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Rechnergestütztes Konstruieren Skript zur Vorlesung im Sommersemester 2019 Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion Prof. Dr.-Ing. R. Anderl M. Sc. L. Fischer M. Sc. L. Niemczik

Rechnergestütztes Konstruieren Skript zur Vorlesung im Sommersemester 2019 Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion Prof. Dr.-Ing. R. Anderl M. Sc. L. Fischer M. Sc. L. Niemczik

Skript zur Vorlesung Rechnergestütztes Konstruieren Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion Fachbereich Maschinenbau Technische Universität Darmstadt Otto-Berndt-Str. 2 D-64287 Darmstadt © Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion, 2019

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis

I

Abbildungsverzeichnis

IV

Abkürzungsverzeichnis

VII

1

Einführung zur Vorlesung „Rechnergestütztes Konstruieren“

1

2

Produktdatentechnologie

3

2.1

Produktlebenszyklus .......................................................................................................... 4

2.1.1

Produktentstehungsphase ........................................................................................................ 5

2.1.2

Produktentwicklungsprozess .................................................................................................... 5

2.2

Virtuelles Produkt .............................................................................................................. 6

3

Ideenfindung und Skizziertechniken

8

3.1

Grafische Ausdrucksformen ............................................................................................... 9

3.2

Handskizziertechniken .................................................................................................... 10

4

Grundlagen der geometrischen Modellierung

13

4.1

Ordnungsschema zur geometrischen Modellierung ........................................................ 13

4.2

Ordnungsschema geometrischer Elemente ..................................................................... 15

4.3

Mathematische Grundlagen (Analytische Geometrie) .................................................... 17

4.3.1

Einführung in die Vektorrechnung ......................................................................................... 17

4.3.2

Vektorielle Darstellung von Geraden...................................................................................... 18

4.3.3

Vektorielle Darstellung von Ebenen ....................................................................................... 18

4.3.4

Transformationen................................................................................................................... 19

4.3.5

Transformationsmatrizen ....................................................................................................... 19

5

Geometriemodelle

22

5.1

Linienmodelle .................................................................................................................. 23

5.2

Flächenmodelle................................................................................................................ 23

5.3

Volumenmodelle .............................................................................................................. 24

5.3.1

Generative Volumenmodelle .................................................................................................. 25

5.3.2

Akkumulative Volumenmodelle ............................................................................................. 30

5.3.3

Hybride Volumenmodelle ...................................................................................................... 33

5.4

Übersicht zur geometrischen Modellierung .................................................................... 33

6

Einzelteilmodellierung

34

6.1

Modellierungsstrategie von Einzelteilen als Volumenmodell ......................................... 36

6.1.1

Aufbau der Geometrie mit Volumenprimitiven ...................................................................... 36

Inhaltsverzeichnis

I

6.1.2

Skizzenbasierte Modellierung – Produktionsfunktion ............................................................ 36

6.1.3

Featurebasierte Modellierung ................................................................................................ 37

6.1.4

Detaillierung durch Hilfsgeometrie ........................................................................................ 38

6.2

Parametrische Beschreibungsverfahren ........................................................................... 39

6.2.1

Parametrik zur Erzeugung von Varianten .............................................................................. 40

6.2.2

Modellieren nach Verwendungszweck ................................................................................... 40

6.2.3

Planung der Modellierungsreihenfolge .................................................................................. 42

6.2.4

Einfache Skizzen verwenden ................................................................................................. 42

6.3

Parametrische Einzelteile................................................................................................. 43

6.4

Einzelteilmodellierung über Hilfselemente ..................................................................... 47

6.5

Fertigungsgerechte Detaillierung von Einzelteilen mit Features ..................................... 48

6.6

Verwendung von Normteilen ........................................................................................... 48

7

Baugruppenmodellierung

53

7.1

Produktstruktur ................................................................................................................ 53

7.2

Verfahren zur Baugruppenbildung .................................................................................. 55

7.3

Dimensionierung .............................................................................................................. 57

7.4

Positionierung .................................................................................................................. 58

7.4.1

Absolute Positionierung ......................................................................................................... 58

7.4.2

Relative Positionierung .......................................................................................................... 58

7.5

Orientierung ..................................................................................................................... 60

7.6

Positionierungs- und Orientierungsbedingungen ............................................................ 61

7.7

Schraubenverbindungen .................................................................................................. 62

