DE102010008478A1

DE102010008478A1 - EDV-System zum automatischen oder halbautomatischen Konstruieren und Konstruktionsverfahren

Info

Publication number: DE102010008478A1
Application number: DE102010008478A
Authority: DE
Inventors: Harald Weisz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2010-11-11
Also published as: US20110202319A1; US8527245B2

Abstract

EDV-System, zum automatischen oder halbautomatischen Konstruieren, bestehend aus mindestens einer Speichereinheit, mindestens einer Recheneinheit, einer Bedienerschnittstelle und mindestens einer Schnittstelle zu anderen EDV-Systemen, dadurch gekennzeichnet,
a) daß die Recheneinheit den Bediener, solange durch eine Iterationsfolge von Synthese und Analyse eines zukünftigen, zweckdienlichen technischen Gegenstandes führt, indem sie,
b) über eine Menüstruktur, dem Bediener aus der Speichereinheit stammenden Auswahlmöglichkeiten von kinematischen, kinetischen, stofflichen, geometrischen und formalen Daten anbietet,
c) den Bediener auffordert diese Daten, entsprechend der Aufgabenstellung, zu vervollständigen,
d) diese Daten verarbeitet, abspeichert und mit in der Speichereinheit enthaltenen bekannten Daten vergleicht,
e) die bearbeiteten Daten, sowie die Ergebnisse des Vergleichs an der Bedienerschnittstelle darstellt, den Bediener über zulässige und/oder unzulässige Abweichungen informiert und den Bediener zu weiteren Entscheidungen und Dateneingaben auffordert,
f) bis alle Abweichungen in zulässigen Bereichen liegen
g) und anhand der, in der Speichereinheit abgelegten, formalen Vorschriften eine technische Dokumentation, mit den Herstellungs- und Betriebsvorschriften für den zukünftigen, zweckdienlichen technischen Gegenstand erstellt, diese abspeichert und dem Bediener zur weiteren Bearbeitung an der Bedienerschnittstelle zur Verfügung stellt.

Description

Stand der Technik
Das Konstruieren ist eine Tätigkeit, die zur Zeit noch von Menschen durchgeführt wird, bei der die Herstellungs-, oder Erstellungs- und Betriebsvorschriften für einen zukünftigen technischen zweckdienlichen Gegenstand geschaffen werden. Diese Tätigkeit besteht sowohl aus der Synthese als auch aus der Analyse eines Gegenstandes, welche in iterativer Folge vom Konstrukteur umgesetzt werden, wobei auf der einen Seite die gewünschten Zieleigenschaften des zu schaffenden Gegenstandes und auf der anderen die physikalischen, chemischen und ökonomischen Restriktionen stehen, derer der Gegenstand unterliegt. Das Ergebnis des Konstruierens ist eine technische Dokumentation, die auch Konstruktion genannt wird. Dabei ist der Konstrukteur mit seiner Erfahrung, aber auch mit seiner Subjektivität, derjenige, der bei der Synthese jene Elemente auswählt, die zusammengefügt werden sollen und bei der Analyse die Restriktionen formuliert. Aus diesem Grund gibt es unterschiedliche Auffassungen darüber, ob das Konstruieren lehrbar ist, ob das Konstruieren eine Wissenschaft ist, oder ob das Konstruieren eine Kunst ist. Tatsache ist, daß sowohl die Subjektivität als auch das Maß an Erfahrung eines jeden einzelnen Konstrukteurs, die in hohem Maße den Konstruktionsprozeß und dadurch auch den konstruierten Gegenstand beeinflussen, dazu führen, daß zwei Konstrukteure nie die gleiche Konstruktion liefern, bzw. die von zwei Konstrukteuren, unter identischen Zielformulierungen, konstruierten Gegenstände, unterschiedliche Formen und Eigenschaften besitzen. Dieser Sachverhalt führt zu langen und kontroversen Diskussionen, auch unter Lehranstalten.
Vor nicht zu langer Zeit hatte der Konstrukteur lediglich einige Zeichenhilfen, einen Rechenschieber oder Taschenrechner zur Verfügung und mußte neben dem eigentlichen Konstruieren auch noch das darstellende Zeichnen beherrschen, um ein Dokument in Form einer technischen Zeichnung, die bestimmten Normen unterliegt, abzuliefern. Zur Zeit kann der Konstrukteur zwar auf zeichnerische Fähigkeiten verzichten, weil ihm so genannte CAD-Programme, sowie Analyse- und Simulationsprogramme, auf mehr oder weniger leistungsfähigen Rechnern zur Verfügung stehen, aber das Konstruieren bleibt nach wie vor ihm überlassen. Dabei werden dem Konstrukteur zwar einige nützliche Werkzeuge zur Hand gegeben, die ihm hauptsächlich die Arbeit bei der Analyse und der Darstellung der Konstruktionsgegenstände erleichtern, wogegen aber die Quantität an Subjektivität des Konstrukteurs nach wie vor erhalten bleibt. Mehr noch, die am Rechner erstellten Modelle und Zeichnungen, die manchmal in der Tat sehr naturnah und optisch qualitativ hochwertig aussehen, täuschen über die in der Konstruktion enthaltenen Mängel hinweg, was teilweise fatale Folgen haben kann.
Dieser Sachverhalt ist bekannt und es wurden bereits verschiedene Versuche unternommen um den Anteil der Subjektivität in der Tätigkeit des Konstruierens zu verringern, vorwiegend mit der Unterstützung von EDV-Systemen.
In den zur Zeit im Umlauf befindlichen Lehrbücher werden, unter wissenschaftlichen Aspekten, eine Vielzahl von Vorschlägen angeboten, welche die Möglichkeit einer rechnerunterstützten Konstruktion in Aussicht stellen. Da diese Literatur sehr umfangreich und in der Tat hoch wissenschaftlich ist, werden hier die Vertreter lediglich zweier wichtiger Lehranstalten Nennung finden:
In „Konstruieren mit Konstruktionskatalogen" von K. Roth (Springer-Verlag, 2000) werden sogenannte Funktionsstrukturen beschrieben mit deren Hilfe man über Struktur-Funktions-Elemente (SFE) zu einem Gestalt-Element gelangt, was allerdings zu einer sehr großen Anzahl von Lösungsmöglichkeiten führt und letztendlich der Konstrukteur doch eine subjektive Entscheidung treffen muß. Da es sich hier um rein wissenschaftliche Überlegungen handelt, sind die Vorschläge für einen – eigentlich immer unter Zeitdruck stehenden – Konstrukteur eher nur von informativer Bedeutung.
