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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung von Konstruktions-, Berechnungs- und Produkbonsun- terlagen für die Herstellung von Bauteilen, die mit unterschiedlicher Genauigkeit herzustellende Flächen, insbesondere mit niedrigerer Genauigkeit herzustellende Freiformflächen und mit höherer Genauigkeit herzustellende, bearbeitete Regelflächen aufweisen, unter Verwendung eines programmierbaren Computers für die Berechnung und für die Speicherung der Konstruktionsdaten und zu deren Verarbeitung nach wählbaren Programmen zur Darstellung der Konstruktion und/oder für die Erstellung von Steuerprogrammen für bei der Produktion eingesetzte Bearbeitungsmaschinen.
Ein derartiges Verfahren wird bereits bisher in dem sogenannten CAD (Computer Aided Design) - Programm und den daraus abgeleiteten Unterprogrammen, z. B unter der Bezeichnung CATIA, AUTOCAD.
ANVIL, angewendet. Es ergibt sich dabei die Möglichkeit, die Bauteile sowohl konstruktiv darzustellen, auf Bildschirmen dreidimensionale Darstellungen des zu erzeugenden Bauteiles vorzutäuschen, Zeichenautomaten für die Erstellung von Konstruktionszeichnungen zu steuern und auch unmittelbar nach entsprechenden Programmen über die abgefragten Daten Berechnungsprogramme, wie sie z. B. unter der Bezeichnung FIRE und IDEAS bekannt sind, durchzuführen, Bearbeitungsmaschinen, insbesondere NC-Maschinen, z. B.
Fräsmaschinen oder Erodiermaschinen zu steuern oder die Daten in Stereolithographiermaschinen umzusetzen.
Grundsätzlich erfolgt die Erstellung der Konstruktions- und Produktionsunterlagen bei den bekannten CAD-Systemen nach einer Methode, wobei die Konstruktionsgenauigkeit und das Auflösungsvermögen durch die Datenspeicherung nach jenen Flächen bestimmt wird, die bei der Produktion die höchsten Genauigkeitsanforderungen haben. In der Praxis bedeutet dies, dass für Flächen, die an sich mit niedriger Genauigkeit herzustellen wären, der gleiche Aufwand getrieben wird, wie bei Flächen, für die eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, so dass die Genauigkeit der Konstruktion und das Auflösungsvermögen durch die gespeicherten Daten für diese Flächen manchmal vielfach höher wird als die zulässigen Herstellungsto- leranzen. Als Beispiel seien hier Motorteile genannt.
Diese besitzen unbearbeitete Regelflächen und Freiformflächen mit Gussrauhigkeit, bei denen eine Genauigkeit von höchstens 0, 1 bis 0, 5 mm, manchmal sogar eine geringere Genauigkeit einzuhalten ist, sowie bearbeitete Regelflächen, bel denen sich Genauigkeitsanforderungen in der Grössenordnung von 0, 01 bis 0, 1 mm ergeben. Erschwerend kommt hinzu, dass die bearbeiteten Regelflächen in den meisten Fällen Flächen sind, die vom Prinzip her geometrisch einfache Formen aufweisen und sich z.
B. aus ebenen Flächen, Zylinder- Kegel- und Kugelflächen und deren Abschnitten zusammensetzen, wogegen die unbearbeiteten Regelflächen und Freiformflächen vielfach Krümmungen höherer Ordnung aufweisen oder sich überhaupt hinsichtlich des Krümmungs- oder Kurvenverlaufs einer mathematischen Definition entziehen, so dass sie punktweise konstruiert werden müssen. Bei den hohen Genauigkeitsanforderungen nach dem üblichen CAD-Verfahren nimmt oft das Modellieren von Freiformflächen mit Gussrauhigkeit den weitaus grösseren Teil der aufzuwendenden Konstruktionsarbeit in Anspruch. Bei Verbesserungen und Konstruktionsänderungen, wie sie sich besonders bei der Entwicklung neuer Modelle aus den praktischen Erfahren ergeben, und auch bei z.
