Inhalt 1. Vorbereitungen 1 1.1 Arbeiten mit Pro/MECHANICA 1 1.1.1 Baugruppe vorbereiten 3 1.1.2 Simulationsmodell entwickeln 3 1.1.3 Modell analysieren 4 1.2 Einheitliches Einheitensystem 4 2. Das Modell entwickeln 5 2.1 MOTION aufrufen, das Menü verwenden 5 2.2 Materialeigenschaften zuweisen 7 2.3 Kurvenscheiben & Kurvenscheiben-Kopplung erzeugen 10 2.3.1 Kurvenscheiben 10 2.3.2 Kurvenscheiben-Kopplung 11 2.4 Verbindungen / Gelenke erzeugen 13 2.5 Lasten erzeugen 18 2.6 Antriebe erzeugen 23 2.7 Messgrößen erzeugen 24 2.8 Getriebezahnräder erzeugen 28 2.9 Anfangsbedingungen festlegen 32 2.10 Allgemeines 33 3. Das Motion-Modell analysieren 36 3.1 Eine Analyse definieren 36 3.2 Eine Analyse starten 39 3.3 Die Ergebnisse überprüfen 42 3.3.1 Den Mechanismus in der Animation darstellen 42 3.3.2 Ergebnisdaten graphisch darstellen 44 3.3.3 Ergebnisdaten abfragen und Berichtdateien generieren 50 4. Bemerkungen und Literaturhinweise 51 1. VORBEREITUNGEN 1.1 Arbeiten mit Pro/MECHANICA Mit dem Modul MOTION kann aus einer Pro/ENGINEER Baugruppe ein Modell für einen Mechanismus erzeugt werden. Durch die Arbeit im integrierten Modus wird MOTION über die Benutzerschnittstelle in Pro/ENGINEER aufgerufen. Anschließend können in MOTION folgende Arbeitsschritte an dem Modell vorgenommen werden: * Die korrekte Bewegung des Mechanismus' überprüfen. * Nach Kollisionen zwischen den einzelnen Teilen des Mechanismus' bei der Bewegung suchen. * Bewegungen und Reaktionen ermitteln, die sich aus angewandten Lasten ergeben. * Die Lasten an Lagern und Gelenken ermitteln. * Die Konstruktion des Mechanismus' durch Variieren der Bemaßungen in Pro/ENGINEER und der Designvariablen in MOTION für ein spezielles Konstruktionsziel optimieren. Sowohl in Pro/ENGINEER als auch in MOTION werden Baugruppen verwendet. Jedoch wird dieser Begriff in den beiden Modulen unterschiedlich definiert: * Pro/ENGINEER Baugruppe Hier ist es eine Ansammlung von Bauteilen, die entweder über Randbedingungen für die Platzierung zusammengebaut werden, z.B. gleich- oder gegengerichtet, oder mittels eingesetzter Komponenten, wie z. B. Koordinatensysteme und Punkte, welche im sogenannten Skelett erzeugt werden. * Pro/MECHANICA MOTION Zusammenbauanalyse Hier ist es eine Berechnung der korrekten Position und Ausrichtung jedes Teiles, die auf den zum Verbinden der Teile erzeugten Gelenken basiert. In der errechneten Konfiguration platziert MOTION die Teile und dies ergibt die zusammengebaute Konfiguration des Modells. Die Vorgehensweise in MOTION verläuft für das Modellieren und Analysieren des Mechanismus nach einem bestimmten Ablaufplan: Im Anschluss werden einige Schritte des Schemas genauer erläutert. 1.1.1 Baugruppe vorbereiten Um in MOTION das Modell entwickeln zu können, bedarf es einiger Vorbereitungen schon in Pro/ENGINEER. Diese sind im einzelnen: * Bezugspunkte erzeugen - Diese werden später in MOTION zu Basispunkten bzw. Körperpunkten. Die Punkte sind zum Erzeugen von Gelenken und einigen Lasttypen erforderlich. Es können später auch noch Bezugpunkte in MOTION erzeugt werden, allerdings sind diese dann nur in MOTION nutzbar. Bei Rückkehr zu Pro/ENGINEER verschwinden die in MOTION erstellten Bezugspunkte. * Koordinatensysteme erzeugen - Die benötigten Koordinatensysteme müssen vorher erzeugt werden. In MOTION können sie dazu verwendet werden, Gelenke auszurichten, Vektoren einzugeben und bestimmte Anfangsbedingungen anzugeben. * Baugruppe vereinfachen - Die zu analysierende Baugruppe ist möglicherweise komplexer, als dies für die Berechnung überhaupt nötig ist. 1.1.2 Simulationsmodell entwickeln Nun wird das Simulationsmodell (im weiteren Verlauf mit Modell bezeichnet) mit den nötigen Randbedingungen und Lasten versehen. Hier gibt es wieder einige Schritte, die bearbeitet werden müssen: * Materialeigenschaften zuweisen - Jedem Teil wird eine Materialeigenschaft zugewiesen. Die Daten werden zur Berechnung der Masse des Mechanismus' verwendet. Außerdem lassen sich so u. a. die Massenträgheiten bestimmen. * Verbindungen, Lasten und Antriebe erzeugen - Durch Verbindungen werden die beweglichen Teile miteinander verbunden. Der gebräuchlichste Typ ist das Gelenk, komplexere wie etwa Kurvenscheiben oder Getriebezahnräder stehen auch zur Verfügung. Über Gelenke wird das Modell auch mit der Bezugsbasis, der externen Umgebung, verbunden. Lasten werden in Form von richtungsfesten oder körperfesten Kräften oder Drehmomenten angebracht. MOTION berechnet auch die Reaktionskräfte an Verbindungen. Antriebe können Gelenkachsen auferlegt werden, um einen Mechanismus in Bewegung zu versetzen, auch ohne Last. * Messungen erzeugen - Im Vorfeld können konkrete Messpunkte erzeugt werden, die sich nach der Berechnung abfragen lassen. 