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Virtual Engineering I Computer Aided Design Zusammenfassung Prof. Dr. Dr.- Ing. Jivka Ovtcharova Dipl. Wi.-Ing. Dan Gutu WS 2009/10.

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1 Virtual Engineering I Computer Aided Design Zusammenfassung Prof. Dr. Dr.- Ing. Jivka Ovtcharova Dipl. Wi.-Ing. Dan Gutu WS 2009/10

2 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 2 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung 2. Product Lifecycle Management 3. Computer Aided Design 4. Computer Aided Engineering Inhalt Vorlesung 3.1 Einführung Historische Entwicklung 3.2 Geometrische Modellierung 3.3 Erweiterte Geometrie- modellierung Begriffsdefinition 3.4 CAD-Systemarchitektur 3.5 Kommerzielle Systemlösungen 4. Computer Aided Manufacturing

3 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 3 Virtual Engineering aus Prozesssicht Globales Produktprogramm 1. DEFINITION/ MODIFIKATION PRODUKTSTRUKTUR ERGEBNISAUFNAHME 8. ÄNDERUNGEN ÜBERNEHMEN Statusbericht, Aktionsplan VIRTUELLES PRODUKT 6. VIRTUELLE VALIDIERUNG Virtuelle Validierung mit DMU / VP PLM System Digitale Validierung mit CAx-Daten 3. DIGITALE VALIDIERUNG DIGITALES PRODUKT VIRTUELLES PRODUKT 7. VIRTUELLE FABRIK Virtuelle Fertigungs- planung mit DMU / VP DIGITALES PRODUKT Digitales Produktmodell zum bestimmten Entwicklungsstand 2. KONFIGURATION/ ERSTELLUNG Virtuelles Produktmodell im Kontext des gesamten Produktes 5. VIRTUALISIERUNG VIRTUELLES PRODUKT 4. DIGITALE FERTIGUNGSPLANUNG Digitale Fertigungsplanung mit CAx-Daten DIGITALES PRODUKT 3.Computer Aided Design 3.1 Einführung Wiederholte Iterationen CAD/CAE/CAM System VR/AR/MR-System

4 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 4 Rechnerinterne Teilproduktmodelle im Produktentstehungsprozess Digital Mock-Up Das integrierte Produktmodell umfasst die Produktmodelle aus allen Phasen des Produktentstehungsprozesses. Begleitprozesse Produktentstehung VertriebMarketing Iterationen Produkt- entwicklung Produkt- herstellung Beschaffung/Einkauf Reales Produkt Fertigungsmodell BerechnungsmodellCAD-ModellAuslegungsmodell Designmodell Integriertes Produktmodell 3.Computer Aided Design 3.1 Einführung

5 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 5 Geometrie-Modellierungsfunktionen Geometriemodelle Benutzungsoberfläche PE-Software- Module (-Anwendungen ) Geometriemodellierung Struktur eines integrierten PE-Software-Systems Geometrie-Modellierungsfunktionen Basis-CAD-Funktionen zur -Erzeugung -Manipulation -Transformation -Präsentation und -Ausgabe von Geometriemodellen Diese Basis-CAD-Funktionen sind -firmenneutral -produktneutral -anwendungsneutral Quelle: Abramovici, ITM Bochum, Computer Aided Design 3.1 Einführung

6 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 6 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung 2. Product Lifecycle Management 3. Computer Aided Design 4. Computer Aided Engineering Inhalt Vorlesung 3.1 Einführung Historische Entwicklung 3.2 Geometrische Modellierung 3.3 Erweiterte Geometrie- modellierung Begriffsdefinition 3.4 CAD-Systemarchitektur 3.5 Kommerzielle Systemlösungen 4. Computer Aided Manufacturing

7 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 7 Vor- und Nachteile von Computer Aided Design Vorteile: Reduzierung des Aufwandes bei der Ausführung sich wiederholender Vorgänge Vereinfachung der Optimierung von Konstruktionslösungen durch rasche Entwicklung von Lösungsalternativen Reduzierung von Fehlern, z.B. auch bei der Weiterverwendung von Zeichnungsdaten Anwendung von Methoden (FEM, MKS etc.), die manuell praktisch nicht einsetzbar sind Verwendung von Normteilbibliotheken Nachteile: Hoher Aufwand bei komplizierten Geometrien Grenzen der Darstellbarkeit Hoher Investitionsaufwand Zeitintensive Lern- bzw. Einführungsphase 3.Computer Aided Design 3.1 Einführung / Begriffsdefinitionen

8 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 8 Produktinformationen im Produktmodell Produktmodelle Produktdefinition z.B. über Benennung: Ventilgehäuse Identifizierende Nummer: Klassifizierende Nummer: VE Produktrepräsentation z.B. als CSG-Struktur B-Rep-Struktur Feature-Struktur Produktpräsentation z.B. als schattierte Darstellung, Stückliste oder Technische Zeichnung Quelle: DiK, TU Darmstadt 3.Computer Aided Design 3.1 Einführung / Begriffsdefinitionen

9 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 9 Produktdefinition und Produktmodell Die Produktdefinition stellt den Anknüpfungspunkt bzw. den Ausgangspunkt einer umfassenden Produktbeschreibung dar. Die wichtigsten Aspekte der Produktdefinition sind: -Identifikation, -Klassifikation, -Reifegrad, -Änderungsstand, -Festlegung von Produktversionen, -Festlegung der Gültigkeit, -Referenzen zur Gestaltrepräsentation, -Beschreibung der anwendungsspezifischen Zusammenhangs, in dem das Produkt zu sehen ist. Ein Produktmodell ist die Abbildung eines Produktes in ein formales Modell. Das Produktmodell ist das Resultat des Produktentwicklungsprozesses, in dem alle relevanten Eigenschaften eines Produktes herausgearbeitet und dokumentiert werden. Begriffdefinition nach Anderl, DiK, TU Darmstadt 3.Computer Aided Design 3.1 Einführung / Begriffsdefinitionen

10 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 10 Produktrepräsentation Die Produktrepräsentation umfasst die Daten, die zur Beschreibung des Produkts benötigt werden, nach außen hin aber im Gegensatz zur Produktpräsentation nicht direkt als Produktdokumentation in Erscheinung treten. In der konventionellen Produktentwicklung kann dies am ehesten mit dem Produktkonzept des Entwicklers oder Konstrukteurs verglichen werden. In der rechnerunterstützten Produktentwicklung steht die Produktrepräsentation für die rechnerinterne Abbildung der Daten, die das Produkt beschreiben und im Rechner in Form systemspezifischer oder genormter Datenmodelle repräsentiert werden. (Beispiel: Abbildung von Geometriedaten durch die CSG-, die BREP- oder die hybride Feature-Struktur). 3.Computer Aided Design 3.1 Einführung / Begriffsdefinitionen

11 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 11 Die Produktpräsentation ist die Darstellung von Informationen, die durch die Produktdefinition und Produktrepräsentation bereits festgelegt werden. Sie lässt sich vor allem von folgenden zwei Formen unterscheiden: In der Dokumentation -Technische Zeichnung -Stückliste -Arbeitsplan -NC-Programm In der Computergraphik -Visualisierung -Animation -VR-Modell Produktpräsentation 3.Computer Aided Design 3.1 Einführung / Begriffsdefinitionen

12 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 12 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung 2. Product Lifecycle Management 3.1 Einführung Einführung in die geometrische Modellierung 3.2 Geometrische Modellierung D-Geometriemodellierung 3.4 CAD-Systemarchitektur 3.5 Kommerzielle Systemlösungen / 2 und 3D-Geometriemodellierung Modellierungsalgorithmen 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung Inhalt Vorlesung 3. Computer Aided Design 4. Computer Aided Engineering 5. Computer Aided Manufacturing

13 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 13 Systematik geometrischer Objekte Geometrische Objekte Körper-Geometrie (räumlich verteilte Materie) Gestalt/Lage Bauteil-/Baugruppen- Geometrie Makrogeometrie (Flächen, Linien, Punkte) Mikrogeometrie (Oberflächenbeschaffen- heit, Toleranzen) Bewegungs- Geometrie (Veränderung der Lage) Verformungs- Geometrie (Veränderung der Gestalt) 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

14 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 14 Geometriemodelle CAD-Systeme bilden Objekte (abstrahierte reale Sachverhalte) in rechnerinterne Darstellungen ab. Diese Abbildung und digitale Speicherung der Objekte erfolgt nach einem vorgegebenen, meist systemspezifischen Abbildungsschema. Die entstehende rechnerinterne Darstellung wird auch als rechnerinternes Modell bezeichnet. Die rechnerinterne Darstellung der Objektgeometrie wird Geometriemodell genannt. Die Geometriemodelle können dabei hinsichtlich folgender Merkmale klassifiziert werden: -Dimensionalität des Elementraums: 2D oder 3D-Raum -Klassen der verfügbaren Geometrieelemente: Linien-, Flächen- oder Volumenmodelle -Art der mathematischen Beschreibung der Geometrieelemente: analytisch oder parametrisch. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung Quelle: DiK, TU Darmstadt

15 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 15 Klassifikation von Geometrieelementen nach Dimensionalität Geometriemodelle Punktmodelle (Point) 2D-Flächen- modelle (Surface) 2D-Modelle Linienmodelle (Curve) Drahtmodelle (Wireframe) 3D-Flächen- modelle (Surface) Volumenmodelle (Solid) 3D-Modelle Translationsmodelle Rotationsmodelle Trajektionsmodelle 2 ½ D-Modelle (Sweep Model) 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

16 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 16 Klassifikation von Geometrieelementen nach Geometrieelementen (1) (2D- und 3D-) Linienmodell (auch Draht- oder Kantenmodell): Das Modell benutzt Punkte und Linien, um die Gestalt eines Körpers im zwei- oder dreidimensionalen Raum durch die Darstellung ihrer Kanten zu beschreiben. Es besteht keine Möglichkeit der Darstellung von Sichtkanten oder Festlegung der Materialverteilung im Raum. Ein solches Modell eignet sich vorzugsweise zur Darstellung zweidimensionaler Geometrien (technische Zeichnungen). (2D- und 3D-) Flächenmodell: Das Modell basiert auf der Definition ebener und gekrümmter Flächen im Raum, die die Hüllflächen des zu beschreibenden Körpers darstellen. Modelle werden meistens parametrisch definiert durch unterschiedliche Beschreibungsformen. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung Quelle: DiK, TU Darmstadt

17 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 17 Klassifikation von Geometrieelementen nach Geometrieelementen (2) Volumenmodell: Diese Modelle beschreiben Volumina vollständig. Im Zusammenhang mit einer Materialkennung können auch Körper vollständig definiert werden. Materialeigenschaften erweitern die Volumenmodelle zu Körpermodellen. Vollständigkeit der Definition bedeutet: -Es ist nicht möglich, Körper mit fehlenden Kanten oder Flächen zu definieren und abzubilden. -Es wird die Modellierung von Kanten und Flächen verhindert, die zu keinem Volumen gehören. -Die Definition von sich selbst durchdringenden Körpern wird verhindert. Das rechnerinterne Volumenmodell ist im technischen Sinne ein reales Abbild der Wirklichkeit. Die prinzipielle technische Realisierbarkeit der modellierten Gestalt ist immer gewährleistet. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung Quelle: DiK, TU Darmstadt

18 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 18 Mathematische Beschreibung - Analytisch beschriebene Geometrieelemente Dimensionalität der Beschreibungselemente (aus analytischer Sicht) x y z e 1 2 e 3 e z y x r P Punktmodell x y z v P 0 P r 0 r Linienmodell (Drahtmodell) x y z v w P 0 n r 0 Flächenmodell x y z R w v u z 0 x 0 y 0 Volumenmodell 0123 Informationsinhalt Quelle: DiK, TU Darmstadt 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung O

19 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 19 Mathematische Beschreibung - Parametrisch beschriebene Geometrieelemente Begriffsklärung Die Anwendung parametrischer Beschreibungsverfahren resultiert aus der Anforderung, beliebig gekrümmte Kurven (Freiformkurven) beschreiben zu können. Gleiches gilt für die Freiformflächen und die Freiformvolumina. Dementsprechend können also ein-, zwei- und dreidimensionale parametrisch beschriebene Geometrieelemente unterschieden werden. Der Übergang zu parametrischen Beschreibungsverfahren für Geometrieelemente (Kurven, Flächen, Volumina) bedeutet in erster Linie, dass sich die Definition der Elemente anstatt direkt auf ein Koordinatensystem auf Größen (Parameter) bezieht, die eine Eigenschaft des Elements verkörpern. Die Funktionen können beispielsweise aussehen wie folgt: analytisch: f = f (x, y) = 0 (implizit) im x, y, z-Koordinatensystem y= f (x) (explizit) im x, y, z-Koordinatensystem parametrisch:f = f (x, y, z) = 0; x = x (u), y = y (v), z = z(w) im x, y, z- Koordinatensystem. Quelle: DiK, TU Darmstadt 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