In „Konstruktionslehre" von Pahl/Beitz (Springer-Verlag, 2007) werden mehrere mögliche Ansätze vorgestellt. Für das Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten eines Gebrauchsgegenstandes werden Arbeitsschritte vorgeschlagen, die zwar einen sinnvollen und korrekten Ablauf des Konstruktionsprozessen ergeben, aber eben doch nur aus der Sicht eines Theoretikers. Dies macht ihre Anwendung in der Realität zwar nicht unmöglich, jedoch ihr theoretische Charakter macht sie für praktizierende Konstrukteure schwer vermittelbar. Der Grund hierfür ist der folgende Sachverhalt: Wenn ein Konstrukteur ausgebildet wird, lernt er neben Mathematik, Werkstoffkunde, Festigkeitslehre und anderen Fächern, auch die Maschinenelemente kennen, die ja selbst einmal Gegenstand von Konstruktionsprozessen waren. Ob dies genormte oder nicht genormte Maschinenelemente sind, sie wurden alle irgendwann mal von einem Konstrukteur, oder von einem Team von Konstrukteuren, konstruiert. Durch die bewußte, manchmal auch unbewußte Wahrnehmung dieser Maschinenelemente, wird die Konstruktionsabsicht des Konstruierenden für den Auszubildenden offenbar und als späterer Konstrukteur wird er sich immer die Frage stellen: „Wo habe ich so etwas schon gesehen?” und wird sich dieses Wissen zunutze machen um sein Konstruktionsproblem zu lösen. Er wird sich weniger nach theoretischen Methoden richten. In dieser Arbeit wird dann letztendlich auch festgestellt, daß auch künftig der Anteil der Kreativität des Konstrukteurs maßgebend an der Durchführung der Konstruktion sein wird.
Ähnliche Beispiele wie gerade beschrieben findet man in den VDI-Richtlinien, zum Beispiel in 2221 bis 2225. Die Nachteile sind die gleichen.
In der Patentschrift DE 103 56 399 B4 wird ein Datenverarbeitungssystem beschrieben – allerdings aus der Informatik, Mithilfe dessen, aufgrund einer Anfrage, Ausgabegrößen generiert werden und dazu die Regeln über die Erstellung der Ausgabegröße angezeigt werden. Obwohl aus einer anderen Branche, bestehen doch Analogien zum Konstruktionsprozess für ein materielles technisches Gebilde. Hier können über die Erzeugung von Regeln verschiedene Ausgabegrößen generiert werden. Dagegen finden im Konstruktionsprozess einerseits feste und wissenschaftlich fundierte Regeln Anwendung, die weder umgehbar, noch abänderbar sind, andererseits sind wie hier die Kombinationsregeln der verwendeten Maschinenelemente im Prinzip änderbar, wodurch jeweils ein anderes technisches Gebilde entstehen kann.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2008 047 958 A1 wird ein Verfahren zur beanspruchungsabhängigen Auslegung eines Bauteils vorgestellt. Dieses Verfahren beschreibt wie die Daten einer Analyse an einem bereits konstruierten und hergestellten Teil erhoben werden und in einer weiteren Iterationsfolge der Konstruktion zufließen. Dabei wird aber jedesmal die Herstellung/Fertigung eines neuen Teils erforderlich, was auf die Methode von Versuch und Irrtum hinweist.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 013 499 A1 wird eine Methodik zum Konstruieren eines technischen Gegenstandes beschrieben. Die hier beschriebene Methode beschreibt die Verwendung von standardisierten Bauteilen bei der Konstruktion eines neuen Gegenstandes, überläßt aber explizit die Konstruktion dem Konstrukteur und somit dessen Erfahrung und Subjektivität.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 006 071 A1 beschreibt zwar eine „intelligente, halbautomatische, 2D–3D Konstruktion für CAD”, aber die hier offenbarte Lehre ist seit den 1980-ger Jahren Standard und wird im nächsten Absatz beschrieben.
Zur Zeit gibt es professionelle CAD-Systeme, wie zum Beispiel Pro/E, Catia, SolidWorks, u. v. a. bei denen offiziell zwar nicht mehr gezeichnet, sondern modelliert wird und danach eine halbautomatische Erstellung der technischen Zeichnung des modellierten Gegenstandes angeboten wird. Allerdings muß der Bediener beim Modellieren die wichtigsten Regeln des Zeichnen, sprich der Geometrie auf jeden Fall beherrschen, weil das Programm nur das tut was der Bediener vorgibt. CAD-Systeme haben, im Vergleich zum Arbeiten am Zeichenbrett, eine enorme Erleichterung in der Darstellung von Gegenständen gebracht. Bei einigen CAD-Systemen besteht bereits eine Assoziativität zwischen den verschiedenen Darstellungsmodi, was auch eine Reduzierung der Anzahl der Fehlerquellen mit sich bringt. Man kann relativ leicht Ansichten, Schnitte, Ausschnitte, etc. erzeugen und die entsprechen alle der gültigen Zeichnungsnormen, mit einigen Ausnahmen. Aber die wichtigste Tätigkeit, nämlich das Konstruieren selbst, ist nach wie vor dem Konstrukteur überlassen, mehr noch, der Konstrukteur muß sich nun auch mit der Syntax und der Semantik des jeweiligen CAD-Systems auseinandersetzen. Die Befehlsstruktur enthält eine Menge von möglichen Befehlen die in unterschiedlichen Kontexten unterschiedliche Auswirkungen haben und bewirken, daß der Konstrukteur mehr oder weniger von seiner eigentlichen Aufgabe abgehalten wird. Dies ist am besten an CAD-Zeichnungen zu sehen: sie enthalten viele Ansichten, weil die leicht zu generieren sind, dafür aber zeigen sie sehr oft einen Mangel an Bemaßungen, Toleranzen, Form- und Lagetoleranzen, etc. weil das CAD-System dies nicht für den Konstrukteur übernehmen kann. Deshalb muß er dem System mitteilen welche Ansicht, in welchem Maßstab erwünscht wird und welche Maßangaben wo dargestellt werden sollen. Das heißt der Bediener ist nach wie vor dafür verantwortlich wieviel Information und in welcher Qualität in der technischen Zeichnung, sprich in der technischen Dokumentation, enthalten ist. Dies hat zur Folge, daß auch im Falle der CAD-Systeme der gleiche Gegenstand von verschiedenen Konstrukteuren unterschiedlich dargestellt wird, obwohl für das gleiche Teil eigentlich immer die gleiche Zeichnung entstehen sollte. Auch die Simulations- und Berechnungssysteme stellen, wenn sie richtig eingesetzt werden, ein riesiges Werkzeug dar. Aber nach einer durchgeführten Berechnung oder Simulation werden nur die physikalischen Zustände im gerade untersuchten Gebilde dargestellt. Die Entscheidung, ob und welche geometrischen oder physikalischen Daten zu ändern sind, um eine Optimierung des geprüften Gegenstandes zu erzielen, trifft nach wie vor der Bediener dieser Programme, bzw. es kann grundsätzlich auch im Verborgenen bleiben, ob die Möglichkeit einer Verbesserung im konstruktiven Sinne besteht oder nicht.
