Virtual Engineering I Computer Aided Design Zusammenfassung Prof. Dr. Dr.- Ing. Jivka Ovtcharova...

Virtual Engineering I

Computer Aided Design

Zusammenfassung

Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova

Dipl. Wi.-Ing. Dan Gutu

WS 2009/10

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

3.1.1 Historische Entwicklung

3.2 Geometrische Modellierung

3.3 Erweiterte Geometrie-modellierung

3.1.2 Begriffsdefinition

3.4 CAD-Systemarchitektur

3.5 Kommerzielle Systemlösungen

4. Computer Aided Manufacturing


Virtual Engineering aus Prozesssicht

Globales Produktprogramm

1. DEFINITION/ MODIFIKATION1. DEFINITION/ MODIFIKATION

PRODUKTSTRUKTUR

Chassis & Underbody

Front Passenger

Cockpit & I/P

Vehicle

10Pow ertrain

15

Pow ertrain Integration

20

Chassis

30

HVAC & Powertrain Cooling

40

Interior

50 Body Structure

55 Body Closures

60

Exterior

70 Occupant & Vehicle Electrical/ Electronic

40.01I/P & Console

40.02 Seats

40.03 Interior Trim

40.03.01

Quarter & Garnish Trim

40.03.02

Roof Trim

40. 03. 02.01 Sub str ate40. 03. 02.02 Tr im Cover40. 03. 02.03 He ad I mpact Coun ter -

measure P rovi sions

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Measure40. 03. 02.07 Co at Hooks40. 03. 02.08 O verhe ad C onsole

40. 03. 02.09 HV AC D ucts

40.03.03Floor Trim

40.03.04

Rear Compartment Trim40.03.05

Rear Window Trim Panel40.03.06

Door: Liftgate & Endgate Trim

40.04 Interior Lighting

40.05 Acoustic Treatments

40.06 Restraints

40.07Owner Information& Labels

Zusammenbau, Positionierung undOrientierung des Fahrzeuges im 3D-Raum

PHYSIKALISCHE SICHTPHYSIKALISCHE SICHT

Hierarchische Einordnung der Fahrzeugteile, -komponenten und -systeme nach deren Funktion

FUNKTIONALE SICHTFUNKTIONALE SICHT

Einordnung der Fahrzeugteile,-komponenten und –systeme nach

der Unternehmensstruktur

ORGANISATORISCHE SICHTORGANISATORISCHE SICHT

Functional Baseline01 Air Induction02 PT-Driver Interf ace03 Exhaust04 Driveline05 Fuel Storage &

Handling06 Power Take-off

Organization Table

Consolidations

Allocations

P M T

P M T

P M T

S M T

P M T

P M T

P M T

P M T

S M T

X X X

X X X

X X X

P DT

Lookup

„Master“

derived on demand

ERGEBNISAUFNAHME

8. ÄNDERUNGEN ÜBERNEHMEN

8. ÄNDERUNGEN ÜBERNEHMEN

Statusbericht, Aktionsplan

VIRTUELLES PRODUKT

6. VIRTUELLE VALIDIERUNG

6. VIRTUELLE VALIDIERUNG

Virtuelle Validierung mit DMU / VP

PLM System

Digitale Validierung mit CAx-Daten

3. DIGITALE VALIDIERUNG

3. DIGITALE VALIDIERUNG

DIGITALES PRODUKT VIRTUELLES PRODUKT

7. VIRTUELLE FABRIK

7. VIRTUELLE FABRIK

Virtuelle Fertigungs-planung mit DMU / VP

DIGITALES PRODUKT

Digitales Produktmodell zum bestimmten Entwicklungsstand

2. KONFIGURATION/ ERSTELLUNG 2. KONFIGURATION/ ERSTELLUNG

...

...

...