20 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 20 Vorteile parametrischer Beschreibungsverfahren Wesentlicher Antrieb zur Einführung parametrischer Beschreibungs- verfahren war die Notwendigkeit, beliebig gekrümmte Linien und Flächen definieren zu können. Diese sind analytisch nicht oder nur sehr aufwendig beschreibbar und werden deshalb parametrisch nach den Prinzipien der Approximation und der Interpolation definiert. Ein weiterer Grund ist die Erzeugung glatter Kurven und Flächen, die durch die Erfüllung von Stetigkeitsbedingungen zwischen Segmenten zusammengesetzter Kurven und Flächen erreicht werden kann. Parametrische Beschreibungsverfahren haben darüber hinaus folgende Vorteile: -Mehr Freiheitsgrade formulierbar als z. B. nur die drei Raumkoordinaten. Damit können z. B. auf einfache Weise Anfangs- und Randbedingungen in der Beschreibung berücksichtigt werden. -Die parametrische Beschreibung erfolgt in der DV-gerechten Vektor- oder Matrixschreibweise, was zur einfachen Anwendung von mathematischen Operationen führt. -Die Operationen selbst können einfach definiert und global angewendet werden, da sie bei parametrischer Beschreibung gleichsam auf verschiedene Geometrieelemente angewendet werden können. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

21 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 21 Mathematische Prinzipien für parametrische Beschreibungsverfahren (1) Interpolation: Interpolation bedeutet, dass eine Funktion F(x) an eine gegebene Funktion f (x) oder eine Menge gegebener Punkte so angeglichen wird, dass an bestimmten Punkten x i gilt F(x i ) = f(x i ). Die Funktion soll durch die vorgegebenen Punkte gehen. Mathematische Verfahren der Interpolation basieren auf sogenannte Interpolationspolynomen, die nach Lagrange, Newton oder Hermite definiert sind. Approximation: Hierunter wird das Ermitteln einer Ersatzfunktion F verstanden, die sich einer vorgegebenen Basisfunktion oder einer Menge vorgegebener Punkte optimal annähert. Optimal bedeutet dabei, dass die Abweichung der Ersatzfunktion von der Basisfunktion oder die Summe der Abweichungen von den gegebenen Punkten möglichst klein sein soll. Bei den mathematischen Verfahren zur Approximation wird auch von Ausgleichsverfahren gesprochen. Als Beispiel hierfür sei die Methode der kleinsten Quadrate nach dem Mathematiker Gauß genannt. Quelle: DiK, TU Darmstadt 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

22 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 22 Grundelemente der 3D-Modellierung: Topologie (1) Die Topologie ist die Lehre von der Lage und Anordnung von Gegenständen im Raum. In diesem Zusammenhang ist auch oft von den Nachbarschaftsbeziehungen zwischen Gegenständen oder von der Struktur der Gegenstände die Rede (nach DUDEN). Definition der Topologie Topologische Grundelemente Vertex/ Eckpunkte Edges/ Kanten Loop/ Berandung Face/ Oberflächen Shell/ Flächenverbund Body/ Körper 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

23 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 23 Grundelemente der 3D-Modellierung: Topologie (2) Die Topologie erlaubt es, die Nachbarschaftsbeziehung zwischen Elementen eines Gegenstands oder die Anordnung mehrerer Gegenstände relativ zueinander eindeutig zu beschreiben. Die Topologie ist dabei unabhängig von der Geometrie zu betrachten, d. h., dass z.B. eine Änderung der Produktgeometrie topologieinvariant sein kann: die Beschreibung bleibt selbst bei Änderung geometrischer Eigenschaften des Gegenstands unverändert. Auf der Basis der geometrischen Eigenschaften eines Gegenstands, die mit Hilfe der Mathematik beschrieben werden, können weitere Eigenschaften des Gegenstands wie Länge, Fläche, Rauminhalt oder Flächen- und Volumenschwerpunkte mathematisch berechnet werden. Quelle: DiK, TU Darmstadt 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

24 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 24 Grundelemente der 3D-Modellierung: Topologische Elemente Vertex (Eck-/Endpunkt) ist ein Punkt im Raum, der als Eck-/Endpunkt für eine Kante dient. Edge (Kante) ist eine Kante, die durch genau zwei Punkte begrenzt wird. Loop (Berandungslinie) ist die Berandungslinie einer Fläche, bzw. ein Liniezug aus meist mehreren Edges. Face (Oberfläche) ist eine Oberfläche, die einen Teil der Gesamtoberfläche eines Gegenstands oder seine gesamte Oberfläche darstellt. Shell (Flächenverbund) besteht aus ein oder mehreren Flächen (Faces). Body (Körper): Ein Body wird durch ein oder mehreren Oberflächen (Shells) definiert. Handelt es sich um einen Hohlkörper, hat dieser eine innere und eine äußere Oberfläche. Die innere Oberfläche wird als Ring und ihre Begrenzungslinie als Hole bezeichnet. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

25 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 25 Grundelemente der 3D-Modellierung: Geometrische versus topologische Elemente V: Anzahl der Eck/Endpunkte (Vertices) E: Anzahl der Kanten (Edges) F: Anzahl der Flächen (Faces) S: Anzahl der äußeren oder inneren Oberflächen (Shells) R: Anzahl der "Volumendurch- brüche" im Körper (Rings) H: Anzahl der "Löcher" in den Flächen (Holes) Quelle: DiK, TU Darmstadt 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

26 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 26 Grundelemente der 3D-Modellierung: Projektion räumlicher Gegenstände (1) Für die Darstellung von 3D-Räumen ist die Projektion von 3D- Koordinaten auf 2D-Ebenen und die Berechnung perspektivischer 2D-Ansichten von großer Bedeutung. Eine geometrische Projektion ist eine Abbildung von n+1 Dimensionen auf n (oder weniger) Dimensionen. In diesem Fall genügt es, die Abbildung von dreidimensionalen Objekten (3D Objekten) auf 2 Dimensionen (2D Bild) zu reduzieren. Projektionen werden gemäß ihrer Projektionsstrahlen klassifiziert. Projektionsstrahlen sind die Verbindungslinien zwischen einem Objektpunkt und der dazugehörigen Bildposition. Es lässt sich unterscheiden zwischen: -Parallelprojektion und -Zentralprojektion (Perspektivenprojektion) (Quelle: James Foley: Grundlagen der Computergraphik, S ) 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

27 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 27 Grundelemente der 3D-Modellierung: Projektion räumlicher Gegenstände (2) A B A B Projektoren Projektions- zentrum Projektions- ebene Zentralprojektion Mittels Projektionen können geometrische Formen mit mehr als zwei Dimensionen auf eine zweidimensionale Bildebene projiziert werden. Die Projektion eines 3D Objekts ist durch gerade Projektionsstrahlen der Projektoren definiert, die von einem Projektionszentrum ausgehen. Die Projektoren laufen durch jeden Punkt des Objekts, schneiden eine Projektionsebene und erzeugen dabei die Projektion.AB A B Projektions- zentrum im Unendlichen Projektions- ebene Projektoren Parallelprojektion 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

28 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 28 Grundelemente der 3D-Modellierung: Projektion räumlicher Gegenstände (6) Um die Komplexität der, auf dem Bildschirm dargestellten 3D Objekte zu reduzieren, werden die nicht sichtbare Kanten, Flächen usw. entfernt. Generelles Prinzip: mit schnellen und einfachen Verfahren eine aufwändigere Berechnung einsparen. Vorteil: -Performance der Darstellung -Vermeiden unüberschaubarer Bilder Sichtbarkeitsentscheid durch: -Dreidimensionales Clipping -Rückseitenentfernung -z-Buffer-Verfahren 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Einführung in die geometrische Modellierung

29 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 29 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung 2. Product Lifecycle Management 3.1 Einführung Einführung in die geometrische Modellierung 3.2 Geometrische Modellierung D-Geometriemodellierung 3.4 CAD-Systemarchitektur 3.5 Kommerzielle Systemlösungen / 2 und 3D-Geometriemodellierung Modellierungsalgorithmen 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung Inhalt Vorlesung 3. Computer Aided Design 4. Computer Aided Engineering 5. Computer Aided Manufacturing

30 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 30 Merkmale der 2D-Geometriemodellierung 2D-Geometriemodellierung wird genutzt für: Konturerzeugung für Zeichnungserstellung Basis für die 3D-Geometriemodellierung Erstellung von Schemazeichnungen (z.B. Schaltdiagramme, Layout-Zeichnungen, Funktionsdiagramme). leichte Erlernbarkeit (ähnlich zur konventionellen Vorgehensweise) geringe Systemkomplexität geringe Anforderungen an Rechnerleistung hoher Reifegrad der CAD- Systeme große Verbreitung Vorteile 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005 hoher Gesamtaufwand zur Modellierung komplexer räumlicher Objekte eingeschränkte Visualisierungs- und Darstellungsmöglichkeiten räumlicher Objekte unvollständige Geometrieinformationen für nachgelagerte Berechnungs- oder Anwendungsprogramme Nachteile

31 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 31 Analytisch nicht beschreibbare Kurven Die Kurven sind analytisch nicht beschreibbar, sondern parametrisch. Nur eine annähernde Beschreibung ist möglich, es handelt sich um eine Freiformgeometrie. einfache Beschreibung (wenige Parameter) globale und lokale Änderung durch Parameteränderung glatter Kurvenverlauf bei Parameteränderung Möglichkeit mehrere Kurven stetig zusammenzufassen Möglichkeit Kurven zu teilen, ohne ursprüngliche Form zu verändern Anforderungen an die Repräsentation Konstruktion nach ästhetischen Gesichtspunkten (Styling) Repräsentation und Änderung vorhandener Styling-Modelle Konstruktion unter funktionalen Randbedingungen (z.B. Strömungswiderstand) Bedarf / Anwendung 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

32 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 32 Hermite-Kurven Definition: Eine einfache parametrische Kurve, die durch die Definition von Anfangs- und Endpunkt sowie der Tangentenvektoren in den Anfangs- und Endpunkten beschrieben wird. Die Punkte auf der parametrischen Kurve sind beschrieben durch die Gleichung: Anhand von den Rahmenbedingungen: erhält man dann die Lösung für die Konstanten: : Startpunkt : Endpunkt : Tangente des Startpunkts : Tangente des Endpunkts 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung

33 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 33 Vor- und Nachteile von Hermite-Kurven 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung Vorteile: Einfache Definition durch Angabe des Start- und Endpunktes sowie der Tangenten in diesen Punkten. Nachteile: aufwendige Beschreibung zusammengesetzter Kurven direkte Auslegung der Anfangs- und End-Punkte hoher Änderungsaufwand keine lokalen Änderungen möglich

34 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 34 Bézier-Kurven Bei einer Bézier-Kurve handelt es sich um ein Approximationsverfahren, das Kurven über Polygonseiten definiert. Zur Bestimmung einer gekrümmten Kurve müssen nach diesem Verfahren nur eine Reihe von Stützpunkten (Bézier-Punkten) definiert werden, die entsprechend ihrer Indizierung geradlinig miteinander verbunden werden und so einen räumlichen Polygonzug (bzw. bei einer Bézier-Fläche, ein Polygonnetz) bilden. Die Kurve liegt innerhalb der vom Polygon eingehüllten Fläche. Die Kurve interpoliert den Anfangs- und den Endpunkt. Die Tangente im Anfangspunkt entspricht der ersten Polygonstrecke und die Tangente im Endpunkt entspricht der letzten Polygonstrecke. Von Polygon eingehüllte Fläche Definierendes Bézier-Polygon Bézier-Punkt Bézier-Kurve 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung

35 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 35 Mathematische Definition von Bézier-Kurven Definition: Die Kurven der Form heißen Bézier-Kurven n-ten Grades über dem Intervall [0,1]. Als Gewichtsfunktionen werden die Bernsteinpolynome verwendet: Die Stützpunkte b i = [ x i, y i, z i ] heißen Bézier-Punkte oder Kontrollpunkte und bilden das Bézier-Polygon oder Kontrollpolygon. Die Anzahl der Stützpunkte entspricht dem Grad der Bézier-Kurve. Die Bézier-Kurve approximiert das Kontrollpolygon. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung

36 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 36 Vor- und Nachteile von Bézier-Kurven Vorteile Einfache Definition durch Vorgabe der Stützpunkte des definierenden Polygons. Es ist nicht nötig, Tangentenvektoren zu definieren. Die Kurve liegt innerhalb der konvexen Hülle des Polygons und gibt dessen Formeigenschaften gut wieder. Daher kann die Kurve in wenigen Iterationsschritten (Verschieben der Stützpunkte) leicht in gewünschter Form konstruiert werden. Die Zählrichtung der Stützpunkte kann ohne Gestaltänderung der Kurve umgekehrt werden. Es entstehen stetige und glatte Kurven. Nachteile Der Grad der Kurve und damit auch der Rechenaufwand ist abhängig von der Anzahl der Stützstellen. Bei der Verschiebung einer Stützstelle verschiebt sich die ganze Kurve, außer den Randpunkten. Lokale Änderungen sind also nicht direkt möglich, sondern erfordern eine vorhergehende Segmentierung der Kurve, was zusätzlichen Aufwand für die Erhaltung gewünschter Eigenschaften an den Übergängen zwischen den Segmenten nach sich zieht. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung

37 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 37 B-Spline-Kurven Der Name leitet sich her von im englischen "Spline" genannten Metallstreifen, die, auf normale Weise verbogen, gewisse Stetigkeitseigenschaften haben. Das "B" im Namen deutet an, dass diese Form der Kurve, im Gegensatz zum natürlichen Spline, durch Basisfunktionen darstellbar ist. B-Splines sind zusammengesetzte Polynomkurven mit stetig differenzierbaren Nahtstellen. Bei den Spline-Kurven handelt es sich wie bei den Bézier-Kurven um approximierende Kurven, die über ein Polygon von Stützpunkten definiert sind. Im Gegensatz zu Bézier-Kurven kann der Grad des Polynoms unabhängig von der Anzahl der Stützpunkte (Kontrollpunkte) gewählt werden. Neben den Stützpunkten erlaubt diese Kurvendarstellung weiterhin Einflussnahmen auf die Kurvenform mittels so genannten Knoten- und Gewichtungsvektoren, insbesondere für die lokale Modifikation. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung

38 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 38 Mathematische Definition der B-Spline Kurven (1) Ein B-Spline der Ordnung n ist ein abschnittsweise (segmentweise) definiertes Polynom vom Grad (n-1), das an den Knoten (Segmentübergängen) (n-2)-mal stetig differenzierbar ist. Die B-Splinekurve vom Grad n mit m Stützpunkten hat folgende Parameterdarstellung: mit Punktefolge auf der Kurve längst des Parameters t (t in [0; 1]) de Boor - Stützpunkte des zu approximierenden Polygons Gewichtung der einzelnen Stützpunkte Basis-/Bindefunktion vom Grad n 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung Quelle: DiK, TU Darmstadt

39 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 39 Eigenschaften von B-Spline-Kurven 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung Die Kurve interpoliert den Anfangs- und den Endpunkt. Die Kurve liegt innerhalb der vom Polygon eingehüllten Fläche. Die Tangente im Anfangspunkt entspricht der ersten Polygonstrecke und die Tangente im Endpunkt entspricht der letzten Polygonstrecke. Die Zählrichtung der Stützpunkte kann ohne Gestaltänderung der Kurve umgekehrt werden. Die Kurve kann durch Stützpunkte verlaufen. Wird der Knotenvektor äquidistant gewählt (d. h. gleiche Differenz zwischen den Knotenwerten t i ), so wird von uniformen Basis-Splines (kurz URBS, Uniform Rational Basis Spline) gesprochen. Werden die Knotenvektoren nicht äquidistant gewählt, so wird von nicht uniformen Basis-Splines (NURBS, Non Uniform Rational Basis Spline) gesprochen.

40 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 40 NURBS – Kurven (Erweiterung von B-Splines) Darstellung einer Ellipse mit w ={ 1,0.5,0.5,1,0.5,0.5,1} NURBS sind rationale B-Spline- Kurven mit einem nichtuniformen, d.h. ungleichmäßig verteilten Knotenvektor. Gleiche analytische und geometrische Eigenschaften wie Splines. Invariant bei Rotation, Skalierung, Translation und Projektion. Kegelschnitte wie z.B. Kreisbögen lassen sich darstellen (Ordnung k >= 3). Jeder Stützpunkt besitzt ein bestimmbares Gewicht. w i dient als Formkontrollparameter: -w i > 1: Kurve nähert sich dem Kontrollpunkt -w i < 1: Kurve entfernt sich von dem Kontrollpunkt. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung Vorteile: NURBS Kurven sind flexibler Eine exakte Darstellung eines Kegelschnittes ist ab Ordnung k >= 3 möglich Durch die Gewichte existiert eine weitere Gestaltungsmöglichkeit. b1b1 b2b2 b3b3 b4b4 b5b5 b 0 =b 6

41 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 41 Vorteile der B-Spline Kurve gegenüber der Bezier-Kurve Zusätzliche Möglichkeiten der Modifikation durch Gewichtungs- und Knotenvektoren. Einfache lokale Modifikation der Kurve durch Verschieben der Stützpunkte des definierenden Polygons. Die Interpolation eines bestimmten Punktes kann erzwungen werden. Durch die zusätzlichen Modifikationsmöglichkeiten werden weniger Stützstellen für das definierende Polygon benötigt. Bei entsprechender Wahl der Gewichtungen können Kegelschnitte konstruiert werden. Ohne Gewichte wäre das nicht möglich. Analytisch beschreibbare Kurven können auch als B-Splines beschrieben werden. Die Bezier-Kurve kann als ein Sonderfall der B-Splinekurve vom Grad n dargestellt werden, bei dem die Anzahl der Stützpunkte gleich n ist. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung

42 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 42 Rechnerinterne Repräsentation von 2D-Geometriemodellen P2 P3 L2 L1 P1 a) Hierarchische Struktur b) allgemeine Netzwerkstruktur c) relationales Datenbankmodell Beispiel: zwei Linien Endpunkt P31L2 Endpunkt P21L2 Endpunkt P22L1 Endpunkt P12L1 Attribut (z.B. Pkt.-Art) Name Attribut (z.B. Dicke) Name PunkteLinien P2 P3 L2 P1 P2 L1 P1 P2 L1 P3 L2 P2P3 L2 L3 L4 P1P4L1 b) relationales Datenbankmodell a) allgemeine Netzwerkstruktur Beispiel: Viereck LinienFlächePunkte Name Attribut (z.B. Dicke)(z.B.Pkt-Art) L1F11 Endpunkt Schattiert Endpunkt P1 L11P2 L21P2 L2 L3 L P3 P4 P1 L1L4L3L2 F1 P1P2P3P4 F1 Quelle: Abramovici, ITM Bochum, Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / D-Geometriemodellierung

43 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 43 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung 2. Product Lifecycle Management 3.1 Einführung Einführung in die geometrische Modellierung 3.2 Geometrische Modellierung D-Geometriemodellierung 3.4 CAD-Systemarchitektur 3.5 Kommerzielle Systemlösungen / 2 und 3D-Geometriemodellierung Modellierungsalgorithmen 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung Inhalt Vorlesung 3. Computer Aided Design 4. Computer Aided Engineering 5. Computer Aided Manufacturing

44 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 44 3D-Drahtmodelle: Grundlagen leichte Erlernbarkeit (Erweiterung der Zeichnungen mit der 3. Dimension) geringe Systemkomplexität geringe Anforderungen an Rechnerleistung Vorteile keine automatische Erzeugung von Sichtkanten keine automatische Schnitterzeugung Mehrdeutigkeit der Darstellung Nachteile 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, D-Drahtmodelle wurden in den Frühphasen der CAD-Entwicklung (Anfang der 80er Jahre) verwendet. Die Modelle wurden als Basis für Hilfsgeometrien eingesetzt, die zur Erstellung komplexer Modelle verwendet wurden. 3D-Drahtmodelle werden zur Erstellung von 3D-Schemazeichnungen (basierend auf 2D- Skizzen) wie z.B. 3D-Flussdiagramme und 3D- Chip-Schemata benutzt.

45 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 45 3D- Drahtmodelle 3D-Drahtmodelle: Geometrieelemente Gleiche Repräsentation wie im 2D-Bereich, um die 3. Dimension erweitert: analytisch nicht beschreibbar interpolierte Kurven (z.B. Hermite Kurven) approximierte Kurven (z.B. Bézier-, B-Spline-Kurven) räumliche Kurvenelemente analytisch beschreibbar Strecke Kegelschnitte... 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

46 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 46 Darstellungsmöglichkeiten des Drahtmodells a)b)c) 3D-Drahtmodelle: Nachteile der 3D-Drahtmodellierung (1) Undeutliche Darstellung von Sichtkanten: Der Blickwinkel kann nicht allein durch das Drahtmodell erkannt werden, die Darstellung ist zweideutig. Sichtkanten eines realen Rotationsteiles Sichtkanten Reale Bauteilkanten Drehung 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

47 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 47 3D-Drahtmodelle: Nachteile der 3D-Drahtmodellierung (2) Fehlen von Volumeninformationen: Schnitte werden nicht im Drahtmodell angezeigt. Körperdurchdringungen sind im Drahtmodell nicht erkennbar. Keine automatische Schnittgenerierung Geschnittenes Volumenmodell Schnittdarstellung eines Drahtmodells Keine automatische Körperdurchdringung VolumenmodellDrahtmodell 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

48 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 48 Mehrdeutige Interpretation AB CD Modellierung unsinniger Geometriemodelle (keine Konsistenzüberprüfung) 3D-Drahtmodelle: Nachteile der 3D-Drahtmodellierung (3) Mehrdeutigkeit von 3D-Drahtmodellen: Mehrdeutige Interpretationen wegen mangelnder Informationen. Modellierung unsinniger Geometrie möglich, da keine Konsistenzprüfung stattfindet. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

49 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 49 3D-Flächenmodellierung: Grundlagen 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Eindeutige Darstellung Automatisches Ausblenden verdeckter Kanten Automatische Erzeugung von Sichtkanten Berechnung von Flächeninhalten Beschreibungsmöglichkeit komplexer Produkte Automatische Erzeugung von Schnittkonturen Schwierige Beschreibung von komplexen Körperobjekten höherer Rechenaufwand keine Volumeninformation: -keine Konsistenzprüfung -logische Volumenverknüpfungen nicht möglich -keine Berechnung von Volumeninhalten möglich -keine Schnittflächenermittlung möglich Anwendung: Konstruktion von Schalenobjekten (z.B. glatte oder beliebig gekrümmte Blechteile) Hilfsmittel zur Beschreibung von Volumenmodellen Konstruktionshilfsmittel (z.B. Schnittebene, Hilfsebenen) Grundlage für Erstellung von NC-Werkzeugwegen. Vorteile Nachteile

50 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 50 3D-Flächenmodellierung: Erzeugung und Manipulation von Freiformflächen (1) Glätten Abwicklung ManipulationsfunktionenKlassische Erzeugungsfunktionen Durch nicht parallele Kurven Durch sich kreuzende Kurven Durch parallele Kurvenfamilien Durch Punktmengen Durch Ebenen Äquidistant im Abstand 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

51 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 51 Beispiele 3D-Flächenmodellierung: Erzeugung und Manipulation von Freiformflächen (2) 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005 Regelflächen: Eine Regelfläche verbindet die entsprechenden Enden zweier beliebiger Konturen oder Konturzüge durch Geraden miteinander.

52 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 52 gekrümmte Leitkurve Rotations- fläche x y z Drehachse Rotationswinkel variable Erzeugende Leitkurve Erzeugungs- kurve (linear variabel) Leitkurve Erzeugungs- kurve Translationsfläche (Sweep-Flächen) gerade Leitkurve Leitkurve Erzeugungs- kurve 3D-Flächenmodellierung: Erzeugung und Manipulation von Freiformflächen (3) 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005 Rotationsflächen entstehen durch die Rotation einer 2D-Kurve um eine Drehachse über einen bestimmten Winkel. Translationsflächen (Sweep-Flächen) entstehen durch die Verschiebung einer geraden oder krummen Leitkurve entlang einer Erzeugungskurve. Die Erzeugungskurve kann auch linear variiert werden.

