A. CAD - oliver.huber[at]

PRR 1997/98
CAD
A. CAD
1. Allgemeines
CAD bedeutet Computer Aided Desing und das Ziel des CAD Einsatzes ist es, dem Konstrukteuren
und Zeichnern durch das Abnehmen von Routinearbeiten, wie z.B: gleiche Teile immer wieder zu
zeichnen, zu entlasten.
Die Rationalisierung ist von der Umgebung abhängig. Dabei unterscheidet man:
 CAD als Insellösungen
 CAD im Verbund mit anderen CIM-Komponenten.
Der Nutzen eines CAD Arbeitsplatzes ist gegenüber dem eines konventionellen Arbeitsplatzes sehr
gering, wenn es nicht gelingt, gleiche bzw. ähnliche Teilgeometrien abzuspeichern und bei Bedarf
darauf zurückzugreifen.
Beispiel Gewindesackloch:
Bei diesem Beispiel sieht man die Gegenüberstellung von der manuellen Technik und der CADMenüeingabe.
Durch die Errichtung einer Datenbank, auf die alle CIM Komponenten Zugriff haben, wird es möglich
die CAD-Daten z. B. für
 Bauteilberechnungen
 NC-Programmierung
 Werkzeugwahl
 Arbeitsplanerstellung (CAP)
 Stücklistenerstellung (CAP)
 Meßpunktermittlung
zu nutzen. Dies bringt einen wesentlichen Nutzeffekt der CAD-Daten.
CAD tritt daher als CIM-Komponente mit allen anderen Komponenten in Verbindung, wodurch die
Bearbeitungszeit wesentlich verringert wird.
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Weitere Anwendungsgebiete neben den mechanischen Konstruktionen sind der Anlagenbau, die
Elektronik und Elektrotechnik, sowie die Bau und Werksplanung.
2. Arbeitsweise am CAD-Arbeitsplatz
Verwendete Geräte am CAD-Arbeitsplatz sind:






Grafischer Bildschirm
Eventuell ein zusätzlicher alphanumerischer Schirm
Grafisches Tablett mit Menüfeld, Tastauge oder Stift
Bildschirm mit Maus oder Steuerknüppel
Grafikfähiger Drucker
Plotter
Tablett mit Menüfeld:
Die Farbe ist ein wichtiges Informationselement am modernen CAD System. Die Farbdarstellung
bietet eine Reihe von Vorteilen. So lassen sich Schraffur, Bemaßung oder Bauteilkanten leichter
voneinander unterscheiden.
Bei modernen Geräten kann mit Hilfe des
„Shade“-Befehls, der fertig konstruierte Teil in
nahezu Fotoqualität dargestellt werden. (Abb.
links).
Für Befehlseingaben stehen heute neben der Tastatur auch ein statisches Tablettmenü und ein
dynamisches Bildschirmmenü zur Verfügung.
Beim statischen Tablett können alle Befehle durch Antasten bestimmter Felder sofort aufgerufen
werden, beim dynamischen Bildschirmmenü arbeitet man sich über Befehlshauptgruppen zum
gewünschten Befehl durch.
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Typisch für PC und Workstation sind die dynamisch aufgebauten Bilschirmmenüs, die durch das
Programm führen. Immer populärer werden dabei sogenannte Piktogramme (Icons).
Ein weiteres Hilfsmittel ist das Arbeiten mit Fenstern. Diese Technik erlaubt es, mehrere verschiedene
Anwendungen gleichzeitig auszuführen, wie z.B. Detailzeichnung, Stücklisten, Zusammenstellungszeichnungen usw.
Ein System, welches einen kleinen Systemvorrat hat, verursacht mehr Aufwand, da für geometrische
Grundkonstruktionen mehrere Befehle eingegeben werden müssen: Bei Systemen mit einem großen
Systemvorrat können diese Grundkonstruktionen durch wenige direkte Befehle abgerufen werden.
3. Gegenüberstellung von 2D und 3D
Bei einem 2D CAD-System arbeitet der Konstrukteur in der XY-Ebene. Das 2D System kennt keine
räumlichen Zusammenhänge.
Das 2D System kann aufgrund der fehlenden Z-Information, die das 3D-System hat, keine räumlich
verdeckten Kanten berechnen.
Im 3D-CAD-System stellt sich der Entwurfsprozeß als ein mehrstufiger Ablauf dar. Mit dem Hilfsmittel
CAD ist der Konstrukteur nun in der Lage, den Konstruktionsentwurf direkt in 3D zu schreiben.
