CAD-Systeme: Grundlagen und Anwendungen der geometrischen Datenverarbeitung

216 Pages·1984·3.82 MB·German

by  Erwin Lacher (auth.)

E. Lacher
CAD-Systeme
Aus dem Programm __________- --..
Maschinenbau/lnformatik
Roloff IMatek Maschinenelemente
Lehrbuch: Normung - Berechnung - Gestaltung,
von W. Matek, D. Muhs und H. Wittel
Konstruieren und Berechnen,
von H. Hintzen und L. Laufenberg
Handbuch Vorrichtungsbau,
von H. Matuszewski
Handbuch I ndustrieroboter,
von H. Raab
CAD-Systeme
von E. Lacher
Digitale Regelung mit Mikroprozessoren,
von N. Hofmann
Getriebelehre mit dem Mikrocomputer,
von H. Burde
Mikroprozessoren,
von H. Schumny
Vieweg------------------------/
Erwin Lacher
CAD-Systeme
Grundlagen und Anwendungen der
geometrischen Datenverarbeitung
Mit 59 Obungsaufgaben
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Lacher, Erwin:
CAD-Systeme: Grundlagen u. Anwendungen d.
geometr. Datenverarbeitung; mit 59 Obungs
aufgaben / Erwin Lacher. - Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg, 1984.
ISBN-13: 978-3-528-03353-8 e-ISBN-13: 978-3-322-84097-4
001: 10.1007/978-3-322-84097-4
1984
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1984
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1984
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Umschlaggestaltung: Peter Neitzke, Koln
- 1 -
Inha1tsverzeichnis
fu~rt 4
Ein1eitung 6
1 Erfassung geometrischer Informationen 8
1.1 Ziffern und Zeichenfo1gen 8
1.2 Koordinaten 8
1.3 MenUtechnik 9
1.4 Aktionen 9
1.5 Rasterabtastung 9
1.6 Mustererkennung 11
1.7 Ubungen 14
2 Speichern und Wiederauffinden geometrischer Informationen 16
2.1 Prinzipien und Prob1eme der Informationsverwa1tung 16
2.1.1 Identifikation und Vertei1ung von Informationseinheiten 16
2.1.2 Anderungen an Informationseinheiten 17
2.2 Komponenten von Datenverarbeitungsan1agen 17
2.2.1 Speichertypen 17
2.2.2 DatenUbertragunswege 19
2.2.3 Zentra1einheiten 19
2.2.4 Konfigurationen 20
2.2.5 Engpasse im rea1en Betrieb 21
2.3 Dateiorganisationsformen und Zugriffsmethoden 21
2.3.1 Sequentie11e Dateiorganisation 21
2.3.2 Gekettete Dateiorganisation 22
2.3.3 Direkte Dateiorganisation 23
2.3.4 Hierarchische Dateiorganisation 24
2.3.5 Datenbanken 25
2.4 Speicherung geometrischer Informationen 26
2.4.1 Metrische und topo1ogische Informationen 26
2.4.2 Strukturinformation 28
2.4.3 Beschreibende Informationen 29
2.4.4 Normierungen 29
2.5 Ubungen 31
3 Verarbeitung geometrischer Informationen
3.1 Grundbegriffe der numerischen Mathematik 33
3.1.1 Zah1endarste11ung 33
- 2 -
3.1.2 Rundungsfehler 34
3.1.3 Kondition 35
3.1.4 Konvergenz 35
3.1.5 Numerische Verfahren 37
3.2 Grundbegriffe der Differentialgeometrie 40
3.2.1 Darstellung von Kurven und Flachen 40
3.2.2 Geometrische Bedeutung von Differentialoperationen 41
3.2.3 Abbildungen und Invarianten 43
3.2.4 Scharen und HUllgebilde 44
3.3 Analytische Beschreibung von Kurven und Flachen 44
3.3.1 Bedeutung und Probleme 44
3.3.2 Technisch wichtige Flachen 45
3.4 Numerische Beschreibung von Kurven und Flachen 47
3.4.1 Geometrische Forderungen 47
3.4.2 Gewichtsfunktionen und Interpolation 48
3.4.3 Approximation 51
3.4.4 Ungeordnete StUtzpunktmengen 52
3.5 Schnitt von Kurven und Flachen
53
3.5.1 Gewinnung von Schnittpunkten
53
3.5.2 Aufteilung in KurvenzUge
54
3.6 Schnitt von Korpern 54
3.6.1 Elementare Objekte und Transformationen 55