Powertrain

Powertrain Integration

Steering

Limousine

Caravan

Monocab

Hinterachse

Vorderachse

Suspension

Tires, Wheels, Trim

Brakes

Frame Assembly

Mounts

Chassis Tools

ChassisChassis

HVAC + PT Cooling

Vehicle

Virtuelles Produktmodell im Kontext des gesamten Produktes

5. VIRTUALISIERUNG5. VIRTUALISIERUNG

VIRTUELLES PRODUKT

4. DIGITALE FERTIGUNGSPLANUNG

4. DIGITALE FERTIGUNGSPLANUNG

Digitale Fertigungsplanung mit CAx-Daten

DIGITALES PRODUKT

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Wiederholte Iterationen

CAD/CAE/CAM System VR/AR/MR-System


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/EinkaufReales

Produkt

FertigungsmodellBerechnungsmodellCAD-ModellAuslegungsmodellDesignmodell

Integriertes Produktmodell

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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, 2005

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1. Einleitung




Inhalt Vorlesung

3.1 Einführung

3.1.1 Historische Entwicklung


3.3 Erweiterte Geometrie-modellierung

3.1.2 Begriffsdefinition





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

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Produktinformationen im Produktmodell

Produktmodelle

Produktdefinitionz.B. über Benennung: VentilgehäuseIdentifizierende Nummer: 1234509876Klassifizierende Nummer: VE-0815-4711

Produktrepräsentationz.B. als

CSG-StrukturB-Rep-Struktur

Feature-Struktur

Produktpräsentation

z.B. als schattierte Darstellung, Stückliste oder Technische Zeichnung

Quelle: DiK, TU Darmstadt

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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

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o.Prof. Dr. Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova - Virtual Engineering I - Kap. 3 - WS 06/07 - Folie 14


ProduktmodelleProduktmodelle




Feature-Struktur




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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).

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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

Produktpräsentation3.

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1. Einleitung


3.1 Einführung

3.2.1 Einführung in die geometrische Modellierung


3.2.2 2D-Geometriemodellierung



3.2.3 21/2 und 3D-Geometriemodellierung

3.2.4 Modellierungsalgorithmen

3.3 Erweiterte Geometriemodellierung

Inhalt Vorlesung





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)

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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.

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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)

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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.

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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.

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Mathematische Beschreibung - Analytisch beschriebene Geometrieelemente

Dimensionalität der Beschreibungselemente (aus analytischer Sicht)

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Punktmodell

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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

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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.

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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 xi gilt F(xi) = f(xi).

„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.


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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

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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.


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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.

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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)


Konsistenzbedingung (Euler-Poincaré-Formel)

V - E + F = 2 · (S - R) + H

Body/Körper

Shell/ Flächen-

verbund (S)

Face/Oberfläche

(F, R)

Loop/Berandungs-

linie (L, H)

Edge/Kante(E)

Vertex/Eck-punkt (V)

geometr.Volumen

Fläche

Linien

Punkt

Topologie GeometrieKörper/

Gegenstand

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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. 223 - 232)

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A

BA

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.

A

BA

BProjektions-zentrum im

Unendlichen

Projektions-ebene

Projektoren

Parallelprojektion

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• 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

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1. Einleitung


3.1 Einführung









Inhalt Vorlesung





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.C

om

pu

ter

Aid

ed D

esig

n

3.2

Geo

met

risch

e M

odel

lieru

ng /

3.2.

2 2

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eom

etrie

mod

ellie

rung


GeometriemodelleGeometriemodelle

Punktmodelle(Point)

Flächenmodelle(Surface)

2D-Modelle





3D-Modelle



GeometriemodelleGeometriemodelleGeometriemodelleGeometriemodelle

Punktmodelle(Point)

Punktmodelle(Point)



2D-Modelle









3D-Modelle

TranslationsmodelleTranslationsmodelle RotationsmodelleRotationsmodelle TrajektionsmodelleTrajektionsmodelle


• hoher Gesamtaufwand zur Modellierung komplexer räumlicher Objekte

• eingeschränkte Visualisierungs- und Darstellungsmöglichkeiten räumlicher Objekte

• unvollständige Geometrieinformationen für nachgelagerte Berechnungs- oder Anwendungsprogramme

Nachteile


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.C

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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:

1,0,)( 012

23

3 tatatatatp

Anhand von den Rahmenbedingungen:

0)0( ap

3210)1( aaaap

1)0( ap t

321 32)1( aaap t

erhält man dann die Lösung für die Konstanten:

)0(0 pa

)0(1

tpa

)1()0(2)1(3)0(32

tt ppppa

)1()0()1(2)0(23

tt ppppa

: Startpunkt

: Endpunkt

)0(p

)1(p)0(tp

)1(tp

)0(p

)1(p

)0(tp

)1(tp

: Tangente des Startpunkts

: Tangente des Endpunkts

3.C

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3.2.