1.1.3 Modell analysieren Nach dem Modellieren des Mechanismus folgt die eigentliche Analyse. Zu Beginn werden einige Analysen berechnet [8]: * Anfangsbedingungen erzeugen - Diese werden erzeugt, um Gelenkachsen, Körpern oder Punkten eine bestimmte Position oder Geschwindigkeit beim Start der Analyse zuzuordnen. * Modell zusammenbauen - Die Zusammenbauanalyse wird als erstes berechnet. MOTION platziert die Körper des Mechanismus' in einer mit den Verbindungen konsistenten Konfiguration. Diese Baugruppe steht in keinem Zusammenhang mehr zur Pro/ENGINEER Baugruppe. * Prüfung der Redundanzen - Redundanzen sind überzählige Randbedingungen. Ein Gelenk wird zu einer überzähligen Randbedingung, wenn es keine weitere Einschränkung für die Bewegung eines Körpers hinzufügt. Zur Sicherheit, ob das Modell auch nicht überbestimmt ist, kann eine Evaluationsanalyse durchgeführt werden. MOTION überprüft den Mechanismus auf etwaige Redundanzen und die Anzahl dieser lässt sich nach der Analyse abfragen. * Bewegungsanalyse definieren und berechnen - Jetzt werden die Informationen angegeben, wie MOTION die Analyse ausführen soll, einschließlich der Dauer der Analyse und der Abbruchbedingungen. Beim Berechnen simuliert der MOTION Gleichungslöser die Bewegung des Mechanismus und berechnet eine Reihe von Daten zu dem in Bewegung befindlichen System. * Ergebnisse der Bewegungsanalyse überprüfen - Nach der Berechnung kann die Bewegung des Mechanismus animiert, Kollisionen zwischen Teilen überprüft und Reaktionskräfte, Gelenkachspositionen sowie andere Daten über der Zeit dargestellt werden. 1.2 Einheitliches Einheitensystem Vor dem Erzeugen des Modells muss ein Einheitensystem - das Haupt-Einheitensystem - definiert werden. Das eingestellte Einheitensystem wird schon von Pro/ENGINEER automatisch für die Bauteile verwendet und dient als Grundlage für die Berechnungen. Das ausgewählte Einheitensystem wird auch in Pro/MECANICA übernommen. 2. DAS MODELL ENTWICKELN 2.1 MOTION aufrufen, das Menü verwenden * Ist das Modell oder die Baugruppe fertig in Pro/ENGINEER vorhanden, kann der integrierte Modus von Pro/MECHANICA aufgerufen werden: ® Applikationen ® Mechanica * beim Programmwechsel erscheint noch eine Einheiten-Info, das korrekte Einheitensystem kann noch mal kontrolliert werden: ® Weiter * Der Menümanager zeigt die Module von Pro/MECHANICA: ® Motion * Im Menü MEC MOTION sind die folgende Register verfügbar: - Modell: hier finden sich die Funktionen zum entwickeln des Modells - Analysen: hier werden die Analysen definiert - Designstudien: Einstellungen zur Optimierung; hier nicht betrachtet - Rechenlauf: Start der verschiedenen Berechnungen - Ergebnisse: Abruf der Berechnungsergebnisse * Beim ersten Aufruf von MOTION mit einer neuen Baugruppe erscheint folgende Warnung: Diese Meldung bestätigen. Es wird darauf hingewiesen dass alle Bauteile ohne Materialeigenschaften automatisch dem Basiskörper zugewiesen werden. Nach der Zuweisung der Materialparameter in MOTION bleibt später nur bas Bauteil "Skelett" im Basiskörper übrig. 1.1 * Nach dem Wechsel in den Programmteil hat sich das Bild der Baugruppe verändert, die LKS und GKS sowie die Basispunkte sind zu erkennen: 2.2 Materialeigenschaften zuweisen * Zunächst müssen den Bauteilen Materialeigenschaften zugewiesen werden: ® Modell ® Eigenschaft ® Material * Folgendes Fenster erscheint: Es können verschiedene Materialien aus einer Bibliothek ausgewählt oder neue Materialien definiert werden. * Die Materialien werden im folgenden Fenster definiert, Feld Bearbeiten oder Neu wählen: Wichtig ist die Beachtung der Einheiten, um spätere Fehler zu vermeiden! * Nach der Definition der Materialien können sie den Bauteilen oder Flächen zugewiesen werden: ® Zuweisen ® Bauteil Nach anklicken der Fläche Bauteil verschwindet das Fenster, die Bauteile können im Modellbaum oder der Baugruppe ausgewählt werden. Nach Bestätigung durch mittlere Maustaste oder Fertig Ausw erscheint das Fenster wieder und es kann ein anderes Material zu Bauteilen zugewiesen werden oder durch anklicken der Schaltfläche Schließen das Menü verlassen werden. Nach zuweisen der Materialeigenschaften werden die Bauteile im Modellfenster blau unterlegt, siehe rechtes Bild, und im der Modellansicht rot dargestellt. Ruft man die Funktion zuweisen nachträglich wieder auf, werden die bereits definierten Bauteile wieder wie im rechten Bild blau unterlegt. 1.1 2.3 Kurvenscheiben & Kurvenscheiben-Kopplung erzeugen 2.3.1 Kurvenscheiben * Um die Abrollbewegung der Verzahnungen zu simulieren werden auf die Geometrien der Zähne Kurvenscheiben erzeugt. Miteinander verbundene Kurvenscheiben können Ihre Konturen abfahren. So gelangt man in das Menü: ® Modell ® Kurvenscheiben ® Erzeugen * Es erscheint folgendes Fenster: Um die entsprechende Fläche zu wählen auf die Schaltfläche Flächen wählen klicken. Das Fenster verschwindet und die Fläche kann gewählt werden. Nach der Wahl der Fläche erscheint das Fenster wieder und es kann eine Glättung der Kurve eingegeben werden um noch eine qualitative Verbesserung zu erzielen. Zur besseren Übersicht kann auch hier ein Name vergeben werden. Mit OK bestätigen. 2.3.2 Kurvenscheiben-Kopplung * Die Kurvenscheiben werden durch eine Kopplung miteinander verbunden. In dieser Verbindung können auch Reibungsparameter angegeben werden. Die Erzeugung läuft so ab: ® Modell ® Verbindungen ® K.Schb.