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-64287 Darmstadt Sommersemester 2007
EINZELTEILMODELLIERUNG Folie 2
Einzelteilmodellierung Vorgehensweise bei der Einzelteilmodellierung: Parametrische CAD-Modelle Modellierungsmethodik Informations- und Analysemöglichkeiten Einzelteile als Baureihen Norm- und Zukaufteile STEP Inhaltliche Gliederung der 3. Vorlesung Folie 3
Komposition Zusammenbau / Aggregation Produkt Baugruppe Einzelteil Grenze für zerstörungsfreie Zerlegung Gestaltelement Zerlegung / Dekomposition Strukturierung Folie 4 Methodische Vorgehensweise beim Modellieren (technische Sichtweise)
Objekte der Produktstruktur - Modellbaum Folie 5
Abbildung von Einzelteilen im Computer als Volumenmodell Konstruktion Wie sieht die Gesamtfunktion aus? Welche Teilfunktionen ergeben sich daraus? Welche Baugruppen und Einzelteile resultieren daraus? Gibt es im PDM-System bereits wieder verwendbare Bauteile? Normteile, Zukaufteile? Wie teuer wird das Produkt? Denken in Prozessketten CAD-FEA (Berechnung) Hält das Bauteil den Belastungen stand? CAD-MKS (Simulation) Wie bewegen sich Einzelteile und Baugruppen relativ zueinander? CAD-NC (Fertigung) Wie können Einzelteile gefertigt werden? Welche Genauigkeit muss eingehalten werden? u.a.m. Folie 6
Definition Einzelteil: Einzelteile sind die atomare Einheiten von Produkten, die zerstörungsfrei nicht weiter zerlegt werden können. Getriebedeckel Bohrfutter Teilefamilie (Normteile, Katalogteile) Merkmale von Einzelteilen: Eindeutig identifizierbar charakteristische Parameter (Sachmerkmale) Gestaltzonen (Features), parametrisch gestaltete Bauteile, Varianten, Teilefamilien Einzelteilmodellierung Folie 7
Formelemente stellen vordefinierte Gestaltkomplexe dar, meist mit technischer Bedeutung. Beispiele zur Formelementen Elementfamilie-Modelle - Features Folie 8
Beim Arbeiten mit Formelementen wird zunächst ein Ausgangsvolumen (z.b. mit Hilfe von Volumenprimitiven oder Transformationsfunktionen) erzeugt. Dem Ausgangsvolumen wird dann mit Hilfe von Formelementen schrittweise Material hinzugefügt oder entfernt, bis man das Ergebnisvolumen erhält. Bei der Erzeugung von Formelementen bilden die Definition der Gestalt und die Verknüpfung mit der bereits existierenden Geometrie eine Einheit. Beispiel: Zur Definition einer Rundung werden vorhandene Kanten und Flächen genutzt, ebenso zur Definition einer Bohrung. Feature-Rundung Feature-Bohrung Definition der vorgegebenen Rundung anhand einer Körperkante Definition der vorgegebenen Bohrung anhand Körperkanten- und einer Körperfläche Elementfamilie-Modelle - Features Folie 9
Hilfsgeometrien und Parametrik Folie 10
Die geometrische Gestalt von Einzelteilen ist oft nicht nur durch einfache geometrische Operationen, wie - mengentheoretische Verknüpfung von Volumenprimitiven, - Sweep Modellierung oder - Feature Modellierung zu beschreiben. Modellierung über Hilfsgeometrie Festlegung einer Hilfsebene, relativ zur Einzelteilgeometrie, Skizzieren der gewünschten Gestalt mengentheoretische Verknüpfung Geometrische Funktionen zur Einzelteilmodellierung Folie 11
Definitionsebene im Raum festlegen im Bezug auf Ausgangsgeometrie α Auswahl der Bemaßungsreferenzen Erzeugen eines Querschnitts a c b Bemaßungen und Skizzierbedingungen anpassen Erstrecken des Querschnitts in die dritte Dimension d Erzeugung des 3D-Volumen, hier als Materialschnitt Festlegung von innen und außen Folie 12 Arbeiten mit Definitionsebenen bei Transformationsfunktionen
