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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
11. Vorlesung
Konstruktion von Werkzeugmaschinen
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
Inhalt der Vorlesung
• Grundlagen
• Planungsphase
• Konzipierungsphase
• Gestaltungsphase
• Ausarbeitungsphase
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
Konstruktion und KonstruierenEine KONSTRUKTION ist ein nach vorgegebenen Regeln zusammengefügtes Funktionssystem, das aus Funktionselementen aufgebaut ist.KONSTRUIEREN ist sowohl das Gestalten von Funktionselementen als auch ihre Zusammenfügung zu einem Ganzen.
• Vorausdenken technischer Erzeugnisse• Ermitteln ihres funktionellen und strukturellen Aufbaus• Schaffen fertigungstechnischer Unterlagen
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Eine Konstruktionsmethodik soll:• ein problemorientiertes Vorgehen ermöglichen,• erfindungs- und erkenntnisfördernd sein,• mit Begriffen, Methoden und Erkenntnissen anderer Disziplinen verträglich sein,• geeignet sein für den Rechnereinsatz,• die Planung und Steuerung von Teamarbeit in einem integrierten und• interdisziplinären Produktentstehungsprozess erleichtern.
Quelle: Pahl, G.;Beitz, W., Feldhusen, J., Grote, K. H.: Konstruktionslehre: Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung. Methoden und Anwendung
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
Vorgehensweise für das Konstruieren und Entwickeln nach VDI-Richtlinie 2221
Klären und Präzisieren der Aufgabenstellung
Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen
Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen
Gliedern in realisierbare Module
Gestalten der maßgebenden Module
Gestalten des gesamten Produkts
Weitere Realisierung
Ausarbeiten der Ausführungs- und Nutzungsangaben
Anforderungs-liste
Funktions-strukturen
PrinzipielleLösungen
ModulareStrukturen
Vorurteile
Gesamtentwurf
Produkt-dokumentation
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Aufgabe
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Arbeitsergebnisse Phasen
Planungsphase
Konzipierungsphase
Gestaltungsphase
Ausarbeitungsphase
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
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Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Phasen der Konstruktion
Hauptphase Tätigkeit ErgebnisPlanungsphase Klären der
AufgabenstellungAnforderungsliste(informative Festlegung)
Konzipierungsphase Konzipieren Lösungsprinzip(prinzipielle Festlegung)
Gestaltungsphase Entwerfen Gesamtentwurf(gestalterische Festlegung)
Ausarbeitungsphase Ausarbeiten Fertigungsunterlagen (herstellungstechnische Festlegung)
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Quelle: VDI 2221
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Konstruktionsarten Konstruktionsphasen
Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten
Funktions-findung
Prinzip-erarbeitung Gestaltung DetaillierungGruppenbegriffe gebräuchliche Begriffe
der Praxis
NeukonstruktionNeukonstruktionEntwicklungskonstruktionAngebotskonstruktion
Anpassungs-konstruktion
AnpassungskonstruktionAngebotskonstruktionFertigungskonstruktionÄnderungskonstruktion
Variantenkonstruktion Variantenkonstruktion
Konstruktion mitfestem Prinzip Prinzipkonstruktion
Anforderungen &Wünsche
Planen
Konstruktionsarten und die ihnen zugeordneten Konstruktionsphasen
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Ken
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F. o
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BenutzerAnforderungsliste
für Projekt, Produkt
AusgabeIndentifikationKlassifizierung
Blatt: Seite:Anforderungen Verantw.
aufgegliedert.
Gegenstand oder Eigenschaft.mit Quantitäts- und
Qulaitätsangaben
Ersetzt
gegebenenfalls in Teilsysteme(Funktions bzw. BaugruppenOder nachMerkmalen der Leitlineie
Ausgabe vom
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Planungsphase
Planer
Auszug einer Anforderungsliste
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Forderungen und Wünsche:
• Geometrie• Kinematik• Kräfte• Energie• Stoff• Sicherheit• Fertigung• Montage• Kosten• Termin
••
Anforderungsliste
PlanungsphaseAuftraggeber Initiator
Klären der Aufgabenstellung• Zweck?• Eigenschaften?• Wünsche?• Bedingungen?
