Entwurf und Auslegung eines neuen nichtlinearen Antriebskonzeptes mittels Creo Elements/Pro

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1 Vortragstitel Entwurf und Auslegung eines neuen nichtlinearen Antriebskonzeptes mittels Creo Elements/Pro Referent: Dipl. Ing. D. Denninger Co Autoren: Prof. Dr. Ing. M. Berger, Dipl. Ing. Andreas Heine Technische Universität Chemnitz Institut für Fertigungstechnik / Schweißtechnik Technische Universität Chemnitz Chemnitz Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 1

2 Agenda 1. Einleitung Rundflechten 2. Schritte der Getriebeauslegung 3. Manipulation von Bewegungsverläufen mittels Vorschaltgetriebe t 4. Integrierte FEM-Analyse einzelner Bauteile 5. Zusammenfassung und Ausblick Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 2

3 Einleitung Rundflechten Flechtprodukte einer Rundflechtmaschine Schlauch und Kabelarmierung Flechten Cinch - Kabel für Schläuche mit Textil und Stahlgeflecht für Nieder- und Hochdruckschläuche für Kabel mit Cu Textil und Stahlgeflecht, als Außenleiter ( Koaxial ) und zur Verstärkung Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 3

4 Einleitung Rundflechten Schnellflechtmaschinen System Horn Flechtvorgang in gedachter Hohlkugel Mittelpunkt der Kugel ist der Flechtpunkt Spulenträger (Fadenspeicher) kreisen auf einem Breitengrad auf der Kugeloberfläche um den Flechtpunkt jeder Faden hat somit vom Spulenträger bis zum Flechtpunkt die gleiche Länge (Kugelradius) dadurch stellt sich ein kontinuierlicher und gleichmäßiger Fadenablauf ein (Geflechtsqualität) beim Flechtvorgang laufen die Schussfäden in entgegengesetzter Richtung der Kettfäden Flechtpunkt die Schussfäden bewegen sich auf einem Breitengrad, während die Kettfäden von einem höher gelegenen zu einem tiefer gelegenen Breitengrad um den Schussfaden-Breitengrad auf und abschwingen ( Kreuzung der Fäden um Geflecht entstehen zu lassen ) r Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 4

5 Einleitung Rundflechten Prinzip der Rundflechtmaschinen Umlaufradflechtmaschine Hebelflechtmaschine Spulenumlauf = Rotordrehzahl Ein Umlaufzahnrad führt den Faden der unteren Spulenträger über die oberen. Der Kurvenverlauf entspricht einer Zykloide. Bindungen: 1 über 1, 1 über 2, 1 über 3 Spulenumlauf = Rotordrehzahl Eine feststehende Kurvenbahn führt den Faden der unteren Spulenträger über die oberen. Der Kurvenverlauf entspricht einer Sinuskurve. Bindung: 2 über 2 Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 5

6 Schritte der Getriebeauslegung g Ganzheitliche Getriebeauslegung Ideen, Referenzen, Patente, Entwürfe, Machbarkeitsstudien, Maßsynthese, Entwurfsanalyse Detaillierung, Dimensionierung und konstruktives Gesamtlayout Mathcad Creo Elements/Pro Simulation (MKS, FEM), Digital Mock Up (DMU) Virtuelle Prototypen (HiL/SiL Simulationen) Mathcad Realer Prototyp / reales Getriebe [Quelle: M. Berger: Ganzheitliche Getriebeauslegung Teil 1, 2008, PTC Anwendertreffen] Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 6

7 Schritte der Getriebeauslegung g Problembeschreibung - Hebelflechtmaschine Abzug Endprodukt : Kabel mit Geflecht Fadenhebel Erforderliche Handhabung des Kettfadens Nutkurvenring [Quelle: Fa. Lapp Kabel] Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 7

8 Schritte der Getriebeauslegung g Strukturauswahl Schubkurbelkette (3D,1S) Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 8

9 Schritte der Getriebeauslegung g Bewegungsaufgabe Übertragungsgetriebe (ÜG) (Punkt-) Führungsgetriebe (FG) Hub / Fadenlegerweg Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 9