Um diese Mängel zu beseitigen, um die Kosten für eine qualitativ hochwertige Konstruktion zu reduzieren, um die Dauer einer Konstruktion zu reduzieren, um das nötige Diskussions volumen auf ein Minimum zu reduzieren und um vor allem Fehlerquellen zu eliminieren, soll das erfindungsgemäße EDV-System Abhilfe schaffen.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Datenverarbeitungssystem (EDV-System) 1, welches dem Bediener, bzw. dem Konstrukteur 6 alle, oder zumindest den größten Teil, der zur Zeit bekannten Mittel der Konstruktion, speziell der mechanischen Konstruktion, zur Verfügung stellt, um die Konstruktion eines zukünftigen, zweckdienlichen Gegenstandes so nahe wie möglich an die Zielvorgaben heran zu bringen. Dieses EDV-System soll unterschiedlichen Konstrukteuren die Möglichkeit geben, unter gleichen Voraussetzungen, ein fast gleiches, oder zumindest ähnliches Ergebnis zu erzielen, soll früh die Möglichkeit für Diskussionen und Entscheidungen geben, soll Fehler, die vom Konstrukteur stammen eliminieren, soll dem Konstrukteur triviale Tätigkeiten abnehmen und soll dem Konstrukteur die Möglichkeit geben, von den Erkenntnissen der technischen Wissenschaften zu profitieren, ohne selbst besonders tiefes Wissen assimilieren zu müssen. Zu den technischen Wissenschaften gehören die Mathematik, die Mechanik (mit Hydrostatik und -Dynamik), die Festigkeitslehre, die Thermodynamik, die Werkstoffkunde, die Theorie der Maschinenelemente, die Fertigungstechnik, die Getriebelehre, die Konstruktionslehre, usw. nur um die wichtigsten zu nennen.
Um das erfindungsgemäße EDV-System 1 besser beschreiben zu können, soll nun der Konstruktionsprozesses, die Konstruktionstätigkeit oder einfach das Konstruieren definiert werden. Dies ist auch deshalb notwendig, weil zum einen das Wort Konstruktion das Produkt, den Prozeß, dessen Resultat es ist, und den Ort wo der Prozess stattfindet bezeichnet und zum anderen sind die Definitionsversuche aus der einschlägigen Literatur unvollständig.
Definition: Konstruieren ist die Summe aller Tätigkeiten, die, ausgelöst durch eine Aufgabenstellung, unter Zuhilfenahme von Erkenntnissen aus den technischen Wissenschaften, während der Synthese-Analyse-Iterationfolge und der Erstellung eines technischen Dokuments mit den Herstellungs- und Betriebsvorschriften eines zukünftigen, zweckdienlichen Gebildes, durchgeführt werden.
Das Konstruieren ist keine heuristische Tätigkeit, sie hat jedoch einen erfinderischen Charakter, weil sie einerseits auf fundiertem Wissen beruht, andererseits aber vom Konstrukteur auf jeden Fall eine bestimmte voraussehende Kombinationsfähigkeit von bereits Bekanntem abverlangt.
Demgegenüber stellt die Entwicklung eines zukünftigen, zweckdienlichen Gegenstandes, auch eine Folge von Iterationen dar, allerdings in einer größeren Vielfalt von Tätigkeiten, die auch einen heuristischen Charakter haben können und im Laufe eines jeden Iterationsschrittes kann ein Konstruktionsprozess stehen. Das Konstruieren ist Bestandteil einer Entwicklung. Die Entwicklung eines zukünftigen, zweckdienlichen Gegenstandes kann in ihrem Ablauf einen oder mehrere Konstruktionsabläufe beinhalten, die untereinander abhängig oder unabhängig sind.
Ein technisches Dokument besteht in der Regel aus Zusammenstellungszeichnungen, Stücklisten, Einzelteil- und Fertigungszeichnungen, Beschreibungen, Vorschriften, Modelle, Programme.
Das erfindungsgemäße EDV-System soll das Konstruieren Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahren umsetzen.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße EDV-System 1 besteht aus mindestens einer Speichereinheit 2, aus mindestens einer Recheneinheit 3, einer Bedienerschnittstelle 4 und mindestens einer Schnittstelle 5 zu anderen EDV-Systemen. Der Bediener 6, in der Regel der Konstrukteur, bedient das EDV-System 1 über die Bedienerschnittstelle 4.
