Jan Meeth
Michael Schuth

Grundlagen und praktische Anwendung
der kinematischen Simulation

Bewegungssimulation
mit CATIA V5

Bewegungssimulation

mit

C

A

TIA

V5

Meeth

·

Schuth

Meeth · Schuth

Bewegungssimulation mit CATIA V5

Dieses Grundlagen- und Praxisbuch vermittelt das notwendige Know-how für alle,
die Bewegungssimulationen mit CATIA V5 durchführen wollen. Es wendet sich an
Ingenieure, Techniker, Konstrukteure, Studenten und Auszubildende technischer
Berufe. Die hier vorliegende 2. Auflage basiert auf der Programmversion CATIA V5
Release 18.

Ausführlich behandeln die Autoren die Arbeitsumgebung DMU Kinematics von
CATIA V5. Zusätzlich stellen sie einige Funktionen außerhalb des DMU Kinematik-
Simulators vor, wie etwa die Animation von Bemaßungsbedingungen. Um den
DMU Kinematik-Simulator effizient nutzen zu können, werden anschließend
die wichtigsten Grundlagen zur Getriebelehre vermittelt. Schwerpunkte sind hier
die Betrachtung der Freiheitsgrade von Körpern, Gelenken und Mechanismen.
Ein abschließendes Kapitel zeigt, wie sich aus zuvor generierten Bewegungs-
simulationen Animationen erstellen lassen.

Zahlreiche Übungsbeispiele zum Erstellen und Simulieren von Mechanismen
ermöglichen dem Leser, die Inhalte zu vertiefen und sie in seiner täglichen Arbeit
einzusetzen. Die Dateien zu sämtlichen Übungen sind unter

abrufbar.

studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der FH Trier.

ist Dozent an der FH Trier im Bereich Technik.

Er leitet das Labor Gerätebau, Konstruktion und Bauteiloptimierung und führt
Konstruktionsprojekte mit der Industrie durch.

Dipl.-Ing. Jan Meeth
Prof. Dr. Ing. Michael Schuth

http://downloads.hanser.de

2., aktualisierte Auflage

ISBN 978-3-446-41452-5

www.hanser.de/cad

9 783446 414525

5

Inhalt

Vorwort ....................................................................... 7

1

Einleitung .................................................... 9

1.1

Begriffe.......................................................9

1.2

Getriebelehre und DMU Kinematics.... 10

2

Einführung in DMU Kinematics ........... 15

2.1

Vorstellung der Arbeitsumgebung
DMU Kinematics .................................... 16

2.1.1

Aufrufen der Arbeitsumgebung
DMU Kinematics .................................... 16

2.1.2

Symbolleisten von DMU Kinematics .. 18

2.1.3

Anpassen der Arbeitsumgebung
DMU Kinematics .................................... 27

2.2

Kinematische Simulation einer
Viergelenkkette ...................................... 29

2.2.1

Erstellen eines simulierbaren
Mechanismus.......................................... 29

2.2.2

Simulation mit Befehlen....................... 35

2.2.3

Simulation mit Regeln .......................... 37

2.2.4

Bearbeiten von Simulationen .............. 40

2.2.5

Erstellen einer Wiedergabe................... 41

2.3

Beispiele und Übungen ......................... 44

2.3.1

Bewegungssimulation einer Presse
mit Niederhalter ..................................... 44

2.3.2

Bewegungssimulation eines
Scheibenwischers................................... 51

2.4

Automatische
Überschneidungserkennung ................. 58

2.5

Umwandlung von
Baugruppenbedingungen ..................... 64

2.6

Animationen von
Bemaßungsbedingungen ...................... 75

3

Grundlagen zur Getriebelehre und
Anwendung von DMU Kinematics........83

3.1

Aufgaben und Inhalt der
Getriebelehre .......................................... 83

3.2

Aufbau von Getrieben und
Mechanismen ......................................... 85

3.2.1

Getriebeglieder und Gelenke ................ 86

3.2.2

Freiheitsgrade von Körpern.................. 87

3.2.3

Freiheitsgrade von Gelenken und
kinematischen Verbindungen .............. 88

3.2.4

Eigenschaften und Erzeugung von
kinematischen Verbindungen .............. 91

3.2.5

Zwanglauf und Freiheitsgrad von
Mechanismen und Getrieben ............. 175

3.2.6

Freiheitsgrad (Laufgrad) eines
ebenen Getriebes.................................. 177

3.2.7

Freiheitsgrade von Körperverbünden
im Raum................................................ 180

