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Konstruktion von WerkzeugmaschinenSS 2008 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II – VL 11

11. Vorlesung

Konstruktion von Werkzeugmaschinen

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Inhalt der Vorlesung

• Grundlagen

• Planungsphase

• Konzipierungsphase

• Gestaltungsphase

• Ausarbeitungsphase

Grundlagen Planungsphase Konzipierungsphase Gestaltungsphase Ausarbeitungsphase

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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


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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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


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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


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

Dat

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Planungsphase

Planer

Auszug einer Anforderungsliste


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


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


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


Vorgehensweise beim Konzipieren von Werkzeugmaschinen

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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


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


Beschreibung von Werkstücken

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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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• Gestalt• Werkstoff• Fertigungsanweisungen• Montageanweisungen

.

.

.

Gesamtentwurf

Gestaltungsphase

Modell-versuche

Kataloge

Bearbeitungs-maßstäbe

Eindeutig

Sicher

prinzipielle Lösung

Entwerfen• Grobgestalten

• Feingestalten

• Vervollständigen

• Kontrollieren

Einfach


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.


CAD-Systeme

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Maschinenportal

Querbalken

Maschinenbett

Frässupport

Tisch


Werkzeugrevolver

3D-CAD Modell einer Portalfräsmaschine Tischbauweise

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Ausarbeitungsphase

ZusammenstellungszeichnungEinzelteilzeichnungenStücklistenFertigungs-, Montage- undTransportvorschriften

.

.

Fertigungsunterlagen

Gesamtentwurf

Ausarbeiten

• Detaillieren• Zusammenfassen• Vervollständigen• Prüfen

NormenWerknormenRichtlinien

ZeichnungssystemeStücklistensystemeSachnummernsysteme


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


Simulation

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Simulationstechnologien

Ablaufsimulation Graphische 3D-Simulation

Mehrkörper-SimulationFEM-Simulation


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


Finite-Elemente-Methode (FEM)

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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


Vorgehensweise bei der Anwendung der FE-Methode

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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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Finite-Elemente-Netz Kondensierte Strukturder Dynamikberechnung

Revolverschieber

Planscheibe

Untersatz

Ständer

Querbalken



Beispiel: Berechnung des dynamischen Verhaltens von Gestellbauteilen

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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.


Prototyp einer seilgetriebenen Parallelkinematik

Simulation der Seile und Umlenkrollen

Mehrkörpersimulation (MKS)

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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.


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• 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


Rechnerunterstützung beim Konstruktionsprozess

Computer Aided Manufacturing (CAM)

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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


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