Einführung in das rechnergestützte Konstruieren Computer Aided Design (CAD)

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1 Einführung in das rechnergestützte Konstruieren Computer Aided Design (CAD) Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion Fachbereich Maschinenbau Technische Universität Darmstadt Leitung: Prof. Dr.-Ing. R. Anderl Petersenstraße 30 D Darmstadt Sommersemester 2007

2 1. Produktdatentechnologie 2. Ideenfindung und Skizziertechniken 3. Geometrische Modellierung 4. Geometriemodelle 5. Einzelteilmodellierung 6. Baugruppenmodellierung 7. Toleranzen, Passungen und Oberflächenangaben 8. Ableitung Technischer Zeichnungen 9. Fortgeschrittene Methoden des rechnerunterstützten Konstruierens Gliederung der 4. Vorlesung Folie 2

3 Komposition Zusammenbau / Aggregation Folie 3 Produkt Baugruppe Einzelteil Grenze für zerstörungsfreie Zerlegung Gestaltelement Methodische Vorgehensweise beim Modellieren (technische Sichtweise) Zerlegung / Dekomposition Strukturierung

4 Baugruppenmodellierung Folie 4

5 Prinzipien der Baugruppenbildung Folie 5

6 Baugruppe Zylinderschraube Unterbaugruppen Baugruppenstruktur Einzelteile Antrieb Kurbelwelle Anlaufscheibe Beim Erzeugen von Baugruppen wird nicht nur die Gestalt festgelegt, sondern es werden auch die Beziehungen der einzelnen Komponenten untereinander definiert! Pleuelschelle Motor Baugruppe Kolben Kolben Gehäuse Folie 6

7 Die Strukturierung von Produkten aus Baugruppen (Oberbaugruppen und Unterbaugruppen) und Einzelteilen kann nach unterschiedlichem Verwendungszweck erfolgen. Funktionsbaugruppen: Funktionsbaugruppen bestehen aus Bauteilen, die einer gemeinsamen Funktion dienen. Bsp.: Alle Komponenten einer Bremsanlage Montagebaugruppen: Eine Montagebaugruppe besteht aus Bauteilen, die komplett gefügt in die nächsthöherer Struktureinheit montiert werden können. Bsp.: Motoren Ersatzteil/Verkaufsbaugruppen: Eine Ersatzteil- oder Verkaufsbaugruppe besteht aus Bauteilen, die zusammen, z.b. als Ersatzteile, verkauft werden. Bsp.: Kompletter Satz Dichtungen einer Maschine Folie 7 Unterscheidung von Baugruppenstrukturen nach Verwendungszweck (Teil 1)

8 Beispiel für Funktionsbaugruppen Eine Funktionsbaugruppe besteht aus Bauteilen, die aus funktioneller Sicht strukturiert wurden und zueinander positioniert und verknüpft werden können. Welle, Hebel, Ventilteller und dazugehörige Schraube werden als bewegliche Unterbaugruppe der Oberbaugruppe Ventil zugeordnet. Gehäuse, Deckel (Flansch) und Schrauben werden als feste Unterbaugruppe der Oberbaugruppe Ventil zugeordnet. Im realen Produkt ist diese Struktur jedoch z.b. nicht montierbar, entspricht also nicht einer Montagebaugruppe. Folie 8 Unterscheidung von Baugruppenstrukturen nach Verwendungszweck (Teil 2)

9 top down bottom up Folie 9 Vorgehensweisen zur Baugruppenmodellierung: BOTTOM UP und TOP DOWN

10 Typische Struktur beim Bottom Up Vorgehen: Gestaltelemente werden nur in der ersten Ebene zum Erstellen der Einzelteile verwendet. Baugruppe Unterbaugruppen Einzelteile Gestaltelemente Welle Flansch Bohrung. Gestaltelemente in Baugruppen BOTTOM UP Folie 10

11 Features können sich nicht nur auf einzelne Teile, sondern auch gleich auf mehrere Teile in einer Baugruppe beziehen. Sie können demzufolge auch im Baugruppenzusammenhang und nicht nur im Einzelteil modelliert werden. Das Feature Bohrung wird in zusammengebautem Zustand von Gehäuse und Deckel angebracht. Dieses Modellierungsweise gewährleistet das Fluchten der Bohrungen in Gehäuse und Deckel sowie die Gleichheit der Durchmesser. Die Modelle der beiden Einzelteile werden durch diesen Modellierungsvorgang um die Bohrungen ergänzt Problem: Bohrungen lassen sich im Einzelteil nicht ändern. Weiterverwendung ist nur eingeschränkt möglich. Die Modellierungsweise ist nicht mit einem Fertigungsvorgang zu verwechseln, bei dem die Teile in zusammengebautem Zustand gebohrt werden. Gestaltelemente in Baugruppen TOP DOWN Folie 11

