Konstruieren mit 3D-CAD-Systemen: Grundlagen, Arbeitstechnik, Anwendungen

280 Pages·1990·9.52 MB·German

by  Dr.-Ing. Dr. h.c. Gerhard Pahl (auth.)

Gerhard Pahl
Konstruieren mit
3D-CAD-Systemen
Grundlagen, Arbeitstechnik, Anwendungen
Mit 170 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewY ork
London Paris Tokyo Hong Kong 1990
Dr.-Ing. Dr. h.c. Gerhard Pahl
Universitiitsprofessor flir Maschinenelemente
und Konstruktionslehre
an derTechnischen Hochschule Darmstadt
ISBN-13: 978-3-540-52234-8 e-ISBN-13: 978-3-642-47593-1
001: 10.1007/978-3-642-47593-1
CIP·Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Pahl, Gerhard:
Konstruieren mit 3D-CAD-Systemen [DreiD-CAD-Systemen): Grundlagen, Arbeitstechnik,
Anwendungen/Gerhard Pahl.-
Berlin; Heidelberg; NewY ork ; London; Paris; Tokyo; Hong Kong: Springer, 1990
ISBN-13: 978-3-540-52234-8
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© Springer·Verlag Berlin Heidelberg 1990
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236213020-543210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
BUcher zur CAD-Technik sind in letzter Zeit mit mannigfacher Zielsetzung
erschienen. Das vorliegende Buch befapt sich im Hinblick auf kUnftige
Entwicklungen vornehmlich mit der Handhabung von 3D-CAD-Systemen und der
damit zusammenhHngenden 3D-Modellierung. Ziel ist es, dem Konstrukteur
in der Praxis wie auch dem Studenten in der Ausbildung eine EinfUhrung
und einen Leitfaden an die Hand zu geben, damit beide VerstHndnis und
Fertigkeit auf dem Gebiet der 3D-Modellierung erlangen. Diese erfordert
andere Vorstellungen und Vorgehensweisen als bei der konventionellen
KonstruktionstHtigkeit oder beim Umgang mit 2D-Zeichnungssystemen.
Das Buch entstand 1m engen Zusammenhang mit der Konstruktionslehre (vgl.
Pahl/Beitz: Konstruktionslehre, 2. Aufl. 1986, Springer-verlag) und mit
ForschungstHtigkeiten, die den Konstruktionsprozep mit 3D-CAD-Systemen
untersuchten. Hierbei ist das-in diesem Buch an verschiedenen Stellen
zitierte CAD-Forschungssystem lKA entstanden, das uns in die Lage ver
setzte, unabh&ngig von der Gestaltung kommerzieller CAD-Systeme fur den
Konstruktionsprozep neue oder besser angepapte Wege aufzuzeigen. In heu
tigen kommerziellen Systemen sind solche erkannten Forderungen verwirk
licht worden, oder aber die in diesem Buch gegebenen Hinweise konnten zu
ihrer weiteren konstruktionsorientierten Ausgestaltung dienen.
Meine wissenschaftlichen Mitarbeiter, die sich uber viele Jahre mit den
Problemen befapten, Losungen praxisgerecht aufbereiteten und neue Er
kenntnisse gewannen, legten die Ergebnisse in Dissertationen nieder. Die
Arbeiten der Herren Dr.-Ing. T. Bachmann, G. Engelken, K.-P. Fahlbusch,
H. Kloberdanz und W.-H. Menke bestimmen zu einem erheblichen Teil die
Aussagen in diesem Buch. DarUber hinaus halfen mir Herr Dr.-Ing. K.H.
Baalich, Herr Dipl.-Ing. M. Daniel, Herr Dipl.-Ing. J.P. Hoffmann, Frau
G. Hintzel und Herr Dipl.-Wirtsch.-Ing. M. Reip bei der Gestaltung dar
Beispiele und bei der Durchsicht des Buches, die von vielen fruchtbaren
Diskussionen begleitet war. Die Firma Hella KG unterstutzte unser Bemu-
hen in gro~zugiger Weise und trug dureh die Konfrontation mit Anwen
dungsfragen zu einer praxisgereehten Umsetzung bei.
Die Anfertigung und Ausgestaltung der Bilder, auch wenn davon viele
durch den Reehner entstanden sind, Ubernahm wieder in bewHhrter Weise
Herr W. La~hof. Der Springer-Verlag hat mich in inhaltlichen und forma
len Fragen stets gut beraten und fUr eine ansprechende Ausfuhrung bei
der Drueklegung gesorgt. Meine Frau braehte viel VerstHndnis fur ver
brauehte Freizeit auf und unterstUtzte mein Vorhaben.
Allen gilt mein herzlicher und aufrichtiger Dank in der Hoffnung, da~
dieses Bueh vielen Anwendern und Studenten nUtzlieh sein wird.