53 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 53 3D-Flächenmodellierung: Parametrisch beschriebene Flächen (Freiformflächen) Motivation: Die Notwendigkeit, beliebig gekrümmte Flächenformen zu beschreiben. Anforderungen: Glatte Oberflächenmodellierung Ausreichende Genauigkeit für jede gewünschte Flächenform Möglichst geringen Rechnungsaufwand und Datenmengen Leichte Erzeugung und Modifikation der Fläche durch Benutzer Lokale und globale Änderungsmöglichkeiten. Anwendungen: Flugzeugbau, Automobilindustrie, Schiffbau, Strömungsmaschinenbau Design Produkte Rechnerunterstützte Qualitätskontrolle der Oberflächengüte Präsentationsgraphik. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

54 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 54 3D-Flächenmodellierung: Grundprinzip der Freiformflächen Der Übergang von Freiformkurven zu Freiformflächen besteht lediglich in der zusätzlichen Definition eines zweiten Richtungsparameters für die Flächengleichungen. Die einfachste Art der parametrischen Flächenbeschreibung basiert auf so genannte Patches. Patches sind Flächenstücke, die in Abhängigkeit zweier Richtungsparameter u und v mit Hilfe von Eckpunkten und Richtungsvektoren definiert werden. Es werden verschiedene Arten von Patches definiert: 3-, 4- und 5-eckige. Der Grundgedanke ist, eine Fläche durch deren Umrandung zu definieren und dann die Flächenpunkte durch Interpolation zu ermitteln. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

55 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 55 3D-Flächenmodellierung: Hermite- Freiformflächen u v y x z Die mathematische Beschreibung: Eckpunkte: P (u = 0, v = 0); P (u = 0, v = 1); P (u = 1, v = 1); P (u = 1, v = 0) Tangentenvektoren: Ableitungen nach den Richtungen u und v, Twistvektoren: zweite Ableitung nach u und v Quelle: DiK, TU Darmstadt Die Hermite-Flächen basieren auf der gleichen Mathematik und auf den gleichen Verfahren wie die Hermite-Kurven, wobei ein zweiter Richtungsparameter (neben 0u 1 jetzt auch 0 v 1) zu berücksichtigen ist. Flächenelement mit Eckpunkten, Randkurven und Richtungsvektoren in allgemeiner Form Eine aus Flächenelementen zusammengesetzte Fläche 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

56 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 56 3D-Flächenmodellierung: Bézier-Flächen Die Bézier-Flächen basieren auf der gleichen Mathematik und auf den gleichen Verfahren wie die Bézier-Kurven, wobei nun ein zweiter Richtungsparameter (neben u jetzt auch v) zu berücksichtigen ist. Gleichung:, Analog zur Approximation der Kurve durch ein mit Stützstellen (Bézier- Punkte) definiertes Polygon (Bézier-Polygon) erfolgt nun die Approximation der Fläche durch ein mit Stützstellen definiertes Polygonnetz. Das Netz besteht aus mehreren im Raum definierten Bézier-Polygonen, die sich in gemeinsamen Stützpunkten schneiden und die grobe Form der zu approximierenden Fläche vorgeben. Quelle: DiK, TU Darmstadt 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

57 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 57 Auch für die B-Spline-Flächen gilt, dass die Flächenbeschreibung aus der Kurvenbeschreibung entwickelt wird. Es wird ein zweiter Richtungsparameter v eingeführt und entlang der beiden Richtungen u und v ein Stützpolygon aufgespannt. Die Gleichung lautet dann: Es erfolgt die Approximation der Polygone durch Basis- oder Bindefunktionen und entsprechend die Approximation der räumlich gekrümmten Fläche. Ebenfalls werden für die Knoten Gewichtungen eingeführt. 3D- Flächenmodellierung: B-Spline-Flächen 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

58 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 58 3D-Flächenmodellierung: NURBS-Flächen Wie bei den Kurven wird unterschieden nach Flächen, die über rationale oder nicht rationale Basisfunktionen approximiert werden, und nach Flächen, deren Knoten gleichmäßig (uniform) oder ungleichmäßig (non- uniform) in Parameterrichtung verteilt sind. Stand der Technik und in der Anwendung weit verbreitet sind die nicht uniformen, rationalen Basis-Spline-Flächen oder kurz NURBS. Die speziellen Eigenschaften der NURBS-Flächen sowie ihre Vorteile gegenüber den Bézier-Flächen verhalten sich analog wie bereits für die Kurven beschrieben: -zusätzliche Möglichkeiten der Modifikation durch Gewichtungs- und Knotenvektoren -B-Spline-Flächen werden zwar häufiger verwendet, jedoch können (analog zu den Kurven) Kegelschnitt-Flächen wie z.B. ein Zylinder nicht genau dargestellt werden -Durch NURBS-Flächen ist jede Darstellung einer Fläche möglich, jedoch ist der Speicheraufwand sehr hoch. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

59 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 59 3D-Flächenmodellierung: Rechnerinterne Repräsentation von 3D – Flächenmodellen FlächeKurve Punkte NameAttr.TypNameAttr.TypNameAttr. F2F2 F1F1 schraffiert schattiert Frei- form- fläche Frei- form- fläche K1K1 K2K2 K3K3 K4K4 K5K5 K6K6 K7K7 P1P1 P2P2 P3P3 P4P4 P5P5 P6P Eckpunkt B-Spline P1P1 K1K1 P2P2 P6P6 P5P5 P3P3 K3K3 P4P4 K2K2 K4K4 K5K5 K6K6 K7K7 F1F1 F2F2 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

60 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 60 3D-Volumenmodellierung: Grundlagen Vorteile vollständige, widerspruchsfreie und genaue Beschreibung der Körperform Informationsquelle für nachgelagerte Funktionen (einschließlich geometrischer Berechnungen) automatische Schnitterzeugung gute Visualisierungsmöglichkeiten (automatisches Ausblenden verdeckter Kanten, Schattierung) Körperkollisionsbetrachtungen möglich wenig Eingabeaufwand zur Modellierung komplexer Objekte Nachteile schwerere Erlernbarkeit (neue Konstruktionstechniken) hohe Systemkomplexität hohe Rechneranforderungen noch keine flächendeckende Verbreitung 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Anwendung Allgemeine Maschinenbaukonstruktion Bewegungssimulation Realitätsnahe Visualisierung von Objekten Kollisionsuntersuchungen Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

61 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 61 Hybride Volumenmodelle Modelle mit generativer Primärstruktur und akkumulativer Sekundärstruktur Quellen: DiK, TU Darmstadt, Abramovici, ITM Bochum, 2005 Volumenmodelle Akkumulative Volumenmodelle Generative Volumenmodelle Boundary Re- presentation (BREP) Analytisch beschreibbar Analytisch nicht beschreibbar Polyedrisch Offen (Non-Manifolds) Zellmodelle (Cell models) Binäre Zellmodelle (Octrees) Zellenzerlegungsmodelle Constructive Solid Geometry (CSG, Verknüpfungsmodelle) Grundkörpervolumenmodelle Halbraummodelle 3D-Volumenmodellierung: Klassifizierung von Volumenmodellen (1) 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Profilmodelle (Sweep-/ Swing- Modelle) Translationsmodelle Rotationsmodelle Trajektionsmodelle

62 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 62 3D-Volumenmodellierung: Klassifizierung von Volumenmodellen (2) Akkumulative Volumenmodelle beinhalten ein Programm zur Erzeugung der Gestalt eines Körpers sowie eine Datenstruktur zur Repräsentation der Modellinformationen. Die Konsistenz der Datenstruktur wird mittels speziellen Programmen überprüft. Die Modelle benötigen einen erhöhten Speicherplatz und eine zusätzliche Konsistenzprüfung, dafür kann direkt auf jedes Datenelement des Modells zugegriffen werden. Generative Volumenmodelle basieren auf einer Erzeugnislogik, die in Form eines Programms abgelegt ist. Die Repräsentationsform ist sehr speicherplatzeffizient, dafür aber muss bei Modelländerungen die gesamte Erzeugnislogik wieder abgearbeitet werden. Hybride Volumenmodelle verknüpfen die unterschiedlichen Repräsentationsformen miteinander. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Quelle: DiK, TU Darmstadt

63 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 63 3D-Volumenmodellierung: Boundary-Representation (BREP) (1) Das geometrische Objekt wird durch seine Begrenzungsflächen beschrieben. Zur Angabe der Materialseite wird ein Normalvektor verwendet. Normalvektor (Materialvektor): -Ist explizit angegeben, oder -implizit durch den Drehsinn der Kantenreihenfolge (analog zur Rechte-Hand- Regel in Physik). Weitere Informationselemente zur Objektbeschreibung sind: Kanten, die Begrenzungsflächen beschreiben Eckpunkte, die die Anfangs- und Endpunkte der Kanten repräsentieren. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

64 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 64 3D-Volumenmodellierung: Boundary-Representation (BREP) (2) BREPs werden durch das Zusammenwirken von Geometrie und Topologie bestimmt. Die Modellierungsfunktionen umfassen: -die Definition der Begrenzungsflächen mittels der topologischen Grundelemente durch geometrische Berechnung von Flächen und Kanten, -die Anordnung der Flächen zueinander, -die Verschneidung der Flächen und Erzeugung eines Volumens durch eine geschlossene Oberfläche. Die topologische Struktur wird getrennt von der Erzeugungslogik als rechnerinterne Datenstruktur gespeichert und erfordert die Überprüfung der Konsistenz des Modells nach jeder Änderung. Die Euler-Poincaré-Formel sichert, dass keine Kanten und Flächen ohne Verbindung sind, aber kann geometrische Anomalien (wie Selbstdurchdringungen) nicht verhindern. Alle geometrischen Elemente im Modell können direkt angesprochen werden (z.B. zur Anbringung einer Rundung oder Phase). Alle geometrischen Elemente können mit Attributen (Material- oder Oberflächeneigenschaften) versehen werden. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

65 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 65 3D-Volumenmodellierung: Eigenschaften von BREP-Modellen (2) Keine Information über Entstehungshistorie Überprüfung der Geschlossenheit (Volumenkonsistenz) nach jeder Operation notwendig Keine Beschreibung von "offenen" Körpern Hoher Speicherbedarf Nachteile Direkter Zugriff auf alle Geometrie- elemente Den Elementen können Attribute zugewiesen werden Schnelle, leichte Visualisierung Vorteile 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung Die Abgeschlossenheit und Konsistenz der Modelle wird mittels Algorithmen überprüft. Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

66 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 66 3D-Volumenmodellierung: Constructive Solid Geometry Modelle (CSG) Es handelt sich um eine Objektbeschreibung in Form einer Erzeugungslogik. Die Erzeugungslogik wird durch einen Verknüpfungsbaum dargestellt, dessen Knoten Mengenoperationen (Vereinigung, Differenz und Durchschnitt) enthalten und dessen Blätter Volumenelemente sind. Volumenelemente: -Volumenprimitive -Halbräume -Nicht-primitive Volumenelemente. Objekt CSG-Datenstruktur U - U - : Verknüpfungsoperationen 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

67 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 67 Volumenprimitiva: -Quader, -Zylinder, -Kegel (Kegelstumpf), -Kugel, -Torus. Halbräume: -Oberflächenelement mit der Angabe der Materialrichtung. Nicht-primitive Volumenelemente: -Teil eines CSG-Gesamtmodells, das wie ein Volumenprimitiva behandelt wird. -Volumenbeschreibung durch eine Fläche und den zugehörige Transformation (Translation, Rotation). 3D-Volumenmodellierung: Volumenelemente und Halbräume 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

68 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 68 3D-Volumenmodellierung: Halbraummodelle Aus Halbräumen zusammen- gesetzter Zylinderkörper Ebene Halbräume G D A C E B F I H Definition: Der Halbraum ist ein unendliches Gebiet des Raumes, dessen Oberfläche eine beliebige, unbegrenzte Fläche ist, die durch ihre Orientierung den Raum in gefüllte und leere Bereiche zerlegt. Quelle: Abramovici, ITM Bochum, Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

69 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 69 3D-Volumenmodellierung: Eigenschaften der CSG-Modelle (2) Operationen können rückgängig gemacht werden, da im Gegensatz zu B-Rep-Modellen die Historie der Objekterstellung Teil des abgespeicherten Modells ist. Bei jeder Visualisierung eines CSG-Modells muss das gesamte Modell mit allen Primitiva und Verknüpfungen durchlaufen werden. Bei CSG-Modellen, die auf primitiven Grundkörpern aufbauen, ist die Konsistenzprüfung der erzeugten Geometrie relativ einfach zu implementieren, da die Bestandteile von komplexen Objekten immer gültige Körper sind (Primitiv-Volumina). Bei CSG-Modellieren, die auf Halbräumen aufbauen, ist die Konsistenzsicherung dagegen problematischer als bei Primitiv- Volumen-Modellierern. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

70 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 70 3D-Volumenmodellierung: Constructive Solid Geometry-Modelle (CSG- Modelle) Vorteile Konsistenz des Modells ist gewährleistet geringer Eingabeaufwand leichte Überführung in andere Geometrie- modelle binäre Bäume mit kompakter Speicherung alle Elemente in ihrer Gesamtheit manipulierbar Nachteile Evaluierung des Modells bei jedem Bildaufbau Einbeziehung von Freiformflächen schwierig keine Information über wirkliche Flächen und Kanten des Objekts (schwierige Attributierung) geringe Eignung für Manipulation einzelner Elemente (Flächen, Kanten) 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