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Vor- und Nachteile von Hermite-Kurven3.

Co

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3.2.

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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


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-PolygonBézier-PunktBézier-Kurve

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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 bi = [ xi, yi, zi ] 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.

]1,0[,)1()(

ttt

i

ntB inin

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d tBbtpRp0

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3.C

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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.

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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.

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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

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,)()(0

mi

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niii tNwbtp

)](),(),([)( tztytxtp

],,[ iiii zyxb

mwwww ,,, 10

tN ni



Eigenschaften von B-Spline-Kurven3.

Co

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• 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 ti ), 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.

,...],,[ 210 tttt


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.

• wi dient als Formkontrollparameter:

- wi > 1: Kurve nähert sich dem

Kontrollpunkt

- wi < 1: Kurve entfernt sich von dem

Kontrollpunkt.

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Vorteile:

• NURBS Kurven sind flexibler

• Eine exakte Darstellung eines Kegelschnittes ist ab Ordnung k >= 3 möglich

• Durch die Gewichte existiert eine weitere Gestaltungsmöglichkeit.

b1b2

b3

b4b5

b0=b6


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.

Co

mp

ute

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Des

ign

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3.2.

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mod

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Rechnerinterne Repräsentation von 2D-Geometriemodellen

P2 P3

L2L1

P1

a) Hierarchische Struktur

b) allgemeine Netzwerkstruktur

c) relationales Datenbankmodell

Beispiel: zwei Linien

EndpunktP31L2

EndpunktP21L2

EndpunktP22L1

EndpunktP12L1

Attribut (z.B. Pkt.-Art)

NameAttribut

(z.B. Dicke)Name

PunkteLinien

P2 P3

L2

P1 P2

L1

P1 P2

L1

P3

L2

P2P3

L2

L3

L4

P1P4 L1

b) relationales Datenbankmodell

a) allgemeine Netzwerkstruktur

Beispiel: Viereck

LinienFläche Punkte

NameName NameAttributAttribut Attribut(z.B. Dicke) (z.B.Pkt-Art)

L1F1 1 Endpunkt Schattiert

Endpunkt

Endpunkt

Endpunkt

Endpunkt

Endpunkt

Endpunkt

Endpunkt

P1

L1 1 P2

L2 1 P2

L2

L3

L3

L4

L4

1

1

1

1

1

P3

P3

P4

P4

P1

L1 L4L3L2

F1

P1 P2 P3 P4

F1


3.C

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1. Einleitung


3.1 Einführung









Inhalt Vorlesung





3D-Drahtmodelle: Grundlagen

• leichte Erlernbarkeit (Erweiterung der Zeichnungen mit der 3. Dimension)

• geringe Systemkomplexität

• geringe Anforderungen anRechnerleistung

Vorteile

• keine automatische Erzeugung von Sichtkanten

• keine automatische Schnitterzeugung

• Mehrdeutigkeit der Darstellung

Nachteile

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• 3D-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.


Punktmodelle(Point)


2D-Modelle





3D-Modelle




Punktmodelle(Point)

Punktmodelle(Point)



2D-Modelle









3D-Modelle




3D-Drahtmodelle

3D-Drahtmodelle: Geometrieelemente

Gleiche Repräsentation wie im 2D-Bereich, um die 3. Dimension erweitert:

analytisch nichtbeschreibbar

interpolierte Kurven(z.B. Hermite Kurven)

approximierte Kurven

(z.B. Bézier-, B-Spline-Kurven)

räumliche Kurvenelemente

analytischbeschreibbar

Strecke

Kegelschnitte

...

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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

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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

Volumenmodell Drahtmodell

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Mehrdeutige Interpretation

A B

C D

Modellierung unsinniger Geometriemodelle (keine Konsistenzüberprüfung)


Mehrdeutigkeit von 3D-Drahtmodellen:

• Mehrdeutige Interpretationen wegen mangelnder Informationen.

• Modellierung unsinniger Geometrie möglich, da keine Konsistenzprüfung stattfindet.

