Bewegungen erzeugen mit demDMU Kinematics Simulator der Version 5 Release 6 von Erstellt von Peter Bach Prof. Dr-Ing. M. Schuth, Labor für Gerätebau des Fachbereichs Maschinenbau der FH-Trier 1 Inhalt 1. EINLEITUNG ......................................................................................................... 3 2. ALLGEMEINES ZU MECHANISMEN UND GETRIEBEN..................................... 4 3. MECHANISMEN ERZEUGEN ............................................................................... 5 3.1 BEDINGUNGEN ERZEUGEN IM ASSEMBLY DESIGN ................................................... 5 3.2 ERSTE SCHRITTE IN DER KINEMATIKUMGEBUNG ..................................................... 7 3.3 W EITERE VERBINDUNGSTYPEN ........................................................................... 11 4. SIMULATIONEN ERZEUGEN ............................................................................. 13 4.1 SIMULATION MIT BEFEHLEN ................................................................................ 13 4.2 SIMULATION MIT REGELN ................................................................................... 16 5. ARBEITEN MIT SIMULATIONEN / WIEDERGABEN ......................................... 20 5.1 SIMULATIONEN UMWANDELN ............................................................................... 20 5.2 VERLÄUFE ERSTELLEN ....................................................................................... 22 5.3 ÜBERSCHNEIDUNGSERKENNUNG........................................................................ 23 5.4 TRANSLATIONSVOLUMINA .................................................................................. 24 6. NACHWORT........................................................................................................ 25 7. QUELLENANGABEN.......................................................................................... 25 2 1. Einleitung Diese Dokumentation dient dazu, einen schnellen Einstieg in den DMU Kinematic Simulator ( DMU = digital mockup = digitale Modellerstellung ) der Version 5 von CATIA® zu finden. Sie soll denen weiterhelfen, die bisher noch keine Erfahrung auf dem Gebiet der kinematischen Simulationen gemacht haben und denen, die bereits mit der Kinematik der Version 4 vertraut sind und den Einstieg in die Version 5 ( kurz: V5 ) suchen. Vorraussetzung um mit diesem Modul zu arbeiten ist, dass der Nutzer Kenntnisse auf dem Gebiet der Kinematik besitzt, d.h. er kennt Begriffe wie Freiheitsgrad und Zwanglauf. In Kapitel 2 werden – um sich die Thematik vor Augen zu führen – diesbezüglich wichtige Begriffe erklärt. Der Simulator, der für Windows NT/2000 und Unix verfügbar ist, dient zum Erzeugen von Baugruppenbewegungen und ist ein eigenständiges Programm, mit dem man Kollisionsuntersuchungen durchführen, Translationsvolumina ermitteln, Verläufe von Bewegungen darstellen, Abläufe veranschaulichen und daraus Präsentationen erstellen kann. Anhand von einfachen Beispielen, wie z.B. viergliedrigen kinematischen Ketten, wird auf den nachfolgenden Seiten erklärt, wie Bewegungen erzeugt werden und welche Anwendung dies finden kann. Die Neuerungen gegenüber der Version 4 sind dem DMU Kinematics Simulator User Guide zu entnehmen ( auf der Documentation Workbench der V5 ). Die Dokumentation stützt sich auf die deutsche Release 6 der Version 5, da bei älteren Ausgaben wichtige Funktionen fehlen und z.T. keine Bewegungen erzeugt werden können.. Die Beispiele, die zur Darstellung genutzt werden, lehnen sich hauptsächlich an die Vorlesung Getriebelehre von Prof. Dr.-Ing. Michael Schuth des Fachbereichs Maschinenbau der Fachhochschule Trier. 