12 Positionierung von Bauteilen und gruppen: Absolute Positionierung Relative Positionierung von Körpern bzw. Elementen über Bemaßungen Anordnungsbedingungen Hilfsgeometrien Platzierungsbedingungen Methodisches Vorgehen und Nutzung von Hilfsgeometrien Folie 12 Möglichkeiten zur Positionierung von Einzelteilen in Baugruppen

13 Die absolute Positionierung von Elementen erfolgt in Bezug auf eine raumfeste Orientierungshilfe, im Beispiel auf ein Koordinatensystem. Da die Elemente ein zugehöriges Ganzes verkörpern sollen, ist primär die relative Position zueinander von Interesse. Falls sich die absolute Position eines Elements ändert, müssen auch alle absoluten Positionen der anderen Elemente geändert werden, da sie sich sonst relativ zueinander in einer falschen Position befänden. X2,Y2,Z2 X1,Y1,Z1 Das Positionieren von Elementen in Bezug auf die Standardbezugsebenen ist ebenfalls eine absolute Positionierung. Koordinatensystem, raumfest, Ursprung Absolute Positionierung von Elementen Folie 13

14 Der Zusammenhang zwischen den einzelnen Elementen wird direkt modelliert und bleibt erhalten. Falls sich die absolute Position eines Elements ändert, ändern sich auch die absoluten Positionen der anderen Elemente, da sie relativ zueinander definiert wurden. Relative Positionierung von Elementen über Bemaßung Folie 14

15 Die relative Positionierung von Körpern kann über Anordnungsbedingungen erfolgen, die typgleiche Elemente (Ecken, Kanten oder Flächen) der Körper zueinander in Beziehung setzen. Ecken ausrichten Kanten ausrichten Flächen ausrichten Flächen gegenrichten N N N N N N N N Ausgerichtete Ecken und Kanten werden deckungsgleich Aus- oder gegengerichtete Flächen liegen in der gleichen Ebene. Bei der Anordnung von Flächen kann anhand des Richtungssinns der Flächennormalen zwischen Aus- und Gegenrichtung unterschieden werden. Ausgerichtete Flächen haben gleichsinnige Normalenvektoren, gegengerichtete Flächen haben gegensinnige Normalenvektoren. Relative Positionierung über Anordnungsbedingungen Folie 15

16 Die relative Positionierung von Elementen kann auch als Bemaßung zu oder als Bezug auf Hilfsgeometrie erfolgen. Hilfsgeometrie können Punkte, Achsen oder Ebenen sein. Hilfspunkte Hilfslinien Hilfsebenen Achsabstand Ebenenabstand D1 D1 D1 D2 Punktabstand Durch Punkt Koaxialität (-) Folie 16 Relative Positionierung von Elementen über Hilfsgeometrie

17 Plazierungsbedingung Mate Anordnen von Flächen oder Kanten gegengerichtet. Mate Align Gleichrichten von Flächen, Kanten, Ecken und Achsen Align Angle Parallel Distance Perpendicular Center Angle Parallel & Perpendicular Center Anordnen von Flächen und Kanten nach einem Winkel Parallele bzw. rechtwinklige Anordnung von geeigneten Komponenten Ausrichten von Zentren von kreiszylindrischen Elementen und Achsen Tangent Distance Platzierung von Komponenten mit einem Abstand oder optionale Anwendung in Kombination mit anderen Platzierungsbedingungen Tangent Tangente Anordnung von zylindrischen Flächen oder Kanten mit ebenen Elementen Platzierungsbedingungen in NX Folie 17