-Kopplung ® Erzeugen Nach Auswahl der beiden Kurvenscheiben erscheint folgendes Fenster: Es kann wieder ein Name vergeben werden und die Reibungsparameter können eingestellt werden. * In den folgenden Bildern sind die Einstellmöglichkeiten für die Reibung zu sehen: * Die Verbindung kann starr oder elastisch ausgeführt werden. Um ein Abheben oder Abstoßen der Kopplung zu gewährleisten muss sie elastisch ausgeführt werden. Die Reibung ist nur wählbar für die elastische Verbindung. Es kann zwischen keiner, trockener oder Schmierung gewählt werden. Werte für Haft- und Gleitreibung und die Viskosität können angegeben werden. In der Baugruppe hier wird Trockene Reibung gewählt, die Werte sind Vorgaben des Unternehmens. * In der Beispielbaugruppe erhält jede Zahnverbindung eine Kurvenscheiben-Kopplung mit den gleichen Reibwerten. In den weiteren Bildern sind sie in hellblau zu erkennen. Die Werte wurden vorgegeben. 2.4 Verbindungen / Gelenke erzeugen * Es stehen eine Reihe von Verbindungen und Gelenken zur Darstellung der Randbedingungen zur Verfügung. Es sind folgende: * In der verwendeten Programmversion werden die Fenster für die Gelenke, Kurvenscheiben, Lasten und Antriebe in Englisch dargestellt. In der vorigen Aufführung der Gelenke steht in Klammern der entsprechende englische Begriff. * So werden Verbindungen erzeugt: ® Modell ® Verbindungen ® Gelenke ® Erzeugen * Nach anklicken der Schaltfläche Erzeugen müssen die Punkte der zu verbindenden Bauteile ausgewählt werden. Mit Hilfe der Abfragefunktion ist dies am Einfachsten, da meist viele Punkte aufeinander liegen, es erscheint dann folgendes Fenster und der entsprechende Punkt kann gewählt werden: * Sind die Punkte für die Verbindung gewählt erscheint folgendes Fenster: Hier kann der Gelenktyp ausgewählt und ein Name für das Gelenk vergeben werden. Außerdem sind die beiden beteiligten Bauteile zu erkennen. Durch klicken der Schaltfläche Accept wird der Vorgang abgeschlossen. * Ein Beispiel für die Erstellung einer Verbindung: Es soll eine Ebene Verbindung zwischen Sonne und der Basis erzeugt werden. Die Punkte sind sichtbar geschaltet und mit Hilfe der Abfragefunktion werden die korrekten Punkte ausgewählt, siehe voriges Bild. Nach der Wahl der Punkte erscheinen an den entsprechenden Stellen die Gelenke, siehe in dem nachfolgenden Bild: * Um die Verbindung nachträglich zu verändern auf die Schaltfläche Bearbeiten klicken. Die Funktionen sind selbstredend: ® Modell ® Verbindungen ® Gelenke ® Bearbeiten * Ein Hinweis noch zur Funktion Achse: Um die Richtung der Achsen zu ändern können die Vektoren am Einfachsten direkt eingegeben werden, siehe folgendes Bild. Einfach die Werte getrennt durch ein Leerzeichen eingeben und bestätigen. Die Richtungen können sofort in der Baugruppe kontrolliert werden. * In der Beispielbaugruppe sind der Planetenträger und das Hohlrad fest mit der Basis verbunden. Die Sonne erhält eine Ebene Verbindung mit der Basis. Die Planeten sind durch Ebene Verbindungen mit dem Planetenträger verbunden. Die Zähne der Planetenräder sind über Schubgelenke mit dem Grundkörper verbunden. Die Richtungen der ebenen Achsen der Planetenräder sind so korrigiert, dass die Achsen alle in die gleiche Richtung weisen. Das Modell mit allen Gelenken und Lasten ist unten abgebildet. 2.5 Lasten erzeugen * Mit der Funktion Lasten können Kräfte und Drehmomente erzeugt werden. Mit der Unterfunktion Gelenkachse können Kräfte, Federn, Dämpfer oder Reibungsparameter direkt auf den Achsen der Gelenke angebracht werden. Zum Menü Lasten gelangt man so: ® Modell ® Lasten ® Erzeugen * Im Untermenü LASTEN ERZEUGEN kann man unter den verschiedenen Lasttypen wählen. Die Kraft oder das Drehmoment können jeweils Richtungs- oder Körperfest angebracht werden. Die Funktion Gelenkachse wird anschließend noch beschrieben. Die weiteren Funktionen habe ich nicht genutzt. * Zur Erzeugung des Drehmomentes in der Beispielbaugruppe wird das Drehmoment als körperfestes Moment auf das Sonnenrad gegeben. Nach dem anklicken der Funktion kann das Bauteil aus dem Modellbaum oder der Ansicht gewählt werden, in diesem Fall das Sonnenrad. Anschließend wird die Richtung des Drehmomentes abgefragt, siehe folgendes Bild. Dort kann der Vektor wieder direkt eingegeben werden. * Nach Bestätigung der Richtung erscheint dieses Fenster: Der Wert des Drehmomentes, oder auch der Kraft, kann auf verschiedene Weise eingegeben werden, als Polynom, als gegebene Tabelle oder als Kosinus-Funktion. Abhängig können die Werte von der Zeit oder von einer Messung sein. Bei allen Lasten besteht die Möglichkeit sie ständig oder bedingt aktiv zu machen. Eine Last mit Bedingungen verknüpfen geht folgendermaßen: In dem unteren Teil des Fensters kann ständig oder bedingt aktiv gewählt werden. Wird bedingt aktiv gewählt kann über das Feld Messung (Measure) aus einer Liste der Messgrößen eine gewählt werden, siehe Fenster unten. Wie Messgrößen erzeugt werden, wird später noch beschrieben. Es muss noch ein mathematischer Operator gewählt werden und ein Wert für die ausgewählte Messgröße angegeben werden. Es können bis zu vier Bedingungen erzeugt werden. * Für die Beispielbaugruppe wird das Drehmoment über eine gegebene Tabelle eingelesen, siehe Bild nächste Seite. Die Tabelle, siehe auch nächste Seite, wird über eine Tabellendatei eingelesen, deren Pfad unter Select angegeben werden muss. So wird der Verlauf der Kurve von der Tabelle vorgegeben, skaliert werden die Werte mit den in den Feldern