8

Toleranzen

65

8.1

Maßtoleranzen ................................................................................................................. 67

8.2

Passungen ........................................................................................................................ 69

8.3

Oberflächenangaben ........................................................................................................ 76

8.4

Form- und Lagetoleranzen ............................................................................................... 80

9

Ableiten Technischer Zeichnungen

83

9.1

Aufbau technischer Zeichnungen ..................................................................................... 84

9.1.1

Zeichnungsnormen ................................................................................................................ 87

9.1.2

Ansichten ............................................................................................................................... 97

9.1.3

Schnittansichten .................................................................................................................. 102

9.1.4

Einzelheiten ......................................................................................................................... 105

9.1.5

Ausbrüche ............................................................................................................................ 105

II

Inhaltsverzeichnis

9.2

Einzelteilzeichnungen .................................................................................................... 106

9.3

Baugruppenzeichnungen ............................................................................................... 106

9.3.1

Positionsnummern ............................................................................................................... 108

9.3.2

Stücklisten ........................................................................................................................... 110

10 10.1

Fortgeschrittene Methoden des rechnergestützten Konstruierens

111

Vertikale Methoden (Abschnitt 10.2 und 10.3) ............................................................. 111

10.1.1 Parametrik ........................................................................................................................... 111 10.1.2 Constraints ........................................................................................................................... 111 10.1.3 Wissensbasiertes CAD .......................................................................................................... 114 10.2

Horizontale Methoden (Prozessketten) ......................................................................... 115

10.2.1 CAD - Technische Produktdokumentation (TPD) ................................................................. 116 10.2.2 CAD - Digital Mock-Up (DMU) ............................................................................................. 116 10.2.3 CAD - Berechnung/Simulation (FEM, MKS) ........................................................................ 117 10.2.4 CAD - Rapid Prototyping (RPT) ........................................................................................... 117 10.2.5 CAD - Arbeitsvorbereitung (NC, RC, MC): ........................................................................... 118 11

Literaturverzeichnis

IX

Stichwortverzeichnis

XI

Inhaltsverzeichnis

III

Abbildungsverzeichnis Abbildung 2-1: Phasen des Produktlebenszyklus .................................................................................... 4 Abbildung 2-2: DMU eines PKW-Cockpits .............................................................................................. 7 Abbildung 3-1: Skizzen als Unterstützung der Kommunikation ............................................................. 8 Abbildung 3-2: Graphische Ausdrucksformen mit unterschiedlichem Abstraktionsgrad ........................ 9 Abbildung 3-3: Projektionsarten für das Skizzieren technischer Objekte ............................................. 10 Abbildung 3-4: Freihandskizze Quader ................................................................................................ 11 Abbildung 3-5 Beispiel für Kanten eines Objektes ................................................................................ 12 Abbildung 4-1: Ordnungsschema für die Merkmale der geometrischen Modellierung ......................... 13 Abbildung 4-2: Null-, Orts- (Aufpunkts-) und Richtungsvektoren ........................................................ 17 Abbildung 4-3: Mathematische Beschreibung einer Geraden im Raum ................................................ 18 Abbildung 4-4: Mathematische Beschreibung einer Ebene im Raum ................................................... 19 Abbildung 5-1 Arten von Geometriemodellen ...................................................................................... 22 Abbildung 5-2: Beispiel eines Linienmodells ........................................................................................ 23 Abbildung 5-3: Beispiel eines Flächenmodells...................................................................................... 23 Abbildung 5-4: Beispiel eines Volumenmodells .................................................................................... 24 Abbildung 5-5: Generative Volumenmodelle........................................................................................ 25 Abbildung 5-6: CSG-Modell ................................................................................................................. 26 Abbildung 5-7: Beispiel für ein CSG-Modell ......................................................................................... 27 Abbildung 5-8: Produktionsverfahren .................................................................................................. 28 Abbildung 5-9: Beispiele für Features .................................................................................................. 29 Abbildung 5-10: Beispiel einer B-Rep-Datenstruktur ............................................................................ 31 Abbildung 5-11: Anwendung der Euler-Poincaré-Formel ..................................................................... 32 Abbildung 5-12: Ordnungsschema der geometrischen Modellierung ................................................... 33 Abbildung 6-1: Aufbaustruktur, vom Gestaltelement zum Produkt ...................................................... 34 Abbildung 6-2: Überlegungen vor der Einzelteilmodellierung ............................................................. 35 Abbildung 6-3: Skizzierbedingungen ................................................................................................... 37 Abbildung 6-4: Detaillierung der Grobgeometrie mit Hilfe der Featuretechnologie ............................. 38 Abbildung 6-5: Beispiel zur Detaillierung durch Hilfsgeometrie .......................................................... 39 Abbildung 6-6: Beispiel Modellieren nach Verwendungszweck............................................................ 40 Abbildung 6-7: Vordenken parametrischer Abhängigkeiten und Definition im CAD-System ................ 41 Abbildung 6-8: Beispiel für eine geeignete und ungeeignete Vorgehensweise ..................................... 42 Abbildung 6-9: Beispiel für richtige und falsche Anwendung von Features.......................................... 44 Abbildung 6-10: Geeignete und ungeeignete Eltern-Kind-Beziehungen ............................................... 46 Abbildung 6-11: tabellarische Beschreibung von Einzelteilvarianten ................................................... 46 Abbildung 6-12: Beispiel zur Strukturierung von Normteilen .............................................................. 49 Abbildung 6-13: Beispiel einer Sachmerkmaltabelle (Quelle ISO 4014) .............................................. 50 Abbildung 6-14: Stufung der Normteile durch Normzahlen ................................................................. 51 Abbildung 6-15: Anwendungsbeispiel der Normzahlenreihen (Quelle DIN 13-1) ................................ 52 Abbildung 7-1: Strukturbaum der Produktstruktur eines 2-Takt Modellmotors ................................... 53 Abbildung 7-2: Beispiel für Funktionsgruppe: Ausrichtung am Verwendungszweck ............................ 54 Abbildung 7-3: Übersicht zu TOP-DOWN und BOTTOM-UP-Vorgehensweise ...................................... 55 Abbildung 7-4: Einzelteil übergreifende Features bei der TOP-DOWN Vorgehensweise ...................... 56 Abbildung 7-5: Beispiel absolute Positionierung .................................................................................. 58 IV