Entwick-lungstrends
Markt
Situations-analyse
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Normschraubengroße Stückzahl
Spezialschraubengeringe Stückzahl
- Massenfertigung durch z. B. Kaltumformen mittels Mehrstufenpresse
- günstige Herstellung- kein Materialverlust- geringe Produktionszeit
- Herstellung von Spezialgewindeteilenmittels Drehmaschine
- genaue Bearbeitung- keine Kaltverfestigung- größere Variantenvielfalt der her-zustellenden Gewindeteile
Universaldrehmaschine;Fa. Boehringer, Göppingen
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Mehrstufenpresse;Fa. Essebi
Klären der Aufgabenstellung am Beispiel der Schraubenherstellung
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Konzipierungsphase
• Funktion• Wirkprinzip• Größenordnung• Informations-, Stoff- und Energieflüsse
.
.
.
Lösungsprinzip
Konzipierungsphase
Literatur
Messungen
Modelle
diskursiveMethoden
intuitiveMethoden
Anforderungsliste
Konzipieren
• Abstrahieren• Funktionsstrukturen aufstellen• Wirkprinzipien suchen• Kombinieren• Auswählen
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Funktionsprinzip vom Getriebe zumändern der Drehzahl
Dreistufiges Schieberadgetriebe
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Vorgehensweise beim Konzipieren von Werkzeugmaschinen
Konzeption
ausgehend vom
Arbeitsraum
Konzeption
ausgehend vom
Werkstückspektrum
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Vorgehensweise beim Konzipieren von Werkzeugmaschinen
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Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Universaldrehmaschine; Fa. Schaublin Machines SA
Konzeption ausgehend vom Arbeitsraumam Beispiel einer Drehmaschine
Beispiel Drehmaschine• Vermeidung von
Kollisionen• guter Spänefall
• Sicherheitsvorschriften
Beispiel Drehmaschine• Gesamtlänge Imax
• größterDurchmesser dmax
Beispiel Drehmaschine• Ein- und Ausgabe von
Werkstück undWerkzeug
• InformtionsaustauschMensch Fertigungs-system
werkstückbezogeneAnforderungen
maschinenbezogeneAnforderungen
systembezogeneAnforderungen
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Analyse des zu fertigenden Werkstückspektrums
• Klassifizierung- Untersuchung auf Kenngrößen,
die Fertigungseigenschaftenrepräsentieren
• Beschreibung- Hauptformbeschreibung- Zerlegung in einzelne Elemente
mit charakteristischen Daten
Statistische Erfassung vorhandener Werkstückgrößen
Erarbeitung zukünftiger Werkstückspektren
• quantitative Hinweise auf- Fertigungsverfahren- Genauigkeit- Zerspanleistung- Arbeitsraumgröße und –gestaltung- Anzahl der Werkzeuge
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Konzeption ausgehend vom Werkstückspektrum
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Beschreibung von Werkstücken
• Hauptformbeschreibung
- Stückzahl- Werkstoff- Grobabmessung- Form- Masse- Zerspanvolumen- Spannmittel- Spanngeometrie
• Formelementbeschreibung
- Form und Lage- Oberflächengüte- Toleranzen- Fertigungsverfahren- Werkzeuge
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Beschreibung von Werkstücken
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Methoden zur Lösungssuche
Kreativphase
Ideenbewertung
Brainstorming
Brainstorming
BrainwritingModerationskarten
Moderationskarten
Mind Mapping
Gruppe
Moderator
Gruppe
Spaltenmethoden
Moderator
2by2-Matrix
Paralleles Denken
• Brainstorming
• Methode 635
• Delphi – Methode
• Synektik
Diskursiv betonte Methoden
Intuitiv betonte Methoden
• systematische Untersuchung desphysikalischen Geschehens
• systematische Suche mit Hilfe vonOrdnungsschemata
• Verwendung vonKonstruktionskatalogen
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
• Gestalt• Werkstoff• Fertigungsanweisungen• Montageanweisungen
.
.
.