Xscale und Yscale angegebenen Werten. Die Tabelle besteht aus zwei Spalten und ist mit einem einfachen Texteditor erstellt worden. Wichtig ist die Verwendung von punkten als Komma. Die Spalten sind durch einen Tabsprung getrennt. * Mit der Unterfunktion Gelenkachse kann die Last direkt auf der Achse eines Gelenkes angebracht werden. Hier können neben den bereits beschriebenen Funktionen auch die Lastfunktionen Federn, Dämpfer und Reibung gewählt werden. Diese Funktionen stehen außerdem nur noch bei Punkt zu Punkt-Lasten zur Verfügung Auf diese Weise werden in der Beispielbaugruppe die Federsteifigkeiten und Dämpfungen der Planeten-Wälzlager und Verzahnungen beschrieben. Das Fenster nach Anwahl der Funktion Gelenkachse kann folgendermaßen aussehen: Für eine Federlast muss die Federkonstante und die Position, an der die Feder weder gedehnt noch zusammengedrückt wird, angegeben werden, für eine Dämpfungslast die Dämpfungskonstante, siehe auch obige Bilder. Auch hier können die Lasten wieder als ständig oder bedingt aktiv verwendet werden. Bei Verwendung einer Reibungslast können der statische und dynamische Reibungskoeffizient sowie der Kontaktradius angegeben werden. * Die in der Beispielbaugruppe genutzten Werte für die Federkonstanten Dämpfungskonstanten wurden gegeben. Die Funktion Reibung wurde von mir nicht genutzt und ist mir deshalb nicht geläufig. * Wie schon zuvor bei den Verbindungen kann auch hier die Funktion Bearbeiten genutzt werden. Hier können unter dem Punkt Betrag Größenwerte, Lastenbedingungen, Lastenname und welcher Art die Funktion ist und unter dem Punkt Richtung die Ausrichtung aller mit einem Vektor erzeugten Lasten nachträglich geändert werden. ® Modell ® Lasten ® Bearbeiten 2.6 Antriebe erzeugen * Mit Hilfe dieser Funktion können Antriebe auf Gelenkachsen erzeugt werden. So können Modelle auch ohne eine Belastung bewegt werden. Einerseits kann die Funktion zum Erzeugen einer gewünschten Bewegung genutzt werden um anschließend den Mechanismus zu analysieren und auf Kollisionen zu prüfen. Andererseits können Antriebe verwendet werden um vor der Betrachtung über Lasten einen Testslauf des Modells durchzuführen. * Nach klicken des Feldes Antriebe und Erzeugen muss zunächst eine Gelenkachse gewählt werden. Nach der Wahl einer Gelenkachse erscheint folgendes Fenster: ® Modell ® Antriebe ® Erzeugen * Der Antrieb wird als Position, Beschleunigung oder Geschwindigkeit einer Gelenkachse als Funktion der Zeit definiert. Die entsprechenden Daten werden in den Feldern des Fensters eingegeben, siehe folgendes Bild: * Für die Beispielbaugruppe wurden keine Antriebe verwendet. 2.7 Messgrößen erzeugen * Messgrößen können für die folgenden Zwecke verwendet werden: - zum Definieren einer Last als Funktion einer Messgröße - zum Definieren Bedingungen für eine bedingt aktive Last - zum Definieren von Abbruchbedingungen für eine Bewegungsanalyse - um bestimmte Typen von Ergebnissen zu erhalten, z. B. Reaktionsergebnisse, die nicht als Standardergebnisse zur Verfügung stehen * In einer Bewegungsanalyse werden die Werte der Messgrößen pro Zeitschritt berechnet * Die von MOTION berechneten Messgrößen können über eine Ergebnisdatei nach der Analyse abgefragt werden * Es gibt zwei Arten von Messgrößen, vordefinierte und benutzerdefinierte Messgrößen. Die vordefinierten, sogenannte Standard-Messgrößen, werden von MOTION für jedes Modell berechnet. Diese wichtigen Messgrößen sind im einzelnen: - Time aktuelle Simulationszeit - Elapsed_time die Gesamtzeit seit dem Start der Analyse - Ke (kinetic der Gesamtbetrag der kinetischen Energie aller Teile in energy) dem Mechanismus - Redundancy die Anzahl überzähliger Zwangsbedingungen im Modell Das folgende linke Fenster zeigt die Liste der Standard-Messgrößen von MOTION. Werden benutzerdefinierte Messgrößen definiert, sind diese dann auch in der Liste verfügbar, siehe rechtes Fenster. Benutzerdefinierte Messgrößen können vom Anwender selbst definiert werden. Es stehen verschiedene Messgrößen zur Auswahl, siehe Menü-Manager unten. Wichtig sind die Messgrößen Verbindung, Gelenkachse, Last und Berechnet. Als Beispiel für die Erzeugung einer Messgröße folgt eine Kurvenscheiben-Kopplung, also eine Verbindung. Nach anklicken der gewünschten Messgröße, hier also Verbindung, muss die entsprechende Verbindung im Modell gewählt werden. Anschließend öffnet sich folgendes Fenster: ® Modell ® Meßgrößen ® Erzeugen ® Verbindung In dem Fenster kann die Auswertungsmethode gewählt werden, siehe unten: Die Dialogfenster unterscheiden sich je nach Messgrößen-Typ. An dieser Stelle wird auf eine weitere detaillierte Beschreibung verzichtet. Die nötigen Schritte und Angaben für die Erzeugung der verschiedenen Messgrößen sind meist selbstredend. Als weiteres Beispiel ist unten noch ein Fenster abgebildet, dies ist das Fenster zur Erzeugung einer Messgröße auf einer Gelenkachse. Auf einen Messgrößen-Typ möchte ich allerdings noch eingehen, den Typ Berechnet. Diese Funktion kann eine Funktion der Zeit, anderen Messgrößen und Parametern sein. Verwendet wird sie, wenn MOTION Werte messen soll, die über die vordefinierten Messgrößen nicht leicht berechnet werden können. Eine berechnete Messgröße