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3D-Flächenmodellierung: Grundlagen 3.

Co

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• Eindeutige Darstellung

• Automatisches Ausblenden verdeckter Kanten

• Automatische Erzeugung von Sichtkanten

• Berechnung von Flächeninhalten

• Beschreibungsmöglichkeit komplexerProdukte

• 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


Punktmodelle(Point)


2D-Modelle





3D-Modelle




Punktmodelle(Point)

Punktmodelle(Point)



2D-Modelle









3D-Modelle




3D-Flächenmodellierung: Erzeugung und Manipulation von Freiformflächen (1)

Glätten

Abwicklung

ManipulationsfunktionenKlassische Erzeugungsfunktionen

Durch nicht parallele Kurven

Durch sich kreuzende Kurven

Durch paralleleKurvenfamilien

Durch Punktmengen

Durch Ebenen

Äquidistant im Abstand

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Beispiele

3D-Flächenmodellierung: Erzeugung und Manipulation von Freiformflächen (2)3.

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Regelflächen:

Eine Regelfläche verbindet die entsprechenden Enden zweierbeliebiger Konturen oder Konturzüge durch Geraden miteinander.


gekrümmte Leitkurve

Rotations-fläche

x

y

z

Drehachse

Rotationswinkel

variable Erzeugende

LeitkurveErzeugungs-kurve (linear variabel)

LeitkurveErzeugungs-kurve

Translationsfläche (Sweep-Flächen)gerade Leitkurve

Leitkurve

Erzeugungs-kurve

3D-Flächenmodellierung: Erzeugung und Manipulation von Freiformflächen (3)3.

Co

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• 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.


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.

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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.

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3D-Flächenmodellierung: Hermite- Freiformflächen

u

v

yx

z)0,1(,vuP

),1( vuP

)0,1(vP

)0,1( vuP

)1,1(,vuP

)1,1(uP

)1,1(vP

)1,1( vuP

)0,( vuP

)1,( vuP

)1,0(,vuP )1,0(uP

)1,0(vP

)1,0( vuP)0,0( vuP),0( vuP

)0,0(vP

)0,0(uP

)0,0(,vuP

)0,1(uP

3

0,

3

0

),(j

j

jiji

i

i

vuavup

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 vvP

uP

,

Twistvektoren: zweite Ableitung nach u und vvuP ,


• Die Hermite-Flächen basieren auf der gleichen Mathematik und auf den gleichen Verfahren wie die Hermite-Kurven, wobei ein zweiter Richtungsparameter (neben 0≤u ≤1 jetzt auch 0 ≤ v ≤1) zu berücksichtigen ist.

Flächenelement mit Eckpunkten, Randkurven und Richtungsvektoren in allgemeiner Form

Eine aus Flächenelementen zusammengesetzte Fläche

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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.

nj

j

nj

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mi

i

vBuBbvup0

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]1,0[]1,0[ vundu


3.C

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• 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

nj

j

nj

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mi

ivNuNwbvup

0,,

0)()(),(

]1,0[]1,0[ vundu

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3.2.

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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.C

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und

3D-G

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etrie

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ellie

rung


3D-Flächenmodellierung: Rechnerinterne Repräsentation von 3D – Flächenmodellen

Fläche Kurve Punkte

Name Attr. Typ Name Attr. Typ Name Attr.

F2

F1

schraffiert

schattiert

Frei-form-fläche

Frei-form-fläche

K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

P1

P2

P3

P4

P5

P6

1

1

1

1

111

EckpunktEckpunkt

Eckpunkt

Eckpunkt

Eckpunkt

Eckpunkt

B-SplineB-Spline

B-SplineB-Spline

B-Spline

B-SplineB-Spline

P1K1 P2 P6

P5P3

K3

P4

K2K4

K5

K6

K7

F1

F2

3.C

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mod

ellie

rung



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 Modellierungkomplexer Objekte

Nachteile

• schwerere Erlernbarkeit (neue Konstruktionstechniken)

• hohe Systemkomplexität

• hohe Rechneranforderungen

• noch keine flächendeckende Verbreitung

3.C

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mod

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rung

Anwendung

• Allgemeine Maschinenbaukonstruktion

• Bewegungssimulation

• Realitätsnahe Visualisierung von Objekten

• Kollisionsuntersuchungen



Punktmodelle(Point)


2D-Modelle





3D-Modelle




Punktmodelle(Point)

Punktmodelle(Point)



2D-Modelle









3D-Modelle




HybrideVolumenmodelle

Modelle mit generativer

Primärstruktur und

akkumulativer

Sekundärstruktur

Qu

ell

en

:

DiK

, T

U D

arm

sta

dt,

Ab

ram

ovi

ci,

ITM

Bo

chu

m,

20

05

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.