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 7-6 Beispiel für eine relative Positionierung ........................................................................ 59 Abbildung 7-7: Positionierung über Hilfsgeometrien ............................................................................ 60 Abbildung 7-8: Relative Positionierung über Anordnungsbedingungen ............................................... 61 Abbildung 7-9: Außen und Innengewinde ............................................................................................ 62 Abbildung 7-10: Beispiel einer Schraubenberechnung ......................................................................... 64 Abbildung 8-1: Festlegung von Baugruppeneigenschaften durch Toleranzen ...................................... 66 Abbildung 8-2: Tolerierung über oberes und unteres Abmaß ............................................................... 67 Abbildung 8-3: Bedeutung der Passungsarten ...................................................................................... 69 Abbildung 8-4: Passsysteme Einheitswelle und Einheitsbohrung (Quelle DIN EN ISO 286-1).............. 70 Abbildung 8-5: Lage von Toleranzfeldern (Quelle DIN EN ISO 286-1 ) ............................................... 71 Abbildung 8-6: Größe von Toleranzfeldern basierend auf ISO Grundtoleranzen (Quelle DIN EN ISO 2861) ......................................................................................................................................................... 72 Abbildung 8-7: Beispiel einer Passungsberechnung .............................................................................. 74 Abbildung 8-8: Ergebnis der Passungsberechnung mit einer Software (Quelle: TEDATA GmbH) ........ 74 Abbildung 8-9: Beispielhafte Auswahl an Passungsempfehlung (Quelle: DIN EN ISO 286-1) .............. 75 Abbildung 8-10: Ordnungssystem für Gestaltabweichungen nach DIN 4760 (Decker & Kabus, 2007). 76 Abbildung 8-11: Rauheitskenngrößen (Decker & Kabus, 2007) ........................................................... 77 Abbildung 8-12: Geometrische Verhältnisse des Grundsymbols (Quelle: DIN EN ISO 1302) ............... 78 Abbildung 8-13: Angaben zur Oberflächenbeschaffenheit (Quelle: DIN EN ISO 1302) ........................ 78 Abbildung 8-14: Oberflächensymbole und ihre Bedeutung (Hoischen, 2011) ...................................... 79 Abbildung 8-15: Formtoleranzen (Quelle: Hoischen, 2011) ................................................................. 80 Abbildung 8-16: Richtungstoleranzen (Quelle: Hoischen, 2011)...