3 2. Allgemeines zu Mechanismen und Getrieben Getriebe dienen zum Wandeln oder Übertragen von Kräften und Bewegungen. Sie bestehen aus wenigstens zwei Gliedern, von denen eines als Gestell festgelegt wurde ( gestellfest machen ). Dies bedeutet, dass das Glied absolut im Raum verankert wird. Hinsichtlich der Vollständigkeit unterscheidet man zwischen kinematischen Ketten, Mechanismen und Getrieben : Bei einer geschlossenen kinematischen Kette ist jedes Glied an mindestens zwei kinematisch nicht identischen Stellen mit je einem Nachbarglied verbunden ( s. Abb.1 ). Wenn mindestens ein Glied mit n Gliedern nur an n kinematisch identischen Stellen verbunden ist, spricht man von einer offenen kinematischen Kette ( s. Abb.2 ). 12 1 2 3 23 2 23 12 4 3 34 1 14 4 34 Abbildung 2 : offene kinemat. Kette Abbildung 1: geschlossene kinemat. Kette Anmerkung : 12,23 1,2,3 ... kennzeichnen die Gelenke ... kennzeichnen die Glieder 12 Ein Mechanismus entsteht aus einer kinemat. Kette, indem man eines ihrer Elemente gestellfest macht. 2 3 23 1 14 4 34 Abbildung 3 : Mechanismus, bei dem z.B. Glied 4 gestellfest gemacht wurde 4 Ein angetriebener Mechanismus wird als Getriebe bezeichnet und kann ein oder mehrere An- und Abtriebsglieder besitzen. Das Beispiel von Abb. 3 besitzt einen Freiheitsgrad. Damit es zwangläufig ist, muss der Freiheitsgrad ( oder Laufgrad ) der Zahl der Antriebe ( in CATIA® : Zahl der Befehle ) entsprechen. In diesem Fall kann z.B. Glied 1 als Antrieb dienen, wobei über den Antriebswinkel ϕ die Position jedes einzelnen Gliedes eindeutig bestimmt werden kann. Das so entstandene Getriebe wird nach den Gliederlängen und der Anordnung als Doppelaußenschwinge bezeichnet ( vgl. Vorlesung Getriebelehre). 3. Mechanismen Erzeugen Ein simulierbarer Mechanismus ist die Grundvoraussetzung für die Erzeugung einer Simulation bzw. einer Animation. Ziel dieses Kapitel ist es, einen solchen Mechanismus zu erzeugen. 3.1 Bedingungen Erzeugen im Assembly Design Vorraussetzung zur Erstellung eines Mechanismus ist, dass man mindestens 2 Parts ( z.B. einen Bolzen und einen Hohlzylinder oder zwei Laschen ) im Assembly Design als separate Baugruppen vorliegen hat und diese im Spezifikationsbaum angezeigt werden. Als ersten Schritt versucht man, die Teile mit Bedingungen zu verknüpfen, um so ihre Lage zueinander zu bestimmen und später Bewegungen zuzulassen. In der Symbolleiste Bedingungen sind zu finden Kongruenz, Kontakt, Offset, Winkel und Komponente fixieren. Mit der Kongruenzbedingung lassen sich Punkte, Linien ( auch Mittelpunktsachsen von Rundteilen ), Ebenen/Flächen untereinander kongruieren. Zum Beispiel lassen sich die Achsen eines Bolzen und einer Bohrung in Deckung bringen. Selektiert man in diesem Fall Kongruenz und wählt anschließend die beiden Achsen an, wird die Bedingung erzeugt. Ohne eine weitere Bedingung, die den Bolzen in axialer Richtung positioniert ( z.B. definierte Offsetbedingung zwischen den Stirnflächen ), lässt sich der Bolzen später in der Bohrung um die eigene Achse drehen und in axialer Richtung verschieben ( 2 Freiheitsgrade ). Mit der Offsetbedingung kann man Punkten, Linien und Ebenen/Flächen untereinander definierte Abstände ( Zahlwert ) zuordnen. Wie bereits angesprochen wird diese Bedingung am häufigsten für zwei ebene Flächen verwendet um ihren Abstand fest 5 zu legen. Die Kontaktbedingung ist identisch einer Offsetbedingung, bei der als Abstand 0 mm angegeben ist. Winkelbedingungen dienen zur Festlegung von Winkeln zwischen Linien, Achsen, und ebenen Flächen. Mit Komponente fixieren lassen sich Parts absolut im Raum und relativ zu anderen Parts fixieren ( absolut im Raum ist standardmäßig aktiv, lässt sich aber durch Doppelklicken auf die Bedingung im Spezifikationsbaum unter Bedingungsdefinition umschalten ), was einem gestellfest machen wie es in Kapitel 2 beschrieben wurde gleich kommt. Weitere Einzelheiten sind dem Assembly Design User Guide ( s. Workbench Documentation ) zu entnehmen. Kongruenzbedingung Offsetbedingung Kontaktbedingung Winkelbedingung Komponente fixieren Abbildung 4 : wichtige Bedingungen Ein einfaches Beispiel eines Getriebes besteht z.B. aus zwei Laschen. Eine ist raumfest