Table Of ContentCAx für Ingenieure
Sandor Vajna • Christian Weber • Helmut Bley • Klaus Zeman
In Zusammenarbeit mit Peter Hehenberger
CAx für Ingenieure
Eine praxisbezogene Einführung
2. völlig neu bearbeitete Auflage
1 J
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Sandor Vajna Univ.-Prof. Dr.-Ing. Helmut Bley
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Universität des Saarlandes
Institut für Maschinenkonstruktion Lehrstuhl für Fertigungstechnik/CAM
Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik Campus der Universität
Universitätsplatz 2 D – 66123 Saarbrücken
D – 39106 Magdeburg [email protected]
[email protected]
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Klaus Zeman
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Weber Dipl.-Ing. Dr. Peter Hehenberger
Technische Universität Ilmenau Johannes Kepler Universität Linz
Institut für Maschinen- und Institut für Rechnergestützte Methoden im
Gerätekonstruktion Maschinenbau
Fachgebiet Konstruktionstechnik Altenbergerstraße 69
Max-Planck-Ring 12 A – 4040 Linz
D – 98693 Ilmenau [email protected]
[email protected] [email protected]
ISBN 978-3-540-36038-4 e-ISBN 978-3-540-36039-1
DOI 10.1007/978-3-540-3-540-36039-1
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© 2009, 1997 Springer-Verlag Berlin Heidelberg
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der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jeder-
mann benutzt werden dürften.
Einbandgestaltung: eStudio Calamar S.L.
Gedruckt auf säurefreiem Papier
9 8 7 6 5 4 3 2 1
springer.de
Vorwort
Das vorliegende Buch ist die zweite Auflage des 1994 im Vieweg Verlag erschie-
nenen Buches CAD/CAM für Ingenieure. Die damals dargestellten Inhalte wurden
aktualisiert und in Bezug zu den heute diskutierten strategischen Lösungskonzep-
ten wie beispielsweise verteilte Produktentwicklung, virtuelle Produktentwicklung,
Product Lifecycle Management und Mass Customization (um nur einige zu nennen)
gesetzt.
Eine kritische Bestandsaufnahme der auf dem Gebiet der Rechnerunterstützung
vorhandenen Literatur ergab, dass nach wie vor der Bedarf für eine zusammenfas-
sende Darstellung des Fachgebietes sowohl für die Praxis als auch für die Wissen-
schaft besteht. Absicht der vorliegenden Darstellung ist es daher, möglichst viele
Aspekte der Rechnerunterstützung zu berücksichtigen und den Fokus nicht allein
auf den klassischen Maschinenbau zu legen, sondern auch auf benachbarte Anwen-
dungsbereiche, wie beispielsweise aus der Mechatronik. Die Autoren sahen zudem
die Notwendigkeit, einige grundlegende Ausführungen zum Modellbegriff in das
Buch einzubinden, da Modelle die Basis für viele CAx-Anwendungen darstellen.
Mit dem Modellbegriff eng verbunden ist der Systembegriff, dessen Behandlung
das Denken in Systemen und die Beherrschung der immer komplexer werdenden
technischen Systeme bzw. Produkte unterstützt und auch einen Bogen zur System-
technik spannt. Die Autoren nehmen dabei in Kauf, dass sich dadurch der Detaillie-
rungsgrad der einzelnen Kapitel unterscheidet.
Nach wie vor gilt aber, dass das vorliegende Buch in knapper und übersichtlicher,
gleichwohl wissenschaftlich und praktisch fundierter Form einen systemneutralen
Überblick über die Eigenschaften und Möglichkeiten von CAx vermittelt. Theoreti-
sche Grundlagen von CAx-Systemen, Marktübersichten oder gar systemspezifische
Einzelheiten können und sollen hier nicht dargestellt werden.
Das Buch gibt einen Überblick über erprobte Methoden und bietet Entschei-
dungshilfen bei Auswahl und Einsatz dieser Methoden an. Die hier beschriebenen
Vorgehensweisen sind der Praxis entnommen und haben dort ihre Effizienz bewie-
sen. Das Buch wendet sich dabei an folgenden Leserkreis:
• Studenten an allgemeinen und Technischen Universitäten, Technischen Hoch-
schulen und Fachhochschulen, wo die CAx-Ausbildung mittlerweile einen festen
v
vi Vorwort
Platz in den Lehrplänen des Grund- bzw. Bachelorstudiums einnimmt, finden
hier systemneutrale Darstellungen zur Unterstützung der Lehre.
• CAx-Anwender mit einschlägigen Erfahrungen in der Praxis können ihr Wissen
durch gezielten Zugriff auf verschiedene Kapitel oder Abschnitte aus ausgewähl-
ten Gebieten aktualisieren.