B. im Motorenbau üblichen Variierungen eines Grundmodelles für verschiedene spezifische Verwendungsfälle ergibt sich jeweils ein Aufwand, der nicht wesentlich geringer als der zur Erstellung des Grundmodelles erforderliche Aufwand ist. Gerade bei Motorentwicklungen kann es ohne weiteres vorkommen, dass eine Konstruktionsänderung eben im CAD-System unter entsprechend langer Erstellungsdauer berücksichtigt wurde, wenn die Praxis bzw. Entwicklung zeigt, dass schon wieder eine weitere Abänderung notwendig bzw. sinnvoll erscheint.
Insgesamt gesehen ergeben sich dadurch bei Neuentwicklungen durch die auftretenden Verzögerungen in der Rückkopplung beträchtliche Gesamtentwicklungszeiten, wobei kleinere Korrekturen, die an sich sinnvoll wären, oft für die nächste Serie aufgespart werden bzw. von der Erstkonstruktion eines Prototyps bis zur Serienreife eine unverhältnismässig lange Zeit vergeht. Hier ist auch in Betracht zu ziehen, dass für die Serienproduktion auch Serienwerkzeuge erforderlich sind, die erst nach Vorliegen der Serienreife gebaut bzw. angeschafft werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern und dabei insbesondere zu erreichen, dass der Aufwand für die Erstellung der Konstruktions- und Produktionunterlagen für die mit niedriger Genauigkeit herzustellenden Flächen bzw. Formteile auf ein dieser Genauigkeit entsprechendes Mass reduziert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Erstellung der Unterlagen für kompliziert geformte Freiformflächen zu reduzieren. Nach einer weiteren Aufgabe soll die Möglichkeit geschaffen werden, bei Konstruktionsänderungen bzw. bei untereinander ähnlichen Modellen nur die tatsächlich von dieser Änderung bzw. Variante erfassten Bereiche der Gesamtkonstruktion abzuändern.
Schliesslich soll noch die Aufgabe gelöst werden, bei möglichst rationellem Einsatz der zur Verfügung stehenden Speicherplätze unter weitgehender Reduzierung der zu speichernden Daten eine Speichermöglichkeit anzugeben, die ein Auslesen der Daten nach verschiedenen Programmen und über verschiedene Schnittstellen ermöglicht.
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Diese und weitere Aufgaben werden bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, - dass für unterschiedliche Bauteile, die aber wenigstens in Teilbereichen gleiche oder ähnliche, mit niedrigerer Genauigkeit herzustellende Freiformflächen aufweisen, gemeinsame, entsprechende Flä- chen aufweisende Grundmodelle in körperlicher Form hergestellt und schichtweise unter Erfassung der Randlinien bzw. Berührungspunkte der Freiformflächen in der jeweiligen Schichtoberfläche abgetastet und die entsprechenden Daten gespeichert werden, - dass für die Erstellung der Unterlagen für jeden bestimmten Bauteil die seinen entsprechenden
Flächen zugeordneten gespeicherten Daten des Grundmodells verwendet und zur Anpassung an die Sollmasse z.
B. im Sinne einer gedachten Dehnung oder Stauchung des Grundmodells bzw. einer
Verschiebung einzelner Begrenzungslinien oder Flächen in wenigstens einer Koordinatenrichtung mit
Korrektur- oder Umrechnungsfaktoren beaufschlagt und in der korrigierten Form gespeichert werden und - dass für jeden bestimmten Bauteil lediglich die Konstruktions- bzw. Produktionsdaten für mit höherer
Genauigkeit herzustellende bzw. aus dem jeweiligen Grundmodell nicht entnehmbare Flächen neu ermittelt werden.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird es möglich, den Aufwand für die Erstellung der Konstruktionsunterlagen kompliziert geformter Flächen dann weitgehend zu reduzieren, wenn einmal ein entsprechende Flächen in ähnlicher Form aufweisendes Grundmode vorliegt. Es wird auch möglich, nach Erstellung der speziellen Unterlagen für ein bestimmtes Modell Abänderungen an den erwähnten Flächen nur dort vorzunehmen, wo dies aus der Produktion oder aus der Erprobung eines Modelles für notwendig bzw. sinnvoll erscheint. Das Grundmodell bleibt aber im Speicher erhalten und wird jeweils nur nach den Erfordernssen modifiziert. Damit lassen sich alle Änderungen rasch erfassen und in brauchbare Unterlagen für die Konstruktion und Produktion umsetzen.
Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemässen Verfahrens, der für die Praxis grosse Bedeutung erlangt, besteht darin, in grösseren Produktionsbetrieben eine Datenbank für die bisher erzeugten bzw. in Entwicklung befindlichen Grundmodelle einzurichten, auf die Im Bedarfsfall zurückgegriffen wird. Durch die bevorzugte Reduktion der Speicherung auf ein Grunddatenformat, also auf Punktdaten u. dgl. ohne den komplizierten derzeit üblichen Umweg über eine Generierung von Flächen wird es möglich, Transformationen und Modifikationen der Daten für verschiedene Einrichtungen z. B. für Berechnungsprogramme (IDEAS oder FIRE), die Übergabe zu Fertigungseinrichtungen für Rapid Prototyping (z. B.
Stereolithographie oder NC-Fräsmaschinen) in weitaus kürzerer Zeit als bisher zu verwirklichen, da die für diese Programme erforderlichen Datennetze vom Prinzip her auch aus Punkten bestehen. Bisher werden diese Datennetze langwierig aus den vorher generierten Flächen modelliert. Es werden also bei der erfindungsgemässen Ausführung Umwege vermieden und durch den Direktschnitt wird auch die Fehleranfälligkeit verringert.
Wenn bereits Grundmodelle vorhanden sind, oder schon konstruiert wurden, kann man die Grundmodelle lediglich auf konstruktivem Weg unter Verwendung des programmierbaren Computers erstellen und speichern. Für kompliziert geformte Bauteile und insbesondere für Bauteile mit von aussen für eine Vermessung nicht oder nur bedingt zugänglichen, z. B. Höhlungen begrenzenden Freiformflächen, werden Grundmodelle in körperlicher Form hergestellt und schichtweise unter Erfassung der Randlinien bzw. Berührungspunkte der Freiformflächen in der jeweiligen Schichtoberfläche unter Speicherung der entsprechenden Daten abgetastet werden. In jeder Schicht werden den entsprechenden Flächen zugeordnete Linien bzw. Punkte erfasst, wobei die Summe aller Linien und Punkte aus sämtlichen Schichten die jeweiligen Freiformflächen definiert.
Eine praktische Anwendung dieses Verfahrens ergibt sich z. B. für die Gestaltung und Erfassung der Form der Wasserkanäle in einem Motorblock. Hier kann man bei einer Entwicklung ein entsprechendes vorhandenes Modell oder auch ein angefertigtes Rohmodell abtasten und dann die Daten bis zur völligen Brauchbarkeit des neuen Modelles modifizieren. Der gesamte sonst zu treibende Konstruktionsaufwand für diese Freiformen entfällt.
Eine ausreichende Genauigkeit auch bei komplizierten Modellen lässt sich erreichen, wenn das jeweilige Grundmodell schichtweise abgetragen und die Oberfläche jeder einzelnen Schicht zur Erfassung der zu speichernden Daten für die Linien bzw. Punkte mit einem Scanner abgetastet wird. Die Scannerbewegung wird erfasst, so dass für jeden Punkt auch der Entstehungsplatz und damit die Speicheradresse definiert sind. Vorzugsweise wird zugleich mit dem jeweiligen Modell mittels des Scanners ein Massstab abgetastet, um entweder eine eindeutige Beziehung der Istmasse zu den gespeicherten Daten herzustellen zu können oder um sicherzustellen, dass Grössenabweichungen der gescannten Geometrie erkannt werden und dadurch angezeigt wird, dass der Scannprozess wiederholt werden muss.
Bei niedrigerer Genauigkeit ist es auch denkbar das jeweilige Grundmodell in einem UltraschallSchnittbildverfahren zu untersuchen und die aus den einzelnen Schnittbildern erfassten Konstruktionsdaten
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zu speichern. Zweckmässig wird man bei dieser Art der Untersuchung dann, wenn am Grundmodell keine absolut ebene Fläche für das Aufsetzen des Ultraschall-Tastkopfes vorhanden ist, im sogenannten Tauchverfahren arbeiten. In beiden Fällen ist eine Fläche durch die Summe aller zugeordneten Linien und Punkte in den einzelnen Schichtbildern definiert.