Darmstadt, im September 1989 G. Pahl
Inhaltsveneichnis
Einfuhrung • • • • • • • • . • . • • . 1
1 Ziel und Zweck des Rechnereinsatzes 5
2 Geratetechnik von CAD-Systemen 9
2.1 Allgemeine Dialogfunktionen 9
2.2 Rechner • • • • 11
2.2.1 Prozessor ••• 11
2.2.2 Speicher 12
2.3 GraphischeSichtgerate 15
2.3.1 Verfahren der Bilderzeugung 15
2.3.2 Aufbau und Eigenschaften 17
2.3.3 Ortliche Intelligenz 22
2.4 Interaktionsmittel ••••••• 23
2.4.1 Eingabegerate •••••• 23
2.4.2 Zusatzliche Ausgabe- und DokumentationsgerAte 29
2.5 GerAtekonfiguration und Arbeitsplatze • • • • • • •• 30
3 Betrieb und Programmstruktur von CAD-Systemen 36
3.1 Betriebsarten' • 36
3.2 Programmstruktur ••••••••.••• 37
4 Beschreibung von Objekten • 41
4.1 Modellbildung •••• 41
4.1.1 Mentales Modell 42
4.1.2 Informationsmodell 43
4.1.3 Rechnerinternes Modell 44
4.2 Informationsmodelle fur Objekte 46
4.2.1 2D-Modelle 46
4.2.2 2 1/2D-Modelle 48
4.2.3 3D-Modelle 50
VIII
4.3 Datenstrukturen •• . • • • • • . • • • • 57
4.3.1 Organisationseinheiten und Relation von Daten 58
4.3.2 Speicherungsstrukturen • . • • • • 59
4.3.3 Strukturen von Informationsmode1len 62
4.3.4. Objektorientierte Programmierung 68
4.4 Beschreibung von Flachen •••.•••• 70
4.4.1 Vektorielle Beschreibung und Basisoperationen 70
4.4.2 Analytisch beschreibbare Flachen 72
4.4.3 Nicht analytisch beschreibbare Flachen 74
4.5 Auswahl geeigneter Informationsmodelle •••• 76
5 Modelliertechnik • . • • . • • . . • 80
5.1 Modellierfunktionen •••... 80
5.1.1 Geometrische Mode11ierung 80
5.1. 2 Technische Modellierung 81
5.1.3 Baustruktur-orientierte Modellierung 83
5.2 Generieren der Grobgestalt •.•.••• 84
5.2.1 Grundkerperorientiertes Vorgehen 85
5.2.2 Flachenorientiertes Vorgehen 90
5.2.3 Hilfslinientechnik 92
5.2.4 Rekonstruktionstechnik 95
5.3 Positionieren 98
5.3.1 Koordinatensysteme 98
5.3.2 Grundkerperorientiertes Vorgehen 99
5.3.3 Flachenorientiertes Vorgehen 105
5.4 Generieren der Feingestalt •••••• 106
5.4.1 Zugriff auf Kerper •.•••• 106
5.4.2 Zugriff auf Kanten und Flachen 109
5.4.3 Erganzen durch Formelemente 114
5.4.4 Anwenden von Wirkkomplexen 120
5.4.5 Manip~lieren bei Erhalt der Gestalt 125
5.4.6 Datenstruktur mit technischem Partialmodell 127
5.5 Sichern und Speichern 128
5.6 Modellierungsstrategien 129
5.6.1 Vorgehen belm Entwerfen 129
5.6.2 Generelle Strategie •• 131
5.6.3 Generierungsstrategien 132
5.6.4 Anpa~- und Erganzungsstrategien 133
5.6.5 Beispiele zum Vorgehen bei der 3D-Modellierung 134
6 Kommunikationstechnik. • • • • . • • • • • • • 149
6.1 Anforderungen an den Kommunikationsbereich 149
6.2 Funktion "Kommando eingeben" ••••••• 151
IX
6.2.1 Anforderungen an Kommandosprache und -aufbau 151
6.2.2 Systemgefuhrter Dialog 151
6.2.3 Benutzergefuhrter Dialog 155
6.2.4 Kommandoentschlusselung • 158
6.3 Funktion "Identifizieren" 159
6.3.1 Identifikationsverfahren und Anforderungen 159
6.3.2 Praktische Handhabung 160
6.3.3 Liste aktiver Teile 163
6.4 Hilfsfunktionen 166
6.4.1 Hilfen beim Positionieren 166
6.4.2 Hilfen zur Werteeingabe 166
6.4.3 Hilfen zu Berechnungen 167
6.5 Hilfe-Funktionen. 167
6.6 Bildschirm-Layout 168
7 Darstellungstechnik. . . • • . • • . . . • . . . . 172
7.1 Struktur des graphischen Darstellungssystems . 172
7.2 Darstellungsfelder und Zuordnung von Ansichten 176
7.3 Farbgebung .• 180
7.4 Schnittbildung 181
7.5 Ebenentechnik 183
8 Makro- und Variantentechnik 186
8.1 Ziele und Begriffe 186
8.2 Gestaltmakros 187