• Mitarbeiter und Führungskräfte aus Produktentwicklung und Produktion kön-
nen sich eine kompakte Übersicht über CAx verschaffen. Dabei wenden sich die
Kapitel 2 bis 6 sowie teilweise 7 eher an technisch Interessierte, die Kapitel 1,
teilweise 7 sowie 8 und 9 bieten eher Informationen für Führungskräfte aus allen
Bereichen des Unternehmens.
Nach dem Verzeichnis der im Text zitierten Literaturquellen enthält das Buch ein
umfangreiches Glossar sowie ein ausführliches Sachverzeichnis.
Für zahlreiche Beiträge sei allen beteiligten Mitarbeitern unserer Institutionen
gedankt. Frau E. Hestermann-Beyerle und ihren Mitarbeiterinnen vom Springer-
Verlag danken wir sehr für die stetige Motivation der Autoren sowie für die rei-
bungslose und konstruktive Zusammenarbeit. Dank gebührt auch unseren Familien
für die ideelle Unterstützung der Arbeit.
August 2008 Sandor Vajna
Christian Weber
Helmut Bley
Klaus Zeman
Peter Hehenberger
Inhalt
1. CAx-Systeme – warum und wozu? ........................................................ 1
1.1 Aktuelle Herausforderungen an Unternehmen ................................. 3
1.2 Ursprünge und Entwicklungen von CAx .......................................... 6
1.3 Einsatz von CAx ............................................................................... 12
Literatur ............................................................................................ 18
2. Methodische Grundlagen ........................................................................ 21
2.1 Lebensphasen technischer Produkte ................................................. 22
2.2 Konstruktionsprozess, Entwicklungsprozess .................................... 24
2.2.1 Konstruktionsmethodik ......................................................... 24
2.2.2 Entwicklungsmethodik für mechatronische Produkte und
Systeme ................................................................................. 28
2.2.3 Weitere Modelle .................................................................... 30
2.3 Produkt- und Prozessmodellierung auf der Basis von
Produktmerkmalen und -eigenschaften ............................................ 32
2.3.1 Grundlagen ........................................................................... 32
2.3.2 Analyse ................................................................................. 36
2.3.3 Synthese ................................................................................ 38
2.3.4 Lösungselemente, Lösungsmuster ........................................ 40
2.3.5 Modell des Produktentwicklungsprozesses .......................... 41
2.3.6 Ende des Produktentwicklungsprozesses ............................. 46
2.3.7 Schlussfolgerungen für CAx-Systeme .................................. 46
Literatur ............................................................................................ 53
3. Aufbau von CAx-Systemen ..................................................................... 57
3.1 Hardware........................................................................................... 58
3.1.1 Historischer Abriss ............................................................... 59
3.1.2 Allgemeiner Aufbau .............................................................. 62
3.1.3 Bildschirmarbeitsplätze für CAx-Anwendungen ................. 66
3.1.4 CAx-spezifische Peripheriegeräte ........................................ 71
3.1.5 Rapid Prototyping ................................................................. 75
3.1.6 Virtuelle Realität ................................................................... 79
3.2 Software ............................................................................................ 80
vii
viii Inhalt
3.2.1 Betriebssystem .................................................................... 80
3.2.2 Aufbau der Anwendungssoftware ....................................... 83
3.3 Netzwerke ....................................................................................... 84
3.4 Internet ............................................................................................ 95
Literatur .......................................................................................... 96
4. Grundlagen der Modellbildung ........................................................... 97
4.1 Bedeutung und Nutzen von Modellen ............................................ 98
4.2 Systeme ........................................................................................... 100
4.2.1 Der Systembegriff ............................................................... 101
4.2.2 Bestandteile von Systemen, Systemstruktur ....................... 107
4.2.3 Systemeigenschaften, Systemverhalten .............................. 110
4.2.4 Zustand, Prozesse, Parameter, Signale ............................... 111
4.2.5 Klassifikation von Systemen .............................................. 125
4.3 Modelle ........................................................................................... 129
4.3.1 Der Modellbegriff ............................................................... 129
4.3.2 Anforderungen an Modelle und Modellzweck ................... 131
4.3.3 Modellstrukturen und -hierarchien ..................................... 132
4.4 Modellbildung ................................................................................ 134
4.4.1 Allgemeines zur Modellbildung ......................................... 134
4.4.2 Vorgehensweise bei der Modellbildung .............................. 139
4.4.3 Anforderungen an den „Modellbildner“ ............................. 142
4.4.4 Anwendungsbeispiel zur Modellbildung ............................ 143
4.5 Klassifikation von Modellen (Modellarten) ................................... 146
4.5.1 Klassifikation nach dem Anwendungszweck ..................... 146
4.5.2 Klassifikation nach den Phasen des
Entwicklungsprozesses ....................................................... 148
4.6 Modelle und Parameter (Parametrische Modelle) .......................... 149
4.7 Systemanalyse durch Simulation .................................................... 152