Die Zuordnung der gespeicherten Daten wird erfindungsgemäss dadurch besonders einfach, dass die Daten auch hier in einem Grunddatenformat, z. B. als Punktfolgedaten für die jeweilige Schichtoberfläche bzw. gedachte Schnittebene gespeichert werden. Hier ist jeder einzelne Punkt von der Adresse her durch seine Koordinaten in der jeweiligen Ebene definiert. Durch entsprechende Abfrageeinheiten können Schnittstellenverbindungen mit den verschiedensten Ausgabeeinrichtungen hergestellt werden. Zweckmässig wird man sowohl die Daten für die mit höherer als auch für die mit niedrigerer Genauigkeit herzustellende Flächen erfassen und speichern.
Besonders vorteilhaft ist bei dieser Art der Speicherung, wenn die Daten für die mit geringerer Genauigkeit herzustellenden Flächen mit Unterscheidungsmerkmalen gegenüber den weiteren Daten versehen werden, so dass die von diesen unterscheidbaren Daten bestimmten Elemente der Gesamtkonstruktion bei der Darstellung z. B. durch Einfärbung markiert bzw. bei Konstruktionsänderungen oder Fehterkorrekturen für sich modifiziert werden können. Es ist dabei auch möglich, eine noch weitere Unterteilung über die Unterscheidungsmerkmale vorzusehen, so dass z. B. Aussen- und Innenflächen eines Wassermantels gesondert markiert und modifiziert werden können.
Durch die bei der erfindungsgemässen Ausführung gegebenen Unterscheidbarkeit der Daten ergibt sich die weitere Möglichkeit, dass die durch die Daten bestimmten Linien oder Flächenpunkte für die mit geringerer Genauigkeit herzustellenden Flächen in gröberer Auflösung als für die mit höherer Genauigkeit herzustellenden Flächen ermittelt, gespeichert und ausgewertet werden. Dadurch wird die Speicherkapazität nur in dem tatsächlich erforderlichen Ausmass beansprucht und es erhöht sich auch die Auslese- bzw. Abfragegeschwindigkeit bei der Verarbeitung der gespeicherten Daten zu Darstellungen oder für die Erstellung von Herstellungsunterlagen z. B. für Gussformen.
Gerade bei GuBteilen besteht ein wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass aus dem gespeicherten Modell die im Guss herzustellenden Freiformflächen für sich dargestellt werden können, wobei man dann im Bereich der zu bearbeitenden Flächen einfache Ergänzungen unter Berücksichtigung der Bearbeitungszugabe vornehmen und insgesamt auch die Schwundmasse berücksichtigen kann.
Eine weitere Reduktion der zu speichernden Daten wird dadurch erreicht, dass zumindest für die mit geringerer Genauigkeit herzustellenden Flächen eine Analyse der durch Punktfolgedaten bestimmten Konstruktionslinien vorgenommen wird und die Datendichte für gerade oder einfach gekrümmte Linien z. B. auf deren End- bzw. Krümmungsmittelpunkte oder Endpunkte und Vektorangaben reduziert wird.
Schliesslich ist es auch möglich, dass für die Speicherung der aufeinanderfolgenden Schichtdarstellungen entsprechenden Daten für die jeweils folgende Schicht nur jene Daten gespeichert werden, die gegenüber den zugeordneten Daten in der vorhergehenden Schicht unterschiedlich sind.
Wie bereits erwähnt wurde, ist es möglich, die Daten im Grunddatenformat entsprechend zu modifizieren, so dass sie der erforderlichen Datenstruktur der Berechnungsprogramme IDEAS oder FIRE entsprechen.
Nach einer anderen Ausführung werden die Daten im Grunddatenformat entsprechend modifiziert, so dass die modifizierte Datenstruktur der Datenstruktur entspricht, die zur Verarbeitung in Einrichtungen für Rapid Prototyping, etwa NC-Fräsmaschinen oder Einrichtungen der Stereo lithographie benötigt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen
Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Zylinderkopf, wie er als Darstellung erhalten wird, wenn dieser
Zylinderkopf schichtweise abgetragen und mittels eines Scanners abgetastet wird,
Fig. 2 schematisch dazu seitenverkehrt durch eingezeichnete Punkte und Linien die Dichte, in der die
Daten gespeichert werden und
Fig. 3 als weiteres Beispiel schaubildlich übereinander dargestellte Schichtbilder eines Motorzylin- ders.