Gesamtentwurf
Gestaltungsphase
Modell-versuche
Kataloge
Bearbeitungs-maßstäbe
Eindeutig
Sicher
prinzipielle Lösung
Entwerfen• Grobgestalten
• Feingestalten
• Vervollständigen
• Kontrollieren
Einfach
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Gestaltungsphase
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Definition: CAD-Systeme dienen der rechnerunterstützten Konstruktion und Arbeitsplanung.
Sie werden zur Bearbeitung von Unterlagen der Angebotserstellung, des Konzipierens, des Entwurfs, der Gestaltung, der Zeichnungs- und Stücklistenerstellung, der Berechnung, der Arbeitsplanung und der NC-Programmierung eingesetzt.
CAD-Systeme unterscheiden sich in der Art der geometrischen Modellierung. Es wird unterschieden in:
• 2D-CAD-Systeme,• 2,5D-CAD-Systeme und• 3D-CAD-Systeme.
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
CAD-Systeme
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Maschinenportal
Querbalken
Maschinenbett
Frässupport
Tisch
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Werkzeugrevolver
3D-CAD Modell einer Portalfräsmaschine Tischbauweise
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Ausarbeitungsphase
ZusammenstellungszeichnungEinzelteilzeichnungenStücklistenFertigungs-, Montage- undTransportvorschriften
.
.
Fertigungsunterlagen
Gesamtentwurf
Ausarbeiten
• Detaillieren• Zusammenfassen• Vervollständigen• Prüfen
NormenWerknormenRichtlinien
ZeichnungssystemeStücklistensystemeSachnummernsysteme
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Ausarbeitungsphase
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Definition: Simulation ist das Nachbilden eines Systems mit seinen Prozessen in einem experimentierfähigen Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind.
ModellierungAbstraktion
ÜbertragungInterpretation
Expe
ri-
men
te
Quelle: VDI 3633Bilder: INDEX-Werke GmbH & Co. KG
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Simulation
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Simulationstechnologien
Ablaufsimulation Graphische 3D-Simulation
Mehrkörper-SimulationFEM-Simulation
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Quelle: IWF/TU Berlin
Einteilung der Simulationtechnologien
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Die FE-Methode dient zur Beurteilung des Bauteilverhaltens bei mechanischer oder thermischer Betastung. Sie wird zur Berechnung und Darstellung von:
• Kraft- und Spannungsverläufen,• statischen und dynamischen Verformungen,• Eigenformen des Schwingungsverhaltens,• Temperaturfeldern und -verläufen sowie• Geschwindigkeitsfeldern und -verläufen
eingesetzt.
Quelle: Spur, G. Krause F.-L.: Das virtuelle Produkt
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Finite-Elemente-Methode (FEM)
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
Quelle: Weck, M. Werkzeugmaschinen, Fertigungssysteme, Bd. 2
Erstellen des Berechnungsmodells
Elemente:Typ
aktuelle DatenBelastungen
Einspannungen
Approximation der StrukturErfassen der Belastungenund der Einspannungen
Berechnung derSpannungen
Lösen desGleichungssystems
zur Berechnungder Deformationen
Berechnung derElementsteifigkeits-
Matrizen
Aufprägen derBelastungen und
der Einspannungen
RechentechnischeKopplung der Einzel-
Matrizen entsprechendder Anordnung in der
Gesamtstruktur
F F
Berechnung der Deformationen und Spannungen
F F
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Vorgehensweise bei der Anwendung der FE-Methode
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Quelle: Weck, M. Werkzeugmaschinen, Fertigungssysteme, Bd. 2
Beispiel: Berechnung des statischen Verhaltens von Gestellbauteilen
TransferlinieneinheitFinite-Element-Modellmit 392 8-knotigenSchalenelementenund 1154 Knoten
Fesselungen
verformte Strukturinfolge der Belastungendurch den Fräsprozess
Ausschnitt A
verformte Strukturinfolge der Belastungendurch das Gewichtdes Werkzeug – undSpindelkopfmagazins
= 100 µm= 200 µm
z
y
z
x
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
Finite-Elemente-Netz Kondensierte Strukturder Dynamikberechnung
Revolverschieber
Planscheibe
Untersatz
Ständer
Querbalken
Quelle: Weck, M. Werkzeugmaschinen, Fertigungssysteme, Bd. 2
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Beispiel: Berechnung des dynamischen Verhaltens von Gestellbauteilen
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
Die Mehrkörper-Simulation dient der Berechnung der Kinematik und Dynamik von Systemen, die aus mehreren Komponenten (Starrkörper) bestehen. Damit lassen sich beispielsweise Lagerkräfte bei der Beschleunigung von Massen bestimmen.