fixiert, die andere rotiert um das gemeinsames Gelenk. An der Gelenkstelle wird zunächst die Kontaktbedingung angebracht ( Fläche/Fläche ). Im nächsten Schritt werden die gemeinsamen Achsen durch die Kongruenzbedingung in Deckung gebracht und eins der beiden Glieder wird fixiert ( Komponente fixieren ). Das erste Glied kann sich nun um das zweite drehen ( es besitzt 1 Freiheitsgrad ). Setzt man Abbildung 5 : Laschen mit Bedingungen versehen 6 nun den 3D-Kompass ( standardmäßig in der rechten oberen Ecke der Arbeitsfläche ) auf das bewegliche Glied und hält danach die Shift-Taste der Tastatur gedrückt, dann kann man mit der Mouse durch Anklicken und Ziehen des Kompass eine undefinierte Bewegung erzeugen ( dient zum groben Ändern der Position ). 3.2 Erste Schritte in der Kinematikumgebung Zu finden ist die Umgebung unter Start/Digitale Modellerstellung/DMU Kinematics. Es gibt generell zwei Möglichkeiten einen Mechanismus zu erzeugen. Am einfachsten und schnellsten geschieht es ( wenn zuvor die Bedingungen im Assembly Design richtig gesetzt wurden ) durch Wahl des Icon Umwandlung von Baugruppenbedingungen in der Symbolleiste DMU Kinematics. Selektiert man danach in dem sich öffnenden Fenster Neuer Mechanismus und anschließend Automatisch erzeugen, dann werden die Bedingungen, die zuvor gesetzt wurden, in eine Verbindung umgewandelt. Dies wird in der Verzeichnisstruktur unter Applications/Mechanismus.1/Verbindungen.1 angezeigt ( Namen von Verbindungen und Mechanismen lassen sich jederzeit über rechte Mouse-Taste, Eigenschaften ändern ). Die in dem Fall der beiden Laschen automatisch erzeugte Drehverbindung ( Rotationsverbindung ) setzt sich nun aus den im Assembly Design erzeugten Bedingungen Flächenkontakt und Kongruenz ( kongruiert Mittelpunktsachsen ) zusammen. Als Festkomponente wird wie definiert Glied 2 angezeigt und somit wurde der Mechanismus erzeugt. Abbildung 6 : Verbindungsbearbeitung 7 Um diesen zu simulieren, fehlt der Verbindung ein Befehl, d.h. der Mechanismus besitzt noch einen Freiheitsgrad und dadurch muss ein „Antrieb“ festgelegt werden. Durch Doppelklick auf die jeweilige Verbindung ( hier : Verbindung.1 ) öffnet sich das Fenster Verbindungsbearbeitung ( s. Abb. 6 ) und man wählt Abhängiger Winkel. Die Simulation kann nun durch einen definierten Befehl erfolgen ( wird durch die Information Der Mechanismus kann simuliert werden angezeigt ). Selektiert man unter Verbindungslimits zudem eine Obergrenze bzw. Untergrenze, dann können wie hier bei einer Rotationsverbindung Gradzahlen gewählt werden, die die Drehung bei der späteren Simulation in die eine oder andere Richtung begrenzen ( 0°-Stellung bezieht sich auf die aktuelle Position ). Man kann aber auch in DMU Kinematics Verbindungen „manuell“ erzeugen, die zudem die erforderlichen Bedingungen erstellen. Ausgangspunkt sind die einzelnen Parts zwischen denen zunächst keine Bedingungen existieren. Auf der Symbolleiste DMU Kinematics ( s. Abb. 7 ) in der Kinematikumgebung befinden sich eine Reihe von Verbindungen die für die Zuordnung verwendet werden können. Abbildung. 7 : Die DMU-Kinematics Symbolleiste Abbildung 8 : Verbindungserzeugung Die Vorgehensweise im Beispiel der beiden Laschen sieht wie folgt aus : Das Icon Rotationsverbindung , welches sich unter Verbindungen ( 3. Icon auf der DMU Kinematics - Symbolleiste verbirgt, wird selektieren ( auch zu finden im Pull-down8 Menü unter Einfügen/Verbindungen ), und es wird durch Anwahl ein neuer Mechanismus erzeugt. Durch Selektion der entsprechenden Achsen und Flächen ( bezogen auf das Beispiel der beiden Laschen ) entstehen die entsprechenden Bedingungen ( in diesem Fall eine Kontakt- und Drehverbindung ). Mit Abhängiger Winkel wird wiederum ein Befehl dem Mechanismus hinzugefügt. Sollen die Ebenen zudem einen gewissen Abstand haben, dann kann dies durch einen Offset-Wert festgelegt werden ( führt zur Erzeugung einer Offset-Bedingung, vgl. Kap. 