wird folgendermaßen erzeugt, es erscheint das folgende Fenster: ® Modell ® Meßgrößen ® Erzeugen ® Berechnet Nach Wahl der Auswertungsmethode und des Namens muss die Funktion definiert werden. Nach klicken auf die Schaltfläche Define/Review... erscheint das nächste Fenster: ® Define/Review... In diesem Fenster wird die Funktion definiert. Die Funktion kann von einer beliebigen Kombination aus drei Typen von unabhängigen Variablen sein - Zeit, Messungen und Parameter. Nach klicken auf die Schaltfläche Verfügbare Funktionskomponenten... öffnet das folgende Fenster: ® Verfügbare Funktionskomponenten... Hier können die nötigen Variablen, Operationen und Funktionen gewählt werden. Auch nötige Parameter und Messgrößen können genutzt werden, indem man auf die entsprechenden Felder klickt. Es öffnen sich dann weitere Auswahlfenster. 2.8 Getriebezahnräder erzeugen * In MOTION können Getriebezahnräder erzeugt und analysiert werden. Mit Hilfe einer vereinfachten Geometrie wird die Zahnradgeometrie und die Baugruppe in Pro/E konstruiert. Den vereinfachten Geometrien werden Zahnradeigenschaften zugewiesen und diese werden durch Zahnpaar-Verbindungen verbunden und definiert. Um beispielsweise eine Getriebeverzahnung darzustellen, wird eine einzelne Fläche mit einem Radius, der den Kontaktradius auf jedem Getriebezahnrad entspricht, verwendet. In MOTION können acht verschiedene Zahnradtypen erzeugt werden: In den folgenden Bildern sind einige Zahnradeigenschaften dargestellt: * !Wichtig! Die Modelle der Getrieberäder müssen aus Rotationskörpern bestehen! Die Erzeugung von Getriebezahnrädern erfolgt in drei Schritten. Zunächst werden den entsprechenden Flächen der Getrieberäder-Geometrien Zahnradeigenschaften zugewiesen. Der Menüpfad lautet wie folgt: ® Modell ® Eigenschaft ® Getriebe ® Zuweisen Nach anklicken von Zuweisen muss die entsprechende Fläche im Modell ausgewählt werden. Es öffnet sich anschließend das folgende Fenster: In dem Dialogfenster werden die Zahnradeigenschaften wie Getriebetyp, Eingriffswinkel, Helixwinkel und Schrägungswinkel eingegeben und ein Name für die Getrieberad vergeben. Als nächster Schritt werden die Verbindungen für die Zahnradpaare erzeugt. Der Menüpfad hier lautet: ® Modell ® Verbindungen ® Getriebepaar ® Erzeugen Nach anklicken des Feldes Erzeugen müssen die zu verbindenden Zahnräder gewählt werden, anschließend öffnet sich das folgende Fenster: Hier sind die beteiligten Getrieberäder noch mal aufgelistet und es wird ein Name für die Zahnpaarverbindung eingegeben. * Durch die Schaltfläche Bearbeiten können in den beiden letzten beschriebenen Funktionen die eingegebenen Daten verändern. * In der Beispielbaugruppe ist kein Getriebepaar verwendet worden. Zu Beginn meiner Diplomarbeit war das Model jedoch noch komplexer und es waren auch Getriebepaare integriert. Das Bild auf der nächsten Seite zeigt ein Kegelrad- und Stirnradpaar nach der Erzeugung. Die hellblauen Linien deuten die Zahnradeigenschaften an, die gelben Zähne stellen die Zahnpaarverbindung dar. 2.9 Anfangsbedingungen festlegen * Vor dem Start der Analyse können noch Anfangsbedingungen festgelegt werden. Anfangsbedingungen sind Positions- oder Geschwindigkeitseinstellungen, die der Mechanismus einhalten soll, bevor eine Analyse beginnt. * Eine Anfangsbedingung kann für eine Gelenkachse, einen Körper oder einen Punkt festgelegt werden. Der Menüpfad ist folgender: ® Modell ® Anfangsbeding. ® Erzeugen ® Gelenkachse, Körper oder Punkt Nach anklicken der gewünschten Funktion und Auswahl des Objektes öffnet sich das folgende Dialogfenster, es ist je nach Anfangsbedingungstyp etwas verschieden. Hier ist das Fenster für einen Körper zu sehen. Jedes Dialogfenster ermöglicht die Einstellung zwei verschiedener Anfangsbedingungen, positions- oder geschwindigkeitsorientiert. Zudem muss die Priorität eingestellt werden, es kann aus drei Ebenen gewählt werden: Gefordert, Gewünscht oder Beliebig. Gefordert bedeutet, die Bedingung wird eingehalten oder die Analyse wird abgebrochen. Bei der Einstellung Gewünscht versucht MOTION die Bedingung so weit wie möglich einzuhalten, die Analyse wird aber nicht abgebrochen. Mit der Einstellung Beliebig ignoriert MOTION diese Anfangsbedingungen. Diese Option kann zum Ausschalten einer der beiden Bedingungstypen verwendet werden * Achtung: Nach einem Rechenlauf sind die Anfangsbedingungen "verbraucht", d.h. die Anfangsbedingungen sind nach der Analyse inaktiviert. Die Werte werden zwar beibehalten, sind allerdings auf Beliebig gesetzt, also ausgeschaltet. * In der Beispielbaugruppe sind keine Anfangsbedingungen verwendet worden. 