Co

mp

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3.2

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Profilmodelle (Sweep-/ Swing-

Modelle)

• Translationsmodelle • Rotationsmodelle • Trajektionsmodelle


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.C

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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.

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• Analytisch beschreibbar

• Analytisch nicht beschreibbar

• Polyedrisch

• Offen (Non-Manifolds)




• Polyedrisch



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.

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• Polyedrisch





• Polyedrisch



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

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• Polyedrisch





• Polyedrisch


Die Abgeschlossenheit und Konsistenz der Modelle wird mittels Algorithmen überprüft.



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.



• Grundkörpervolumenmodelle

• Halbraummodelle




• Halbraummodelle

Objekt CSG-Datenstruktur

U

-

U - : Verknüpfungsoperationen

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• Volumenprimitiva:

- Quader,

- Zylinder,

- Kegel (Kegelstumpf),

- Kugel,

- Torus.

• Halbräume:

- Oberflächenelement mit derAngabe der Materialrichtung.

• Nicht-primitive Volumenelemente:

- Teil eines CSG-Gesamtmodells, das wie einVolumenprimitiva behandelt wird.

- Volumenbeschreibung durch eine Flächeund den zugehörige Transformation (Translation, Rotation).

3D-Volumenmodellierung: Volumenelemente und Halbräume




• Halbraummodelle




• Halbraummodelle

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3D-Volumenmodellierung: Halbraummodelle

Aus Halbräumen zusammengesetzter Zylinderkörper

Ebene Halbräume

G

D

A C

E

BF

I

H




• Halbraummodelle




• Halbraummodelle

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.


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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.




• Halbraummodelle




• Halbraummodelle

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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)




• Halbraummodelle




• Halbraummodelle

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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 Modelliererfunktionenauf der BREP bei bidirektionaler Verbindung.

UU B-Rep 1B-Rep 1

B-Rep 2B-Rep 2

UU



Primärstruktur und

akkumulativer

Sekundärstruktur



Primärstruktur und

akkumulativer

Sekundärstruktur

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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.



Primärstruktur und

akkumulativer

Sekundärstruktur



Primärstruktur und

akkumulativer

Sekundärstruktur

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Rechnerinterne Repräsentation von Volumenmodellen

V: VolumenF: Fläche

K: KanteP: Punkt

Hierarchische Struktur

V

F1

K1 K3

P1 P2P3 P3P1 P2

F2

K2

F3 F4

Allgemeine Netzwerkstruktur

V

F1

K1

P1 P2 P3

F2

K2

F3 F4

K3

V

F3

K1

K2

K3

P1

P2

Beispiel einer B-Rep-Modell-Repräsentation


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Vergleich der 3D-Modelle

FunktionKanten-modell

FlächenmodellB-Rep-Modell

CSG-Modell

Hybrid-Modell

verdeckte Kanten

- Bedingt

Schnitte -

Schattierung -

Flächenlinien - -

Freiform-flächen

- -

Explosions-darstellung

- -

Modellhistorie - - -

Bewegungs-analyse

Bedingt


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1. Einleitung


3.1 Einführung









Inhalt Vorlesung





3D-Volumenmodellierung: Mengentheoretische Verknüpfung (Bool‘sche 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.

\

=

\

=

Operation Darstellung BeispieleVereinigung:Logische „ODER“- Verknüpfung. Beide Köper bleiben grundsätzlich erhalten, sie werden über ihre gemeinsamen Volumen zu einem Körper verschmolzen.

=

3. C

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4.