Das erfindungsgemäße EDV-System 1 stellt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens 67 sicher, führt einen Dialog zwischen Recheneinheit 3 und Bediener 6, dabei macht das EDV-System, dem Bediener aus den in der Speichereinheit 2 gespeicherten Daten 7, Vorschläge 8, der Bediener wählt einen der Vorschläge aus und fügt Daten hinzu 9, wonach das System diese Daten auf Konsistenz 10 überprüft und weiterführende Berechnungen durchführt 11, falls nötig, eine erneute Eingabe fordert 12, oder zum nächsten Schritt des Ablaufs übergeht 13. Die Vorschläge, die, die Recheneinheit macht, stammen aus Bibliotheken, die in der Speichereinheit 2 gespeichert sind und welche von Experten, bzw. Wissenschaftlern mit den nötigen, aktuellen Daten gespeist werden. Das heißt, das EDV-System führt über das Verfahren die eigentliche Konstruktion durch und der Bediener steuert lediglich den Ablauf, um zur Konstruktion des von ihm gewünschten zukünftigen Gegenstand zu gelangen. Mehr noch, das System zwingt den Bediener die Konstruktionselemente richtig zu wählen und richtig zu dimensionieren.
Zu Beginn des Verfahrens, 2, wird dem Bediener, aus einer Bibliothek 14 eine Tabelle mit kinematischen Modellen von Mechanismen vorgestellt 15, aus denen er einen Mechanismus auswählen kann, wobei der gewählte Mechanismus seinen zukünftigen zu konstruierenden Gegenstand aus kinematischer Sicht am ehesten beschreiben soll. Dabei muß der Bediener kein Experte in Mechanismen sein, er muß lediglich ein Grundwissen auf diesem Gebiet besitzen, welches Voraussetzung für einen Konstrukteur ist. Falls der Bediener in der vom System vorgeschlagenen Auswahltabelle keine befriedigende Mechanismusform findet 16, bietet das EDV-System dem Bediener die Möglichkeit, über ein Synthese-Programm 17 für Mechanismen, durch die Eingabe der gewünschten Funktion 18, einen Mechanismus zu generieren, den er in die Bibliothek für Mechanismen speichert 19, an der Bedienerschnittstelle betrachten kann 20 und von dort zur weiteren Verarbeitung verwenden kann. Hier hat der Bediener die Möglichkeit mit anderen Mitarbeitern, die am Konstruktionsprozess beteiligt sind, Diskussionen 21 zu führen, welche sich auf die Eigenschaften der ausgewählten kinematischen Modelle beziehen und eventuell externe Entscheidungshilfen zu befragen.
Mit der Auswahl des kinematischen Modells, stehen nun alle für dieses Modell notwendigen Daten dem Bediener zur Verfügung und er wird aufgefordert, die vom System erfragten Dimensionen, Randbedingungen und Belastungen festzulegen 15, und zwar in der Form, daß das kinematische Modell an der Bedienerschnittstelle 4, 20, so dargestellt wird, daß der Bediener, die vom Verfahren angeforderten Daten in entsprechend dargestellten Fenstern einfügt, so, daß die Konsistenz der Eingaben einfach zu erhalten ist. Das System zwingt den Bediener alle erforderlichen Daten einzufügen. Erst bei vollständigem Datensatz übernimmt das System die komplette kinematische Berechnung des Modells 22, anhand der analytischen Formalismen und veröffentlicht alle Daten an der Bedienerschnittstelle 4, 23. Nun werden alle Schnittkräfte, Momente, alle Kraftpfade, alle Bewegungen in Form von Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung für den Bediener sichtbar 23. Diese Daten sind konsistent und belastbar und können somit als Grundlage für weitere sachliche Diskussionen dienen. Falls man zu einem unbefriedigenden Ergebnis der Diskussionen gelangt 24, besteht die Möglichkeit, entweder die eingefügten Daten zu ändern, oder ein anderes kinematisches Modell auszuwählen 25, und eine weitere Iteration durchzuführen.
Wenn nun das kinematische Modell mit all seinen Daten feststeht 26, bzw. bekannt ist, stellt das EDV-System dem Bediener eine weitere Auswahlmöglichkeit an der Bedienerschnittstelle vor, 3, und zwar werden hier alle Daten über Werkstoffe, geometrische Formen, Rohteile und Sicherheitskoeffizienten erfragt 27. Hier kann der Bediener wählen, welche Werkstoffe 28 für sein Vorhaben in Frage kommen, sowie die im ausgewählten Werkstoff am Markt verfügbaren Rohteile (Bleche, Profile, etc.) 29. Nach Vervollständigung aller Angaben, mit Sicherheitskoeffizienten 30 und Vorschriften für thermische und Oberflächenbehandlungen 31, berechnet 35 das System alle erforderlichen Geometrieparameter und stellt an der Bedienerschnittstelle, aus den Bibliotheken 32 stammende Geometrien dar 36, die aufgrund der Kräfteverhältnisse und der Kraftpfade generiert wurden. Nun kann der Bediener eine Geometrie auswählen 37, oder 38 er kann selbst Geometrien generieren 33, welche nach Prüfung der Maßkonsistenz auch abge speichert werden können 34 und dann vom System zur Auswahl angeboten werden können. Das System zwingt auch hier den Bediener alle verlangten Angaben zu tätigen. Jetzt berechnet 39 das System, ebenfalls über die analytischen Formalismen, die für den ausgewählten Mechanismus und den beteiligten Elementen in den Bibliotheken gespeichert sind, alle anfallenden Spannungen, welche an der Bedienerschnittstelle dargestellt werden. Gleichzeitig werden auch die entsprechenden Sicherheitskoeffizienten vom System bewertet und dargestellt 4, 40. Es werden die Stellen hervorgehoben wo die Sicherheitskoeffizienten unter- oder überschritten wurden. In beiden Fällen muß der Bediener einen Schritt in der Iterationsfolge zurückgehen 41, 42 und entsprechend die eingegebenen Daten ändern und eine weitere Berechnung vom System durchführen lassen. Erst wenn alle Daten den Vorgaben entsprechen, kann der Bediener zum nächsten Verfahrenspunkt übergehen 41, 43. Zu diesem Zeitpunkt besteht wieder die Möglichkeit, daß der Bediener die erzielten Resultate einer sachlichen Diskussion unterwirft, weil die Daten ebenfalls eindeutig konsistent und belastbar sind. An diesem Punkt kann man entweder einen Schritt im Verfahren zurückgehen und sich für andere Werkstoffe oder andere Geometrien, oder sogar anderen Sicherheitskoeffizienten entscheiden und einen neuen Durchlauf dieses Verfahrensschrittes veranlassen 42, oder zum nächsten Schritt im Verfahren weitergehen 43.
Als nächstes, 4, bietet das System dem Bediener eine Auswahlmöglichkeit 44 für Befestigungs- 45 und Krafteinleitungselemente 46, sowie der dazu gehörenden Normteile 47 mit den entsprechenden Sicherheitskoeffizienten an, diese werden an die bestehende Struktur mithilfe der Recheneinheit angepaßt 48 und an der Bedienerschnittstelle dargestellt 49, wo nach der Bediener seine Auswahl überprüfen oder Änderungen vornehmen kann 50. Falls nötig kann der Bediener jetzt, eventuell verschiedene Befestigungs- oder Krafteinleitungselemente, sowie Normteile austauschen, oder in ihrer Größe und Anzahl ändern, er kann Sicherheitskoeffizienten ändern, oder er kann, wenn gewünscht oder nötig, im Verfahren einen Schritt zurückgehen oder er kann zwei Schritte zurückgehen und neue Eingaben machen. Falls die Ergebnisse aber in Ordnung sind, bzw. die Sicherheitskoeffizienten im vorgeschriebenen Rahmen liegen, besteht nun wieder die Möglichkeit der Diskussion. Es besteht hier auch die Möglichkeit 52, den so aufgebauten Konstruktionsgegenstand einem externen Programm zuzuführen 53, in welchem Betriebszustände simulierbar sind, oder wo z. B. mit der FEM Spannungen ganz genau berechnet werden können und an der Bedienerschnittstelle dargestellt werden können 51, um Entscheidungen über weitere Änderungen treffen zu können, welche, dann in einem der vorangegangenen Schritte des Verfahrens eingeflechtet werden.
Falls die Ergebnisse der Festigkeitsberechnungen zufriedenstellend sind 54, 56, kann der Bediener den nächsten Schritt im Verfahren anwählen, 5 und den Konstruktionsgegenstand in einer technischen Zeichnungen darstellen 57. Dafür bietet das System verschiedene Zeichnungs- und Stücklistenformate 58, Zeichnungszusätze 59, sowie zusätzliche Zeichnungstexte 60 an, woraus der Bediener eine Auswahl trifft, das System entscheidet 61 aufgrund der Zeichnungskategorie, Zusammenstellungszeichnung oder Detailzeichnung, sowie aufgrund der Topologie des Konstruktionsgegenstandes, welches die wichtigste und damit die Hauptansicht ist, welches die mindestens erforderlichen Ansichten, Schnitte und Ausschnitte die darzustellen sind, und legt fest im Rahmen der gültigen Zeich nungsnormen, wo, welche Maße, mit welchen Toleranzen angezeigt werden. Danach werden die Zeichnungen dem Bediener zur Ansicht an der Bedienerschnittstelle angezeigt 62. Der Bediener hat jetzt noch die Möglichkeit weniger relevante Notizen in die Zeichnung einzufügen 63, und sich alles nochmals ansehen 64, er hat keine Möglichkeit irgendwelche Maße oder Toleranzen zu ändern, ohne, daß der Konstruktionsgegenstand neu nachgerechnet wird 65.
Der gesamte Ablauf des Verfahrens wird vom EDV-System protokolliert und gespeichert 66 und kann genau wiedergeben, welche Eingaben vom Bediener und welche Daten vom System, bzw. dessen Bibliotheken stammen.
Die Bibliotheken mit den kinematischen Modellen werden von Getriebespezialisten, bzw. Wissenschaftler der Getriebelehre betreut, die über den wissenschaftlichen Hintergrund verfügen, um qualifizierte Modelle mit den nötigen Formalismen zu erstellen und einzupflegen, was dem Bediener des erfindungsgemäßen EDV-Systems ermöglicht auf hohes Wissen zurückzugreifen, ohne es sich selber aneignen zu müssen.
Das Gleiche gilt für die Bibliotheken, die Werkstoffe, und deren Eigenschaften bereitstellen. Diese Daten werden von, zum Beispiel, Metallurgen erstellt und erfordern vom Bediener des erfindungsgemäßen EDV-Systems kein tieferes Wissen in der Metallurgie. Dies hat zur Folge, daß der Konstrukteur sich nicht erst umfangreiches Wissen aneignen muß, um es dann eventuell sowieso zu verwerfen, weil für den momentanen Fall nicht nötig, sondern es steht ihm einfach zur Verfügung.
Die Bibliotheken für Normteile unterliegen ebenfalls dem Fachwissen der hierfür zuständigen Experten, sowie von Markt strategen, die, die Verfügbarkeit von Normteilen recherchieren und ebenfalls in die Bibliotheken einpflegen.
Beschreibung anhand eines realen Bauteils:
Hier soll nun die Funktion des erfindungsgemäßen EDV-Systems anhand eines realen Konstruktionsbeispiels erläutert werden:
Aufgabe: Es soll eine Konsole konstruiert werden, die eine vertikale, statische Last von 2000 N, bei einem Abstand von 250 mm von der vertikalen Anschraubfläche, über einen in einer Bohrung der Konsole eingeführten Bolzen mit D = 20 h 9 mm trägt. Dabei soll die Durchbiegung der Konsole bei der Bolzenaufnahme einen Wert von 0,050 mm nicht überschreiten.