10 Schritte der Getriebeauslegung g Bewegungsaufgabe Übertragungsgetriebe (ÜG) (Punkt-) Führungsgetriebe (FG) Verlegekurve des Kettfadens: Führungsbahn des Kettfadens Verlegepunkt einer Getriebestruktur beschreibt die Bahn beim Verlegen Berücksichtigung der vorherrschenden geometrischen Randbedingungen Überlagerung von Rotation und Translation Nötige Rotation über den Rotor der Kettfadenkonstruktion Erforderliche Translation durch Getriebestruktur auf dem Rotor Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 10

11 Schritte der Getriebeauslegung g Bewegungsaufgabe Pro/Engineer: Vereinfachtes Modell mit geom. Randbedingungen Zylindrische Anordnung Servomotor für Rotation Servomotor für Translation Spurkurve zur Visualisierung/ Auswertung Skizzenteil Fa adenlegerw weg in mm Übertragungsfunktion 0. Ordnung Nutkurvengetriebe Spielraum Spielraum Antriebswinkel am Kettfadenkarussell in Grad Segmente mit Spulenträgern Schussfadenplatte Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 11

12 Schritte der Getriebeauslegung g Bewegungsaufgabe Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 12

13 Schritte der Getriebeauslegung g Fadenlegerweg mit zentrischer Schubkurbel Übertragungsfunktion 0. Ordnung Nutkurvengetriebe / Schubkurbel Fadenleg gerweg in mm Ab Auf Antriebswinkel am Kettfadenkarussell in Grad Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 13

14 Elliptisches Zahnradpaar als Vorschaltgetriebe Antriebsschema Hebelflechtmaschine Type N + G + S Entwicklung Schussfaden Karussell Planetengetriebe (Richtungsumkehr) Schussfaden Karussell Planetengetriebe (Richtungsumkehr) Kettfaden Karussell Fadenhebel Nutkurve Schubkurbel Vorschaltgetriebe Kettfaden Karussell? Hauptantrieb Hauptantrieb Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 14

15 Elliptisches Zahnradpaar als Vorschaltgetriebe Erzeugen eines nichtlinearen Bewegungsverlaufes Vorschaltgetriebe Übertragungsfunktion 0. Ordnung mit Schubkurbel näherungsweise nachgebildet Anpassen des Bahnverlaufes an spezielle geometrische Randbedingungen mathematisch definierte Optimierung der Antriebslösung Schubkurbel mithilfe eines Vorschaltgetriebes Kurbel mit nichtlinearer Bewegungsfunktion antreiben 90 Grad Antriebswinkel am Kettfadenkarussell entsprechen 360 Grad Antriebswinkel an der Kurbel Erforderlich sind zwei Bereiche erhöhter Geschwindigkeit, jeweils bei der auf- und ab Bewegung der Verlegeeinheit Gesucht ist eine fortlaufende, ungleichmäßige Abtriebsbewegung des Vorschaltgetriebes zum Antrieb der Kurbel Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 15

16 Elliptisches Zahnradpaar als Vorschaltgetriebe Strukturauswahl des Vorschaltgetriebes Doppelkurbel Umlaufende Kurbelschleife Antiparallelkurbel Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 16

17 Elliptisches Zahnradpaar als Vorschaltgetriebe Übertragungsfunktion der Kurbel 400 Übertragungsfunktion 0. Ordnung Kurbel Ab btriebswink kel Kurbel in Grad Kurbelantrieb linear Kurbelantrieb mit elliptischem Zahnradpaar Antriebswinkel Kurbel in Grad Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 17

18 Elliptisches Zahnradpaar als Vorschaltgetriebe Fadenlegerweg mit Vorschaltgetriebe Übertragungsfunktion g 0. Ordnung Schubkurbel mm Fadenleg gerweg in Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Antriebswinkel an der Kurbel Folie 18

19 Elliptisches Zahnradpaar als Vorschaltgetriebe Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 19

20 Elliptisches Zahnradpaar als Vorschaltgetriebe Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 20

21 Kurvengetriebe als Vorschaltgetriebe Übertragungsfunktion der Kurbel 400 Übertragungsfunktion 0. Ordnung Kurbel in Grad Kurbelantrieb linear Ab btriebswink kel Kurbel Kurbelantrieb mit Vorschaltgetriebe Kurvengetriebe Kurvengetriebe Antriebswinkel Kurbel in Grad Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 21

22 3. Anwendertreffen SAXSIM g Kurvengetriebe g als Vorschaltgetriebe g Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 22