2.10 Allgemeines * Bildaufbau Arbeitet man auf einem nicht so leistungsstarken Rechner, gemeint ist eine nicht so schnelle CPU, ist der Bildaufbau bei komplexeren Modellen oft sehr langwierig. Oft wird bei Funktionen das Bild neu aufgebaut, das mitunter sehr nervend sein. Abhilfe schafft hier ein einfacher Trick: Vor der Aktion einfach das Modell aus der Ansicht im Hauptfenster schieben, so dass keine Bedingungen von MOTION mehr zu sehen sind. Nach dem jetzt wesentlich schnelleren Bildaufbau kann die Ansicht einfach wieder zurück in das Fenster geschoben werden. * Einstellen der Sichtbarkeiten Um in einigen Situationen ein bessere Übersicht über das Modell zu erhalten kann in den Programmmodulen Structure, Thermal und Motion die Simulationsdarstellung angepasst werden. Die verschiedenen Komponenten können ausgeblendet werden, wie z. B. Verbindungen, Lasten, Kurvenscheiben oder Koordinatensysteme. Die Sichtbarkeiten können im Hauptfenster folgendermaßen eingestellt werden: ® Ansicht ® Simulationsanzeige ® Sichtbarkeit Es erscheint das Dialogfenster, welches auf der nächsten Seite abgebildet ist. Durch wegklicken der Häkchen werden die Komponenten im Modell ausgeblendet. * Systemfarben Will man die Farben des Hintergrundes oder der Bedingungen ändern, oder einfach mal einen schwarz-weißen Screenshot machen, können die Systemfarben geändert bzw. angepasst werden. Zu dem Fenster Systemfarben gelangt man so: ® Ansicht ® Darstellungseinstellungen ® Systemfarben Die entsprechenden Farben können hier geändert werden. Bestimmte Farbschemen sind im Menü Schema vorgegeben, siehe Bild. * Umgebung Nach dem Start des Programms Pro/ENGINEER ertönt bei fast jedem anklicken einer Funktion eine lästige Mitteilungsglocke. Diese lässt sich in dem Fenster Umgebung abstellen, siehe Bild unten. Dieses Dialogfenster kann durch klicken auf das Ikon "Weltkugel, siehe im Bild links oben, aufgerufen werden. In diesem Fenster können zudem einige grundlegende Einstellungen vorgenommen werden. Lässt die Schnelligkeit der Bewegungen im Volumenmodell-Modus oder des Bildaufbaus nach, kann das abschalten der Texturen etwas Besserung bringen. Auch die Farben können hier deaktiviert werden * Modellstatus Um den Status des Modells festzustellen kann ein Statusfenster geöffnet werden. Dort sind die wichtigsten zum Modell und des Analysestatus einzusehen. Es wird über den Menü-Manager mit dem Feld Status aufgerufen: 3. DAS MOTION-MODELL ANALYSIEREN 3.1 Eine Analyse definieren * Nach der Entwicklung des Modells und Festlegung von Anfangsbedingungen, kann nun mit der Analyse begonnen werden. Die wichtigsten Analysetypen in MOTION sind: * Zusammenbauanalyse: Platzier die Bauteile in einer Konfiguration, die mit den erzeugten Gelenken konsistent ist. * Bewegungsanalyse: Simuliert die Bewegung des Mechanismus in Übereinstimmung mit den Gelenken, Lasten und Antrieben. * Statische Analyse: Findet den stabilen Gleichgewichtszustand des Mechanismus. * Der Menüpfad für die Definition der Analyse sieht so aus: ® Modell ® Analysen * Nach anklicken der Funktion erscheint folgendes Dialogfenster: Hier können vorgegebene Analysen bearbeitet oder durch kopieren Neue hinzugefügt werden. * Zusammenbauanalyse - Vor der Bewegungsanalyse sollte eine Zusammenbau-analyse durchgeführt werden. Die Zusammenbautoleranz kann in der Definition geändert werden, siehe Fenster auf der vorigen Seite unten. Eine solche Analyse wird auch vor jeder Bewegungsanalyse durchgeführt. Die Analyse ist entweder erfolgreich oder kann fehlschlagen. Bei erfolgreicher Durchführung erscheint folgendes Fenster. Mit bestätigen durch die Schaltfläche Ja wird die neue Baugruppe übernommen: Schlägt die Analyse fehl erscheint ein Fenster, welches dem folgenden ähnlich ist: Die erreichte Toleranz wird angezeigt. Ist sie nicht viel höher als die Vorgabe kann durch herabsetzen der Zusammenbautoleranz in der Definition der Zusammenbau erfolgreich abgeschlossen werden. Die Wahl des Einheitensystems kann auch eine Rolle spielen. Bei Wahl des Einheitensystems mm-N-s z. B. kann die vorgegebene Toleranz von 0,001 zu klein sein. In diesem Fall sollte die Toleranz 0,1 oder 0,01 verwendet werden. * * Bewegungsanalyse - Bevor die Bewegungsanalyse gestartet werden kann muss sie definiert werden. Folgendes Dialogfenster erscheint nach Wahl der Bewegungsanalyse: In dem Fenster werden die Toleranzen, aber auch die Dauer und das Zeitintervall eingegeben. Mit den Toleranzwerten kann man durch ausprobieren an der Simulationsdauer feilen. Meist gilt, je feiner die Toleranz desto länger die Analyse. Die trifft aber nicht immer zu. Also ruhig die Werte mal verändern und die Rechnung wiederholen, meist lohnt es sich. Mit der Eingabe des Inkrementes wird das Intervall festgelegt, wann bzw. in welchen Schritten MOTION Bilder und Daten des Mechanismus speichert. In diesem Fenster können auch Abbruchbedingungen definiert werden. * Statische Analyse - Eine statische Analyse wurde im Rahmen der Beispielbaugruppe nicht durchgeführt. Trotzdem soll kurz erwähnt werden welchen Zweck eine solche Analyse verfolgt. MOTION sucht bei diesem Analysetyp nach der Konfiguration, in der sich ein Mechanismus in einem Zustand des stabilen Gleichgewichts befindet. In diesem Zustand wiegen sich alle Lasten gegenseitig auf, so dass sich der Mechanismus nicht bewegen kann. Eine statische Analyse wird durchgeführt, wenn der Mechanismus in seinem Gleichgewichtszustand "eingefroren" werden soll, bevor er in Bewegung gesetzt wird. 3.2 Eine Analyse starten * Nach der Definition der Analyse kann der Rechenlauf nun gestartet werden. Klickt man auf die Schaltfläche Rechenlauf erscheint ein Fenster mit den bestehenden Analysen: ® Modell ® Rechenlauf * Die gewünschte Analyse wird ausgewählt und durch klicken des Feldes