18 Lila gefärbte Pfeile zeigen die offenen Freiheitsgrade Beispielhafte Darstellung von Anordnungsbedingungen Folie 18

19 Anordnungsbedingungen UG-DEMO Folie 19

20 Methodisches Vorgehen und Nutzung von Hilfsgeometrie bei der Modellierung von Baugruppen: (Nach der BOTTOM UP - Methode) Zuordnung der Einzelteile in eine hierarchische Struktur mit Unterbaugruppen: - Zusammensetzen der Einzelteile zu Unterbaugruppen - Zusammensetzen von Unterbaugruppen und Einzelteilen zum Produkt Verwendung von Hilfsgeometrie: (sofern erforderlich) - zum schrägen Einbau oder für - Bewegungssimulationen Einbaukontrolle durch: - Messen der Durchdringung von Bauteilen - Erzeugen eines Schnittes durch die Baugruppe Definieren einer Explosionsdarstellung Erzeugen von Stücklisten Methodisches Vorgehen und Nutzung von Hilfsfunktionen Folie 20

21 Folie 21 Grundlagen der Baugruppenbildung über Verbindungen

22 Grundlagen der Schraubenverbindungen Folie 22

23 Gewindespitze Gewindegrund Kernlochdurchmesser D1 Nenndurchmesser D Genormtes Verbindungselement Genaue Feingestalt für die Verwendung durch den Konstrukteur ohne Bedeutung Festlegung der Parameter (z.b. M5 x 10) Geometrische Abmessungen Technologische Eigenschaften } aus DIN-Tabelle Definition des Gewindes als Attribut an eine Fläche im CAD-System Bei der Weiterverwendung der CAD-Daten werden die Parameter ausgelesen und die jeweils benötigten Zahlenwerte aus Tabellen ermittelt. (Bsp. Herstellung: eigene Werkzeuge, Berechnung: eigene Näherungen) Bei Bedarf können entsprechende Module des CAD-Systems die Feingestalt des Gewindes ebenfalls über Tabellen berechnen. (wenig Anwendungsfälle) Repräsentation von Gewinden Folie 23

24 Schema zur Konstruktion von Gewinden Konstruktion eines Gewindes in der Sacklochbohrung im Ventilgehäuse (Schraube M5x10): Nenndurchmesser D = M5 Einschraubtiefe: I e I e = 6,0mm (materialabhängig mindestens 0,9-1,5 * D, siehe DIN 76) Gewindeüberhöhung: x=3*p x = 2,4mm (p: Gewindesteigung; siehe DIN 76) Grundlochüberhang: e 1 e 1 = 4,2mm (siehe DIN 76) Bohrungstiefe 12,6mm Gewindelänge 8,4mm Für die Modellierung im CAD-System Kernlochdurchmesser: D 1 D 1 = 4,1mm (siehe DIN 13, Teil 1-11) (gerundet) Folie 24

25 Gewinde im CAD-System UG DEMO Folie 25

26 Regelgewinde Reihe 1 Gewindebezeichnung d=d Steigung p Flanken-Ø d 2 =D 2 Kern-Ø Bolzen d 3 Kern-Ø Mutter D 1 Gewindetiefe Bolzen h 3 Gewindetiefe Mutter H 1 Rundung R Spannungsquerschnitt A s [mm 2 ] M 1 0,25 0,84 0,69 0,73 0,15 0,14 0,04 0,46 M 1,2 0,25 1,04 0,89 0,93 0,15 0,14 0,04 0,73 M 1,6 0,35 1,38 1,17 1,22 0,22 0,19 0,05 1,27 M 2 0,4 1,74 1,51 1,57 0,25 0,22 0,06 2,07 M 2,5 0,45 2,21 1,95 2,01 0,28 0,24 0,07 3,39 M 3 0,5 2,68 2,39 2,46 0,31 0,27 0,07 5,03 M 4 0,7 3,55 3,14 3,24 0,43 0,38 0,10 8,78 M 5 0,8 4,48 4,02 4,13 0,49 0,43 0,12 14,2 M 6 1 5,35 4,77 4,92 0,61 0,54 0,14 20,1 Gewindewerte nach DIN 13, Teil 1-11 Folie 26

27 Gewindesteigung p 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,6 0,7 0,75 0,8 1 ISO-Regel- Gewinde d - M1;M1,2 - M1,6 M2 M2,5 M3 - M4 - M5 M6 Gewindeauslauf Maximum _ x1 a1_ e1_ 0,5 0,6 0,8 0,9 1 1,1 1,3 1,5 1,8 1,9 2 2,5 0,6 0,8 0,9 1,1 1,2 1,4 1,5 1,8 2,1 2,3 2,4 3 1,3 1,5 1,8 2,1 2,3 2,6 2,8 3,4 3,8 4 4,2 5,1 Gewindeparameter nach DIN 76 Folie 27