3.1. Auf dieser Symbolleiste ( DMU Kinematics ) befindet sich das Icon Komponente fixieren , mit dem das entsprechende Glied raumfest gemacht wird. Der Mechanismus kann nun abermals simuliert werden. Abbildung 9 : Kurbelschwinge Ein weiteres Beispiel ist die in Abb.9 dargestellte Kurbelschwinge. Die 4 Glieder werden im Assembly Design mit Bedingungen versehen ( Festkomponente bestimmen, Kongruenzbedingungen verwenden, usw., vgl. vorheriges Beispiel ). Bei der automatischen Umwandlung der Baugruppenbedingungen werden die Verbindungen erzeugt. Es fehlt lediglich ein Befehl, um einen Zwanglauf zu erzeugen, da die Kurbelschwinge noch einen Freiheitsgrad besitzt. Bei der Festlegung der Bedingungen ist darauf zu achten, dass es zu keinen Überbestimmungen oder Unterbestimmungen kommt. Bei statischer Überbestimmtheit und statischer Bestimmtheit ( Freiheitsgrad bzw. Laufgrad F ist <= 0 ) ist ein Mechanismus nicht simulierbar. Bei Unterbestimmtheit müssen fehlende Befehle oder Bedingungen ergänzt werden. Ein einfaches Beispiel hierfür ist ein Ring, der sich um einen fixierten Bolzen dreht ( s. Abb. 11 ). Dieser Ring 9 besitzt, wenn lediglich die Achsen kongruiert wurden, 2 Freiheitsgrade ( 1 Rotation, 1 Translation ). Zwischen beiden Teilen wird eine Zylindrische Verbindung die Umwandlung der Baugruppenbedingungen erstellt. Im durch Fenster Verbindungserzeugung stehen als Befehle Abhängiger Winkel und Abhängige Länge zur Auswahl. Ist nur einer der beiden Befehle selektiert, dann ist die Verbindung unterbestimmt, d.h. sie ist nicht zwangläufig, da die Anzahl der Freiheitsgrade ( 2 ) nicht mit der Anzahl der Befehle bzw. Antriebe ( 1 ) übereinstimmt. Erst wenn beide Befehle selektiert sind, kann der Mechanismus simuliert werden. Abbildung 10 : Verbindungserzeugung Zylindrisch ohne selektion der Befehle Abbildung 11 : Ring dreht sich um Zylinder 10 3.3 Weitere Verbindungstypen Neben der unter den vorherigen Punkten vorgestellten Rotationsverbindung Zylindrische Verbindung und gibt es eine Vielzahl weiterer Verbindungen, die sich zum einen z.T. aus den Bedingungen automatisch erzeugen lassen oder auf der DMU Kinematics – Oberfläche explizit zwischen den Teilen erzeugt werden müssen, da das Programm bei der automatischen Umwandlung diese Bedingungen nicht richtig interpretiert. Prismatische Verbindung ( 1 Befehl ) Starre Verbindung ( 0 Befehle ) Kugelverbindung ( 0 Befehle ) Ebene Verbindung ( 0 Befehle ) Zahnradverbindung ( 1 Befehl ) Zahnstangenverbindung ( 1 Befehl ) Kabel- verbindung ( 1 Befehl ) Abbildung 12 : Beispiele weiterer Verbindungen Nicht zu allen Verbindungstypen lassen sich Befehle zuordnen, wie z.B. zur Ebenen Verbindung. Hierbei werden lediglich zwei Ebenen selektiert, um diese Verbindung zu erzeugen. Neben den oben aufgeführten Verbindungen existieren noch die Schraubverbindung ( 2 Befehle ), die Punktkurvenverbindung ( 1 Befehl ), die Gleitkurvenverbindung ( 0 Befehle ), die Rollkurvenverbindung ( 1 Befehl ), die Punkt-Flächen-Verbindung ( 0 Befehle ), die Universalverbindung ( 0 Befehle ) und die Doppelgelenkverbindung ( 0 Befehle ). Diese Verbindungen können nicht automatisch erzeugt werden und müssen auf jeden Fall manuell eingefügt werden. Das nächste Beispiel stellt eine versetzte Schubkurbel dar. Damit sie simuliert werden kann, soll sie 3 Rotationsverbindungen und eine Ebene Verbindung besitzen. Wenn man die Bedingungen im Assembly Design setzt ( Kongruenz der Achsen, Offset-Bedingungen von Ebenen ) und diese umwandelt, erzeugt das Programm die erforderlichen Verbindungen. 