E. Lacher CAD-Systeme
Aus dem Programm ---.. Maschinenbau/lnformatik Roloff IMatek Maschinenelemente Lehrbuch: Normung - Berechnung - Gestaltung, von W. Matek, D. Muhs und H. Wittel Konstruieren und Berechnen, von H. Hintzen und L. Laufenberg Handbuch Vorrichtungsbau, von H. Matuszewski Handbuch I ndustrieroboter, von H. Raab CAD-Systeme von E. Lacher Digitale Regelung mit Mikroprozessoren, von N. Hofmann Getriebelehre mit dem Mikrocomputer, von H. Burde Mikroprozessoren, von H. Schumny Vieweg------------------------/
Erwin Lacher CAD-Systeme Grundlagen und Anwendungen der geometrischen Datenverarbeitung Mit 59 Obungsaufgaben Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Lacher, Erwin: CAD-Systeme: Grundlagen u. Anwendungen d. geometr. Datenverarbeitung; mit 59 Obungsaufgaben / Erwin Lacher. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1984. ISBN-13: 978-3-528-03353-8 e-isbn-13: 978-3-322-84097-4 001: 10.1007/978-3-322-84097-4 1984 Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1984 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1984 Die Vervielfiiltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall mub uber die Zahlung einer Gebuhr fur die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fur die Vervielfiiltigung durch aile Verfahren einschlieblich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Biinder, Platten und andere Medien. Dieser Vermerk umfabt nicht die in den 53 und 54 URG ausdriicklich erwiihnten Ausnahmen. Umschlaggestaltung: Peter Neitzke, Koln
- 1 - Inha1tsverzeichnis fu~rt 4 Ein1eitung 6 1 Erfassung geometrischer Informationen 8 1.1 Ziffern und Zeichenfo1gen 8 1.2 Koordinaten 8 1.3 MenUtechnik 9 1.4 Aktionen 9 1.5 Rasterabtastung 9 1.6 Mustererkennung 11 1.7 Ubungen 14 2 Speichern und Wiederauffinden geometrischer Informationen 16 2.1 Prinzipien und Prob1eme der Informationsverwa1tung 16 2.1.1 Identifikation und Vertei1ung von Informationseinheiten 16 2.1.2 Anderungen an Informationseinheiten 17 2.2 Komponenten von Datenverarbeitungsan1agen 2.2.1 Speichertypen 2.2.2 DatenUbertragunswege 2.2.3 Zentra1einheiten 2.2.4 Konfigurationen 2.2.5 Engpasse im rea1en Betrieb 2.3 Dateiorganisationsformen und Zugriffsmethoden 2.3.1 Sequentie11e Dateiorganisation 2.3.2 Gekettete Dateiorganisation 2.3.3 Direkte Dateiorganisation 2.3.4 Hierarchische Dateiorganisation 2.3.5 Datenbanken 2.4 Speicherung geometrischer Informationen 2.4.1 Metrische und topo1ogische Informationen 2.4.2 Strukturinformation 2.4.3 Beschreibende Informationen 2.4.4 Normierungen 2.5 Ubungen 3 Verarbeitung geometrischer Informationen 17 17 19 19 20 21 21 21 22 23 24 25 26 26 28 29 29 31 3.1 Grundbegriffe der numerischen Mathematik 3.1.1 Zah1endarste11ung 33 33
- 2-3.1.2 Rundungsfehler 3.1.3 Kondition 3.1.4 Konvergenz 3.1.5 Numerische Verfahren 3.2 Grundbegriffe der Differentialgeometrie 3.2.1 Darstellung von Kurven und Flachen 40 3.2.2 Geometrische Bedeutung von Differentialoperationen 41 3.2.3 Abbildungen und Invarianten 43 3.2.4 Scharen und HUllgebilde 44 3.3 Analytische Beschreibung von Kurven und Flachen 44 3.3.1 Bedeutung und Probleme 3.3.2 Technisch wichtige Flachen 44 45 3.4 Numerische Beschreibung von Kurven und Flachen 47 3.4.1 Geometrische Forderungen 3.4.2 Gewichtsfunktionen und Interpolation 3.4.3 Approximation 3.4.4 Ungeordnete StUtzpunktmengen 3.5 Schnitt von Kurven und Flachen 3.5.1 Gewinnung von Schnittpunkten 3.5.2 Aufteilung in KurvenzUge 3.6 Schnitt von Korpern 3.6.1 Elementare Objekte und Transformationen 3.6.2 Geometrische Subtraktion und Addition 3.6.3 IJeitere Volumenoperationen 3.7 Spezifizierung des Verarbeitungsablaufs 3.8 Ubungen 34 35 35 37 40 47 48 51 52 53 53 54 54 55 55 58 59 62 4 Ausgabe geometrischer Informationen 4.1 Darstellung von 2-dimensionalen Objekten 4.1.1 Vektorgerate 4.1.2 Rastergerate 4.1.3 Bildwiederholungsgerate 4.1.4 Darstellung im zeitlichen Ablauf 4.1.5 Gerate- und Rechnerunabhangigkeit 4.2 Darstellung von 3-dimensionalen Objekten 4.2.1 Transformationen und Projektionen 4.2.2 Simulation der dritten Dimension 4.3 Ubungen 5 NC-Fertigung 5.1 EinfUhrung 5.2 APT-System 5.2.1 Geometriedefinitionen zur WerkzeugfUhrung 64 64 65 66 67 68 69 70 70 72 76 79 79 80 80