Nach den Fig. 1 und 2 wird ein Zylinderkopf 1 schichtweise abgetragen, wobei die Abtragung beim Ausführungsbeispiel nach einer Ebene erfolgt, die Oberfläche 2 jeder Schicht wird nach Fertigstellung der Abtragung mit einem Scanner, z. B. zeilenweise, in Y- oder X-Richtung mit Vorschub in der Y- bzw. XRichtung abgetastet, wobei alle Randlinien erfasst werden. Beim Ausführungsbeispiel sind nur Bohrungen 3 für die Zylinderkopfschrauben und Ölbohrungen 4,5 mechanisch bearbeitete Teile, deren genaue Lage im Zylinderkopf und zueinander festzulegen ist. Alle anderen Flächen, also sowohl die Aussen- als auch die Innenflächen 6, 7,8, 9 sind Freiformflächen, die in Gussrauhigkeit mit einer niedrigeren Genauigkeit als die Begrenzungsflächen 3, 4, 5 herzustellen sind.
Gemeinsam mit der Schichtoberfläche wird auch ein Massstab abgetastet, so dass eine eindeutige Beziehung zwischen den erhaltenen Linien und den Istmassen hergestellt
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werden kann.
Fig. 2 zeigt durch verschiedene Puntdichten an. wie der Speichervorgang nach der Datenreduktion vor sich geht. Die zu den einzelnen Konstruktionslinien gespeicherten Daten wurden jeweils durch einen Punkt gekennzeichnet. Man kann feststellen, dass für Flächen höherer Genauigkeit eine grössere Datendichte gespeichert wird als für Flächen, die mit niedrigerer Genauigkeit herzustellen sind, wobei überdies die Dichte der gespeicherten Daten um so niedriger wird, je einfacher der Verlauf der jeweiligen Linie ist. In geraden Linien ergibt sich eine wesentlich niedrigere Datendichte als in gekrümmten Linien.
Bei der Abfrage wird sinngemäss ebenfalls im Koordinatensystem gearbeitet, wobei im einfachsten Fall für Bereiche geringer Datendichte jeweils die den letzten erfassten Punkt bestimmenden Daten solange gelten, bis im Zuge der Abtastung die Information über den nächsten gespeicherten Punkt erhalten wird. Bei aufeinanderfolgenden Schichtbildern ist es nur notwendig, jene Punkte zu speichern, in denen die durch den jeweiligen Speicherpunkt mitbestimmte Fläche eine Änderung gegenüber dem analogen Flächenpunkt im vorhergehenden Schichtbild aufweist.
Es wird also der Speicher des vorigen Schichtbildes für diese Linie bis zum adressenrichtig gespeicherten geänderten Bildpunkt ausgelesen, so dass wohl das Ausleseprogramm modifiziert werden muss, dafür aber die Gesamtkapazität des Speichers wesentlich verringert wird und auch die Auslesegeschwindigkeit steigt, da eben bei der Auslesung der Daten jeder neuen Schicht nur die Änderungen gegenüber der vorhergehenden Schicht zu erfassen sind.
Fig. 3 zeigt, dass aus den Begrenzungslinien 10, 10a, 10b usw. die in aufeinanderfolgenden Schnittebenen oder Schichtebenen erhalten werden, unter Berücksichtigung der Schichtdicke eine vollständige dreidimensionale Darstellung des Motorzylinders abgeleitet werden kann. Auch wird mit der Speicherung
EMI4.1
Bereiche der Gesamtdarstellung abgefragt und die Daten zur Durchführung von Konstruktionsänderungen in Korrekturen verändert bzw. bei der Neukonstruktion ähnlicher Bauteile verwendet werden können. Durch Beaufschlagung der gespeicherten Daten mit Korrektur- bzw. Änderungsfaktoren kann ein durch die Daten bestimmtes Grundmodell in einer oder zwei Koordinatenrichtungen gedehnt oder gestaucht werden, wobei es auch möglich ist, bestimmte Flächen durch Berechnung zu verschieben oder sogar dreidimensional zu verschwenken.
Unter Verwendung von Suchprogrammen kann man bei den gespeicherten Daten auch nur die bestimmten Flächen zugeordneten Daten, die Begrenzungslinien in dieser Fläche bestimmen, exportieren und so z. B. den Zylinderinnenraum oder den Aussenmantel für sich bei Neukonstruktionen verwenden, modifizieren und gegebenenfalls In der modifizierten Form wieder in das Ausgangsmodell einfügen.