11 Abbildung 13 : versetzte Schubkurbel Ein wichtiges Hilfsmittel zur Erzeugung des Mechanismus ist hierbei die Mechanismusanalyse , zu finden auf der DMU Kinematics – Symbolleiste. In diesem Fenster erkennt man u.a. ob ein Mechanismus überhaupt simuliert werden kann und wie viele Freiheitsgrade er mit und ohne Befehle besitzt. Ist Freiheitsgrade mit Befehlen ungleich Null, dann ist der Mechanismus nicht simulierbar. Durch Wahl von Mehr werden hierzu alle einzelnen Verbindungen im Detailbereich ( Verbindungsname, Verbindungstyp, Befehl, usw. ) aufgeführt. Abbildung 14 : Die Mechanismusanalyse einer Schubkurbel mit Detailbereich 12 Durch Selektion werden sie zwischen den Teilen gekennzeichnet. Kann ein Mechanismus nicht sofort erzeugt werden, sollte man alle Verbindungen einzeln anwählen und nachschauen, wo eine Verbindung oder ein Befehl fehlt oder einige sogar doppelt vorhanden ist. Ein sehr häufiger Fehler ist z.B., dass zwischen zwei Teilen keine Verbindung existiert weil sie u.U. vergessen wurde. Wird sie nun dem Mechanismus hinzugefügt, kann man anhand der Analyse erkennen, ob die Simulation durchführbar ist. 4. Simulationen Erzeugen Die Erzeugung von Simulationen und Animationen setzt voraus, dass der Mechanismus simulierbar ist. Ist dies der Fall, dann kann man auf einfache Weise Simulationen erzeugen und diese z.B. in Video-Dateien umwandeln, die dann unabhängig von CATIA® abgespielt werden können. Abbildung 15: Symbolleiste Animation 4.1 Simulation mit Befehlen Dass die Simulation mit Befehlen erzeugt wird, ist an dem Icon Simulation mit Befehlen ersichtlich, welches sich auf der Symbolleiste Simulation ( im DMU Kinematic Simulator ) befindet. Als erster Schritt wird hierzu das Icon Simulation auf der Symbolleiste Animation angewählt. Es muss nun ein simulierbarer Mechanismus aus der Liste gewählt werden, den man zuvor erzeugt hat. Es öffnen sich danach die Fenster Simulation bearbeiten und Kinematische Simulation ( s. nachfolgende Abbildungen ). In dem letztgenannten befinden sich ein oder mehrere Schieberegler, deren Anzahl mit der Anzahl Befehle übereinstimmt. Bewegt man mit dem Mauszeiger einen der Regler, dann ist zeitgleich eine Bewegung am Bauteil festzustellen. Links bzw. rechts neben dem Regler stehen die Limits, die 13 maximal angefahren werden können. Die aktuelle Stellung der Glieder zueinander ist in dem kleinen weiß hinterlegtem Fenster ersichtlich. Die Limits können unter ( 10 ) geändert werden. Bei rotatorischen Verbindungen, denen ein Befehl zugeordnet wurde, wie z.B. bei einer zylindrischen Verbindung werden die Stellungen in Gradzahlen angegeben. Bei Befehlen von prismatischen Verbindungen oder PunktKurven-Verbindungen sind die Positionen in Längeneinheiten, sprich in mm, angegeben. Zur Erzeugung der Simulation kann man zum einen mit Automatischem Einfügen ( 5 , s. Abb. 16-18 ) arbeiten. Ist dieses Feld inaktiv ( Standard ), müssen die Felder Einfügen, Ändern, Löschen, Überspringen ( 1 ) im Fenster Simulation bearbeiten aktiv sein und die Steuerungstasten ( 2 ), die mit denen eines Kassettenrecorders oder Videorecorders vergleichbar sind, inaktiv sein bzw. grau erscheinen. Ist dies nicht der Fall, muss man die Taste Löschen betätigen und danach Einfügen, um den beschriebenen Zustand zu erreichen. Im Fenster Kinematische Simulation ändert man nun einen oder mehrere Wert so ab, dass das Bauteil die gewünscht Bewegung ausführt und in eine andere Position übergeht. Dies kann entweder über den Schieberegler ( 8 ) durch die Maus geschehen oder über die Pfeiltasten ( 9 ). Danach wählt man Einfügen und die Simulation wird mit der gerade manuell getätigten Bewegung erzeugt. Ändert man danach wiederum einen Wert und wählt man Einfügen, dann wird diese zweite Bewegung der Ersten angehängt. Dies lässt sich beliebig oft wiederholen. Stehen einem mehrere Befehle zur Auswahl, dann lassen sich schrittweise die einzelnen Glieder bewegen oder bei gleichzeitiger Änderung mehrerer Befehle ein gemeinsamer Ablauf erzielen. Mit Play lässt sich dann die gesamte Simulation abspielen. Die Taste ( 3 ) lässt die Simulation entweder einmalig, als Endlosschleife oder einmalig vor und zurück abspielen. Die Wert im Feld ( 4 ) dient zum Darstellen des Verlaufs und nimmt in diesem Fall ( bei kein automat. Einfügen ) nur ganze Zahlen an. Mit jedem Einfügen wird die Zahl um 1 erhöht. ( 0 = Anfangszustand, n = Endzustand der Bewegung, mit n = 1,2,3,... ). Unter ( 7 ) lässt sich das Zeitintervall, bzw. die Geschwindigkeit Regeln, mit der die Simulation wiedergegeben werden soll. Es können hierfür die Werte 1, 0,2, 0,1, 0,04, 0,02 und 0,01 gewählt werden ( 0.01 entspricht Faktor 1/100 langsamer ). Es ist zu erwähnen, dass die Zeit, die benötigt wird, vom obersten Wert zum niedrigsten Wert ( Regler ganz links nach ganz rechts ) zu gelangen, ca. 4 Sekunden beträgt falls für ( 7 ) 0,01 eingestellt ist. Diese Zeit ist aber in erster Linie von der Rechnerleistung 14 abhängig und kann demnach von System zu System hiervon abweichen. Ändert man zu jedem eingefügten Schritt die oberen und unteren Werte ( 10 ), dann kann man die Geschwindigkeit quantitativ variieren. Eine definierte Geschwindigkeit ist demnach nicht zu realisieren und ist so vom subjektiven Empfinden des Nutzer über sie Zeitintervalle einzustellen. Aktiviert man Blickpunkt animieren ( 6 ), dann kann man vor jedem Einfügen mit der Maus die Bildschirmansicht ändern. Dieser Ansichtswechsel ist dann Bestandteil der Simulation und wird als eine Art Flug von Ansicht 1 nach Ansicht 2 dargestellt. Ist die Schaltfläche automatisches Einfügen aktiviert, dann kann man über den/die Regler die Lage der Mechanismusteile ändern und nacheinander verschiedene Positionen anfahren, ohne die Taste Einfügen zu betätigen. Die Bewegungen werden 1:1 übernommen und als Simulation gespeichert. Über die Tasten ( 1 ) lassen sich erzeugte Schritte ändern oder löschen. 4 2 3 7 6 1 5 Abbildung.16 : erforderlicher Zustand des Fensters ‚Simulation’ bearbeiten’ ohne ‚automatisches Einfügen’ vor der ersten Positionsänderung 15 8 9 10 Abbildung 17: Kinematische Simulationen : Schieberegler mit Limits Abbildung 18 : Abgeschlossene Simulation 4.2 Simulation mit Regeln Die Simulation mit Regeln bedeutet, dass die Bewegung einer Verbindung formelmäßig über eine Weg-Zeit-Funktion bzw. über eine Winkel-Zeit-Funktion beschrieben werden kann. Die Erzeugung einer solchen Simulation wird an Hand eines Kofferraumdeckelmechanismus veranschaulicht. 16 Abbildung 19 : Kofferraumdeckelmechanismus, der mit Regeln simuliert wird. Als ersten Schritt markiert man im Spezifikationsbaum den zu simulierenden Mechanismus, z.B. Mechanismus.1. Danach selektiert man auf der untersten Symbolleiste das Icon Formel und es öffnet sich das Fenster Formel: ‚Name des Mechanismus’ ‚ ( hier Mechanismus.1 ). Es werden nun die Parameter angezeigt, die dem Mechanismus zugeordnet werden können. Bei einem Mechanismus mit nur einem Befehl ist das neben der Zeit nur ein Parameter, der für einen Winkel oder eine Länge steht ( hier : Winkel ). Mit einem Doppelklick auf den Mechanismus ( 1, s. Abb. 20 – 22 ) öffnet sich der Formeleditor, in den letztendlich eine formelmäßige Verknüpfung zwischen der Zeit und einem Befehl hergestellt wird. Über den Assistent ( 2 ) wird im Datenverzeichnis Parameter selektiert, für den Parameter die Zeit gewählt und als Zeit die, die dem Mechanismus zugeordnet wurde. Die Zeile ( 6 ) wird mit der Formel ergänzt, die stets mit einem Schrägstrich „/“ beginnt. In diesem Beispiel wurde 1s * -20deg verwendet. Dies bedeutet, dass pro Sekunde sich der Winkel um -20° ändert, ausgegangen von der Startposition. Wichtig ist, das die Einheiten mit angegeben werden. Liegt keine Winkelabhängigkeit sondern eine Längenabhängigkeit, dann ist anstatt deg für degree ( Grad ) ‚mm’ zu verwenden. Besitzt ein Mechanismus mehrere Befehle, dann sind diese alle einzeln mit Formeln zu versehen. Alle Grundeinstellungen des Fensters Formeln und Formeleditor sind beizubehalten. 