Start... gestartet. Pro/MECHANICA startet jetzt einen neuen Prozess, der Gleichungslöser genannt wird. Dieser startet seinerseits einen Prozess mit der Bezeichnung Simulator, der die Bewegungsgleichungen für den Mechanismus aufstellt und diese dann löst. Direkt nach dem Start des Rechenlaufes sieht der Bildschirm folgendermaßen aus: Im unteren Bereich, dem Mitteilungsfenster, kann der Vorgang verfolgt werden. * * Der Startvorgang dauert einen Moment, es erscheinen dann zwei Fenster, eine Uhr und ein Fenster mit der aktuellen Zeit der Berechnung und der Anzahl der bereits gespeicherten Bilder bzw. Datensätze. Am Ende des Rechenlaufes verschwinden diese Fenster wieder und der Bildschirm sieht aus wie vor dem Start des Rechenlaufes. Nun können die Ergebnisse abgerufen werden. * Um vor der eigentlichen Analyse das Modell auf Redundanzen zu überprüfen kann eine Evaluations-Analyse durchgeführt werden, siehe Übersicht der Analysen auf der vorigen Seite. Dies geht sehr schnell und man kann sicher gehen, dass das System auch nicht überbestimmt ist. Das Ergebnis wird genauso abgefragt wie nach einer Bewegungsanalyse, siehe nächster Abschnitt "Die Ergebnisse überprüfen". * Zu beachten ist, dass MOTION das Modell während der Analyse nicht regeneriert. Das bedeutet, wenn ein Fehler auftritt und die Analyse wird abgebrochen, bleibt das Modell in dem Zustand des letzten Rechenschrittes stehen. Erst wenn die Analyse komplett durchgelaufen ist wird das Modell regeneriert. * Wird eine Analyse durch das Programm abgebrochen, kann das erscheinende Fenster so aussehen: * Soll die Analyse vom Benutzer während des Rechenlaufes abgebrochen werden, kann dieses mit Hilfe des Task-Managers erfolgen. Nach Start des Rechenlaufes wird ein exe-Datei gestartet. Sie ist einfach zu erkennen, da sie fast die gesamte CPU-Leistung gebraucht, siehe Bild. Wird der Prozess beendet wird auch der Rechenlauf abgebrochen. * Will man am Modell etwas ändern oder die Definition der Analyse korrigieren muss die durchgelaufene Analyse vorher zurückgesetzt werden. In der Übersicht der Analysen gibt es dafür den Punkt Reset. Das Modell wird wieder in den ursprünglichen Zustand versetzt und die Änderungen können vollzogen werden. Danach kann die Analyse wie beschrieben erneut durchgeführt werden. * Um das Modell mit den gespeicherten MOTION-Daten und Analyse-Ergebnissen aufzurufen wird es im Pro/ENGINEER aufgerufen. Beim Wechsel zum Programmteil MOTION erscheint ein Hinweisfenster, siehe folgendes Bild. Es wird gefragt, ob die gespeicherten Daten des Rechenlaufes mit aufgerufen werden sollen oder nicht. Wird Ja angeklickt, werden alle Ergebnisse der zuletzt gespeicherten Analyse mit aufgerufen. 3.3 Die Ergebnisse überprüfen * Ist der Rechenlauf erfolgreich durchgelaufen können die Ergebnisse betrachtet und ausgewertet werden. Solange keine Änderungen durchgeführt werden und oder neue Bedingungen hinzugefügt werden, sind die Ergebnisse gültig bzw. verfügbar. Will man also die Ergebnisse unbedingt sichern sollte man das Modell speichern, dann gehen die Ergebnisse auch nicht unnötig verloren. Ob und welche Ergebnisse verfügbar sind ist auch im Statusfenster festzustellen. * Das Menü Ergebnisse des Menü-Managers enthält die Funktionen für die Ergebnisdarstellung: ® Modell ® Ergebnisse Der Mechanismus kann animiert werden, es können Graphen dargestellt und Werte abgefragt werden. Die einzelnen Funktionen werden anschließend genauer erklärt. 3.3.1 Den Mechanismus in der Animation darstellen Mit dieser Funktion kann die Bewegung des Mechanismus' wiedergegeben werden. Die Animation kann unabhängig davon abgespielt werden, ob MOTION die Durchdringungen zwischen Körpern überprüft oder nicht. Nach anklicken des Feldes Start erscheinen die folgenden Fenster: Die Funktionen sind denke selbstredend. Im Fenster Elapsed ist immer der gerade dargestellte Zeitpunkt angezeigt, siehe folgende Bilder: * Soll das Modell auf Durchdringungen überprüft werden, kann das Feld Durchdringung im Menü-Manager gewählt werden. Hier kann eine Kollisionsprüfung als Bestandteil der Animation aktiviert werden. Leider ist mir diese Funktion nicht geläufig, da ich sie noch nicht genutzt habe. Um die Funktion besser nutzen zu können ist hier eine Übersicht der Einstellungsmöglichkeiten angehängt. 3.3.2 Ergebnisdaten graphisch darstellen Mit der Funktion Graph können Ergebnisdaten graphisch dargestellt werden. Die drei gebräuchlichsten Funktionen von Diagrammdarstellungen sind Gelenkachsen-Größen, Reaktionen und Messgrößen-Werte. Es gibt noch eine Reihe weiterer Funktionen unter dem Menü Graph, diese werden aber nicht alle beschrieben. Nach Anwahl der Schaltfläche Graph können die verschiedenen Funktionen gewählt werden, siehe rechtes Bild. Wie schon erwähnt sind die Gelenkachsfunktionen, Gelenkachspos, Gelenkachsgeschw, Gelenkachsbeschl und Res Gelenkachslast, die Reaktionen, also das Feld Verbindung, und die Messgrößen-Werte, das sind die Felder Meßgröße/Zeit und Meßgröße/Meßgröße, die gebräuchlichsten Funktionen. Es können bis zu sechs Messwerte in einen Graph dargestellt werden. Die verschiedenen Messwerte werden durch unterschiedliche Farben und Symbole kenntlich gemacht. Wird eine Verbindung oder ein