In der 3D-Arbeitstechnik sind aber immer noch einige Fragen offen:
 Entwirft und denkt der Konstrukteur zwei- oder dreidimensional?
 Entsprechen die heute verfügbaren 3D-Arbeitstechniken dem Komfort- und Leistungsanforderungen der Techniker?
 Für welche Anwendungsfälle ist 3D notwendig?
 Ist der Einsatz der 3D-Arbeitstechnik wirtschaftlich sinnvoll?
Diese Fragen sind nicht generell zu beantworten, sondern hängen vom Anwendungsgebiet, wie z.B.:
Produkt und Branche der CAD Anwendung, ab.
a) 2D-CAD
Die 2D-Technik ist weit entwickelt. In den meisten Fällen arbeitet der 2D-Konstrukteur mit einfachen
Elementen wie Punkt, Linie und Kreis. Für den Entwurf und die Zeichnungserstellung sind spezielle
Funktionen, wie z.B.: Konstruktionslinien, Ebenentechnik, Detailvergrößerung und Gruppenbildung
von Bedeutung.
(1)
Hilfsmittel beim CAD-Entwurf
(a)
Hilfslinien
Hilfslinien haben eine besondere Stellung im
CAD-System. Durch Überschneiden oder
Überzeichnen wird aus den Konstruktionshilfslinien die Geometriekontur erzeugt.
(b)
Ebenentechnik
Die Ebenentechnik ist eine spezielle CAD-Arbeitstechnik. Dabei werden Zeichnungskomponenten, wie Maßfelder, Schraffur und Text, auf verschiedene Zeichnungsebenen verteilt.
Die Ebenen kann man sich als durchsichtige Folien vorstellen, die übereinandergelegt ein
Gesamtbild ergeben. Mit Hilfe der Ebenentechnik holt sich der Konstrukteur die Teile auf den
Bildschirm, die er bearbeiten will.
Bei der Erstellung von NC-Steuerelementen kann es ebenfalls hilfreich sein, die geometrische
Kontur von den übrigen Bauelementen zu trennen.
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Beispiel zur Ebenentechnik:
(c)
Detailvergrößerung
Bei der Detailvergrößerung wird eine vergrößerte Kopie durch einen angegebenen
Vergrößerungsfaktor oder durch die Anwendung eines Zoomfaktors erzeugt. Die CAD-Software
rechnet automatisch alle Änderungen, die in der Detailvergrößerung gemacht worden sind, in
die Originalgröße um.
(d)
Gruppenbildung
Bei der Gruppenbildung werden Geometrieelemente zu Gruppen zusammengefaßt. Eine
Gruppe kann wie ein einzelnes Element identifiziert werden.
Bei einfachen Modellen paßt sich die Bemaßung einer Geometrieänderung automatisch an. Bei
doppelt verknüpften Modellen ändert sich auch die Geometrie bei Änderung der Bemaßung.
(2)
Zeichnungsmakros
Sie sind statische Bildelemente, die sowohl zeichnungstechnischer (z.B. Oberflächenangaben) als
auch konstruktiver Art (z.B. Bauteile) sein können.
Die Makrotechnik ist, zusammen mit der Variantentechnik, die wichtigste Voraussetzung, um die
Effizienz im Konstruktionsbüro mit CAD anzuheben. Die Makrotechnik ist mit der Ebenentechnik und
der Attributetechnik eine wesentliche Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit eines integrierten
Datenflusses.
(3)
Variantentechnik
Die Variantentechnik wird hauptsächlich zur zeichnungstechnischen Darstellung von Teilefamilien
eingesetzt. Teilefamilien sind entweder Maßvarianten oder Gestaltsvarianten.
Die Variantentechnik umfaßt mehr als nur die parametrisierte Zeichnungserstellung. Anhand der
Parameter, mit denen die Teilefamilie beschrieben werden kann, können neben der Zeichnung auch
die Parameter für die NC-Testprogramme, Arbeitsplanerstellung, Bauteilberechnung und
Klassifizierung nach Sachmerkmalen automatisch generiert werden.
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Es gibt drei Möglichkeiten, in einen CAD-System Teilefamilien als Varianten zu realisieren:
 Befehlsmakros als Zusammenfassung von Dialogbefehlen (eventuell als automatisch
mitgeschriebenes Protokoll)
 Programmierung der Variantenlogik in einer Befehlsprozedur-Sprache oder in einer höheren
Programmiersprache
 Grafische interaktive Skizzentechnik, d.h. beidseitig assoziative Bemaßung und Parametrisierung
Der letzte Punkt ist die benutzerfreundlichste Art der Variantenerstellung
b) 3D-CAD
In einigen Branchen, wie z.B. Kraftfahrzeugs-,
Flugzeug- und Schiffsbau ist die 3D-Technik sehr
bestimmend geworden. Sowohl die Qualität als
auch der Umfang des 3D-CAD-Einsatzes. Die
älteste Form des 3D-Modells ist das Kanten- oder
Drahtmodel, dieses wurde aber durch das
Flächen- und das Volumenmodell verdrängt. Bei
den Modellen wird also zwischen Kanten-,
Flächen- und Volumenmodell unterschieden.