Mod

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salg

orith

men




• Halbraummodelle




• Halbraummodelle



Erzeugung aus Beispiel

Flächen

Volumenelemente

Translation2DGeometrie +

Sweep(Trajektion)

Rotation

Erstellt durch Erzeugungsfunktionen

Erzeugungs- und Manipulationsfunktionen von Volumenmodellen

Funktion vorher nachher

Verrundun- gen

Fasen

Schneiden, Trimmen

Erstellt durch Manipulationsfunktionen

Komplexe Geometriefunktionen (z. B. Tasche, Nut, Einstich, usw.)


3. C

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21/2D-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:


Modelle)

• Translationsmodelle

• Rotationsmodelle

• Trajektionsmodelle


Modelle)

• Translationsmodelle

• Rotationsmodelle

• Trajektionsmodelle

3. C

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4.

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orith

men



1. Einleitung




3.1 Einführung

3.3.1 Makrotechnik


3.3.2 Variantentechnik




3.3.3 Parametrische Modellierung

3.3.4 Feature-basierte Modellierung

3.3.5 Knowledge Based Engineering


Inhalt Vorlesung


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. C

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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 ParametrischeModellierung

Feature-basierte Modellierung

Norm- und Wiederholteileverarbeitung

3. C

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1. Einleitung




3.1 Einführung

3.3.1 Makrotechnik










Inhalt Vorlesung


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. C

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3.3

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3.3.

1. M

akro

tech

nik




1. Einleitung




3.1 Einführung

3.3.1 Makrotechnik










Inhalt Vorlesung


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.

Ers

tellu

ng

sph

ase

Definition derElemente-familie

Variantenprogramm

Programmerzeugung

graphischeBefehlsprozedur

graphische,systemspezifische

Programmiersprachen

externe,systemunabhängige

ProgrammiersprachenSkizzentechnik

Generierung einzelner Element-varianten

Parameter-eingabe

Ablauf desVariantenprogramms

Element-variante 1

Element-variante 2

Element-variante n....

Nu

tzu

ng

sph

ase

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3.3.

2. V

aria

nten

tech

nik



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. C

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tech

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1. Einleitung




3.1 Einführung

3.3.1 Makrotechnik










Inhalt Vorlesung


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

Par

amet

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Ski

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Co

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3. P

aram

etris

che

Mod

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rung

• Ziel der parametrischen Modellierung:

Erzeugung einer änderungsfreundlichen und mathematisch

stabilen Geometrie.



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.

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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.).

L = 2 D

H = 0,75 * L

D = Ø 40

L = 2 D

H = 0,75 * L

L = 2 D

H = 0,75 * L

D = Ø 40

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).

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• 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.

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L = 2 D

H =0,75*L

D = Ø 40

L = 2 DL = 2 D

D = Ø 40



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. C

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3.3.

3. P

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L = 2 D

H =0,75*L

D = Ø 40

L = 2 DL = 2 D

D = Ø 40


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.

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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. C

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Beispiel: Türparametrisierung



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.

Co

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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.

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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.

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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.

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• 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.

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D = Ø 20

D = Ø 40

L = 2 D

H = 0,75 * L

D = Ø 40



• 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.

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1. Einleitung




3.1 Einführung

3.3.1 Makrotechnik










Inhalt Vorlesung


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.

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4. F

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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

Relationen3. C

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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.

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• 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.

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• 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


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Hierarchisches Datenschema der Features

Spezifische Features

Generische Features

Eigenschaften

Durchgangsbohrung

Öffnungsfläche 1

Öffnungsfläche2

Mantelfläche

Durchbruch

Zylinderr

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• (Anwendungs)spezifische Features: definieren die Attributierung für einen spezifischen Anwendungsbereich.

• Generische Features (Formelemente): beschreiben die Attributierung aus einer Sicht, z.B. Konstruktion, allerdings anwendungsunabhängig.


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).

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Quelle: Michelle Prieur, „Functional Elements and Engineering Template-based Product Development Process”, 2006


Feature-Arten (2)

explizit implizit

RepräsentationFeature: 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

F6F3

F1

Feature : Paßfedernut

alle Informationenz.B. Radius = b/2sind für das Feature implizit definiert

50mm10mm10mm(0,0,0)(0,0,0)

Länge Breite HöhePositionOrientierung

:::::

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einfach zusammengesetzt Muster bildend

Komplexität

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Features können klassifiziert werden: • nach ihrer Komplexität (einfach, zusammengesetzt, musterbildend)

• nach ihrer Repräsentation (explizit und implizit).