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Prototyp einer seilgetriebenen Parallelkinematik
Simulation der Seile und Umlenkrollen
Mehrkörpersimulation (MKS)
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Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Kinematische Verbindungen zw. den Bauteilen erzeugen
Formulierung der Bewegungs-gleichung aus dem MKS-Modell durch das MKS-Programm
Integration der Bewegungs-gleichung über die Zeit
Als Ergebnis werden zeitabhängige Bahn-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-kurven geliefert
Erstellung der Simulation des Bewegungs-ablaufes
Erzeugung der Bauteilgeometrie
Berechnung der Trägheitsgrößen durch das MKS-Programm
Allgemeine Vorgehensweise bei der MKS
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GestellkomponentenStarrkörperM JFlexible KörperM C D
ProzesskraftKraftelementmit Kontakt-kinematik
F(x,x)
Führungen
KinematischeBeschränkungen,Kraftelement,Feder-Dämpfer
NC-SteuerungBahninter-polationBewegungs-steuerung
zy
x
Regelungs-TechnischesErsatzmodell
Lage-regelung
Elektro-dynamik
Antriebs-mechanik
VorschubantriebeKraftelement
Topologie MKS-Modell
Quelle: Reinhart, G.; Weißenberger, M.: Simulation der Bewegungsdynamik von Werkzeugmaschinen unter Berücksichtigung
der Wechselwirkung von Antrieben und Maschinenstruktur. In VDI Berichte Nr. 1416, 1998, S. 91-104.
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
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Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
• Bewegungsanalyse von komplexen kinematischen Systemen
• Ermittlung dynamischer Bauteilbelastungen
• Bereitstellung dynamischer Lastannahmen für die FEM
• Lokalisierung von Konstruktionsdefiziten existierender Maschinen
• Realisierung des Virtual Prototyping
Anwendungsgebiete der MKS
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Tätigkeits-schritte im
Konstruktions-prozess
Planungsphase Konzipierungs-phase
Gestaltung-phase
Ausarbeitungs-phase
Arbeitsinhalte
Unterstützungdurch
Computer-systeme
• Klären derAufgabe
• Bestimmung desWesenskernsder Aufgabe
• Abstrahierender Aufgabe
• Informations-Beschaffung durch- intuitive und- diskursive
Methoden• Informations-
verarbeitung durch- Variation und- Kombination
Formale, analogeund bildlicheLösungsdarstellungunterschiedlicherKonkretisierungs-stufen
BerechnungSimulationtechnisch-wirtschaftlicheBewertung
Datenbanksysteme Expertensysteme CAD-Systeme Berechnungs-,Simulations- undFEM-Systeme
Quelle: Sanft, C.:Entwicklung von Werkzeugmaschinen auf der Basis eines integrierten Produktmodells
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase
Rechnerunterstützung beim Konstruktionsprozess
Computer Aided Manufacturing (CAM)
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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11
Konstruktionsprozess einer Werkzeugmaschine
Haupteinflussfaktoren• Werkstückspektrum • Fertigungsparameter
Entwurf – Hauptbaugruppen• Gestell• Führung• Antriebe• Lager • …
Detailkonstruktion• Peripherie• Hydrauliksystem• Elektrik- und Elektroniksystem• Schmierstoffsystem• …
Messung • Statisches Verhalten• Dynamisches Verhalten• Thermisches Verhalten• Akustisches Verhalten
Nutzung• CAD-System• Finite Elemente Methode
• Mehrkörper-simulation
Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase