DE10010027A1 - Verfahren zur Bestimmung des Einbauraums eines beweglich angeordneten Bauteils - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung des Einbauraums eines beweglich angeordneten Bauteils (1) weist folgende Verfahrensschritte auf: i) Die Oberflächen (2-7) des Bauteils (1) werden zunächst in allen möglichen Bauteilpositionen durch einzelne Gitterpunkte (8) beschrieben, die in Überlagerung zusammen einen dreidimensionalen aus den Gitterpunkten (8) aufgebauten Körper bilden; ii) der aus den Gitterpunkten (8) aufgebaute Körper wird anschließend von einer Hülle vollständig eingeschlossen; iii) das Innenvolumen der Hülle wird verringert, bis die Hülleninnenfläche an den äußeren Gitterpunkten anliegt; iv) das Hüllenvolumen und die Hüllfläche der so verkleinerten Hülle werden dem Einbauraum zugeordnet. Es wird eine einfache und reproduzierbare Bestimmungsmethode für den Einbauraum eines bewegten Bauteils (1) vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Einbauraums eines beweglich angeordneten Bauteils durch Berechnung des Hüllenvolumens und der Hüllfläche einer um das bewegte Bauteil gedachten Hülle.

Es ist bekannt, sogenannte geometrische "Verschneidungen" eines Bauteils mit einer Vielzahl von Hilfsebenen vorzunehmen. Nach der geometrischen "Verschneidung" erfolgt die Ermittlung von Konturlinien und die Verbindung der Konturlinien zu einer Hülle. Dieses Verfahren wird zur Ermittlung des Einbauraums des Bauteils verwendet, damit eine mögliche Kollision mit anderen (benachbarten) Bauteilen überprüft werden kann.

Infolge der Berechnung der Hülle mit bekannten Methoden erhält die berechnete Hülle von Bauteilen mit konvexer Gestalt (z. B. Reifen) im Regelfall ebenfalls wieder konvexen Charakter. Eine derartige Berechnung einer Hülle eines einfach gestalteten Bauteils bereitet bei der üblichen Vorgehensweise keine nennenswerten Probleme.

Bei Bauteilen mit zerklüfteter Oberfläche (z. B. Motorblock, Achsteile) führt die übliche Vorgehensweise häufig zu einer Hülle mit Löchern oder Lücken. Außerdem kann es sein, dass aus der Wahl der Hilfsebenen unterschiedliche Hüllenformen oder Hüllenvolumen resultieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfache und reproduzierbare Bestimmungsmethode für den Einbauraum eines bewegten Bauteils zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist: i) Die Oberflächen des Bauteils werden zunächst in allen möglichen Bauteilpositionen durch einzelne Gitterpunkte beschrieben, die in Überlagerung zusammen einen dreidimensionalen aus den Gitterpunkten aufgebauten Körper bilden; ii) Der aus den Gitterpunkten aufgebaute Körper wird anschließend von einer Hülle vollständig eingeschlossen; iii) Das Innenvolumen der Hülle wird verringert, bis die Hülleninnenfläche an den äußeren Gitterpunkten anliegt; iv) Das Hüllenvolumen und die Hüllfläche (Gesamtheit aller Hüllflächen, Flächenverband) der so verkleinerten Hülle werden dem Einbauraum zugeordnet. Es kann eine lückenlose Darstellung der gesamten Hülle erzeugt werden.

Es versteht sich, dass die Bestimmungsmethode auch zur Berechnung einer Hülle eines verformbaren Bauteils komplexer geometrischer Struktur geeignet ist.

Eine Variante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil durch finite Elemente beschrieben wird. Komplexe geometrische Strukturen können durch eine endliche, d. h. finite Anzahl von geometrischen Strukturen mit einfacher Gestalt dargestellt werden, deren Verschiebung etc. leicht berechnet werden kann. Dadurch wird ein analytisches Problem durch numerische Berechnung von Werten in finiten Elementen angenähert. Bei der Darstellung der Oberfläche der geometrischen Struktur des bewegten Bauteils durch finite Elemente wird die Größe der Elemente entsprechend der Struktur der Oberfläche gewählt, d. h. in Bereichen mit sich auf kurzer Distanz stark ändernder Oberfläche werden viele kleine Elemente gewählt und für großflächige, sich nicht stark verändernde Oberflächenbereiche, werden wenige große Elemente gewählt. Da finite Elemente durch Punkte oder Knoten begrenzt werden, entsteht bei der Darstellung der Oberfläche durch finite Elemente in Bereichen mit sich stark verändernder Oberflächenstruktur eine höhere Dichte an Punkten. Diese die finiten Elemente begrenzenden Punkte eignen sich daher besonders für das oben genannte Verfahren, da selbst zerklüftete Oberflächen durch eine Punktmenge akkurat dargestellt werden können. Verschiedene Bauteilpositionen lassen sich besonders einfach darstellen. Die Punkte der finiten Elemente, die an der Oberfläche des Bauteils liegen, können für die Bildung des aus den Gitterpunkten ausgebauten Körpers verwendet werden.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist die Hülle elastisch ausgebildet. Der Grad des Anschmiegens der Hülle an den aus Gitterpunkten aufgebauten Körper ist wählbar. So kann gewählt werden, ob der beanspruchte Einbauraum mit einer großen oder kleinen Toleranz zu ermitteln ist.