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.

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Klassifizierung von Form Features

VolumetrischeForm Features

Form Feature

BasisvolumenPositives Volumen Negatives Volumen

Vorsprung Verbindung Vertiefung Durchbruch Hohlraum

Flächen-Features

MusterForm Features

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• 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.


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.

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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.

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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.

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1. Einleitung




3.1 Einführung

3.3.1 Makrotechnik










Inhalt Vorlesung


Wissensbasierte Beschreibung eines Produktes

Beschreibung eines Produktes

ParametrischConstraints-

basiertFeature-basiert

Lösungsmuster-basiert

Grad der Abbildung von Konstruktionswissen

Gestaltmodellierung

Gestaltmodellierung + Ansätze für die

weiteren Konstruktions-

phasen

Alle Konstruktionsphasen

, Stand der Forschung

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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.

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• 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.

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Quelle: Michelle Prieur, „Functional Elements and Engineering Template-based Product Development Process”, 2006



• 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.

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Quelle: Vajna/ Weber, „Einführung und Einsatz von CAD-Systemen“, 2006



1. Einleitung




3.1 Einführung





3.4.1 Softwarearchitektur

3.4.2 Modelliererkerne

3.4.3 Schnittstellen


Inhalt Vorlesung


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.

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Grundsätzlich lassen sich CAD-Systeme nach der räumlichen Dimension ihrer Modelle in 2D und 3D Systeme unterscheiden.


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.

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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.

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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).

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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.

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Unterschied zwischen 2D- und 3D-Arbeitsweise (1)

Fertigung

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Prototyp

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Schnitt-stellen

CNC-ModellCNC-Programm

BerechnungsmodellFEM-Modell

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Modellieren

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• 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.


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• 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.



1. Einleitung




3.1 Einführung









Inhalt Vorlesung


Architektur von CAD-Systemen (1)3.

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• 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: BenutzungsschnittstelleS2: MethodenaufrufschnittstelleS3: Grafikschnittstelle

S4: ModellierungsschnittstelleS5: Datenaustausch-/ ProgrammierschnittstelleS6: Datenschnittstelle

S2

Modelliererkern

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Modul 1 ...

Grafische Bedienoberfläche

S3

Datenmodell

Eingabe-/ Ausgabe-Steuerung

Modul 2 Modul nS4

Kommunikationsschicht

Methodenschicht

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• 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.



S2

Modelliererkern

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Modul 1 ...


S3

Datenmodell


Modul 2 Modul nS4


Methodenschicht

Datenschicht



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• 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.



S2

Modelliererkern

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Modul 1 ...


S3

Datenmodell


Modul 2 Modul nS4


Methodenschicht

Datenschicht



1. Einleitung




3.1 Einführung









Inhalt Vorlesung


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.

- …

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Modelliererkern

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Gestaltmodell


Modul 2 Modul nS4


Methodenschicht

Datenschicht



S2

Modelliererkern

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Modul 1 ...


S3

Gestaltmodell


Modul 2 Modul nS4


Methodenschicht

Datenschicht


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.

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1. Einleitung




3.1 Einführung









Inhalt Vorlesung


Datenaustausch über externe Schnittstellen (1)

• Vertikaler Datenaustausch: Datenaustausch zwischen CAx-Systemen mit gleicher Aufgabenstellung.

• Horizontaler Datenaustausch:Datenaustausch zwischen CAx-Systemen mit verschiedener Aufgabenstellung.

CAECAD

• 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.

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• 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.

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• 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 IIExportformat

Exportformat

ImportOriginalformat I

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• 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.

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Format I Format II


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.

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Post -

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Post -

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Präprozessor


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

Postprozessor Präprozessor

• Austausch über ein neutrales Datenformat zwischen n CAD-Systemen erfordert 1 Schnittstelle pro System.

• Es kann zu Datenverlust kommen.

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Mapping

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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).

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Virtual Engineering I Computer Aided Design Zusammenfassung Prof. Dr. Dr.- Ing. Jivka Ovtcharova...

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