3.6.2 Geometrische Subtraktion und Addition 55
3.6.3 IJeitere Volumenoperationen 58
3.7 Spezifizierung des Verarbeitungsablaufs 59
3.8 Ubungen 62
4 Ausgabe geometrischer Informationen 64
4.1 Darstellung von 2-dimensionalen Objekten 64
4.1.1 Vektorgerate 65
4.1.2 Rastergerate 66
4.1.3 Bildwiederholungsgerate 67
4.1.4 Darstellung im zeitlichen Ablauf 68
4.1.5 Gerate- und Rechnerunabhangigkeit 69
4.2 Darstellung von 3-dimensionalen Objekten 70
4.2.1 Transformationen und Projektionen 70
4.2.2 Simulation der dritten Dimension 72
4.3 Ubungen 76
5 NC-Fertigung 79
5.1 EinfUhrung 79
5.2 APT-System 80
5.2.1 Geometriedefinitionen zur WerkzeugfUhrung 80
- 3 -
5.2.2 Verarbeitungsoperationen und Ergebnisse 82
5.2.3 Gesamtumfang der APT-Sprache 86
5.2.4 Beispiele 90
5.3 Ubungen 99
6 Methode der Finiten Elemente 101
6.1 Oiskretisierung eines Kontinuums 101
6.2 Elementtypen und Formfunktionen 103
6.3 Erstellung eines FEM-Programms 106
6.4 Automatische Oiskretisierung 107
5.5 Ergebnisauswertung 108
6.6 Weitere AnwendungsmHglichkeiten lOS
6.7 Beispiele 111
6.8 Ubungen 130
7 Robotereinsatz 132
7.1 Geometrie, Bewegungsablauf und Krafte 132
7.2 Intelligenz durch Sensoren 138
7.3 Programmierung 140
8 Zusammenfassung 143
8.1 Zentrale CAO-Systeme 143
8.2 Anwendungen mit geometrischer Basis 144
8.3 Wirtschaftlichkeit 144
8.4 Integration des gesamten Produktionsprozesses 146
LHsungsvorschlage zu den Ubungen
Kapitel 1 149
Kapitel 2 154
Kapitel 3 161
Kapitel 4 171
Kapitel 5 177
Kapitel 6 181
Algorithmen- und Programmverzeichnis 136
Kommentiertes Literaturverzeichnis 189
Glossar 192
Sachwortverzeichnis 204
- 4 -
Vorwort
Das Ziel dieses Buches ist es, LUcken zu schlieBen.
In den letzten Jahren hat die Verarbeitung geometrischer Daten als Grund
lage zahlreicher, jedoch voneinander isolierter Bereiche in der Entwick
lung und Fertigung technischer Produkte einen beachtlichen Stand erreicht.
Die im Interesse der Rationalisierung und Konsistenz notwendige Integra
tion der verschiedenen Bereiche mittels anwendungsneutraler CAD-Systeme
erfordert hinreichende Detailkenntnisse aus allen betroffenen Fachge
bieten. Durch Aufzeigen der gemeinsamen Probleme der Verarbeitung geo
metrischer Daten sowie der Eigenarten der verschiedenen Anwendungsbe
reiche sol len
- Ubergangsmoglichkeiten zwischen Insellosungen
- Erweiterungen und Anpassungen schlUsselfertiger Systeme
- Mitarbeit an der Entwicklung und dem Betrieb solcher Systeme
aufgrund der Kenntnisse und Fertigkeiten moglich gemacht werden.
Die Leser dieses Buches ergeben sich aus
- (zukUnftigen) Anwendern von CAD-Systemen, also Student en und Berufs
tatigen der technischen Fachrichtungen wie Maschinenbau, Architektur,
Bauingenieurwesen, Kartographie, Elektrotechnik, Wirtschaftsingenieur
wesen
- (zukUnftigen) Betreuern und Entwicklern dieser Systeme, also Informa
tikern und ihren Partnern aus anderen Fachgebieten.
Die Voraussetzungen fUr dieses Buch zum prinzipiellen Verstandnis sind die
Kenntnis der wichtigsten Begriffe und Tatsachender Differential- und
Integralrechnung sowie der analytischen Geometrie. Zum vollstandigen
Verstandnis und zur Losung der Ubungen ist Erfahrung mit einer hoheren
Programmiersprache und ihrem Umfeld erforderlich. DarUber hinausgehende
hier notwendige mathematische und dv-technische Kenntnisse werden in mog
lichst knapper Form mit Angabe der Standardliteratur beschrieben.