17 1 Abbildung 20 : Fenster Formeln mit Parametern Zeit und Winkel eines Mechanismus 2 Abbildung 21 : Formeleditor, noch ohne Formel 18 6 3 5 4 Abbildung 22 : Formeleditor mit erstellter Formel Betätigt man nun das Icon Simulation , so kann man nun im Fenster kinematische Simulation neben der Simulation mit Befehlen die mit Regeln verwenden. Man lässt die Bewegung über Play ablaufen und fügt sie im Fenster Simulation bearbeiten mit Einfügen der Simulation hinzu ( s. 4.1 Simulation mit Befehlen ). Über die Taste ( 9 ) können z.B. auch Einzelschritte getätigt werden, die dann der Simulation zugefügt werden können. 9 7 8 Abbildung 22 : Das verwenden von Regeln bei der Simulation Die Anzahl der Schritte ( 7 ) legt nur die Anzahl der Bilder beim Abspielen in über dieses Fenster fest. Spielt man die komplette Simulation über Simulation bearbeiten 19 ab, dann hat dieser Wert keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit. Unter Regeln ( 8 ) verbirgt die grafische Darstellung der Bewegung in Abhängigkeit von der Zeit. Wie schon angemerkt, ist die Zeit nicht wirklichkeitsnah und ist in diesem Fall nur ein quantitativer Wert. Abbildung 23 : Winkel-Zeit-Verlauf des Mechanismus: lineare Winkeländerung von 0° auf – 70 ° 5. Arbeiten mit Simulationen / Wiedergaben Die weiteren Anwendungen, wie z.B. Verlaufskurven oder die Überschneidungserkennung, stellen den eigentlichen praktischen Nutzen des Moduls dar. 5.1 Simulationen umwandeln Beim Umwandeln von Simulationen können Wiedergaben erzeugt werden, die ein Abspielen der Simulation in CATIA® ermöglichen. Daneben können aus der Simulation Video-Dateien erstellt werden, die sich auf jedem beliebigem Rechner mit einem entsprechendem Programm ( z.B. Windows-Media-Player ) abgespielt werden können. Nachteil gegenüber der Wiedergabe in CATIA® ist, dass die Dateien keinen 20 Bezug mehr zu dem Programm haben und Änderungen am Bauteil oder Änderungen der Ansicht sich nicht übertragen lassen. Mit dem Icon Simulation umwandeln auf der Symbolleiste Animation öffnet sich das entsprechende Fenster. Hier kann man zum Einen zwischen Wiedergabe generieren und zum Anderen Generieren in eine Animationsdatei wählen. Im ersten Fall gibt man lediglich den Namen der Wiedergabe an ( Standard : Wiedergabe.lfd.Nr. ) und definiert anschließend aus welcher Simulation diese hervorgehen soll und in welchem Zeitintervall sie ablaufen soll. Durch OK wird diese dann erzeugt und ist im Spezifikationsbaum unter Applications/Wiedergabe/Name der Wiedergabe eingefügt. Unter Wiedergabe lassen sich diese mit einfacher, doppelter, fünffacher oder zehnfacher Geschwindigkeit abspielen. Das generieren in eine Animationsdatei ( Microsoft avi-Datei ) erfolgt ähnlich wie bei der Generierung einer Wiedergabe. Die Datei wird in einem Verzeichnis erstellt und die zu verwendende Simulation gewählt . Unter Konfigurieren stehen dem Nutzer verschiedene Kompressoren zur Auswahl, die die Daten möglichst platzsparend abspeichern. Die besten Resultate beim Abspielen der Video-Dateien wurden mit dem Kompressor „Indeo® video 5.10“ erzielt. Mit einer niedrigen Abbildung 24 : Simulation umwandeln Komprimierungsqualität und Datenrate liegt die Dateigröße im Megabyte-Bereich, aber die Abspielgeschwindigkeit und Qualität sind im Vergleich zu den anderen 21 Kompressoren am Anschaulichsten. Die gesamten Einstellungen sind jedoch stark von der Leistung und Hardware ( u.a. Grafikkarte ) des Rechners abhängig. Neben den Video-Dateien können auch Einzelbilder aus der Simulation erstellt werden, die als Still Image Capture bezeichnet werden. Diese Option befindet sich in dem Listenfeld, das standardmäßig Microsoft AVI anzeigt. Abbildung 25: Wahl der Kompressoren : 4 stehen zur Auswahl 5.2 Verläufe erstellen Mit Verlaufslinie werden Verläufe von beliebigen sich im Raum bewegenden Punkten, die Bestandteil des Mechanismus sind, erzeugt. Das Programm erstellt hierzu einen in einem neuen Fenster ( Part-Design ) ein catPart mit dem Namen Verlaufslinie.lfd.Nr. In einem sich darin befindenen Geöffneten Körper liegen eine Vielzahl von Punkten, die das Programm durch Angabe des zu Grunde liegenden