zusätzlich wird diese Regel erweitert, indem ein offener ebener Kurvenzug Ausgang einer Schale mit konstanter Dicke wird, also der geschlossene Profilzug als konstante Wandstärke automatisch ergänzt wird. Dies gilt für die Funktionen Block, Welle, Rippe, Tasche, Nut und Rille. Auch die Verziehrichtung, normalerweise normal zum Profil, lässt sich vorgeben. Geschlossenes Profil als Flächenumriss und Verziehrichtung für Block Durch Aufdicken geschlossenes ebenes Kurvenprofil und Verziehrichtung für Block Falsches räumliches Aufdickprofil für Block Profil Skizziertools Viele Umrisse bestehen im Maschinenbau aus einer Folge von Geraden und Kreisen, seltener kommen freie Kurvenformen vor. Hauptsächlich finden sich folgende grundsätzliche Arbeitsmethoden: Der gesamte Umriss wird als ebenes Profil in einem Zug durch Wechsel von Geraden und Kreisen skizziert. Was als nächstes gezeichnet wird, entscheiden die Symbole in der Funktionsgruppe Skizziertools. Diese werden beim Start der Funktion Profil temporär ergänzt. Dabei werden keine Koordinatenrichtungen verwendet. Das Profil wird mit Regeln geschlossen und in Form 46