4.8 Modellvalidierung und -verifikation ............................................... 154
4.8.1 Verifikation ......................................................................... 154
4.8.2 Validierung .......................................................................... 155
Literatur .......................................................................................... 155
5. Modellerstellung und -anwendung ...................................................... 159
5.1 CAD-Modellierung und Anwendungen .......................................... 160
5.1.1 2D-Modellierung ................................................................ 161
5.1.2 3D-Modellierung ................................................................ 170
5.1.3 Modellarten und Volumenmodellierung ............................. 175
5.1.4 Direkte Modellierung ......................................................... 183
5.1.5 Parametrische Modellierung ............................................... 184
5.1.6 Featurebasierte Modellierung ............................................. 194
5.1.7 Modellierungsstrategien ..................................................... 205
5.1.8 Chronologiebasierte Modellierung ..................................... 207
5.1.9 Bauräume und Beziehungen ............................................... 210
Inhalt ix
5.1.10 Erzeugnisorientierte Modellierung („top down“) ............... 212
5.1.11 Einzelteilorientierte Modellierung („bottom up“) .............. 214
5.1.12 Erzeugnisorientierte gegenüber bauteilorientierte
Modellierung („top-down“ vs. „bottom-up“) ..................... 220
5.1.13 Weitere Modellierungstechniken ........................................ 227
5.1.14 Verwendung von Standardteilen ......................................... 233
5.1.15 Toleranzsimulation ............................................................. 236
5.1.16 Ableiten von Fertigungsunterlagen..................................... 236
5.1.17 Animation und Visualisierung ............................................ 241
5.2 Finite-Elemente-Modellierung und Anwendungen ........................ 242
5.2.1 Einleitung zur Finite-Elemente-Methode (FEM) ............... 242
5.2.2 Einführungsbeispiele .......................................................... 246
5.2.3 Grundlagen zur Methode der Finiten Elemente ................. 254
5.2.4 FEM-Modellbildung ........................................................... 259
5.2.5 Durchführung einer FEM-Analyse ..................................... 261
5.2.6 Geometriedefinition ............................................................ 263
5.2.7 Werkstoffeigenschaften ...................................................... 265
5.2.8 Randbedingungen ............................................................... 267
5.2.9 Belastungen ........................................................................ 270
5.2.10 Vernetzung .......................................................................... 271
5.2.11 Rechenlauf .......................................................................... 277
5.2.12 Ergebnisauswertung ............................................................ 278
5.2.13 Anwendungsbeispiele für FEM .......................................... 281
5.3 Mehrkörpersysteme-Modellierung und Anwendungen .................. 285
5.3.1 Einleitung ............................................................................ 286
5.3.2 Anwendungsbereiche von Mehrkörpersystemen ................ 289
5.3.3 Einführungsbeispiele .......................................................... 290
5.3.4 Grundlagen für Mehrkörpersysteme ................................... 294
5.3.5 Simulationswerkzeuge für Mehrkörpersysteme ................. 298
5.3.6 Modellbildung für Mehrkörpersysteme .............................. 300
5.3.7 Durchführung einer Mehrkörpersystemsimulation ............ 303
5.3.8 Verfahren zur numerischen Zeitintegration ........................ 304
5.3.9 Konstruktions- und Modellverbesserung ............................ 307
5.3.10 Geregelte Mehrkörpersysteme ............................................ 308
5.3.11 Kopplung von Mehrkörpersystemen mit FEM ................... 309
5.3.12 Weitere Modellierungs- und Simulationsmethoden ........... 311
5.4 Weitere ausgewählte Modellierungstechniken und
Anwendungen ................................................................................. 314
5.4.1 CFD-Modellierung und Anwendungen .............................. 314
5.4.2 Modellierung und Anwendungen in der Hydraulik ............ 319
5.4.3 Modellierung und Anwendungen in Elektrotechnik und
Elektronik ............................................................................ 321
5.4.4 Modellierung und Anwendungen bei gekoppelten
Problemen ........................................................................... 323
5.4.5 Modellierung und Anwendungen in der Mechatronik ........ 327
x Inhalt
5.5 Bauteiloptmierung .......................................................................... 333
5.5.1 Evolutionäre Algorithmen .................................................. 335
5.5.2 Neuronale Netze ................................................................. 345
5.5.3 Simulated Annealing ........................................................... 348
5.5.4 Particle Swarm Optimierung .............................................. 348
5.5.5 Monte-Carlo-Verfahren....................................................... 350
5.5.6 Hill-Climbing-Verfahren .................................................... 350
5.5.7 Gradientenverfahren ........................................................... 351
Literatur .......................................................................................... 352
6. Rechnerunterstützte Arbeitsplanung und -steuerung ........................ 359
6.1 Grundlagen technischer Produktionsplanung ................................. 359
6.2 Rechnerunterstützte Systeme .......................................................... 362
6.2.1 Arbeitsplanung .................................................................... 363
6.2.2 Arbeitssteuerung/Leitstand/Manufacturing Execution