(1)
Kantenmodell
Bei der 3D-Beschreibung eines Körpers mit Hilfe eines Kantenmodells werden nur die
Flächenbegrenzungskanten berücksichtigt. Information über Fläche und Volumen liegt nicht vor. Der
Befehlsvorgang entspricht der 2D-CAD-Technik. Die Anwendung ist einfach, aber für die
Beschreibung von Freiformflächen ungeeignet.
(2)
Flächenmodell
Das Flächenmodell deckt das ganze Produktspektrum ab. Im
Gegensatz zu Kanten- und Volumenmodellen ist es mit dem
größten Eingabeaufwand verbunden.
Es stehen dem Anwender die Standardfläche, Rotationsfläche,
Translationsfläche und Regelfläche als analytische
Flächenbearbeitung zur Verfügung.
Interpolationsflächen dienen dem Anwender zur Beschreibung
von nicht einfach zu beschreibenden Flächen.
(3)
Volumenmodell
Das Volumenmodell ist die Voraussetzung für die
automatische Ableitung von Schnitten, verdeckten Kanten,
Schattierungen und Berechnungsergebnissen.
Wir unterscheiden das Flächenbegrenzungsmodell, das
Polyeder Facettenmodell und das Vollkörpermodell. Mit Hilfe
dieser Modelle wird ein Werkstück nach unterschiedlichen
Gesichtspunkten in Grundelemente zerlegt.
Der Trend bewegt sich hin zur Kombination dieser Systeme in einem System.
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Beim Volumenmodell unterscheiden wir als Erzeugungsmethoden:





(4)
Rotation und Translation, auch Sweeping genannt
Spiegeln, genannt Mirror
Biegen, Beulen, Verdrehen oder Deformation
mengentheoretische Verknüpfungen oder Boolean Function
Schnitt und Ansichtsdarstellung oder Intersection bzw. oder Viewreprentation
Hybridmodell
Hybridmodelle vereinigen alle bisher genannten 3D-Modelle. Besonders Flächenbegrenzungs- und
Vollkörpermodelle.
In Zukunft treten immer mehr Hybridmodelle als Verbindung von Kanten-, Flächen- und
Volumenmodellen in den Vordergrund. Sie sind sowohl für Freiformflächen, als auch für analytische
Bauteilformen geeignet.
4. CAD-Systemerweiterungen
Eine große Palette von CAD-Systemerweiterungen bietet die Möglichkeit einer Kopplung an ein CAESystem.
5. Schnittstellen
Zum Austausch geometrischer Produktdaten bestehen derzeit mehrere Schnittstellenspezifikationen:
a) IGES-Initial Graphics Exchange Specification
IGES erlaubt die Übertragung von:
 2D- und 3D-Linienmodellen
 3D Flächenmodellen
 und technischen Zeichnungen
Ab Version 4.0 auch 3D Volumenmodelle (hier: Vollkörpermodelle)
b) VDA-FS-Flächenschnittstelle des Verbandes der Deutschen Automobilindustrie
Dient zur Übertragung von Freiformflächen beliebigen Grades.
Ist in die DIN 66 301 eingegangen und wird zwingend vorgeschrieben.
c) VDA-PS – VDA-Programmschnittstelle
Sie dient zum Austausch von Normteildaten und –dateien zwischen unterschiedlichen
CAD-Systemen. Es handelt sich hierbei um eine Sammlung von FORTRAN Programmen, welche auf
das SQL-Format ausgelegt sind, da SQL ein weltweiter ISO Standard für Datenbankschnittstellen ist.
VDA-PS ist in der DIN-Vornorm 66 304 festgeschrieben.
d) CAD-NT – CAD-Normteildateien
Die CAD-Normteildatei beschreibt die Definition von Normteilen in Form von Sachmerkmalleisten.
Sie wird als Vornorm DIN 4001 empfohlen.
Neben diesen Schnittstellen werden auch noch andere Schnittstellen in Zukunft an Bedeutung
gewinnen, wie z.B. CAD*I (CAD-Interface oder PDDI (Produkt Data Definition Interface)
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