- 3-5.2.2 Verarbeitungsoperationen und Ergebnisse 5.2.3 Gesamtumfang der APT-Sprache 5.2.4 Beispiele 5.3 Ubungen 82 86 90 99 6 Methode der Finiten Elemente 6.1 Oiskretisierung eines Kontinuums 6.2 Elementtypen und Formfunktionen 6.3 Erstellung eines FEM-Programms 6.4 Automatische Oiskretisierung 5.5 Ergebnisauswertung 6.6 Weitere AnwendungsmHglichkeiten 6.7 Beispiele 6.8 Ubungen 101 101 103 106 107 108 los 111 130 7 Robotereinsatz 7.1 Geometrie, Bewegungsablauf und Krafte 7.2 Intelligenz durch Sensoren 7.3 Programmierung 8 Zusammenfassung 8.1 Zentrale CAO-Systeme 8.2 Anwendungen mit geometrischer Basis 8.3 Wirtschaftlichkeit 8.4 Integration des gesamten Produktionsprozesses 132 132 138 140 143 143 144 144 146 LHsungsvorschlage zu den Ubungen Kapitel 1 Kapitel 2 Kapitel 3 Kapitel 4 Kapitel 5 Kapitel 6 Algorithmen- und Programmverzeichnis Kommentiertes Literaturverzeichnis Glossar Sachwortverzeichnis 149 154 161 171 177 181 136 189 192 204
- 4 - Vorwort Das Ziel dieses Buches ist es, LUcken zu schlieben. In den letzten Jahren hat die Verarbeitung geometrischer Daten als Grundlage zahlreicher, jedoch voneinander isolierter Bereiche in der Entwicklung und Fertigung technischer Produkte einen beachtlichen Stand erreicht. Die im Interesse der Rationalisierung und Konsistenz notwendige Integration der verschiedenen Bereiche mittels anwendungsneutraler CAD-Systeme erfordert hinreichende Detailkenntnisse aus allen betroffenen Fachgebieten. Durch Aufzeigen der gemeinsamen Probleme der Verarbeitung geometrischer Daten sowie der Eigenarten der verschiedenen Anwendungsbereiche sol len - Ubergangsmoglichkeiten zwischen Insellosungen - Erweiterungen und Anpassungen schlusselfertiger Systeme - Mitarbeit an der Entwicklung und dem Betrieb solcher Systeme aufgrund der Kenntnisse und Fertigkeiten moglich gemacht werden. Die Leser dieses Buches ergeben sich aus - (zukunftigen) Anwendern von CAD-Systemen, also Student en und Berufstatigen der technischen Fachrichtungen wie Maschinenbau, Architektur, Bauingenieurwesen, Kartographie, Elektrotechnik, Wirtschaftsingenieurwesen - (zukunftigen) Betreuern und Entwicklern dieser Systeme, also Informatikern und ihren Partnern aus anderen Fachgebieten. Die Voraussetzungen fur dieses Buch zum prinzipiellen Verstandnis sind die Kenntnis der wichtigsten Begriffe und Tatsachender Differential- und Integralrechnung sowie der analytischen Geometrie. Zum vollstandigen Verstandnis und zur Losung der Ubungen ist Erfahrung mit einer hoheren Programmiersprache und ihrem Umfeld erforderlich. DarUber hinausgehende hier notwendige mathematische und dv-technische Kenntnisse werden in moglichst knapper Form mit Angabe der Standardliteratur beschrieben. Die Prinzipien dieses Buches sind - "Ein Bild sagt mehr als tausend Worte" Graphische PlausibilitatsUberlegungen und verbale Beschreibungen werden mathematischem Formalismus vorgezogen. Auf explizite Formeln und Algorithmen wird in einem gesonderten Verzeichnis verwiesen.
- 5 - - "Es gibt nichts Gutes, auber man tut es" Entsprechend diesem Wort Erich Kastners werden fur jedes Kapitel praktische Ubungen zur Umsetzung der vermittelten Kenntnisse in detallierte Fertigkeiten angeboten. 1m Studienbetrieb ist hier ein Rechnerpraktikum unbedingt erforderlich. - "So konkret wie moglich, so allgemein wie notig" In der Tatigkeit des Ingenieurs Uberwiegt die konkrete Erfahrung an Wirksamkeit die abstrakte Theorie bei wei tern. Zur Erkennung Ubergeordneter Zusammenhange ist jedoch auch ein bestimmtes Abstraktionsniveau erforderlich. Mein Dank gilt Herrn Kollegen Spath fur die kritische Durchsicht des Manuskripts und fur seine konstruktiven Vorschlage sowie Herrn Schmitt yom Vieweg Verlag fur seine geduldige Betreuung als Lektor.