Parametrik bedeutet: Es besteht eine bidirektionale Assoziativität zwischen Geometrie und Maßzahl Vordenken der parametrischen Geometrie: 1. Das Dreieck ist gleichschenklig 2. Höhe des Dreiecks ist a 3. Breite des Dreiecks ist b 4. Grundseite des Dreiecks ist horizontal 5. obere Spitze des Dreiecks liegt auf Würfelkante 6. Abstand c zwischen Dreieck und Oberkante Definition im CAD-System: 1. Symmetrieline (Mittellinie) auf Kante erzeugen; Symmetriebedingung durch Auswahl der Mittellinie und der beiden Eckpunkte der Grundseite festlegen 2. Bemaßung der Länge a von Grundseite bis Spitze 3. Bemaßung der Länge b der Grundseite 4. wird vom Skizzierer erkannt (über implizite Regeln) 5. Spitze wird beim Skizzieren automatisch ausgerichtet 6. Bemaßung der Länge c zwischen Dreiecksspitze und Körperkante Das CAD-System legt Parameter (und Beziehungen zwischen Parametern) an, deren Zahlenwerte im Skizzierer und später im Modell jederzeit geändert werden können. Nach dem Ändern von Zahlenwerten muss die Modellgestalt neu berechnet werden (-> Regenerieren). Festlegungen beim Skizzieren Folie 13
Bei einem parametrischen CAD-Modell besteht eine bidirektionale Assoziativität zwischen Geometrie und Maßzahl. Die Gestalt kann somit durch die Änderung der Maßzahl variiert werden, wobei die Geometrie jeweils neu berechnet wird. Zusätzlich können zwischen den Maßen Beziehungen definiert werden. (z. B. d Fase = 0,1 * d Welle ) Änderung einer Maßzahl Änderung der Geometrie Definition der Parametrik Folie 14
M 2 =400Nm - 2400Nm N 2 =500-750/min Einstufiges Stirnradgetriebe Randbedingungen: Schrägverzahnung (15 ) Wälzlagerung (Rillenkugellager) Antrieb durch E-Motor (1500/min) Vereinfachte Zahngeometrie Parametrisierung: Drehmomentenbereich: M 1 =200Nm 800Nm Übersetzung i=2/1 bis 3/1 Automatisierte Auslegung der Bauteile entsprechend Material, Belastung und Lebensdauer Automatisierte Anordnung zur Baugruppe Zuordnung der Berechnungsergebnisse/ normgerechte Maße über Graphen M 1 =200Nm 800Nm N 1 =1500/min Ein vollständig parametrisiertes Baugruppenmodell Deckel zur besseren Übersichtlichkeit transparent Quelle: Mendgen Folie 15
Vorteile von parametrischen Beziehungen sind: schnelle Durchführung von Änderungen, Definition von Gestaltabsichten, die auch nach Änderungen erhalten bleiben, Verknüpfungen zwischen verschiedenen Einzelteilen einer Baugruppe möglich, z. B. gleiches Bohrmuster für Gehäuse und Flansch, einfache Bildung von Varianten und Baureihen Integration einfacher Berechnungen auf Basis technischer Daten möglich, z. B. Verknüpfung von Excel-Tabellen mit Parametervariablen Aber: manche Änderungen führen zur Inkonsistenz des Modells vollständig parametrisierte Modelle gestatten kaum eine innovative Weiterentwicklung von Produkt und Modell. Eigenschaften von parametrischen Beziehungen Folie 16
Warum soll nach Verwendungszweck modelliert werden? Ziel ist es, flexible Modelle zu erstellen, die einfach zu ändern und gut weiter- bzw. wiederzuverwenden sind. Änderungen sind im realen Konstruktionsprozess an der Tagesordnung, Anpassungen oder Verbesserungen sind auch nach Markteinführung noch nötig, Verschiedene Personen müssen mit den Modellen arbeiten können, Eine Weiterverwendung für Berechnungen oder Fertigungsprozesse ist im Sinne der Prozesskette notwendig, Wiederverwendung von Modellen spart Zeit und Geld. Wie kann nach Verwendungszweck modelliert werden? Klärung des Verwendungszwecks, Modellierungsreihenfolge beachten, Einfache Elemente beim Skizzieren (nach Grobskizze gleich in 3D), Funktionale Modellierung (Features statt Basisgeometrie verwenden), Sinnvolle Verwendung offener oder geschlossener Konturen. Modellieren nach Verwendungszweck Folie 17