71 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 71 3D-Volumenmodellierung: Hybridmodelle / Duale Repräsentation Moderne CAD-Systeme verwenden eine hybride Form um Modelle zu repräsentieren. Hybride Modelle bestehen aus Teilen von generativen und akkumulativen Modellen: -Primäre CSG-Datenstruktur -Sekundäre BREP-Datenstruktur. Die Visualisierung basiert immer auf der BREP-Struktur. Alle geometrischen Elemente der BREP-Struktur sind identifizierbar: Unidirektionale oder bidirektionale Verbindung zwischen der primären und der sekundären Datenstruktur. Anwendung von Modelliererfunktionen auf der BREP bei bidirektionaler Verbindung. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

72 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 72 3D-Volumenmodellierung: Eigenschaften der Hybridmodelle Hybridmodelle bestehen aus CSG und BREP Datenstrukturen, in denen: -vollständige Entstehungsgeschichte (Primärstruktur) und -alle geometrischen Elemente (Sekundärstruktur) des Volumenmodells enthalten sind. Konsistenz von CSG und BREP muss bei jeder Modellierungsoperation überprüft werden. Die Visualisierung des Modells basiert auf der letzten evaluierten BREP in der Datenstruktur. 3.Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

73 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 73 Rechnerinterne Repräsentation von Volumenmodellen V: Volumen F: Fläche K: Kante P: Punkt Hierarchische Struktur V F1 K1 K3 P1 P2 P3 P1P2 F2 K2 F3F4 Allgemeine Netzwerkstruktur V F1 K1 P1P2P3 F2 K2 F3F4 K3 V F 3 K1 K2 K3 P1 P2 Beispiel einer B-Rep-Modell-Repräsentation Quelle: Abramovici, ITM Bochum, Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

74 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 74 Vergleich der 3D-Modelle Funktion Kanten- modell Flächenmodell B-Rep- Modell CSG- Modell Hybrid- Modell verdeckte Kanten -Bedingt Schnitte- Schattierung- Flächenlinien- - Freiform- flächen - - Explosions- darstellung - - Modellhistorie- -- Bewegungs- analyse Bedingt Quelle: Abramovici, ITM Bochum, Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / / 2 und 3D-Geometriemodellierung

75 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 75 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung 2. Product Lifecycle Management 3.1 Einführung Einführung in die geometrische Modellierung 3.2 Geometrische Modellierung D-Geometriemodellierung 3.4 CAD-Systemarchitektur 3.5 Kommerzielle Systemlösungen / 2 und 3D-Geometriemodellierung Modellierungsalgorithmen 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung Inhalt Vorlesung 3. Computer Aided Design 4. Computer Aided Engineering 5. Computer Aided Manufacturing

76 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 76 3D-Volumenmodellierung: Mengentheoretische Verknüpfung (Boolsche Operationen) Durchschnitt: Logische UND- Verknüpfung. Nur das gemeinsame der Volumen beider Köper bleibt erhalten. = Differenz: Logische Differenz. Einer der beiden Körper wird als negativ betrachtet und vernichtet im anderen Körper das gemeinsame Volumen. \ = \ = OperationDarstellung Beispiele Vereinigung: Logische ODER- Verknüpfung. Beide Köper bleiben grundsätzlich erhalten, sie werden über ihre gemeinsamen Volumen zu einem Körper verschmolzen. = 3. Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Modellierungsalgorithmen Quelle: DiK, TU Darmstadt

77 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 77 Erzeugung aus Beispiel Flächen Volumenelemente Translation2D Geometrie + Sweep (Trajektion) Rotation Erstellt durch Erzeugungsfunktionen Erzeugungs- und Manipulationsfunktionen von Volumenmodellen Funktionvorhernachher Verrundun- gen Fasen Schneiden, Trimmen Erstellt durch Manipulationsfunktionen Komplexe Geometriefunktionen (z. B. Tasche, Nut, Einstich, usw.) Quelle: Abramovici, ITM Bochum, Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Modellierungsalgorithmen

78 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie / 2 D-Volumenmodellierung: Profilmodelle (Sweep-Modelle) (1) Translation: Die definierte Querschnittsfläche wird entlang eines Translationsvektors um einen bestimmten Betrag im Raum verschoben und beschreibt damit ein bestimmtes Volumen. Rotation: Die definierte Querschnittsfläche wird entlang eines Rotationsvektors um einem bestimmtes Winkelmaß in Raum um eine gegebene Achse gedreht. Trajektion: Die definierte Querschnittsfläche wird entlang einer definierten Raumkurve (i.A. senkrecht zur Kurve) verschoben. Die Profilmodelle (Sweep-Modelle) basieren auf einem Verfahren, bei dem ausgehend von der Definition einer Querschnittsfläche durch Verschiebung in der dritten Raumrichtung ein Volumen erzeugt wird. Es sind drei unterschiedlichen Grundverfahren: 3. Computer Aided Design 3.2 Geometrische Modellierung / Modellierungsalgorithmen

79 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 79 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.3.1 Makrotechnik3.2 Geometrische Modellierung3.3.2 Variantentechnik3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung3.3.3 Parametrische Modellierung3.3.4 Feature-basierte Modellierung3.3.5 Knowledge Based Engineering 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

80 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 80 Erweiterte (semantische) Geometriemodellierung (1) Die erweiterte (semantische) Geometriemodellierung basiert auf Konzepten der Softwaretechnik, insbesondere denen der strukturierten und objektorientierten Analyse und Synthese, und widmet sich der möglichst vollständigen Beschreibung von Objekten bzw. Produkten aus der realen Welt. (Quelle: Ekkehard Beier, TU Ilmenau)) Der Begriff der Semantik wird analog zu der Bezeichnung innerhalb von natürlichen Sprache für die Bedeutung der Objekte verwendet. (Quelle: Felicitas Lang, Geometrische und semantische Rekonstruktion von Gebäuden durch Ableitung von 3D- Gebäudeecken, 1999) Die semantische Modellierung beschreibt vor allem die Beziehungen, bzw. die Assoziativitäten der unterschiedlichen Produktmodellen / Komponenten. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung

81 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 81 Erweiterte (semantische) Geometriemodellierung (2) Erweiterte (semantische) Geometriemodellierung besteht aus Makrotechnik, Variantentechnik, parametrische Modellierung und Feature-basierte Modellierung. Makrotechnik, Variantentechnik und parametrische Modellierung bilden die Grundlage der Feature-basierten Modellierung. Die Erstellung von Norm- und Wiederholteilen baut auf der Feature- basierten Modellierung auf. Makrotechnik Variantentechnik Parametrische Modellierung Feature-basierte Modellierung Norm- und Wiederholteileverarbeitung 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

82 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 82 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.3.1 Makrotechnik3.2 Geometrische Modellierung3.3.2 Variantentechnik3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung3.3.3 Parametrische Modellierung3.3.4 Feature-basierte Modellierung3.3.5 Knowledge Based Engineering 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

83 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 83 Beschreibung der Makrotechnik Ziel der Makrotechnik: Vereinfachung der Geometrieeingabe bzw. Reduktion der Befehlseingabe für häufig wiederkehrende Geometrieelemente oder Befehlsfolgen (Makros). Makros teilen sich ein in -Gestaltmakros: Invariable, vordefinierte Beschreibung von Geometrieelementen, die i. d. R. in einer Bibliothek abgelegt werden (explizite Beschreibung). Werden verwendet für Norm- und Wiederholteile bei kleiner Variantenvielfalt. -Befehlsmakros: Geometriebeschreibung in Form einer Befehlsfolge mit der Möglichkeit, Variablen zu definieren (implizite Beschreibung). Die Definition findet statt durch Protokollierung der Befehlsfolge. Verwendung bei Maß- und einfachen Formvarianten. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Makrotechnik Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

84 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 84 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.3.1 Makrotechnik3.2 Geometrische Modellierung3.3.2 Variantentechnik3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung3.3.3 Parametrische Modellierung3.3.4 Feature-basierte Modellierung3.3.5 Knowledge Based Engineering 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

85 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 85 Variantentechnik (1) Ziel der Variantentechnik: einfache Erzeugung und Darstellung maßstäblicher Geometriemodelle für Elemente einer Elementefamilie (Elementzonen, Bauteile, Baugruppen). Vorgehensweise: -Definition der Elementefamilie -Generierung einzelner Elementvarianten anhand der definierten Elementefamilie. Erstellungsphase Definition der Elemente- familie Variantenprogramm Programmerzeugung graphische Befehlsprozedur graphische, systemspezifische Programmiersprachen externe, systemunabhängige Programmiersprachen Skizzentechnik Generierung einzelner Element- varianten Parameter- eingabe Ablauf des Variantenprogramms Element- variante 1 Element- variante 2 Element- variante n.... Nutzungsphase 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Variantentechnik Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

86 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 86 Variantentechnik (2) Es kann unterschieden werden zwischen Geometrievarianten und technischen Varianten. Im Falle von Geometrievarianten wird unterschieden zwischen Maßvarianten und Gestaltvarianten. Gestaltvarianten Die zugrundeliegende Gestalt kann bei variablen Maßen variieren. Beispiel: Maßvarianten Bei variablen Maßen ändert sich die zugrundeliegende Gestalt nicht. Beispiel: 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Variantentechnik Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

87 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 87 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.3.1 Makrotechnik3.2 Geometrische Modellierung3.3.2 Variantentechnik3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung3.3.3 Parametrische Modellierung3.3.4 Feature-basierte Modellierung3.3.5 Knowledge Based Engineering 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

88 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 88 Prinzip der parametrischen Modellierung (1) Säulen der parametrischen Modellierung: Skizzen: (zweidimensionale) Beschreibung der Grobgestalt mit Hilfe von geometrischen Elementen. Parameter: das Modell, bzw. die Konstruktion kennzeichnende Größen. Constraints: Beziehungen der Parameter untereinander sowie die Lage der Elemente zueinander (Randbedingungen). Parametrische Modellierung Bidirektionale Assoziativität von Geometrie und Bemaßung Parameter Skizzen Constraints 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung Ziel der parametrischen Modellierung: Erzeugung einer änderungsfreundlichen und mathematisch stabilen Geometrie. Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

89 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 89 Prinzip der parametrischen Modellierung (2) Beruht auf der bidirektionalen Assoziativität von Geometrie und Maßzahlen, realisiert durch eine mathematische Beschreibung des rechnerinternen Modells. Die Maße und andere geometriebestimmende Größen werden über Bedingungen und mathematische Beziehungen miteinander verknüpft. Die Bedingungen und Beziehungen werden über mathematische Formeln ausgedrückt und über ein Gleichungssystem miteinander verknüpft. Vorteile: -Flexibilität, von großer Bedeutung besonders in der Gestaltungsphase (sehr viele Änderungen notwendig) -Konstruktion von Varianten durch die leichte Modifizierbarkeit von Geometrien -Das Wissen des Konstrukteurs und die Regeln, die der Konstruktion zugrunde liegen, werden im Modell festgeschrieben. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung

90 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 90 Die Begriffe Parameter und Constraints (1) Definition Parameter: Unter Parametern sind die Größen zu verstehen, die die konstruierte Geometrie in der Repräsentation bestimmend kennzeichnen. Parameter werden in der Repräsentation als veränderliche Variablen abgebildet. Meistens sind Parameter geometriebestimmende Größen wie Längen, Winkel und Koordinaten. Da die Geometrie des Bauteils direkt vom Material abhängig ist, können Werkstoffkennwerte wie Belastungsgrenzen, Dichten oder Kosten Parameter sein. Parameter ergeben sich auch aus der Fertigung des Bauteils (Fertigungszeit, -verfahren, etc.). Bei einer auf diese Weise beschriebenen Geometrie ist es zu jedem Zeitpunkt des Konstruktionsprozess möglich, Abmessungen der Geometrie zu ändern (in früheren Systemen musste hingegen die alte Geometrie gelöscht und eine neue Geometrie definiert werden). 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung

91 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 91 Die Begriffe Parameter und Constraints (2) Definition Constraints (1): Constraints sind Zwangs- oder Randbedingungen. Sie bilden Beziehungen der einzelnen Parameter untereinander sowie die Lage der einzelnen Elemente zueinander ab. Die meisten Parameter haben nur über Beziehungen zueinander Auswirkungen auf die Geometrie, weil nur Parameter aus dem Bereich der Maßzahlen sich auf die Geometriemodellierung auswirken. Diese Beziehungen werden funktionale Bedingungen genannt und verknüpfen nichtgeometrische Parameter mit geometrischen Maßen. Die funktionalen Bedingungen werden meistens über mathematische Gleichungen ausgedrückt. Die Gesamtheit der Bedingungen und Beziehungen in einem Modell werden Constraints genannt. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung L = 2 D H = 0,75*L D=Ø40 L = 2 D L D=Ø40