Gelenkachse ausgewählt erscheint ein Fenster in dem die gewünschte Komponente und Achsrichtung gewählt werden kann, siehe folgendes Bild. * Reaktionen darstellen - Es können Reaktionskräfte, also die Belastungen an den Verbindungen bzw. Gelenken dargestellt werden. Nach anklicken der Schaltfläche Verbindung können die Verbindungen gewählt werden, bis zu sechs, und durch bestätigen mit der mittleren Maustaste öffnet sich ein neues Fenster mit dem Graphen, siehe Bild unten. Die Auswahl der gewünschten Messstellen geschieht immer auf die oben beschriebene Weise. Das Fenster des Graphen hat immer das gleiche Format. Die Beschreibung der Fensterfunktionen wird im folgenden anhand der Drehmomentlast vollzogen. * In dem Grafik-Fenster können einige Einstellungen und Funktionen genutzt werden. Zunächst ist das Fenster nach dem Aufruf abgebildet: Um ein Detail des Graphen zu betrachten oder Punktwerte abzufragen wird das Menü Hilfsprogramme genutzt. Hier stehen die Funktionen Gesamtgraph, Teilgraph und Punktabfrage zur Verfügung. Bevor man nun ein Plot oder ein Bild von dem Graphen macht, kann noch der Titel eingegeben und das Format eingestellt werden. Unter dem Menü Bearbeiten findet man die Funktion Titel: es erscheint eine Eingabezeile, die Datenlänge ist begrenzt. Unter dem Menü Format kann das Ergebnisfenster formatiert werden. Nach anklicken der Schaltfläche Ergebnisfenster... öffnet sich ein Fenster. Hier können die Hintergrundfarbe und die Sichtbarkeiten eingestellt werden, siehe Bilder unten: ® Format ® Ergebnisfenster... Ist der Graph so wie gewünscht und des Format des Fensters ok kann von dem Graphen ein Bild abgespeichert werden. Unter dem Menü Datei findet man die Funktion Export. ® Datei ® Export ® Bild Nach anklicken des Feldes Bild erscheint das Fenster Drucken, siehe nächste Seite. Hier kann das Format und der Dateipfad für das Bild gewählt werden. Den Druckbefehl habe ich nicht nutzen können, da kein Drucker für das Programm installiert war. Mit der Funktion Graphbericht kann eine zweispaltige Textdatei mit den Daten des Graphen erzeugt werden, um evtl. die Daten in einem Programm zu nutzen. * Gelenkachsen-Größen darstellen - Es können Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen von Gelenkachsen und die resultierenden Lasten an ihnen graphisch dargestellt werden. Die Vorgehensweise ist identisch mit der bereits beschriebenen. In dem unten stehenden Bild ist der Verlauf einer Gelenkachsposition dargestellt. * Messgrößen-Werte darstellen - Falls Messgrößen erzeugt wurden kann das Verhalten dieser Werte bequem anhand eines Graphen dargestellt werden. Es stehen zwei Typen zur Auswahl: Messgröße über die Zeit oder Messgröße im Vergleich zu Messgröße. Nach anklicken der jeweiligen Funktion öffnet sich das Fenster der Messgrößen, siehe Bild auf der nächsten Seite. Hier kann die gewünschte Messgröße ausgewählt werden und mit einem Klick auf Graph unten links im Fenster wird die Graphanzeige aufgerufen. Zunächst erscheint aber noch ein Mitteilungsfester, siehe Bild unten. Die ausgewählte Messgröße wird in der Modellansicht hervorgehoben. Nach bestätigen erscheint die Graphanzeige. 3.3.3 Ergebnisdaten abfragen und Berichtdateien generieren Zur Prüfung von Ergebnisdaten stehen noch zwei weitere Methoden zur Verfügung, das abfragen von bestimmten Werten und das generieren einer Berichtdatei. Unter der Funktion Abfrage können Werte zu jedem Zeitpunkt der Analyse betrachtet werden. Es handelt sich dabei um die gleichen Daten die auch für die Graphen verwendet werden. MOTION zeigt die Zahlen einfach in einem Dialogfenster an. Ein Solches Fenster ist nachfolgend abgebildet. Es handelt sich um eine feste Verbindung, also um ein Gelenk. Hier kann z. B. auch recht schnell und einfach die Redundanz abgefragt werden. Es erscheint das folgende Fenster: Mit der Funktion Bericht kann eine Textdatei erzeugt werden, die Ergebnisdaten der Analyse enthält. Der Bericht kann so angepasst werden, dass er beliebige Kombinationen aus mehreren unterschiedlichen Datenkategorien einschließt. 4. BEMERKUNGEN UND LITERATURHINWEISE * Den Bereich der Optimierung, also Designstudien, habe im Rahmen meiner Diplomarbeit nicht benutzt. Daher kann ich in dieser Anleitung auch nicht auf diesen Bereich eingehen, da mir die Erfahrung in diesem Bereich fehlt. * In dieser Anleitung ist nur ein kleiner Teil des Programms Pro/MECHANICA MOTION beschrieben. Es soll auch nur ein Kochrezept darstellen, um die ersten Schritte mit MOTION einfacher zu gestalten. Um weitere Funktionen oder genauere Beschreibungen zu erhalten sollte die Online-Hilfe genutzt werden. Um dieses Anleitung nutzen zu können sollte man bereits einigermaßen fit in der Benutzung von Pro/ENGINEER sein. Hierzu empfehle ich das folgende Buch, anhand dessen man gut in das Programm eingeführt wird: * Manfred Vogel und Peter Bunte: Pro/ENGINEER und Pro/MECHANICA - Konstruieren, Berechnen und Optimieren - Carl Hanser VERLAG München Wien, 2001 Literatur für den Programmteil MOTION ist sehr rar. Ich kann nur ein Buch empfehlen, es ist allerdings nur in Englisch erschienen: * Pro/Mechanica Motion - Mechanism Design and Analysis In der Hochschulbibliothek erhältlich unter: 21 TZH 563 1