Als erstes wird gemäß 15 aus der Bibliothek 14 ein kinematisches Modell ausgewählt – siehe 6. Hier findet man unter Anzahl der Freiheitsgrade f = 0 und unter der Anzahl der Lagerpunkte LP = 1 das kinematische Modell einer Konsole, die unseren Anforderungen entspricht. Es werden die geforderten Angaben wie in 7 eingegeben, wonach diese über die Bedienerschnittstelle 4, 20 dargestellt werden. Es werden die Eingaben geprüft 21 und danach von der Recheneinheit die Berechnung der Schnittkräfte und Momente nach analytischen Formalismen durchgeführt 22. Danach werden die Ergebnisse wie in 8 dargestellt 23. Es folgt eine Überprüfung und danach folgt 27 die Auswahl des Werkstoffes 9 aus 28 und der Sicherheitskoeffizienten aus 30. Eine Auswahl eines Rohteils kann später erfolgen. Jetzt werden von der Recheneinheit die erforderlichen Geometrieparameter ermittelt 35 und es werden an der Bedienerschnittstelle Vorschläge für Geometrien 36 dargestellt – siehe 10. Wir wählen 37 den Vorschlag „B120-DIN 1543”. Nun wird von der Recheneinheit 39 die Berechnung der Spannungen und der Verformungen durchgeführt und an der Bedienerschnittstelle 40 gemeinsam mit den erzielten Sicherheitskoeffizienten dargestellt, wonach die Überprüfung letzterer erfolgt 41. In 11 wird diese Darstellung gezeigt und es wird für den Sicherheitskoeffizienten der Spannungen eine Warnung ausgegeben – der sei zu hoch. Für unseren Fall ist aber die Verformung von 0,050 mm eine Konstruktionsvorgabe, deren Sicherheitskoeffizient liegt mit 1,66 zu 0,030 mm im zulässigen Bereich. Wir nehmen das höhere Gewicht, und die entsprechend sehr niedrigen Spannungen in Kauf – aus Gründen der Fertigungskosten – und gehen zum nächsten Schritt 43 über. Nun 44 werden, wie in 12 dargestellt, die Befestigungselemente aus 45 und die Krafteinleitungselemente aus 46, sowie die Normteile aus 47 ausgewählt. Diese werden dann von der Recheneinheit an unsere Konsole angepasst 48 und an der Bedienerschnittstelle 49 dargestellt 13. Da wir keine weiteren Optimierungen durchführen wollen 50, 54 und 56 folgt der nächste Schritt. Hier 57 wählen wir ein DIN A3 Format aus 58 mit der entsprechenden Stückliste, die in der Zusammenstellungszeichnung mit angezeigt werden soll. Die Recheneinheit übernimmt die Anordnung der Ansichten, des Maßstabes und der Bemaßung 61 und an der Bedienerschnittstelle 62 wird die Zeichnung dargestellt 14. Da wir keine zusätzliche Bearbeitung vornehmen 65, wird die so erstellte technische Zeichnung abgespeichert 66 und steht dem weiteren Produktionsprozess zur Verfügung.
Beschreibung der anhängigen Zeichnungen:
1 stellt das erfindungsgemäße EDV-System dar;
2, 3, 4 und 5 stellen Abläufe, im erfindungsgemäßen EDV-System detailiert dar, entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren;
2 zeigt den Teil, in dem Kinematik, Belastungen und Randbedingungen definiert werden;
3 zeigt den Teil, in dem Werkstoffe, Rohteile, Geometrien und Sicherheitskoeffizienten festgelegt werden;
4 zeigt den Teil des Verfahrens, in dem Befestigungs-, Krafteinleitungselemente und Normteile festgelegt werden;
5 zeigt den Teil, wo die technische Dokumentation erstellt wird.
6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14 stellen die beschriebenen Abläufe, für das erfindungsgemäße Verfahren, im erfindungsgemäßen EDV-System anhand eines Beispiels dar;
6 zeigt die Auswahlmöglichkeit eines kinematischen Modells.
7 zeigt die Eingabe der Kräfte und die Darstellung der Eingabe.
8 zeigt die Darstellung der Kräfte und Momente am ausgewählten kinematischen Modell.
9 zeigt die Auswahlmöglichkeiten für Werkstoffe und Sicherheitskoeffizienten.
10 zeigt die berechneten Querschnittsdaten und die angebotenen Querschnittsalternativen.
11 zeigt die in den ausgewählten Querschnitten herrschenden Spannungen und den Vergleich zwischen erzielten und erforderlichen Sicherheitskoeffizienten.
12 zeigt die Auswahlmöglichkeiten für Befestigungselemente und Krafteinleitungselemente.
13 zeigt das durch das Verfahren generierte Gesamtmodell.
14 zeigt die vom Verfahren erstellte technische Zeichnung.

1: erfindungsgemäßes EDV-System
2: Speichereinheit
3: Recheneinheit
4: Bedienerschnittstelle
5: Schnittstelle
6: Konstrukteur (Bediener)
7: gespeicherte Daten
8: Vorschläge
9: hinzuzufügende Daten
10: Konsistenzprüfung
11: Berechnungen
12: Aufforderung zur Eingabe
13: Übergang zum nächsten Verfahrensschritt
14: Bibliothek mit kinematischen Modellen
15: Auswahlmöglichkeit von kinematischen Modellen
16: Entscheidungsweiche (1) für kinematische Modelle
17: Getriebe Synthese
18: Bibliothek mit Funktionen für kinematische Modelle
19: Bibliothek f. neue kinematische Modelle
20: Darstellung der Kräfte und der Randbedingungen
21: Entscheidungsweiche (2) für kinematisches Modell
22: Berechnung der Schnittkräfte und Momente
23: Darstellung der Kräfte- und Momentenverläufe
24: Entscheidungsweiche (3)
25: Rückkehr zum Neubeginn
26: Akzeptieren des Status-Quo
27: Auswahl des Werkstoffes
28: Bibliothek mit Werkstoffen
29: Bibliothek mit Maßblätter von Profilen und Rohteilen
30: Bibliothek mit Sicherheitskoeffizienten und Vorschriften
31: Bibliothek mit Vorschriften für Fertigung, thermische und Oberflächenbehandlungen
32: Bibliotheken mit einfachen Geometrien
33: Generierung von Geometrien
34: Bibliotheken mit zusammengesetzten Geometrien
35: Berechnung der erforderlichen Geometrieparameter
36: Darstellung der Geometrievorschläge
37: Auswahl der Geometrie
38: Entscheidungsweiche (4) über die Tauglichkeit der Geometrie
39: Berechnungen der Spannungen und Verschiebungen mithilfe von analytischen Formalismen