System (MES) ..................................................................... 364
6.2.3 NC-Programmierung .......................................................... 367
6.2.4 Programmierung von Industrierobotern ............................. 377
6.3 Rechnerunterstützte Planung technologischer Prozesse ................. 380
6.3.1 Urformen ............................................................................ 380
6.3.2 Umformen ........................................................................... 381
6.3.3 Trennen ............................................................................... 383
6.3.4 Fügen .................................................................................. 385
6.3.5 Beschichten ......................................................................... 386
6.3.6 Stoffeigenschaften ändern .................................................. 387
6.4 Die Digitale Fabrik ......................................................................... 387
6.5 Design for Manufacturing and Assembly (DFMA) ........................ 391
6.6 Feature-Technologie in der CAP-Nutzung ..................................... 397
6.7 Kommerziell verfügbare Systeme .................................................. 397
6.8 Virtuelle Realität, Digital Mock Up ............................................... 399
6.9 Kostenrechnung .............................................................................. 401
6.10 Offene Forschungsthemen .............................................................. 403
Literatur .......................................................................................... 404
7. Systemintegration in der Prozesskette Entwicklung – Produktion .. 407
7.1 Product Lifecycle Management ...................................................... 407
7.1.1 Integrierte Produktentwicklung .......................................... 409
7.1.2 Prozess- und Projektnavigation .......................................... 411
7.1.3 Realisierung von PLM ........................................................ 414
7.1.4 Nutzen einer PLM-gerechten Vorgehensweise ................... 415
7.2 Schnittstellen und Datentausch ....................................................... 416
7.3 EDM- und PDM-Anwendungen ..................................................... 423
7.4 ERP-Systeme .................................................................................. 426
7.5 Wissensverarbeitung ....................................................................... 429
Inhalt xi
7.5.1 Grundlagen ......................................................................... 429
7.5.2 Wissensnutzung in der Produktentwicklung....................... 432
7.6 Dokumentation und Archivierung .................................................. 434
7.6.1 Dokumentation von Produkten und Modellen .................... 435
7.6.2 Dokumentation des Modellierungsprozesses ..................... 435
7.6.3 Digitales Archiv .................................................................. 436
Literatur .......................................................................................... 440
8. Einführung und Migration von CAx-Systemen ................................. 443
8.1 Gründe für eine Einführung bzw. eine Migration ........................... 444
8.2 Bildung des Projektteams ............................................................... 445
8.3 Wahl eines Partners für Einführung oder Migration ....................... 447
8.4 Analysen des aktuellen Zustands .................................................... 447
8.5 Sollkonzept und Anforderungsprofil .............................................. 449
8.6 Bewertungsmaßstab und Auswahlverfahren ................................... 450
8.6.1 Informationsbeschaffung .................................................... 452
8.6.2 Problemorientierter Benchmark ......................................... 452
8.6.3 Vereinfachtes Auswahlverfahren von CAx-Alternativen .... 453
8.6.4 Nutzwertanalyse ................................................................. 455
8.7 Abschätzung der Wirtschaftlichkeit ................................................ 456
8.8 Einführung ...................................................................................... 457
8.8.1 Einführungsstrategie ........................................................... 457
8.8.2 Systemauswahl ................................................................... 458
8.8.3 Beschaffung, Implementierung und Schulung ................... 459
8.9 Migration ........................................................................................ 461
8.9.1 Migrationsstrategie ............................................................. 461
8.9.2 Arten der Migration von Alt- zu Nachfolgesystem ............ 462
8.9.3 Parallelbetrieb von Alt- und Nachfolgesystem ................... 462
8.9.4 Durchführen der Umstellungsarbeiten ................................ 463
8.9.5 Einbinden der Altdatenbestände ......................................... 464
8.9.6 Probleme und Fehler bei der Migration .............................. 465
8.10 Einrichten einer CAx-Betreuungsfunktion ..................................... 466
Literatur .......................................................................................... 466
9. Wirtschaftliche Bewertung ................................................................... 469
9.1 Bestimmung der Kosten ................................................................. 470
9.2 Bestimmung des Nutzens ............................................................... 472
9.2.1 Kostenreduktion bei gleicher Leistung ............................... 473
9.2.2 Leistungserhöhung bei gleichem Ressourceneinsatz ......... 474
9.2.3 Nutzwertanalyse ................................................................. 474
9.3 Bestimmung der Wirtschaftlichkeit ................................................ 475
9.3.1 Statische Methoden ............................................................. 475
9.3.2 Dynamische Methoden ....................................................... 476
9.3.3 Möglichkeiten zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ..... 479
