Berndt, K.; Heinrich, S.; Berger M. (Professur Montage- und Handhabungstechnik) Ebermann, M.; Leidich E. (Professur Konstruktionslehre)

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1 Berndt, K.; Heinrich, S.; Berger M. (Professur Montage- und Handhabungstechnik) Ebermann, M.; Leidich E. (Professur Konstruktionslehre) Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Agenda Professur Montageund Handhabungstechnik Prof. Dr.-Ing. Maik Berger Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Technische Universität Chemnitz Fakultät für Maschinenbau Professur Montage- und Handhabungstechnik Reichenhainer Straße 70 D Chemnitz 1 Einleitung/Motivation 2 Sensitivitätsanalysen CAD-basiert 3 Alternative Analysemöglichkeiten 4 Zwischenergebnis 5 Ausgangspunkt 6 Methodische Konstruktion und GPS 7 Toleranzorientiertes Entwerfen mit CreoTM Parametric 8 Zusammenfassung Referent Karsten Berndt TU Chemnitz / Professur Montage- und Handhabungstechnik Chemnitz karsten.berndt@mb.tu-chemnitz.de Chemnitz,

2 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 1 Einleitung Tolerierung ist allgegenwärtige Aufgabenstellung im konstruktiven Alltag Was soll gefertigt werden? Steigende Bedeutung durch Fertigungsauslagerung Kommunikation nur über Zeichnungen Kostensenkung / Kostengünstige Produktion Quelle: jesterb.soup.io Tolerierung rein auf Basis Erfahrungsschatz Konstrukteur Externer Fertigung keine Kenntnis zum Maschinenpark zeitaufwendige Berechnung (nichtlineare Toleranzketten) Gefertigt wird so genau wie möglich, anstelle so genau wie nötig Chemnitz,

3 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 1 Einleitung / Motivation Frühzeitig belastbare Aussagen zu Toleranzen einzelner Glieder/Bauteile von komplexen Mechanismen/Baugruppen treffen Suche nach Sensitivitäten Ziel: Welche Abmessung nimmt großen oder wenig Einfluss auf das Schließmaß Methode zum Toleranzsynthese/-analyseprozess Funktionserfüllung garantieren Kosten optimieren Kostensenkungspotenziale aufdecken Chemnitz,

4 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 1 Einleitung Fallunterscheidung Toleranzanforderungen Fall a) qualitativer Verlauf einer Übertragungsfunktion mit diskreten Toleranzbedingungen Endlage eines Schiebers Verbleibender Bewegungsbereich irrelevant Chemnitz, Fall b) qualitativer Verlauf einer Übertragungsfunktion mit vorgegebenem Toleranzband kompletter Bewegungsbereich relevant 4 Fall c) qualitative Darstellung einer Führungsbewegung mit toleranzbehaftetem Bereich Sonderfall in Übertragungsgetrieben (bspw. Koppelkurven)

5 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 1 Einleitung - Beispielmechanismus Schließmaß 2 Teilgetriebe mit gleicher Funktion (30 mm Schieberhub) Teilgetriebe 1 Einfluss von Längenänderungen auf Schieberposition B 2 leicht ersichtlich Teilgetriebe 2 Einfluss einer Längenänderung auf Schieberposition F 2 nicht sofort erkennbar Chemnitz,

6 A 0 Y Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 1 Einleitung - Beispielmechanismus Schließmaß 0 A 0 X Variation Konstruktionsparameter (Getriebeabmessungen) A 0 X = Position Gestellpunkt A in x-richtung A 0 Y = Position Gestellpunkt A in y-richtung L2 = Länge der Kurbel 2 α 3 = Winkel im Getriebeglied 3 L7 = Länge des Gliedes 7 Einfluss auf das Schließmaß? Chemnitz,

7 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 2 Möglichkeiten in der CAD-Umgebung Nutzung spezieller Toleranzanalyse - Software CETOL 6 Sigma simtol Tolerance Manager 3DCS Sensitivitätsanalysen in Creo Elements automatisierte Variation von Konstruktionsparametern Einfluss einzelner Parameter auf einen Zielparameter sichtbar Kinematische Analysen in Creo Mechanism Untersuchung des gesamten Bewegungsbereiches Chemnitz,

8 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 2 Sensitivitätsanalysen mittels Creo Elements Automatisierte Variation einzelner Getriebeabmessungen unter Auswertung des Schließmaßes Vorgehen Strichmodel (2D-Skizze) des Mechanismus in der zu betrachtenden Lage erstellen Abmessungen als Parameter ablegen Sensitivitätsanalyse starten Schließmaß Chemnitz,

9 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 2 Sensitivitätsanalysen mittels Creo Elements Automatisierte Variation einzelner Getriebeabmessungen unter Auswertung des Schließmaßes Vorgehen Strichmodel (2D-Skizze) des Mechanismus in der zu betrachtenden Lage erstellen Abmessungen als Parameter ablegen Sensitivitätsanalyse starten Schließmaß Chemnitz,

10 Toleranz kinematischer Parameter [mm] bzw. [ ] Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 2 Sensitivitätsanalysen mittels Creo Elements 1,0 0,8 0,5 Darstellung der Ergebnisse: 3.8 Erkenntnisgewinn: Bereich mit grober Tolerierung 0,3 0-0,3-0,5-0,8-1,0 A 0 X A 0 Y D 0 X D 0 Y L2 L3-1 L3-2 V4 L5 L6-1 L6-2 L7 V8 α3 α6 Konstruktionsparameter -3.1 Bereich mit sensiblen Toleranzen besonders berücksichtigen Bereich mit grober Tolerierung Chemnitz,

11 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 2 Kinematische Analysen mittels Creo Mechanismus Kinematische Simulation des Mechanismus zur Untersuchung des gesamten Bewegungsbereiches Vorgehen Mechanismus als Motion-Skelett erstellen Antriebe / Messgrößen definieren Manuelle Variation der Konstruktionsparameter Chemnitz,

12 Abstand der Schieber (Schließmaß) [mm] Schließmaß [mm] Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 2 Kinematische Analysen mittels Creo Mechanismus Auswirkung bei Änderung Winkel α 3 α 3 über den den gesamten Bewegungsbereich Antriebswinkel [ ] Chemnitz,

13 Abstand der Schieber (Schließmaß) [mm] Schließmaß [mm] Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 Schließmaß bei Variation des Winkels BAC 2 Kinematische Analysen mittels Creo Mechanismus Schließmaß bei Variation Winkel des Winkels α 3 α 3 Schließmaß Soll Toleranz+Schließmaß Tolerant-Schließmaß Winkel α Winkel α3 +1 Winkel α3-0.5 Winkel α Antriebswinkel [ ] Antriebswinkel [ ] Chemnitz,

14 Abstand der Schieber (Schließmaß) [mm] Schließmaß [mm] Schließmaß [mm] Schließmaß [mm] Abstand der Schieber (Schließmaß) [mm] Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 2 Kinematische Analysen mittels Creo Mechanismus Schließmaß bei Variation des Winkels BAC Auswirkung bei Änderung Winkel α 3 α 3 über den den gesamten Bewegungsbereich Schließmaß bei Variation Winkel α Schließmaß bei Variation des Winkels α Antriebswinkel [ ] Schließmaß Soll Toleranz+Schließmaß Tolerant-Schließmaß Winkel α Winkel α3 +1 Winkel α3-0.5 Winkel α Antriebswinkel [ ] Antriebswinkel [ ] Antriebswinkel [ ] Antriebswinkel [ ] Chemnitz,

15 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 3 Alternative Analysemöglichkeiten Sensibilitätsanalysen mittels analytischen Rechenmodellen Modulmethode Zerlegung einer Schleife in ihre modularen Grundstrukturen Basis ist VDI-Richtlinie 2729 Verwendung von Modellbibliotheken Kurbelschwinge DDD DAN DAN Dreh-Antrieb DDD - Drehen-Drehen-Drehen Chemnitz,

16 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 3 Alternative Analysemöglichkeiten Mechanismus komplett mathematisch beschrieben Konstruktionsparameter variierbar Sensitivitätsanalyse Immer kompletter Bewegungsbereich berechnet Fragen zur Modulmethode? Stefan Heinrich, M.Sc. Chemnitz,

17 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 1 4 Zwischenergebnis Welche Abmessungen müssen genau toleriert werden? Klären der Toleranzanforderung Schließmaßtoleranz = ± 0,1 mm Toleranzfall A diskrete Position Toleranzfeld < ± 0,1 ~ ± 0,1 >> ± 0,1 Sensitivitätsanalyse in gezeigter Getriebestellung Erkenntnis Unterstützung Toleranzsynthese Ableitung der Geometrische Produktspezifikation (GPS) Chemnitz,

18 Berndt, K.; Heinrich, S.; Berger M. (Professur Montage- und Handhabungstechnik) Ebermann, M.; Leidich E. (Professur Konstruktionslehre) Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Agenda Prof. Dr.-Ing. Erhard Leidich Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Technische Universität Chemnitz Fakultät für Maschinenbau Institut für Konstruktions- und Antriebstechnik Professur Konstruktionslehre Reichenhainer Straße 70 D Chemnitz 1 Einleitung/Motivation 2 Sensitivitätsanalysen CAD-basiert 3 Alternative Betrachtungen 4 Zwischenergebnis 5 Ausgangspunkt 6 Methodische Konstruktion und GPS 7 Toleranzorientiertes Entwerfen mit Creo TM Parametric 8 Zusammenfassung Referent Marko Ebermann TU Chemnitz / Professur Konstruktionslehre Chemnitz marko.ebermann@mb.tu-chemnitz.de Chemnitz,

19 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 2 5 Ausgangspunkt Geometrische Produktspezifikation (GPS) Funktion (ISO 8015) Fertigteil Wissensbasis Funktion Messergebnis Chemnitz,