8.3 Befehlsmakros 189
8.3.1 Definition und Anwendung 189
8.3.2 Entstehung und Anpassung von Kommandofo1gen 192
8.4 Variantenprogramm 193
8.5 Parametric-Modul • • • • . • • • . • • . 196
8.6 ErstellunJ:l.' und Handhabung von Varianten 198
8.6.1 Definition der Variablen 199
8 6.2 Vorbereitung • . • • • • 199
8.6.3 Definition des Muttermodells 200
8.6.4 N~tzung . . • • • • • • 202
8.7 Norm- und Wiederholteilsysteme 203
8.7.1 Prinzipieller Aufbau 203
8.7.2 Anforderungen und Funktionen 204
8.7.3 Definition von Norm- und Wiederholteilen 204
8.7.4 Darstellung von Norm- und Wiederholteilen 207
8.7.5 Darbietung und Zugriff auf NW-Teile 208
8.8 Baureihenentwicklung .•..••..•. 210
8.8.1 Unterschied zur Variantentechnik 210
x
8.8.2 RechnerunterstUtztes Vorgehen ••••• 212
8.8.3 Besonderheiten der RechnerunterstUtzung 226
9 Erzeugnisstruktur und StUcklistenerstellung • 228
9.1 Bilden und Andern der Erzeugnisstruktur 230
9.1.1 Anforderungen. • • • •••• 231
9.1.2 Bearbeitungsklammer fUr Baustrukturen 232
9.2 Konstruktions-StUcklisten 236
9.2.1 Inhalt von StUcklisten 236
9.2.2 Stucklistenform •••• 238
9.2.3 Erstellen der Konstruktions-Stuckliste 240
10 Produktsystematik. 244
11 Integrierte Nutzung des Objektmodells 252
11.1 Zweck und Bedeutung •• 252
11.2 Hardware-Schnittstellen ...• 254
11.3 Software-Schnittstellen ••.• 255
11.4 Umsetzung und kunftige Entwicklung 259
11.4.1 Organisation und Schulung . 259
11.4.2 3D-Modellierung und 2D-Zeichnungen 260
11.4.3 Kunftige Modelle ••••..•• 261
Literaturverzeichnis 262
Verwendete Begriffe 265
Sachverzeichnis • • 268
Einfdhrung
CAD-Systeme werden seit geraumer Zeit entwickelt und zum industriellen
Einsatz im Konstruktionsbereich gebracht. Dieser Einsatz ist in den ein
zelnen Branchen und den entsprechenden Firmen hinsichtlich Breite und
Tiefe noch sehr unterschiedlich. Vorherrschend sind z.Z. zweidimensional
darstellende, d.h. 2D-Systeme zur Erstellung von Zeichnungen und Planen.
In der Automobil- und Flugzeugindustrie dagegen haben sich dreidimensio
nal beschreibende, d.h. 3D-Systeme durchgesetzt. Letztere finden aber
auch 1m allgemeinen Maschinenbau immer starkere Verbreitung, wenn die
Anfangsprobleme des CAD-Einsatzes Uberwunden wurden und weitergehende
Aufgaben, nKmlich solche Uber Rotations- und flachige Blechteile hinaus,
im Konstruktions- und Fertigungsbereich zu bewaltigen sind.
Vor allem erzwingt die inteqrierte Anwendung des Rechnereinsatzes in al
len Produktionsbereichen, als CIM (Computer Integrated Manufacturing)
bezeichnet, eine durchgangige und vollstandige Datenbereitstellung und
-verarbeitung fUr die betreffenden Produkte, die auf Dauer nur mit 3D
Systemen befriedigend gel6st werden k6nnen.
Die in den letzten Jahren entwickelte Konstruktionsmethodik bietet nun
eine wichtige Grundlage fUr einen sinnvollen Rechnereinsatz an, so da~
es aussichtsreich erscheint, von ihr ausgehend einen Leitfaden zum Kon
struieren mit CAD zu entwickeln und gleichzeitig einen Beitrag zu einem
integrierten und durchgangigen Rechnereinsatz zu leisten.
Das vorliegende Buch ist unter dem Gesichtspunkt der Notwendigkeiten und
Konsequenzen im Konstruktionsbereich zu sehen und beschrankt sich auf
ihn, ohne dabei aber die Bedeutung und den Umfang anderer Einsatzgebiete
mindern oder vernachlassigen zu wollen. Mit den nachfolgenden AusfUhrun
gen sollen also vornehmlich Hilfen und Strategien fUr den mit dem Rech
nereinsatz konfrontierten Konstrukteur gegeben werden.