23 Kurvengetriebe als Vorschaltgetriebe Bewegungsdesign mit MOCAD Erzeugung einer optimierten Bewegungsfunktion durch interaktives Bewegungsdesign freie Manipulation von Stützpunkten Einsatz der Automatischen Polynominterpolation zwischen den Stützpunkten unter Vorgabe entsprechender Randwerte Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 23

24 Kurvengetriebe als Vorschaltgetriebe Bewegungsdesign mit MOCAD Berechnung der ebenen Kurvenscheibengeometrie i durch Vorgabe der Getriebe- Hauptabmessungen Direkte Berechnung von kinetostaischen Analysewerten durch Vorgabe von Drehzahl und äußeren Belastungen Exportfunktionalität ermöglich die Übertragung der Kurvenscheibendaten an CREO als.ibl Datei Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 24

25 Kurvengetriebe als Vorschaltgetriebe IBL-Geometrie zum Austausch als Creo-Simulationsmodell Der Aufbau des CREO-Simulationsmodells aus der importierten IBL-Geometrie bietet den Vorteil der Aktualisierbarkeit durch ATB (Associative Topology Bus). Alle Konstruktionselemente und Simulations-KEs bleiben beim Austausch der Kurvenkontur erhalten, da die ID des KEs nicht verändert wird. Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 25

26 Kurbelschwinge als Vorschaltgetriebe Übertragungsfunktion der Kurbel 400 Übertragungsfunktion 0. Ordnung Kurbel Ab btriebswink kel Kurbel in Grad Kurbelantrieb linear Kurbelantrieb mit Vorschaltgetriebe Kurbelschwinge Antriebswinkel Kurbel in Grad Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 26

27 Kurbelschwinge als Vorschaltgetriebe Skelett Modell für die quantitative Synthese Skelett-Modelle erfassen Konstruktionsabsicht und Produktstruktur Die hinterlegten Informationen sind Masterdefinitionen für Geometrien Änderungen wirken sich auf die Komponenten aus Steuerbare Informationen Produktstruktur Position von Schnittstellen und 3D Größenansprüche Verbindungen und Mechanismen Motion-Skelett definiert Bewegungen von Körpern ist eine Unterbaugruppe der aktiven Baugruppe enthält relativ zueinander bewegliche Skelettkörper wie die Körper der Baugruppe sich bewegen sollen ermöglicht die konzeptionelle Konstruktion zu erfassen und die Kinematik zu testen [Quelle: A. Heine: Kinematische Analyse ebener und räumlicher Getriebestrukturen mit Hilfe von Motion-Skeletten, 2009, SAXSIM] Konstruktionsskelett vorhandenes Skelett oder Skizze Skelettkörper Komponenten erzeugt aus Körperskelett Randbedingungssätze Definieren die kinematischen Zusammenhänge Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 27

28 Kurbelschwinge als Vorschaltgetriebe VDI 2130 Aufgabe: Schwingbewegung g g mit 2 Umkehrlagen übertragungsgünstigste ü ti t Kurbelschwingen VDI 2130: Getriebe für Hub- und Schwingbewegungen Vorgabewerte: Gliedlänge l 1 (A 0 B 0 ) Totlagenwinkel 0 und 0 [Quelle: M. Berger: Anwendung klassischer Syntheseverfahren zur Entwicklung neuer Antriebssysteme im Umfeld von CAD und MKS, 2010, VDI Bewegungstechnik] Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 28

29 Kurbelschwinge als Vorschaltgetriebe VDI 2130 Aufgabe: Schwingbewegung g g mit 2 Umkehrlagen beschleunigungsgünstigste t Kurbelschwingen VDI 2130: Getriebe für Hub- und Schwingbewegungen Vorgabewerte: Gliedlänge l 1 (A 0 B 0 ) Totlagenwinkel 0 und 0 Gleichlaufphase [Quelle: M. Berger: Anwendung klassischer Syntheseverfahren zur Entwicklung neuer Antriebssysteme im Umfeld Gegenlaufphase von CAD und MKS, 2010, VDI Bewegungstechnik] Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 29

30 Kurbelschwinge als Vorschaltgetriebe Parametrischer Aufbau der Kurbelschwinge Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 30