Die Prinzipien dieses Buches sind
- "Ein Bild sagt mehr als tausend Worte"
Graphische PlausibilitatsUberlegungen und verbale Beschreibungen werden
mathematischem Formalismus vorgezogen. Auf explizite Formeln und Algo
rithmen wird in einem gesonderten Verzeichnis verwiesen.
- 5 -
- "Es gibt nichts Gutes, auBer man tut es"
Entsprechend diesem Wort Erich Kastners werden fUr jedes Kapitel prak
tische Ubungen zur Umsetzung der vermittelten Kenntnisse in detallierte
Fertigkeiten angeboten. 1m Studienbetrieb ist hier ein Rechnerpraktikum
unbedingt erforderlich.
- "So konkret wie moglich, so allgemein wie notig"
In der Tatigkeit des Ingenieurs Uberwiegt die konkrete Erfahrung an
Wirksamkeit die abstrakte Theorie bei wei tern. Zur Erkennung Ubergeord
neter Zusammenhange ist jedoch auch ein bestimmtes Abstraktionsniveau
erforderlich.
Mein Dank gilt Herrn Kollegen Spath fUr die kritische Durchsicht des
Manuskripts und fUr seine konstruktiven Vorschlage sowie Herrn Schmitt
yom Vieweg Verlag fUr seine geduldige Betreuung als Lektor.
- 6 -
Einleitung
Die effiziente und kostengunstige Verarbeitung geometrischer Daten stieB
in der Vergangenheit auf groBe Schwierigkeiten, da bisher getrennte An
forderungen gemeinsam auftraten:
- Umfangreiche und komplex strukturierte Datenmengen wie in der kommer
ziellen Datenverarbeitung sind zu behandeln. Ein Flugzeug besteht aus
mehr als einer Million Einzelteilen in vielen hundert Baugruppen, die
alle geometrisch zu lokalisieren und zu beschreiben sind.
- Komplizierte und rechenintensive Algorithmen wie in der technischen Da
tenverarbeitung mussen eingesetzt werden. Die Darstellung eines ein
fachen Bauteils mit Unterdruckung der verdeckten Linien erfordert einige
Millionen Rechenoperationen.
- Teure graphische Endgerate zur direkten und ununterbrochenen Mensch
Rechner-Kommunikation sind notig, um das auf Erfahrung beruhende, oft
nicht programmierbare Beurteilungsvermogen von Ergebnissen einsetzen
zu konnen.
Alle diese Gegebenheiten bewirkten eine starke Belastung teurer Rechner
komponenten oder mangelnde Einsatzfahigkeit solcher Systeme aufgrund
fehlender Verfahren.
Mit dem drastischen Preisverfall fur Rechnerkomponenten aller Art und dem
erfolgreichen AbschluB langjahriger Entwicklungsarbeiten der Industrie,
der Forschungsinstitute und der Hochschulen auf dem Gebiet der rechner
unterstutzten Geometrie nimmt dieser Sektor der Datenverarbeitung seinen
lang erwarteten Aufschwung. Dabei zeigt sich - wie schon in der kommer
ziellen Datenverarbeitung - der Vorteil einer zentralen Speicherung und
Manipulation der Geometrie der Produkte mit Hilfe eines CAD-Systems in
Analogie zu Informationssystemen. Die Zentralisierung ist nur im logischen
Sinne zu verstehen, bestimmte Datenmengen konnen durchaus physisch ver
teilt sein. Die einzelnen, von der Geometrie der Produkte mitbestimmten
Anwendungen (Konstruktion, Berechnungen, Fertigung, Qualitatssicherung,
technische Dokumentation) entnehmen die geometrischen Informationen einem
CAD-System. Der formale Ablauf der Verarbeitung geometrischer Daten in
solchen Systemen unterscheidet sich wenig von der ubrigen Datenverarbei
tung und entspricht den Kapiteln 1 bis 4:
- Die Datenerfassung bringt geometrische Objekte, etwa Zeichnungen oder
3-dimensionale Gebilde in den Rechner ein, wobei auch Fragen der Er
kennung dieser Objekte bei der automatischen Erfassung erortert werden.