92 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 92 Die Begriffe Parameter und Constraints (3) Definition Constraints (2): Weitere Bedingungen sind die geometrischen Beziehungen der Elemente untereinander (senkrecht, parallel, tangent, …) und die Festlegung der Lage der Elemente im Raum. Die Lage eines Modells im Raum wird durch Fixelemente definiert, an die sich der Rest der Geometrie anlehnt: -Fixierung eines Elementes -Horizontale und vertikale Lage des Elementes -Senkrecht aufeinander stehende Elemente -Parallelität zwischen zwei Elementen -Tangentialer Übergang zwischen zwei Elementen -Konzentrizität zweier Elemente -Deckungsgleichheit zweier Elemente. Zusätzlich gibt es noch logische Constraints als Kontrollstrukturen (der Form if-then-else). 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung L = 2 D H = 0,75*L D=Ø40 L = 2 D L D=Ø40

93 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 93 Implizit: Linie tangiert R = 80 Implizit: Linien sind orthogonal T T T Explizit Implizite Constraints (Geometrische Constraints): Implizite Constraints reduzieren die Freiheitsgrade für geometrische Elemente, z.B. Linie horizontal, Linie vertikal, Parallelität und Orthogonalität von Linien und Ebenen. Explizite Constraints (Engineering Constraints): Es handelt sich um die Beschreibung der Basis-Parameter einer Geometrie, z.B. Abstandmaße, Durchmessermaße, Winkelmaße. Außerdem zählen auch die Beziehungen zwischen verschiedenen Maßangaben zu expliziten Constraints. Funktionale Constraints (Engineering Constraints): Vorgaben, die sich durch einen funktionalen Aspekt einer Konstruktion ergeben, z.B. Trägerabmessungen in Abhängigkeit von der Biegebelastung. Topologische Constraints (Geometrische Constraints): bestimmen die Beziehung zu anderen Objekten, z.B. Überschneidung zwei Ebenen. Logische Constraints (Engineering Constraints) Arten von Constraints 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung

94 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 94 Realisierung der Parametrik (1) Parametrikfunktionalität ist in den meisten volumenorientierten CAD- Systemen verfügbar. Bei der Realisierung der Parametrikfunktionalität existieren allerdings unterschiedliche Philosophien: 1.Vollständige Parametrisierung der Modellgeometrie und 2.Nachträgliches Hinzufügen von Parametern an herkömmlich erzeugte Geometrie. Beide Philosophien haben Vor- und Nachteile. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung Beispiel: Türparametrisierung

95 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 95 Realisierung der Parametrik (2) 1. Vollständige Parametrisierung der Modellgeometrie: -Arbeitsaufwändigere Bedienung -Zeitaufwändigere Modellerstellung +Klarheit über die Abhängigkeiten der Parameter und der Geometrie in den früheren Modellierungsphasen +Zugriff auf die Parameter in den späteren Konstruktionsphasen +Wiederverwendbarkeit durch Parametrisierung. 2. Nachträgliches Hinzufügen von Parametern an die Geometrie: +Einfachere Modellierung -Die Modellgeometrie lässt sich nicht durch Parameter ansteuern -Die Abhängigkeiten zwischen Geometrieelementen sind nicht immer eindeutig. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung

96 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 96 Realisierung der Parametrik (3) Allgemeine Probleme bei der parametrischen Modellierung: -Durch Parameteränderung verursachte Topologieänderungen können ungewünschte Effekte hervorrufen. -Durch Parameteränderungen können Konsistenzprobleme entstehen, z.B. durch nachträgliches Umdefinieren oder Löschen von Referenzen. -Die richtige Wahl der Parameter und der Modellierungsstrategie ist ausschlaggebend für die Möglichkeit, nachträglich noch Änderungen am Modell durchzuführen. -Einzelteile und Baugruppen mit hoher Änderungs- wahrscheinlichkeit sollen von Anfang an vollständig parametrisch aufgebaut werden, um die Konsistenz bei notwendigen Änderungen zu sichern. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung

97 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 97 Grundlagen der parametrischen constraintsbasierten Produktbeschreibung Die parametrische Beschreibung eines Produkts nutzt die zuvor definierten Parameter und Constraints, um auf die rein geometrische Beschreibung Einfluss zu nehmen. Die geometrische Beschreibung selbst basiert dabei im Allgemeinen auf einem Hybridmodell. Die Constraints wirken sich dabei sowohl auf die B-Rep-Struktur der einzelnen Bauelemente (z. B. parallele Kanten), als auch auf die Anordnung der Bauelemente zu Bauteilen bzw. der Bauteile zu Baugruppen aus. Die Unterteilung der Constraints erfolgt dabei regulär in geometrische- und in Engineering-Constraints. -Geometrische Constraints beziehen sich nur auf rein geometrische Elemente wie z. B. Parallelität, Orthogonalität. -Die Engineering-Constraints stellen Verknüpfungen von Geometrie- elementen und funktionalen Beziehungen (z. B. Gleichungen für Auslegungs- und Dimensionierungsrechnung) oder logischen Bedingungen (z. B. mit der Feature-Struktur) dar. So wird z. B. ein bestimmtes Bauelement nur dann in die Struktur eingefügt, wenn gewisse Randbedingungen erfüllt sind. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung

98 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 98 Parametrisches constraintsbasiertes Modellieren (1) Bei dem parametrischen Modellieren lässt sich die Modellgeometrie über die als Parameter bezeichneten Maßzahlen manipulieren. Die Definition parametrischer Modelle umfasst die parametrische Definition von Bauelementen, die parametrische Kombination von Features (Begriff wird später ausführlich erklärt) zu Einzelteilen sowie die parametrische Kombination von Einzelteilen zu Baugruppen. Es besteht die Möglichkeit der Beschreibung von Ober- und Unterbaugruppen, ihre Kombination unterscheidet sich aber nicht wesentlich von denjenigen der Einzelteile. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung

99 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 99 Parametrisches constraintsbasiertes Modellieren (2) Alle diese parametrischen Definitionen arbeiten mit Beziehungen zwischen geometrischen Modellelementen. Die definierten Parameter aus dem Ausgangsmodell können danach in der gesamten Prozesskette der Produktentwicklung systemtechnisch automatisiert genutzt werden. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung D = Ø 20 D = Ø 40 L = 2 D H = 0,75 * L D = Ø 40

100 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 100 Parametrisches constraintsbasiertes Modellieren (3) Constraint basierte Modellierung erlaubt die Abbildung von Beziehungen zwischen den Modellparametern am CAD-Modell Beim Ansatz der Constraint basierte Modellierung wird wie folgt vorgegangen: -ein Gleichungssystem wird aufgestellt, das die Abhängigkeiten zwischen bestimmten Maßen definiert, -explizite und implizite Bedingungen können eingebracht werden, -das Gleichungssystem wird gelöst. -Ergebnis: Werkstückgeometrie. Es gibt unterschiedliche Arten der parametrischen Modellierung, basierend auf der Verarbeitung von Parametern und Constraints mit verschiedenen mathematischen Prinzipien. Wichtigste Verfahren: -Skizzeninterpretation und -Gleichungslösung. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Parametrische Modellierung

101 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 101 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.3.1 Makrotechnik3.2 Geometrische Modellierung3.3.2 Variantentechnik3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung3.3.3 Parametrische Modellierung3.3.4 Feature-basierte Modellierung3.3.5 Knowledge Based Engineering 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

102 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 102 Formelemente und Features Geometrische Eigenschaften werden mit zusätzlichen Informationen zu einer logischen Einheit verknüpft, die geometrische Gestalt mit technischen Informationen erlangt eine zusätzliche technische Bedeutung (Semantik). Die Semantik kann dabei sein: -Konstruktiver Natur (z.B. Passfedernut bedeutet Element einer Welle-Nabe- Verbindung) -Fertigungstechnischer Natur (z.B. Passfedernut bedeutet durch Fräsen zu fertigendes Element) -Feingeometrischer Natur (z.B. Ausrundung oder Brechung von Kanten) -Oberflächeneigenschaftenbezogen (z.B. Grenzwerte für Rauhigkeit und Oberflächenhärte) -Maß-, Form- und Lagetoleranzenbezogen -Materialeigenschaftenbezogen (z.B. Flächenpressung). Formelemente stellen vordefinierte Modellierungsfunktionen dar und werden von allen CAD-Systemen in Bibliotheken angeboten. Beispiele für Formelemente: Rundungen, Fasen, Nuten, Bohrungen. Die Verallgemeinerung des Formelementes ist das (Form)-Feature. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung Quelle: DiK, TU Darmstadt

103 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 103 Der Begriff Feature (1) Feature = Aggregation (Zusammenfassung, Anhäufung) von Merkmalen zu einem gemeinsamen Element. Features - im Sinne der CAD-Anwendung - sind mit Attributen versehene komplexe CAD-Elemente, die über Parameter beschrieben werden. Diese Attribute können geometrische, technologische oder funktionale Eigenschaften zur Beschreibung eines realen Objektes sein. Definition Feature ("Sacklochbohrung") Syntax Formelement Semantik + Attribute Methoden Relationen 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005

104 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 104 Der Begriff Feature (2) Der Begriff Feature: Erhielt Ende der siebziger Jahre eine spezielle Bedeutung im CAD/CAM- Bereich. Moderne Produktentwicklungsmethoden nutzen die Feature-Technologie als eine Möglichkeit, im Produktlebenszyklus phasenübergreifend Informationen handhaben und weiterleiten zu können. Features stellen eine Modellbildung spezifischer Informationen und Merkmale eines Produkts dar und repräsentieren das Produkt gegenüber der reinen Geometriebeschreibung auf einem semantisch höherem Niveau. Ein Feature lässt sich aus verschiedenen Gesichtspunkten definieren, z.B. vom Gesichtspunkt der Konstruktion, der Arbeitsplanung, der Montage, der Prüfung usw. Features stellen eine Modellbildung spezifischer Informationen und Merkmale eines Produkts dar und repräsentieren das Produkt gegenüber der reinen Geometriebeschreibung auf einem semantisch höherem Niveau. Ein Feature lässt sich aus verschiedenen Gesichtspunkten definieren, z.B. vom Gesichtspunkt der Konstruktion, der Arbeitsplanung, der Montage, der Prüfung usw. Mittels der Feature-Modellierung können neben der geometrischen Bauteilgestalt auch technologische Informationen vom Produktentwurf bis zur Fertigung und Prüfung berücksichtigt werden. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung

105 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 105 Features werden vom CAD-Systemen angeboten oder können vom Benutzer selbst festgelegt werden. Entsprechend können Features aufgeteilt werden in: -systemdefinierte Features und -benutzerdefinierten Features. Formelementen (Form Features) sind ein Sonderfall der Features und werden in Form von Bibliotheken bereitgestellt. Der Zugriff auf die Features erfolgt dann über ein Auswahlmenü. Die Eingabe der beabsichtigten/gewünschten Werte für Maße und Eigenschaften erfolgt in der Regel interaktiv (wird vom System abgefragt). Der Begriff Feature (4) 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung

106 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 106 Die Features sind assoziativ. Komplexe Features können auch durch Kombination einfacherer Features erzeugt werden (ohne Technologie). Komplexe Features enthalten teilweise technologische Informationen (z.B. bei Bohrungen). Features werden auf einer oder mehreren Körperflächen platziert, über Parameter modifiziert und abschließend in Bezug zum Körper positioniert. Bestehende Körper (z.B. ein Block) können mittels Features erweitert werden. Die Features sind assoziativ. Komplexe Features können auch durch Kombination einfacherer Features erzeugt werden (ohne Technologie). Komplexe Features enthalten teilweise technologische Informationen (z.B. bei Bohrungen). Features werden auf einer oder mehreren Körperflächen platziert, über Parameter modifiziert und abschließend in Bezug zum Körper positioniert. Bestehende Körper (z.B. ein Block) können mittels Features erweitert werden. Eigenschaften von Features Quelle: Abramovici, ITM Bochum, Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung

107 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 107 Hierarchisches Datenschema der Features Spezifische Features Generische Features Eigenschaften Durchgangsbohrung Öffnungsfläche 1 Öffnungsfläche2 Mantelfläche Durchbruch Zylinder r h 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung (Anwendungs)spezifische Features: definieren die Attributierung für einen spezifischen Anwendungsbereich. Generische Features (Formelemente): beschreiben die Attributierung aus einer Sicht, z.B. Konstruktion, allerdings anwendungsunabhängig.