31 Kurbelschwinge als Vorschaltgetriebe Parametrischer Aufbau der Kurbelschwinge Vorgehensweise: Totlagenkonstruktion Erzeugung einer Skizze mit der Totlagenkonstruktion nach Alt Einfügen von Punkten zur Kennzeichnung 2. Motion Skelett Erzeugung eines Motion Skeletts als Unterbaugruppe Definition der Getriebeskizze (Totlagenkonstruktion als Referenz der Getriebeabmessungen) Befehl Verwenden Erzeugung der Getriebeglieder ( Komponentenerzeugung ) Typ: Körper Gelenkige Verbindungen werden automatisch hinzugefügt 3. Notizen Definition von Beziehungen zwischen Konstruktionsskizze und Motion Skelett Erzeugung von Notizen zur Steuerung der Eingabeparameter und zur Darstellung der Ergebnisse 4. Mechanismusmodell Definition eines Servomotors mit konstanter Geschwindigkeit Definition einer Kinematischen Analyse und der Messgrößen für die Beschleunigung am Abtrieb und den Übertragungswinkel 5. Bewegungsanalyse Durchführung einer Bewegungsanalyse mit Auswertung der definierten Messgrößen Speicherung als KE zur Parameterverwendung 6. Sensitivitätsstudie Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 31

32 Kurbelschwinge als Vorschaltgetriebe Sensitivitätsanalyse der Kurbelschwinge β = 41 β = 27 Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 32

33 Kurbelschwinge als Vorschaltgetriebe Überbestimmungen durch Gelenkdefinition vermeiden Die automatische Gelenkdefinition von Skelettmodellen führt bei ebenen Mechanismen zu Redundazen Diese können manuell durch den Austausch der Gelenke beseitigt werden Kinematische Analyse ergibt 3 Redundanzen Kinematische Analyse mit geänderten Gelenkdefinitionen ergibt 0 Redundanzen [Quelle: R. Jakel: Ganzheitliche Getriebeauslegung Teil 2, 2008, PTC Anwendertreffen] Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 33

34 Integrierte FEM-Analyse einzelner Bauteile Entfernen von Redundanzen und MDO Analyse Quasistatische Bewegung (10 Grad/sec) Dynamisch (40 Umdrehungen/sec) Redundanzen können zur fehlerhaften Auswertung von Gelenkkräften und Momenten führen Eine fehlerfreie Auswertung ist für die Bestimmung der Schnittkräfte und das herstellen des Kräftegleichgewichtes am Einzelteil wichtig [Quelle: R. Jakel: Ganzheitliche Getriebeauslegung Teil 2, 2008, PTC Anwendertreffen] Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 34

35 Integrierte FEM-Analyse einzelner Bauteile Aufbau von Lagergelenken in Mechanica (1) Planar, Dreh- und Kugelgelenkbedingung l Bauteil 1 Achtung! Nur zwischen Gestell und bewegtem Bauteil einsetzbar! Bauteil 2 Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 35

36 Integrierte FEM-Analyse einzelner Bauteile Aufbau von Lagergelenken in Mechanica (2) Schnittstellte, Feder und gewichtete Verbindung Federkraft- Messgröße Bauteil 1 Punkt- zu- Punkt Feder Freie Schnittstelle Gewichtete Verbindung Bauteil 2 Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 36

37 Integrierte FEM-Analyse einzelner Bauteile Aufbau des Gesamtmodells MDO - Mechanica - Modell Modell Modellstatuss Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 37

38 Quasistatische Analyse Einzelteil bei gleicher Mechanismusstellung Gesamtmodell Abtrieb blockiert Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 38

39 Zusammenfassung und Ausblick Ganzheitliche Getriebeauslegung mit Hilfe von Mathcad, Creo Elements/Pro und MOCAD. Konkretisierung der Problemstellung beim Rundflechten und Ableiten von Bewegungsanforderungen an die Getriebstruktur. Strukturauswahl und Synthese mit Motion-Skelett in Creo Elements/Pro und Mathcad. MOCAD MOtion and CAm-Design ist ein universell einsetzbares Werkzeug zum Bewegungsdesign und zur Berechnung von Kurvengetrieben verschiedener Bauform. MOCAD wird zur Bearbeitung von Forschungs- und Industrieprojekten eingesetzt mit Kooperationspartnern weiterentwickelt. Integrierte FEM-Analyse von Getriebestrukturen und Einzelteilen. Test des neuen Mechanica Features Gelenkverbindungen. Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 39

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl. Ing. Daniel Denninger TECHNISCHE UNIVERSITÄT CHEMNITZ URL: Tel.: +49 (0) Prof. Dr. -Ing. Maik Berger, Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 40