Besonders vorteilhaft ist es, eine definierte Oberflächenspannung der an dem aus Gitterpunkten aufgebauten Körper anliegenden Hülle zu wählen. Die Hülle kann zum Beispiel als ein unter Innendruck stehender Ballon gedacht werden, der mit großer oder kleiner Spannung an dem aus den Gitterpunkten aufgebauten Körper anliegt. Verringert man den Innendruck des Ballons oder einer Membran, so verkleinert sich seine Oberfläche entsprechend dem Innendruck. Dies vollzieht sich so lange, bis noch kein Gitterpunkt berührt wird. Bei weiter sinkendem Innendruck behindern immer mehr Gitterpunkte eine weitere Verkleinerung der Oberfläche. Am Ende schmiegt sich der Ballon an die äußeren Gitterpunkte an und ergibt die gewünschte Hülle. Die innen liegenden Gitterpunkte spielen für die Gestalt der Hülle keine Rolle. Durch die Wahl des Innendrucks bzw. der Spannung der Hüllenoberfläche oder der Spannung der Membran kann erreicht werden, dass der beanspruchte Einbauraum in großzügigen oder engen Grenzen ermittelt wird.

Da die bestimmte Hülle unter Umständen selbst eine komplexe Struktur aufweist, ist es sinnvoll, sie in kleine, einfache geometrischen Strukturen zu unterteilen, die einfach zu handhaben sind. Besonders geeignet ist also wiederum die Darstellung durch finite Elemente.

Denkbar ist es auch, die berechnete Hülle (Hüllenvolumen und/oder Hüllfläche) einem CAD-Programm zuzuführen. Weitere Bauteile können somit derart konstruiert werden, dass eine Kollision mit der berechneten Hülle vermieden wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Figuren der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Bauteils;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Bauteils nach Fig. 1 mit Gitterpunkten, welche die Kontur des Bauteils beschreiben;

Fig. 3 die Gitterpunkte nach Fig. 2;

Fig. 4 die Gitterpunkte nach Fig. 2 und zusätzlich aus einer Verschiebung des Bauteils in y- und z-Richtung resultierende Gitterpunkte;

Fig. 5 die umhüllten Gitterpunkte nach Fig. 4;

Fig. 6 das Anliegen der Hülle nach Fig. 5 an den äußeren Gitterpunkten;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der an die Gitterpunkte gut angeschmiegten Hülle.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines nur angedeuteten Bauteils 1, das eine quaderförmige Außenkontur aufweist. Um das erfindungsgemäße Verfahren zu veranschaulichen und die Beschreibung so einfach wie möglich zu halten, wurde eine einfache geometrische Struktur gewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann natürlich auch auf kompliziertere, d. h. komplexere, Strukturen wie z. B. Motorblöcke oder Achsteile mit konkaven Elementen angewendet werden. Die Oberfläche des Bauteils 1 wird aus sechs Seiten 2-7 gebildet.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, können die Seiten 2-7 und dadurch die Oberfläche des Bauteils 1 durch Gitterpunkte 8 angenähert werden. In diesem einfachen Fall wird jede Seite 2-7 durch neun Gitterpunkte 8 beschrieben, von denen nur einer mit einer Bezugsziffer bezeichnet ist. Jedem Gitterpunkt 8 kann eine Koordinate im kartesischen Koordinaten-System zugewiesen werden.

Fig. 3 zeigt eine die Oberfläche des Bauteils 1 beschreibende Punktmenge 10 aus Gitterpunkten 8 in der Ausgangsposition des Bauteils 1 ohne die Konturen des Bauteils 1. Durch Verschieben des Bauteils 1 bzw. der Punktmenge 10 in alle möglichen Positionen, die das Bauteil 1 als Teil einer Baugruppe einnehmen kann, entsteht eine größere Punktmenge, auch Punktwolke genannt.