40: Darstellung der erzielten Sicherheitskoeffizienten, der Belastungen und der kritischen Stellen
41: Entscheidungsweiche (5) über kritische Stellen
42: Rückkehrmöglichkeit
43: Akzeptieren des Status-Quo
44: Auswahl der Befestigungs- und Krafteinleitungselemente
45: Bibliothek mit Befestigungselemente
46: Bibliothek mit Krafteinleitungselemente
47: Bibliothek mit Normteilen
48: Berechnung der Belastungen aller Teile mithilfe von analytischen Formalismen
49: Darstellung des Modells mit den Auswahlelementen
50: Entscheidungsweiche (6)
51: Darstellung der Belastungen und der Sicherheitskoeffizienten an allen Teilen (auch für den Fall einer externen Berechnung)
52: Entscheidungsweiche (7) für die Verwendung eines nichtanalytischen Verfahrens
53: nichtanalytische Berechnungen
54: Akzeptieren des Status-Quo
55: Entscheidungsweiche (8) für die Beurteilung der Belastungen und Sicherheitskoeffizienten
56: Akzeptieren des Status-Quo
57: Auswahl der Zeichnungsformate
58: Bibliotheken mit Zeichnungsformaten, Stücklistenformulare und andere Formulare
59: Bibliothek mit Zeichnungszusätzen
60: Bibliothek mit Kommentaren und Texten
61: Anpassung der Ansichten und Berechnung der Bemaßungsdarstellung
62: Darstellung der Zeichnungen
63: manuelle Bearbeitung der Zeichnungen
64: Darstellung der kompletten Dokumentation
65: Entscheidungsweiche (9)
66: Speicherung der Konstruktion
67: Verfahren zum automatischen Konstruieren

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10356399 B4 [0007]
- DE 102008047958 A1 [0008]
- DE 102007013499 A1 [0009]
- DE 102005006071 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Konstruieren mit Konstruktionskatalogen” von K. Roth (Springer-Verlag, 2000) [0004]
- „Konstruktionslehre” von Pahl/Beitz (Springer-Verlag, 2007) [0005]
- DIN A3 Format aus 58 [0032]

Claims

EDV-System, zum automatischen oder halbautomatische Konstruieren, bestehend aus a) mindestens einer Speichereinheit in der Datenbanken angelegt sind, die, aufgrund von Erkenntnissen aus den technischen Wissenschaften, genormte und/oder nicht genormte, kinematische, kinetische, stoffliche, geometrische und formale Daten, deren zulässige und/oder unzulässige Abweichungen, analytische und synthetische Berechnungsformalismen, sowie deren Anwendungsvorschriften enthalten, b) mindestens einer Recheneinheit auf der diese Formalismen ausgeführt werden und deren Ergebnisse mit bekannten Daten verglichen und bewertet werden, c) mindestens einer Bedienerschnittstelle an der ein Bediener über eine Menüstruktur Auswahlen treffen, Daten eingeben und Ergebnisse auslesen kann und d) mindestens einer Schnittstelle zu anderen EDV-Systemen, dadurch gekennzeichnet, e) daß die Recheneinheit den Bediener, solange durch eine Iterationsfolge von Synthese und Analyse eines zukünftigen, zweckdienlichen technischen Gegenstandes führt, indem sie, f) über eine Menüstruktur, dem Bediener aus der Speichereinheit stammenden Auswahlmöglichkeiten von kinematischen, kinetischen, stofflichen, geometrischen und formalen Daten anbietet, g) den Bediener auffordert diese Daten, entsprechend der Aufgabenstellung, zu vervollständigen, h) diese Daten verarbeitet, abspeichert und mit in der Speichereinheit enthaltenen bekannten Daten vergleicht, i) die bearbeiteten Daten, sowie die Ergebnisse des Vergleichs an der Bedienerschnittstelle darstellt, den Bediener über zulässige und/oder unzulässige Abweichungen informiert und den Bediener zu weiteren Entscheidungen und Dateneingaben auffordert, j) bis alle Abweichungen in zulässigen Bereichen liegen k) und anhand der, in der Speichereinheit abgelegten, formalen Vorschriften eine technische Dokumentation, mit den Herstellungs- und Betriebsvorschriften für den zukünftigen, zweckdienlichen technischen Gegenstand erstellt, diese abspeichert und dem Bediener zur weiteren Bearbeitung an der Bedienerschnittstelle zur Verfügung stellt.
EDV-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bediener von der Recheneinheit Vorschläge zur Auswahl eines kinematischen Modells gemacht werden, der Bediener eine Auswahl trifft, der Bediener die Möglichkeit hat, Randbedingungen und Belastungen im ausgewählten kinematischen Modell festzulegen und zu quantifizieren, wonach der Rechner die dem ausgewählten Modell zugehörenden Schnittkräfte und Momente berechnet, diese dem Bediener über die Bedienerschnittstelle darstellt, wonach der Bediener die Möglichkeit hat, das so dargestellte Modell zu akzeptieren, oder er hat die Möglichkeit andere Randbedingungen und Kräfte einzugeben, oder er hat die Möglichkeit ein an deres kinematisches Modell sich anbieten zu lassen, um diesen Prozess erneut durchlaufen zu können.
EDV-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bediener von der Recheneinheit Vorschläge zur Auswahl von Werkstoffen, einfachen und zusammengesetzten geometrischen Formen, Rohteilen und Sicherheitskoeffizienten gemacht werden, der Bediener alle nötigen Auswahlen trifft, der Bediener die noch fehlenden und an der Bedienerschnittstelle dargestellten Maße vervollständigt, wonach die Recheneinheit anhand des kinematischen Modells ein kinetisches Modell erstellt, die in den Modellelementen auftretenden Spannungen und Sicherheitskoeffizienten berechnet, diese dem Bediener über die Bedienerschnittstelle darstellt und auf Stellen im Modell hinweist, wo die Sicherheitskoeffizienten unter- oder überschritten sind, wonach der Bediener die Möglichkeit hat die dargestellten Daten zu akzeptieren, oder das Verfahren fordert den Bediener auf, die notwendigen Änderungen in den getätigten Eingaben vorzunehmen, damit die Resultate, entsprechend der gespeicherten Vorschriften, konsistent sind.