Methodische Vorgehensweise beim Modellieren Vorbemerkungen und Hintergründe Vorgehensweisen Informations- und Analysemöglichkeiten Methodische Vorgehensweise Folie 18
Vorbemerkung: Beachtung der Referenzen beim Modellieren! = Referenz Produktionsfunktion Translation Feature Rippe Feature Bohrung Durch unterschiedliche Modellierungsarten kann die Bohrung verschiedene bereits vorhandene Feature referenzieren Abhängigkeiten bei der parametrischen Modellierung Folie 19
Feature-Modell: Bei der Modellierung werden neben der reinen Gestalt über die Referenzen auch Modellierungsabsichten mitdefiniert. Beispieloperation: Verschieben der Rippe auf alle darauf referenzierenden Elemente (Eltern- Kind-Beziehungen). Die Auswirkung einer Änderung auf die übrige Geometrie hängt von der zuvor angewandten Modellierungsstrategie ab. Kind-Features führen. Folie 20 Funktionale Modellierung durch Festlegung von Abhängigkeiten in parametrischen Modellen
Historie Generation 1. Ebene Ebene Ebene 2. 3. Profil Fase Fase Bohrung Bohrung gut strukturiertes Modell 4. Senkung Senkung Historie 1. Ebene Ebene Ebene schlecht strukturiertes Modell Generation 2. 3. 4. Profil Ebene Bohrung Bohrung Senkung Fase 5. Senkung Konsistenz der Modellstruktur Folie 21
Die Modellierungsmethodik umfasst z.b. folgende Regeln: - so schnell wie möglich in 3D (2D-Skizzen nur zur Beschreibung der Grobgeometrie) - von der groben Geometrie zur detaillierten Geometrie - von bestimmenden Größen zu abhängigen Größen - Planung der Geometrie mit Hilfsgeometrie (z.b. Ebenen, Punkte) - Gezielte Referenzierung existierender Elemente bei der Erzeugung von Features nach funktionalen Gesichtspunkten (Eltern-Kind-Beziehungen) - Reihenfolge wird im Modellbaum dargestellt - Reihenfolge kann unter Berücksichtigung der Referenzen geändert werden - Rundungen und Fasen zum Ende der Modellierung anbringen, Reduzierung der Komplexität des Modells Mit der Modellierungsreihenfolge werden funktionale Abhängigkeiten gebildet. Eine gezielte Modellierungsreihenfolge erleichtert die Arbeit mit dem Modell. Modellierungsmethodik Folie 22
Einfache Skizzen - übersichtliche Skizzen sollen nicht mehr als 6 Skizzierelemente verwenden. - ermöglicht schnelles Bemaßen und Ändern oder Löschen von Konstruktionselementen. - z.b. bei Verwendungen der Features Fase oder Rundung muss beispielsweise nicht skizziert werden Ungeeignete Vorgehensweise: alle Elemente in einem Schnitt c b r a r e d b a Rundungen Radius r Geeignete Vorgehensweise: schrittweiser Aufbau durch Feature c e d Vorgehensweise beim Skizzieren Folie 23
Informations- und Analysefunktionalität Modellbaum: Darstellung aller Features des Einzelteils, direktes Anwählen eines Features über den Modellbaum, Status aller Features, Möglichkeit, zusätzliche Namen zu vergeben, Suchmöglichkeiten, Änderung der Reihenfolge. Messen von Geometrie: Abstand, Durchmesser, Winkel oder Oberflächen können gemessen werden Modellanalyse: Automatische Berechnung von Volumen und Massenwerten, Dicke des Modells sowie Durchdringungen Querschnitte: Analysieren des Modells durch Erzeugen von Querschnitten durch die Geometrie Aufbau des Modells: schrittweises Nachvollziehen der einzelnen Modellierungsschritte (Modell-Player) Eltern-Kind-Informationen: Angabe über die Abhängigkeiten der einzelnen Feature und die gewählten Referenzen Folie 24 Informations- und Analysemöglichkeiten in der ET-Modellierung