Im Ausführungsbeispiel soll das Bauteil 1 in negativer y-Richtung und positiver z- Richtung eine bestimmte Distanz bewegbar sein. Um das Volumen zu bestimmen, das in der Baugruppe bereitgestellt werden muss, so dass sich das Bauteil 1 ungestört in die oben genannten Richtungen bewegen kann, wurde die Punktmenge 10 zunächst in negative y-Richtung verschoben und dann von der Ausgangsposition in positive z- Richtung verschoben. Die Punktmenge 10 wurde in 2 Positionen in negativer y Richtung und in 2 Positionen in positiver z Richtung erfasst. Die erfassten Punktmengen wurden einander überlagert. Daraus resultiert die in Fig. 4 gezeigte dreidimensionale Punktmenge 11. Anstatt eine geometrische Struktur zu bewegen, ist es auch denkbar, die geometrische Struktur zu verformen und die resultierenden Punktmengen der Verformungszustände einander zu überlagern. Selbstverständlich können sowohl Verformungen als auch Bewegungen der geometrischen Struktur miteinander kombiniert werden.

Um nun eine Einhüllende dieser Punktmenge 11 zu finden, d. h. den benötigten Einbauraum des Bauteils 1 zu bestimmen, wird gemäß Fig. 5 eine Hülle 12 um die Punktmenge 11 herum gelegt, wobei die Hülle 12 zunächst noch keine Gitterpunkte der Punktmenge 11 berührt. Das Innenvolumen der Hülle 12 wird nun langsam verkleinert. Anschaulich kann man sich das so vorstellen, dass ein unter Innendruck stehender aufgeblasener Ballon 12 die Punktmenge 11 umgibt. Nach und nach wird das Volumen des Ballons 12 entsprechend nachlassendem Innendruck verkleinert, wodurch auch die Oberfläche des Ballons 12 verkleinert wird.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, berührt die Hülle 12 bei einer weiteren Verkleinerung der Oberfläche die äußersten Gitterpunkte 13 der Punktmenge 11. Die Gitterpunkte 13 stehen einer weiteren Verkleinerung des Volumens bzw. der Oberfläche im Weg, so dass sich die Hülle 12 der Außenkontur der Punktmenge 11 nach und nach unter Spannung anpasst.

Fig. 7 zeigt, wie sich die Hülle 12 schließlich an die äußersten Gitterpunkte 13 anschmiegt. Dadurch wird das Hüllenvolumen und die Hüllfläche der Hülle 12 und somit der Einbauraum bestimmt, in dem sich das Bauteil 1 bewegen kann. Gitterpunkte, die innerhalb dieser Hülle 12 liegen und welche die Hülle 12 nicht berühren, spielen dabei für die Formgebung der Hülle 12 keine Rolle. Die Hülle 12 kann durch finite Elemente beschrieben werden und einem CAD System für die weitere Konstruktion der restlichen Baugruppe zugeführt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Bauteil

2

Bauteilseite

3

Bauteilseite

4

Bauteilseite

5

Bauteilseite

6

Bauteilseite

7

Bauteilseite

8

Gitterpunkt

10

Dreidimensionale Punktmenge

11

Dreidimensionale Punktmenge

12

Hülle

13

Äußere Gitterpunkte

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung des Einbauraums eines beweglich angeordneten Bauteils (1) durch Berechnung des Hüllenvolumens und der Hüllfläche einer um das bewegte Bauteil (1) gedachten Hülle (12), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Die Oberflächen (2-7) des Bauteils (1) werden zunächst in allen möglichen Bauteilpositionen durch einzelne Gitterpunkte (8; 13) beschrieben, die in Überlagerung zusammen einen dreidimensionalen aus den Gitterpunkten (8; 13) aufgebauten Körper (10; 11) bilden;
• b) Der aus den Gitterpunkten (8; 13) aufgebaute Körper (10; 11) wird anschließend von einer Hülle (12) vollständig eingeschlossen;
• c) Das Innenvolumen der Hülle (12) wird verringert, bis die Hülleninnenfläche an den äußeren Gitterpunkten (13) anliegt;
• d) Das Hüllenvolumen und die Hüllfläche der so verkleinerten Hülle (12) werden dem Einbauraum zugeordnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) durch finite Elemente beschrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (12) elastisch ausgebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte Oberflächenspannung der an dem Körper (10; 11) anliegenden Hülle (12) gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllfläche durch finite Elemente beschrieben wird.