EDV-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bediener von der Recheneinheit Vorschläge zur Auswahl von parametrischen Befestigungselementen, Krafteinleitungselementen, sowie die für die Anwendung nötigen Normteile gemacht werden, der Bediener, über die Bedienerschnittstelle, die nötigen Auswahlen und Positionierungen trifft, die ausgewählten Elemente in das vorhandene kinetische Modell von der Recheneinheit, entsprechend der gespeicherten Vorschriften eingebaut werden, vom Bediener fehlende Maße vervollständigt werden, die Recheneinheit eine erneute Berechnung der Spannungen, der Sicherheits koeffizienten und der Belastungen der Normteile durchführt und die Resultate über die Bedienerschnittstelle veröffentlicht und die Stellen anzeigt, an denen die Sicherheitskoeffizienten unter- oder überschritten sind, wonach der Bediener die notwendigen Anpassungen treffen muß, die Recheneinheit eine erneute Berechnung durchführt und die nun erzielten Resultate an der Schnittstelle wieder darstellt.
EDV-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit dem Bediener Vorschläge macht zur Berechnung und/oder Simulation in anderen parallel laufenden Programmen, um die vorliegenden Resultate zu bestätigen oder zu verfeinern.
EDV-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit dem Bediener Vorschläge zur Erstellung von genormten technischen Zeichnungen macht, wobei der Bediener das Format auswählt und die Recheneinheit, automatisch, aufgrund der gespeicherten Vorschriften die Mindestanzahl an Ansichten, Schnitten, vergrößerten Ausschnitten, notwendigen Bemaßungen und Toleranzen in die Zeichnung setzt, diese dann dem Bediener über die Bedienerschnittstelle darstellt und der Bediener die Möglichkeit hat, weitere Angaben in den Zeichnungen vorzunehmen und die Wahl der Ausgabeart vorzunehmen.
EDV-System nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bediener zu jedem Zeitpunkt, während des Ablaufs des Verfahrens die Möglichkeit hat zu einem beliebigen vorherigen Punkt des Verfahrens zurückzuspringen und entsprechende Änderungen vorzunehmen.
EDV-System nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bediener die Möglichkeit hat, Einzelteile, Baugruppen oder Zeichnungen zu erstellen und diese im laufenden, oder in einem späteren Verfahren zu verwenden.
EDV-System nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren Zugriff auf die in der Speichereinheit, in Form von Bibliotheken gespeicherten Daten hat, wobei das Verfahren zu einem bestimmten Zeitpunkt, den Bediener auffordert aus diesen Bibliotheken Auswahlen zu treffen, die das Verfahren zum weiteren Arbeiten benötigt.
EDV-System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bibliotheken so aufgebaut sind, daß sie in ihrem Inhalt Informationen über den Stand der Technik von Mechanismen und Getriebe, Werkstoffen, Rohteilen und -Profilen, Normteilen, marktüblichen Kaufteilen, Fertigungsverfahren, technische Normen sowie Informationen über Geometrien enthalten und daß dieser Inhalt sowohl von Fachpersonal, als auch vom einzelnen Bediener ergänzt werden kann.
Verfahren zum automatischen oder halbautomatischen Konstruieren eines technischen, zukünftigen, zweckdienlichen Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine iterative Synthese-Analyse-Folge darstellt und aus folgenden Verfahrensschritten besteht: – Der Konstrukteur wählt aus einer Bibliothek mit kinematischen Modellen ein Modell aus, welches seiner Aufgabe entspricht und trägt die Randbedingungen und Lasten in das Modelle ein; – Danach werden die Schnittkräfte und Momente berechnet; – Der Konstrukteur wählt aus einer Bibliothek, seiner Aufgabe entsprechend, einen Werkstoff und Sicherheitskoeffizienten aus; – Es werden die erforderlichen Geometrieparameter der Querschnitte errechnet wie; – Der Konstrukteur wählt aus einer Bibliothek mit Querschnittsformen, die den errechneten Geometrieparameter entsprechen, eine/mehrere für seine Aufgabe günstige(n) Querschnittsform(en); – Es werden nun die im Werkstoff herrschenden Spannungen und effektiven Sicherheitskoeffizienten errechnet und mit den Sollwerten verglichen; – Nach Überprüfung der effektiven Sicherheitskoeffizienten entscheidet der Konstrukteur, ob er den Status Quo akzeptiert oder eine andere Querschnittsform wählt; – Danach wählt der Konstrukteur aus einer Bibliothek die für seine Aufgabe passenden Befestigungs- und Krafteinleitungselemente sowie die dazu gehörenden Normteile; – Die Befestigungs- und Krafteinleitungselemente sowie die vorhandene Struktur werden gegenseitig angepaßt und es werden die Spannungen und Sicherheitskoeffizienten in allen Teilen inklusive der Normteile ermittelt und mit den Sollwerten verglichen; – Bei Abweichungen von den Sollwerten wird der letzte Verfahrensschritt unter Verwendung anderer Befestigungs- und Krafteinleitungselemente sowie Normteile wiederholt; – Bei Bedarf können auch mehrere Verfahrensschritte wiederholt werden, bis sich die Sicherheitskoeffizienten in zulässigen Bereichen befinden; – Wenn dies der Fall ist kann der Konstrukteur aus einer Bibliothek Zeichnungsformate, Stücklisten- oder sonstige Formulare auswählen und den Konstruktionsgegenstand darstellen; – Es werden die nötigen Ansichten, Schnitte, Ausschnitte, usw. in den ausgewählten Formaten dargestellt und es erfolgt die normgerechte Bemaßung des Konstruktionsgegenstandes, sowie die Erstellung der Stücklisten und anderer der Aufgabe entsprechenden Formulare; – Nun kann die Konstruktion, bzw. die technische Dokumentation des Konstruktionsgegenstandes der weiteren Verarbeitung zugeführt werden.
Speichermedium zur Speicherung eines computerimplementierten Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren auf einem Computer abläuft.