20 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 2 6 Einordnung in das Methodisches Konstruieren Planen Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten Fertigen GPS Getriebesynthese Kräfte und Momente werden aus MDO bekannt Toleranzsynthese (maßgeblich fertigungsorientiert) Vorauswahl eines Fertigungsverfahrens Geometrieerstellung nach Erfahrungswerten im CAD- System Tolerierung wird zunächst vernachlässigt oder geringfügig beachtet Montage Einsatz Chemnitz,

21 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 2 6 Einordnung in das Methodisches Konstruieren Planen Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten Fertigen Funktionsbestimmende Schnittstellen zwischen wichtigen Modulen sind bereits hier bekannt GPS Getriebesynthese Methode zum toleranzorientierten Entwurf mit Creo TM Parametric Kräfte und Momente werden aus MDO bekannt Vorauswahl eines Fertigungsverfahrens Toleranzsynthese (maßgeblich fertigungsorientiert) Geometrieerstellung nach Erfahrungswerten im CAD- System Tolerierung wird zunächst vernachlässigt oder geringfügig beachtet Montage Einsatz Funktionserfüllung Toleranzanalyse Chemnitz,

22 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 2 7 Toleranzorientiertes Entwerfen mit Creo TM Parametric 7.1 Gelenkhierarchie/Funktionshierarchie A0 A2 C2 B2 F2 E2 Hierarchie basiert auf Kraftfluss durch den Mechanismus D0 Nutzung vorhandener Bezeichner D2 Schubgelenke vernachlässigt Chemnitz,

23 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil Erstellung Funktionsflächen und Zuweisen der Bezugselemente mit Hilfe von 3D-Anmerkungen Hauptfunktion von Glied 3: Übertragen und Verteilen radialer Kräfte Zuweisen und Benennen von 3D-Achsbezügen Chemnitz,

24 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil Erstellung Funktionsflächen und Zuweisen der Bezugselemente mit Hilfe von 3D-Anmerkungen Hauptfunktion von Glied 3: Übertragen und Verteilen radialer Kräfte Zuweisen und Benennen von 3D-Achsbezügen Lagerauswahl auf Grundlage der Belastungen aus der MDO-Analyse in der Baugruppe Chemnitz,

25 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil Erstellung Funktionsflächen und Zuweisen der Bezugselemente mit Hilfe von 3D-Anmerkungen Hauptfunktion von Glied 3: Übertragen und Verteilen radialer Kräfte Zuweisen und Benennen von 3D-Achsbezügen Lagerauswahl auf Grundlage der Belastungen aus der MDO-Analyse in der Baugruppe Kopie der Lagerflächen und Bezugszuweisung im Einzelteil Ergänzung von Flächen sekundärer Funktion wie die axiale Sicherung der Lager Chemnitz,

26 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil Tolerierung der Funktionsflächen Integration der Erkenntnisse aus vorangegangenen Sensitivitäts-Analysen: Toleranzfeld < ± 0,1 mm ~ ± 0,1 mm >> ± 0,1 mm/±3 Positionstoleranzen und TED Freimaßtoleranzen Formtoleranzen Hüllbedingung ist als Zylinder-Toleranz zu ergänzen, um Formabweichungen zu berücksichtigen Chemnitz,

27 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil Toleranzanalyse in Gesamtbaugruppe to do: Flächentolerierung für jedes Getriebeglied Implementieren von Normteiltoleranzen (Stifte, Lager, ) Auswahl der Fertigungsverfahren für die Ermittlung von c P, c Pk Analyse des Schließmaßes in der Baugruppe Chemnitz,

28 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil Erstellung sekundärer Geometrien Anschließende Grob- und Feingestaltung der Geometrie entsprechend ausgewählter Fertigungsverfahren Chemnitz,

29 Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 2 8 Zusammenfassung Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten GPS Nachgelagerte Toleranzanalyse Toleranzfeld < ± 0,1 mm ~ ± 0,1 mm >> ± 0,1 mm/±3 Getriebesynthese Sensitivitätsanalyse Funktionsflächenhierarchie Bezugsdefinition Funktionale Form- und Lagetolerierung Entwerfen der eigentlichen Geometrie erst nach funktionaler Spezifikation funktionale Spezifikation als klassische Zeichnung (Abgeleitet aus 3D- Modell) Empfindlichkeit funktionaler Maße Transformation in fertigungsorientierte Spezifikation als Folgeschritt Chemnitz,

30 Schließmaß [mm] Methodik zur funktionsorientierten Tolerierung mittels CAD-basierter Analysen Teil 2 46 Schließmaß bei Variation des Winkels α Antriebswinkel [ ] Fragen? Karsten Berndt TU Chemnitz / Professur Montage- und Handhabungstechnik karsten.berndt@mb.tu-chemnitz.de Marko Ebermann TU Chemnitz / Professur Konstruktionslehre marko.ebermann@mb.tu-chemnitz.de Chemnitz,