108 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 108 Feature-Arten (1) Features können als Informationsträger im 3D-Modell genutzt werden zum Speichern von geometrischen und Prozessinformationen. Man kann unterschieden werden zwischen allgemeinen Features und spezifischen Features. -Allgemeine Features: können in jedem Kontext verwendet werden (z.B., eine Bohrung). -Spezifische Features: können nur in einem spezifischen Kontext genutzt werden. Meistens haben solche Features dieselbe Form wie allgemeine Features, doch für bestimmte Modellierungsaufgaben können sie viel effizienter eingesetzt werden als die allgemeinen Features (z.B.: Einspritzbohrung). 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung Quelle: Michelle Prieur, Functional Elements and Engineering Template-based Product Development Process, 2006

109 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 109 Feature-Arten (2) explizit implizit Repräsentation Feature: Paßfedernut F1 Zylinder (5,180,10,...) F2 Zylinder (5,-180,10,...) F3 Kreis (5,180,...) F4 Ebene (40,10,0,...) F5 Kreis (5,-180,...) F6 Ebene (40,0,10,...) F7 Ebene (40,0,10,...) F7 F2 F5 F4 F6 F3 F1 Feature : Paßfedernut alle Informationen z.B. Radius = b/2 sind für das Feature implizit definiert 50mm 10mm (0,0,0) Länge Breite Höhe Position Orientierung : : : : : l h b einfach zusammengesetzt Muster bildend Komplexität 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung Quelle: Abramovici, ITM Bochum, 2005 Features können klassifiziert werden: nach ihrer Komplexität (einfach, zusammengesetzt, musterbildend) nach ihrer Repräsentation (explizit und implizit).

110 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 110 Feature-Arten (3) Feature-Arten: -Form Features, -Semantic Features, -Compound Features, -Operation Features, -Enumerative Features. Form Features bilden eine Gruppierung geometrischer Elemente ohne Zusatzinformationen, die dieser Geometrie eine technische oder anwendungsspezifische Bedeutung (Semantik) geben. Semantic Features sind Ergänzungen von Form Features um die entsprechende Semantik (technische Bedeutung). Compound Features sind Kombinationen mehrerer Features. Operation Features hängen mit einem Bearbeitungsschritt zusammen, z. B. Abrundungen und Fasen. Enumerative Features stellen nach beliebigem Muster, z.B. kreisförmig oder rechteckig, mehrfach angeordnete Objekte dar. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung Quelle: DiK, TU Darmstadt

111 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 111 Klassifizierung von Form Features Volumetrische Form Features Form Feature BasisvolumenPositives Volumen Negatives Volumen VorsprungVerbindungVertiefungDurchbruchHohlraum Flächen- Features Muster Form Features 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung Volumetrische Form Features werden beschrieben durch Basisvolumen und ein positives Volumen oder ein negatives Volumen: -Positives Volumen: Vorsprung oder Verbindung -Negatives Volumen: Vertiefung, Durchbruch oder Hohlraum.

112 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 112 Feature-basiertes Design (2) Feature-basiertes Design bedeutet Geometrieänderung durch das Hinzufügen zum Modell von Features mit positiven Volumen oder mit negativem Volumen. Beim Feature-basierten Design beschreibt der Konstrukteur das Produkt direkt mit Features. Zur Definition eines Feature werden im Allgemeinen folgende Schritte durchgeführt: -Auswahl eines vordefinierten Feature oder Definition eines neuen Feature, das die gewünschte Funktion erfüllen kann -Zuteilung der Attribute (Parameter) dem Feature -Bestimmung der Position des Feature auf dem Grundkörper -Erzeugung der funktionellen Gestalt auf dem Grundkörper anhand der Semantik des Features -Definition von Toleranzen und Oberflächengüte des Feature. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung

113 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 113 Feature-basierte CAD/CAPP-Kopplung Die rechnergestützte Konstruktion kann mit der Arbeitsplanung verknüpft werden durch: -Feature-Erkennung (Elementerkennung, Feature Recognition) -Feature-basiertes Design. Feature-Erkennung: Geometrieanalyse mit automatischer Erkennung der Planungselemente. Das Geometrieelement aus dem CAD-System wird analysiert, Teilbereiche werden in Muster aufgefasst und mit vorgegebenen Mustern von Planungselementen (z.B. Bohrungen oder Nuten) verglichen. Zweck der Feature-Erkennung ist die Identifizierung von Elementen, für die es vordefinierte Fertigungsverfahren gibt. Feature-basiertes Design: ein Satz Konstruktionselemente (Features) ist verfügbar und wird zum Aufbauen des Werkstückmodells genutzt. Feature-Erkennung und Feature-basiertes Design sind keine Gegenspieler, sondern ergänzen sich gegenseitig zu einem integrierten Ansatz, der den Designer ermöglicht, intuitiv mit Features und Volumenprimitiva zu konstruieren. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung

114 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 114 Feature-Transformation Eine Feature-Transformation ist notwendig, wenn innerhalb der Prozesskette unterschiedliche Feature-Arten bzw. verschiedene Feature-Bibliotheken benutzt werden, z. B. die Übertragung eines Konstruktions-Features in ein Fertigungs-Feature. Die Erzeugung von Features von verschiedenen Produktions- bereichen kann durch Abbildung oder durch Zerlegung und/oder Kombination von Konstruktionsfeatures erfolgen. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Feature-basierte Modellierung

115 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 115 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.3.1 Makrotechnik3.2 Geometrische Modellierung3.3.2 Variantentechnik3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung3.3.3 Parametrische Modellierung3.3.4 Feature-basierte Modellierung3.3.5 Knowledge Based Engineering 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

116 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 116 Wissensbasierte Beschreibung eines Produktes Beschreibung eines Produktes Parametrisch Constraints- basiert Feature-basiert Lösungsmuster- basiert Grad der Abbildung von Konstruktionswissen Gestaltmodellierung Gestaltmodellierung + Ansätze für die weiteren Konstruktions- phasen Alle Konstruktionsphasen, Stand der Forschung 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Knowledge Based Engineering

117 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 117 Knowledge-Based Engineering (KBE) (1) Unter Knowledge-Based Engineering (KBE) versteht man die Integration von Fachwissen, Regeln und Prozessabläufen in den Entwicklungsprozess. KBE erfasst das Wissen über Engineering Prozesse in einer Softwareumgebung. Das eingegebene Wissen, die Informationen sowie die Anforderungen werden automatisch analysiert und klassifiziert, Engineering Lösungen werden erstellt. KBE trägt dazu bei, dass der Produktentwickler von Routineaufgaben entlastet wird und das kreative und iterative Arbeiten gefördert wird. Das Spektrum des KBE reicht von einfachen Tabellen über Makros und Applikationen bis zu aufwändigen, regelbasierten Anwendungen, so dass komplexe Entscheidungswege nachvollziehen bzw. vollständige Konstruktionsaufgaben automatisch durchgeführt werden können. Die Wiederverwendung von existierendem Wissen ist abhängig von den Möglichkeiten der Wissensintegration und -speicherung. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Knowledge Based Engineering

118 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 118 Knowledge-Based Engineering (KBE) (2) KBE ist aus der Notwendigkeit entstanden, zusätzliche produktbezogene Informationen sowie allgemeines Wissen aller Konstrukteure und Entwickler über den gesamten Produktlebenszyklus in das CAD-Modell zu integrieren. Das Wissen wird in den Komponenten des CAD-Modells als Parameter, Constraints und (Wirk-)Regeln gespeichert, die zusammen ein Ganzes bilden, das Design case (Konstruktions- Sachverhalt) genannt wird. Der Design case ermöglicht die schnelle Erzeugung von Varianten des Modells durch verschiedene Varianten und gültige Kombinationen der Komponenten. Das Wissen beschreibt das Verhalten der Konstruktionsobjekte (die Komponenten eines CAD-Modells) in der Konstruktionsumgebung und enthält vordefinierte Methoden für die Transformation der Komponenten, um Zwischenstationen mit zeitaufwändiger Entscheidungstreffung zu vermeiden. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Knowledge Based Engineering Quelle: Michelle Prieur, Functional Elements and Engineering Template-based Product Development Process, 2006

119 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 119 Knowledge-Based Engineering (KBE) (3) In Komponenten und Teilen wird mittels KBE die Produkt- und Konstruktionslogik des CAD-Modells hinterlegt. Dieses Wissen kann auch in den nachfolgenden Prozessschritten zum Einsatz kommen. Dies ist in allen parametrischen und feature-basierten CAD- Systemen möglich. U.U. soll das im Modell vorhandene Wissen bewusst nicht offengelegt werden, z.B. bei der Weitergabe der Modelle an Kunden und Lieferanten. Moderne CAD-Systeme bieten die Möglichkeit, ein Modell mit einer definierten Belegung der Führungsparameter einzufrieren und die Abhängigkeiten der anderen Parameter von den Führungsparameter und die Berechnungsformeln für die Parameter zu verdecken. Auch Constraints und Wirkregeln können ausgeblendet werden. Desgleichen ist es möglich, die Entstehungshistorie zu verstecken und die Weitergabe von Konstruktionswissen zu vermeiden. 3. Computer Aided Design 3.3 Erweiterte Geometriemodellierung / Knowledge Based Engineering Quelle: Vajna/ Weber, Einführung und Einsatz von CAD-Systemen, 2006

120 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 120 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.2 Geometrische Modellierung3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung Softwarearchitektur Modelliererkerne Schnittstellen 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

121 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 121 2D CAD-Systeme: Die Bauteilgeometrie wird in einem zweidimensionalen Koordinatensystem durch ein- oder zweidimensionale Elemente wie Punkte, Linien, Kurven und Flächen abgebildet. Ein häufig eingesetztes System ist AutoCAD LT von Autodesk. Klassifizierung von CAD-Systemen (1) 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen Grundsätzlich lassen sich CAD-Systeme nach der räumlichen Dimension ihrer Modelle in 2D und 3D Systeme unterscheiden.

122 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 122 3D CAD-Systeme: Das Modell eines Bauteiles/ einer Baugruppe wird in einem dreidimensionalen Koordinatensystem abgebildet und besteht aus ein-, zwei- oder dreidimensionalen Modellelementen wie Punkte, Linien, zwei- und dreidimensonale Kurven, Flächen und Volumenprimitiva (Quader, Zylinder, Kugel, Torus, usw.). Häufig eingesetzte 3D-Systeme sind: -Catia von Dassault Systemes -UG NX von Siemens PLM Software -Pro/Engineer von Parametric Technology Corporation Klassifizierung von CAD-Systemen (2) 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen

123 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 123 2D CAD-Systeme 2D CAD-Systeme sind Werkzeuge zur Erstellung von technischen Zeichnungen. 2D CAD-Systeme erfordern vom Anwender in hohem Maß die Fähigkeit zur Umsetzung seiner räumlichen Vorstellung auf die 2D-Darstellung und umgekehrt. Meist werden mehrere Ansichten benötigt, um eine Geometrie zu erfassen, bzw. darzustellen. Der Vorteil von 2D CAD-Systemen ist ein geringer Einarbeitungs- aufwand und keine Umstellung der Arbeits-/ Denkweise der Mitarbeiter. 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen

124 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 124 3D CAD-Systeme (1) 3D CAD-Systeme erlauben die Erstellung von Volumenmodellen, z.B. von Bauteilen/Baugruppen, und bieten erweiterte Modellierungstechniken, wie: -Parametrisches Design -Feature-basiertes Design. Modellierung in 3D CAD erfordert eine geänderte Denk- und Arbeitsweise der Mitarbeiter Das Volumenmodell kann in den nächsten Phasen des Produktenstehungsprozesses genutzt werden, z.B.: -Programmierung der Fertigungsmaschinen (CNC) -Berechnung und Simulation: z.B. Finite Elemente Methode (FEM), Mehrkörpersystem (MKS) -Montageplanung und Digital Mock-Up (DMU). 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen

125 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 125 3D CAD-Systeme (2) Die Erstellung eines Modells in 3D CAD erfordert zusätzliche Arbeitsschritte, so dass nicht unbedingt ein Zeitgewinn gegenüber 2D CAD zu erreichen ist. Der Hauptvorteil liegt in der Möglichkeit der Weiter- verwendung des Modells. Modellieren in 3D unterscheidet sich grundlegend vom Modellieren in 2D. Z.B. spielt die Reihenfolge bei der Erstellung der 3D-Modellelemente beim Ändern von Elementen eine wichtige Rolle. 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen

126 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 126 Unterschied zwischen 2D- und 3D-Arbeitsweise (1) Fertigung Berechnung Prototyp Manuelle Umsetzung 2D Zeichung Zeichnen 3D Modell Schnitt- stellen CNC-ModellCNC-Programm Berechnungsmodell FEM-Modell Digital Mock Up DMU-Modell Modellieren 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen

127 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen Unterschied zwischen 2D- und 3D-Arbeitsweise (2) Die Idee zu einem neuen Produkt entsteht in der Vorstellung des Konstrukteurs immer erst in 3D. Die vom Produkt erstellte technische Zeichnung dient dazu, die Geometrie der Bauteile und Baugruppen zu dokumentieren, und die Information der Gestalt den späteren Produktlebensphasen zur Verfügung zu stellen. Hinsichtlich der Geometrieinformationen des Produktes kann man in diesem Prozess an zwei Stellen mit Informationsverlust rechnen: -Erstellung einer Zeichnung: Bei der Erstellung einer Zeichnung liegt der Schwerpunkt nicht bei der Produktgeometrie selbst, sondern in der Abbildung der 3D-Gestalt des Produktes im zweidimensionalen Raum. -Interpretation einer Zeichnung: In der Konstruktionsphase und auch in den späteren Produktlebensphasen kann man nur auf die technische Zeichnung zugreifen, d.h. um die Produktgeometrie in 3D abbilden zu können, muss man über technisches Zeichnen-Wissen verfügen. Weitere wesentliche Nachteile dabei sind, dass das kooperative Arbeiten zwischen unterschiedlichen Disziplinen erschwert wird, und die Visualisierung der Produktdaten in 3D praktisch nicht durchführbar ist.