Mechanismus erstellt. Gleichzeitig wird aus diesen ein Spline erstellt, der dann die eigentliche Verlauflinie darstellt. Durch Kopieren der Verlaufslinie.lfd.Nr. und Einfügen in das Produkt kommt es zur Überlagerung des Mechanismus mit dem Verlauf. Anwendungen für Verlauflinien sind die Ermittlung von Endpunkten, z.B. bei Gelenkgetrieben, oder die Erstellung einer Evolvente oder Zykloide, die bei Zahnradgetrieben Bedeutung hat. 22 Abbildung 26 : Verläufe zweier Gelenkpunkte eines Kofferraummechanismus Abbildung 27: Bahn einer Zykloiden 5.3 Überschneidungserkennung Abbildung 28 : Überschneidungserkennung Drei Icons stehen in Zusammenhang mit der Überschneidungserkennung zur Verfügung : (Aus), (Ein), (Stopp). Ist die Erkennung eingeschaltet, dann werden bestehende Überschneidungen an den Rändern der Schnittflächen Rot gekennzeichnet, bei Stopp wird die Simulation oder Wiedergabe angehalten, wenn es zu einer Überschneidung kommt. Bei Bewegungsabläufen jeglicher Art lässt sich hierdurch feststellen, ob das Zusammenspiel der Teile funktioniert oder ob Änderungen vorgenommen werden müssen. Ist dies der Fall, kann man über die Wiedergabe ( sie bezieht sich auf die aktuellen Parts ) sofort das Ergebnis erkennen. Die Erkennung kann auch hilfreich bei der Erzeugung von Simulationen sein, da somit die Grenzen des Mechanismus ermittelt werden können, sprich niedrigster Wert und höchster Wert bei der kinematischen Simulation angegeben ( s. Abschnitt 4.1 ) werden können. Stoppet der Mechanismus bei einer Überschneidung, dann kann der Wert der aktuellen Position als Grenzwert übernommen werden. 23 5.4 Translationsvolumina Über das Icon Translationsvolumen gelangt man in das gleichnamige Fenster, indem zunächst Konfigurationen getätigt werden, wie die zu Grunde liegende Wiedergabe, Genauigkeiten der Berechnung oder die mit einbezogenen Teile. Das Resultat wir als cgr-Datei an einer benutzerdefinierten Stelle abgespeichert. Über Einfügen/Vorhandene Komponente wird die Datei aufgerufen und das Volumen als Solid dargestellt. Es erscheint als Part im Spezifikationsbaum welches ggf. in eine Baugruppe verschoben werden kann. Durch Kombination mit der Überschneidungserkennung lassen sich kritische Positionen der Teile ermitteln. Abbildung 29 : Kofferraumdeckelmechanismus mit Translationsvolumen 24 6. Nachwort Anhand von einfachen Beispielen wurde in den vorherigen Kapiteln das Arbeiten mit dem Modul DMU Kinematics Simulator in anschaulicher Weise an einfachen Beispielen erklärt. Es existiert aber eine Vielzahl von Sonderfällen bei denen besonders bei der Verbindungserzeugung - andere Strategien verwendet werden müssen, als man zunächst annimmt. Einfaches Beispiel hierfür sind z.B. die Kugelgelenke des bereits angesprochenen Kofferraumdeckelmechanismus, die in diesem Fall als Universalverbindungen gehandhabt werden müssen und nicht wie vermutet als Kugelgelenkverbindung. Nur durch praktische Erfahrung lässt sich bei einem solchen Problem eine mögliche Lösung rasch finden. Um erfolgreich mit dem Modul umgehen zu können, sollten die Übungen aus der Dokumentation veranschaulicht werden und zudem eigene fiktive Mechanismen erstellt werden, an denen man die Feinheiten des Programms erkundet. Die Programmierer arbeiten fortlaufend daran, weitere Verbesserungen an den nachfolgenden Releases zu tätigen. Zu Nennen ist hier der enorme Schritt von Release 4 zu Release 6 ( siehe CATIA®-Installationen der FH-Trier ). Eine Vielzahl von Verbindungen kamen bei der R 6 hinzu, die eine Erzeugung der Simulation von bestimmten Mechanismen erst durchführbar gemacht haben. Es ist daher zu erwarten, dass bei den nachfolgenden Releases sich viele neue Möglichkeiten den Nutzern bieten werden. 7. Quellenangaben [1] Prof. Dr.-Ing. Michael Schuth Vorlesungsskript Getriebelehre [2] Dassault Système CATIA® V5 R6 Workbench Documentation, englische Ausgabe Produktsynthesis à DMU Kinematics Simulator 25