Definition Baureihen: Baureihen sind systematisch aufgebaute Varianten. Sie besitzen in der Regel die gleiche Funktion, das gleiche konstruktive Lösungsprinzip, ähnliche aber doch unterschiedliche Gestalt. Abmessungsvariable Lösungen Gestaltvariable Lösungen Quelle: www.fluro.de Methodische Grundlagen von Baureihen: Parametrisch beschriebene Bauteile Normzahlenreihen Referenzen zu geeigneten Gestaltparameterwerten Quelle: www.panimpex.com Einzelteile als Baureihen Folie 25
Die Parameter im CAD-Modell können über externe Referenzen angesteuert werden. mit einer einmalig definierten Geometrie kann dann schnell eine Vielzahl unterschiedlicher Varianten erzeugt werden. solche Tabellen findet man z.b. zum Aufbau von Baureihen, insbesondere von Normteilen. Ansatz zur Bestimmung von Abmessungswerten für Baureihen: Der sogenannte Stufensprung: ϕ = i i 10 Variantenerzeugung durch externe Referenzen Folie 26
Ausgangspunkt: Suche nach einer sinnvoller Stufung von Normteilen zwischen der Größe 1 und der Größe 10. Definition von unterschiedlichen Reihen mit einer unterschiedlichen Anzahl i von Stufen: R 5, R 10, R20 und R 40 mit i = 5, 10, 20 bzw. 40 Stufen. Der relative Stufensprung j von einer Stufe n zur nächsten (n+1) soll für jede Reihe i konstant sein (Z n,i ist die absolute Höhe der Stufe n in der Reihe i): 10 R 5, i=5 R 10, i=10 R 20, i=20 16. Stufe 7. Stufe Z7,10 Z16,20 1 0 Stufung der Normteile durch Normzahlen Folie 27
Der relative Stufensprung φ von einer Stufe n zu nächsten (n+1) soll für jede Reihe i konstant sein (Z n,i ist die absolute Höhe der Stufe n in der Reihe i): Z n, i = ϕi Zn 1, i Z Z 1, i 2, i = ϕ Z i = ϕ Z i 0, i 1, i Zn 1, i setze : n 1 = i i = ( ϕ Z n 1 = ( ϕi ) Z i, i i ) 0, i i 10 = ( ) 1 i i = ϕ i = ϕ ϕ Z Z i 0, i i Z n 1, i 0, i soll der 10. Wert sein ϕ 10 ϕ 5 =1, 6 ϕ10 =1,25 ϕ20 =1, 12 ϕ 40 =1, 06 R10: 1,00 1,25 1,60 2,00 2,50 3,15 4,00 5,00 6,30 8,00 10,00 Berechnung des Stufensprungs durch Normzahlen Folie 28
Normteile Zentrierelemente Verbindungselemente (0 Freiheitsgrade) Verbindungselemente (1 und 2 Freiheitsgrade) Passstifte Muttern Maschinenschrauben Passfedern Wälzlager DIN EN ISO 1207 DIN EN ISO 4762 DIN EN ISO 4014 DIN EN ISO 4017 Beispiel für die Strukturierung von Normteilen Folie 29
Normteile Zentrierelemente Verbindungselemente 0 Freiheitsgrade Verbindungselemente 1 oder 2 Freiheitsgrade Verbindungselemente (0 Freiheitsgrade) Muttern Maschinenschrauben Passfedern Maschinenschrauben DIN EN ISO 1207 DIN EN ISO 4014 DIN EN ISO 4017 Gewindedurchmesser M6 M8 M10 Gewindelänge M10 x 12 M10 x 16 M10 x 20 M10 x 25 Schrittweiser Zugriff auf Normteile Folie 30
Sechskantschraube nach DIN EN ISO 4014 E1 A03 D1 F B C Sachmerkmal-Leiste DIN 4000-2-1.1 für Kopfschrauben, flach aufliegend, Außenantrieb mit Werkzeug Merkmalkennung A 03 B C D 1 E 1 F Merkmalbenennung Länge Gewindenenndurchm. Gewindelänge Schlüsselweite Kopfdurchmesser Kopfhöhe Einheit mm mm mm mm mm mm... ISO 4014_M10x20 10 20 20 16 17,77 6,4 ISO 4014_M10x25 10 25 21 16 17,77 6,4... Folie 31 Beschreibung von Normteilen über Sachmerkmalsleisten
S T E P Standard for the Exchange of Product Model Data Direkt-Schnittstellen n * (n-1) Neutrale Schnittstelle 2 * n Warum STEP? Folie 32
Pre- Prozessor STEP-Datei Postprozessor Postprozessor Preprozessor Implementierte Leistungsfähigkeit von STEP: Linien-, Flächen- und Volumenmodelle, Produktstrukturen. Noch nicht implementierte Leistungsumfänge von STEP: Parametrische Geometriemodelle Featuremodelle Technische Zeichnungen, können jedoch über IGES ausgetauscht werden. Nutzung von STEP zum Produktdatenaustausch Folie 33