128 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen Unterschied zwischen 2D- und 3D-Arbeitsweise (3) Ganz anders ist es bei der 3D- Arbeitsweise, die Gestalt wird direkt im dreidimensionalen Raum modelliert, so dass der Konstrukteur sich nicht mit der zweidimensionalen Abbildung des Produktes befassen muss. Weil die Produktgeometrie sofort in 3D visualisiert wird, kann der Entwickler schneller Fehler erkennen und beheben. Ebenfalls ist die Produktgeometrie für das kooperative Arbeiten sofort verfügbar, somit treten keine Interpretationsfehler auf.

129 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 129 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.2 Geometrische Modellierung3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung Softwarearchitektur Modelliererkerne Schnittstellen 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

130 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 130 Architektur von CAD-Systemen (1) 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen Auf logischer Ebene besteht die Software von CAD-Systemen aus drei Schichten: aus der Kommunikationsschicht, der Methodenschicht und der Datenschicht. Die Datenschicht hat die Aufgabe, diejenigen Daten, die die technische Lösung beschreiben, strukturiert zu speichern und zu verwalten. Die technische Lösung beinhaltet beispielsweise Informationen über die Gestalt, die Darstellung und die Technologie eines Produktes. In der Datenschicht wird der elementare Zugriff auf die Daten festgelegt. S1: Benutzungsschnittstelle S2: Methodenaufrufschnittstelle S3: Grafikschnittstelle S4: Modellierungsschnittstelle S5: Datenaustausch-/ Programmierschnittstelle S6: Datenschnittstelle S2 Modelliererkern S6 S1 S5 Modul 1... Grafische Bedienoberfläche S3 Datenmodell Eingabe-/ Ausgabe-Steuerung Modul 2 Modul n S4 Kommunikationsschicht Methodenschicht Datenschicht

131 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 131 Architektur von CAD-Systemen (2) 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen Die Methodenschicht verwaltet, steuert und überwacht alle Methoden zur Erstellung, Berechnung, Verarbeitung und Verwaltung einer technischen Lösung. Eine Methode wird hierbei als ein Algorithmus verstanden, der in einer programmtechnischen Realisierung verfügbar ist. Eine Methode hat ein einheitliches Ansteuerungsverhalten und gehorcht bestimmten Mechanismen zur Parameterein- und -ausgabe. Derjenige Teil der Methodenschicht, welcher für die Modellierung der Bauteilgestalt zuständig ist, wird meist als Modelliererkern bezeichnet. S1: Benutzungsschnittstelle S2: Methodenaufrufschnittstelle S3: Grafikschnittstelle S4: Modellierungsschnittstelle S5: Datenaustausch-/ Programmierschnittstelle S6: Datenschnittstelle S2 Modelliererkern S6 S1 S5 Modul 1... Grafische Bedienoberfläche S3 Datenmodell Eingabe-/ Ausgabe-Steuerung Modul 2 Modul n S4 Kommunikationsschicht Methodenschicht Datenschicht

132 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 132 Architektur von CAD-Systemen (3) 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Softwarearchitktur von CAD-Systemen Das Kommunikationsmodul verwaltet, steuert und überwacht alle Methoden zur Dialogführung mit dem Benutzer. Aufgaben der Dialogführung sind die Analyse von Benutzereingaben auf Vollständigkeit und Korrektheit sowie die Steuerung der Ein- und Ausgabefunktionen. Wichtiger Bestandteil des Kommunikationsmoduls ist eine grafische Bedienoberfläche für die Darstellung der technischen Lösung auf dem Bildschirm. S1: Benutzungsschnittstelle S2: Methodenaufrufschnittstelle S3: Grafikschnittstelle S4: Modellierungsschnittstelle S5: Datenaustausch-/ Programmierschnittstelle S6: Datenschnittstelle S2 Modelliererkern S6 S1 S5 Modul 1... Grafische Bedienoberfläche S3 Datenmodell Eingabe-/ Ausgabe-Steuerung Modul 2 Modul n S4 Kommunikationsschicht Methodenschicht Datenschicht

133 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 133 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.2 Geometrische Modellierung3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung Softwarearchitektur Modelliererkerne Schnittstellen 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

134 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 134 Modelliererkerne (1) Der Modelliererkern stellt die Basisfunktionen für die Erzeugung, Manipulation, Analyse und Visualisierung von 3D-Geometrie eines CAD-Modells bereit, wie: -erzeugen, löschen oder die logische Verknüpfung von Modellelementen, -erzeugen und verwalten der Geometrie und Topologie eines Körpers, -validieren der Topologie eines Körpers. Modelliererkerne (Beispiele) - ACIS von Spatial Technology - Parasolid von Unigraphics - GRANITE von PTC - OpenCASCADE (open Source) von Open CASCADE S.A. - … 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Modelliererkerne von CAD-Systemen

135 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 135 Modelliererkerne (2) In heutigen 3D-CAD-Systemen wird vorwiegend die Boundary Representation (B-Rep) Modellierungsmethode oder Hybride Modellierungsmethoden eingesetzt. Da die Entwicklung eines leistungsfähigen Modellierers einen erheblichen Entwicklungsaufwand darstellt, sind viele Hersteller von CAx-Systemen dazu übergegangen, den Geometriemodellierer als Modul dazuzukaufen. Über eine API (Application Programming Interface) lassen sich solche Modelliererkerne in das CAD-System einbauen. Die APIs sind Benutzerschnittstellen zu dem Modelliererkern. Auf dem Markt sind verschiedene Modelliererkerne verfügbar, z.B. -OpenCASCADE: 1999 als Quellcode von CAS.CADE von Matra Division -Acis: von der Firma Spatial Technologies (Teil vom Dassault-Konzern) -Catia Geometric Engine: von Dassault, Kern von CATIA V5 -Parasolid: von UGS, Kern von Unigraphics, SolidEdge und Solidworks. 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Modelliererkerne von CAD-Systemen

136 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 136 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung2. Product Lifecycle Management3. Computer Aided Design4. Computer Aided Engineering 3.1 Einführung3.2 Geometrische Modellierung3.4 CAD-Systemarchitektur3.5 Kommerzielle Systemlösungen3.3 Erweiterte Geometriemodellierung Softwarearchitektur Modelliererkerne Schnittstellen 5. Computer Aided Manufacturing Inhalt Vorlesung

137 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 137 Datenaustausch über externe Schnittstellen (1) Vertikaler Datenaustausch: Datenaustausch zwischen CAx-Systemen mit gleicher Aufgabenstellung. Horizontaler Datenaustausch: Datenaustausch zwischen CAx-Systemen mit verschiedener Aufgabenstellung. CAE CAD Die Modellrepräsentationen der Systeme sind verschieden. Deshalb wird ein Modell beim Austausch verändert: -Datenaustausch des Gesamtmodells ist i.d.R. nur unidirektional möglich -Bidirektionaler Datenaustausch ist nur über eine gemeinsame Teilmenge möglich und kommt zustande durch bidirektionales Mapping der Datenstrukturen. 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Schnittstellen von CAD-Systemen

138 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 138 Datenaustausch über externe Schnittstellen (2) Der Datenaustausch ist deshalb unidirektional, weil er mit Informationsverlust behaftet ist und unvollständig ist. Aufgrund der Unvollständigkeit der übertragenen Daten kann der Datenaustausch nur mit großem Aufwand bidirektional implementiert werden. Die Unvollständigkeit ist damit zu begründen, dass jeweils nur eine Teilmenge eines Modells von einem System in das andere übertragen werden kann, da diese Systeme aufgrund unterschiedlicher Aufgabenbereiche mit verschiedenen Modellrepräsentationen arbeiten. Dies bedeutet, dass ein Modell für eine Übertragung reduziert und modifiziert wird. In einem anderen System werden die übertragenen Eigenschaften verändert und um neue Eigenschaften ergänzt. Die Abbildung dieser im ursprünglichen System ist oft nicht trivial. 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Schnittstellen von CAD-Systemen

139 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 139 Datenaustausch über externe Schnittstellen (3) Die Datenübertragung findet heute meist offline statt, d. h. es werden Dateien in definierten und für das Zielsystem aufbereiteten Formaten ausgetauscht. Nachträgliche Änderungen am Originalmodell werden nicht berücksichtigt. Diese sind also Kopien von Originalmodellen, so dass Daten redundant vorliegen und Konsistenzprobleme auftreten können. Daher müssen Abhängigkeiten zwischen den Originalen und ihren Kopien in PDM-Systemen verwaltet werden (Versionsverwaltung). CAD II Exportformat Import Originalformat I Originalformat II CAx I CAx II 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Schnittstellen von CAD-Systemen

140 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 140 Datenaustausch über externe Schnittstellen (4) Der Datentransfer kann in einigen Fällen auch online stattfinden: -Die Dateien werden in das Format des anderen System konvertiert. -Es besteht eine bidirektionale Verknüpfung zwischen den beiden Systemen, so dass Änderungen an einem Format sofort auch ins andere Format transformiert und an das andere System übertragen werden. -Dadurch wird das Redundanzproblem der Daten gelöst. 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Schnittstellen von CAD-Systemen CAx I CAx II Format I Format II

141 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 141 Austausch über neutrale Datenformate (1) Auf dem Bild ist eine Darstellung des Datenaustausches zwischen verschiedenen Datenformaten zu erkennen. Die Schnittstelle mit einer eigenen Modellrepräsentation erfordert Programme zur Transformation der Modelle. Diese Programme werden entsprechend der Richtung der Transformation Prä- und Postprozessoren genannt. Neutrale Datenformate: auf Basis eines Produktdatenmodells werden diese Datenformate in der Praxis für einen Datenaustausch eingesetzt. 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Schnittstellen von CAD-Systemen Post- prozessor Pr Post- prozessor Präprozessor

142 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 142 Austausch über neutrale Datenformate (2) Neutrales Format Direkter Austausch zwischen n CAD- Systemen erfordert n-1 Schnittstellen pro System Bei bidirektionalen Schnittstellen gibt es keinen Informations- verlust, online-Arbeiten ist möglich. Post- prozessor Präprozessor PostprozessorPräprozessor Austausch über ein neutrales Datenformat zwischen n CAD- Systemen erfordert 1 Schnittstelle pro System. Es kann zu Datenverlust kommen. A D BC A D BC A D BC A D bc D A B C D A-B A-C B-D C-D A b c D A-b A-c b-D c-D Mapping 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Schnittstellen von CAD-Systemen

143 Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 09/10 - Folie 143 Standard-Schnittstellen Die Standard-Schnittstellen zur Anwendungsintegration finden Verwendung im Austausch von Daten aus rechnerinternen Modellen zwischen CAD- Systemen sowie der Kopplung von CAD-Systemen mit anderen DV- Systemen. Ziel ist der durchgängige Informationsaustausch und die Nutzung von systemunabhängigen Modelldaten durch verschiedene DV-Systeme. Schnittstellen zum Austausch von produktdefinierenden Daten: -Initial Graphics Exchange Specification (IGES) Übertragung von Geometriedaten. -VDA-Flächen-Schnittstelle (VDA-FS) Speziell zur Übertragung von Freiformflächen. -Drawing Exchange Format (DXF) Zur Übertragung von 2D-Daten. -Standard for the Exchange of Product Model Data (STEP) Internationale Normung (ISO 10303) zur Abbildung von Produktdaten, hierbei werden Untermengen für die verschiedenen Branchen abgefasst: Elektrotechnischer Anlagenbau (AP 212) Automobilbranche (AP 214). 3. Computer Aided Design 3.4 CAD-Systemarchitektur / Schnittstellen von CAD-Systemen


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