4

Übungsbeispiele zum Erstellen und
Simulieren von Mechanismen ............ 191

4.1

Bewegungssimulation eines
Werkzeugs ............................................ 191

4.2

Bewegungssimulation eines
Hubkolbenverdichters ......................... 197

4.3

Bewegungssimulation eines
Scharniermechanismus ....................... 206

4.4

Bewegungssimulation einer
Gelenkwelle .......................................... 214

4.5

Bewegungssimulation einer
Ladebordwand...................................... 223

4.6

Bewegungssimulation einer
Dampflokomotivsteuerung ................. 235

Inhalt

6

4.7

Bewegungssimulation eines
Radladers .............................................. 246

4.8

Erstellen einer Sequenz am Beispiel
eines Kolbenmotors ............................. 255

5

Getriebeanalyse und Simulation mit
Regeln ...................................................... 259

5.1

Analyse der Getriebekinematik.......... 259

5.1.1

Grundlagen zu grafischen Verfahren
der kinematischen Analyse ................ 259

5.1.2

Kurbelschwinge mit konstanter
Winkelgeschwindigkeit....................... 261

5.2

Simulation mit Regeln ........................ 273

5.2.1

Simulation mit Regeln am Beispiel
einer Kurbelschwinge.......................... 273

5.2.2

Erstellen von kombinierten
Sensorkurven ....................................... 280

5.2.3

Importieren von kinematischen
Regeln aus einer Textdatei ................. 284

6

Erstellen von Animationen ................. 287

6.1

Vorstellung der Arbeitsumgebung
„Photo Studio“ ..................................... 287

6.1.1

Die Symbolleiste „Wiedergabe“ ......... 288

6.1.2

Die Symbolleiste „Animation“ ........... 288

6.1.3

Die Symbolleiste „Szeneneditor“ ....... 289

6.2

Übungen zum Erstellen von
Animationen ........................................ 290

Literaturverzeichnis ............................................. 297

Index

................................................................... 299

15

2 Einführung in DMU Kinematics

Zu Beginn dieses Kapitels werden zunächst verschiedene Wege gezeigt, wie man die
Arbeitsumgebung CATIA V5 DMU Kinematics starten kann. Anschließend erfolgt eine
sehr kurze Vorstellung einzelner Symbolleisten. Dadurch soll ein erster Eindruck über
die Verwendungsmöglichkeiten dieser Arbeitsumgebung vermittelt werden.

Nach diesem Überblick werden die elementaren Funktionen von DMU Kinematics
an dem einfachen Beispiel einer Viergelenkkette ausführlich dargestellt. Dabei wird
gezeigt, wie man mit CATIA einen simulierbaren Mechanismus erzeugt und wie
man ihn mithilfe der beiden Simulationsmodi „Simulation mit Befehlen“ und „Si-
mulation mit Regeln“ auf zwei Arten simulieren kann.

Im Anschluss daran werden weitere Simulationen von einer Presse mit Niederhalter
und dem Getriebe eines Scheibenwischerantriebs vorgeführt. An diesen beiden Bei-
spielen werden auch bereits Verwendungsmöglichkeiten der Arbeitsumgebung Ge-
nerative Drafting in Verbindung mit Getriebesimulationen erläutert. Zusätzlich wird
beim zweiten Beispiel die Funktion „Verlaufslinie“ angewendet, um das Wischfeld
des Scheibenwischers zu erzeugen und es auf einer technischen Zeichnung darstel-
len zu können. Bei diesen Beispielen wurde der simulierbare Mechanismus aus-
schließlich in der Arbeitsumgebung DMU Kinematics erzeugt.

Prinzipiell gibt es in CATIA V5 jedoch zwei Wege, um zu einem simulierbaren Me-
chanismus zu gelangen. Die beiden Wege unterscheiden sich vor allem hinsichtlich
der Verbindungserstellung zwischen den einzelnen Bauteilen der zu simulierenden
Baugruppe. Der erste Weg besteht darin, kinematische Verbindungen zwischen den
Bauteilen in der Arbeitsumgebung DMU Kinematics zu erstellen. Bei manchen Me-
chanismen bietet sich die zweite Möglichkeit an, Bewegungssimulationen zu defi-
nieren, bei der man auf im Assembly Design erstellte Verbindungen zurückgreift
und CATIA V5 automatisch die daraus entsprechenden kinematischen Verbindun-
gen erstellen lässt.

Außerdem können Getriebesimulationen ebener Mechanismen prinzipiell auch im
Skizzierer von CATIA V5 durchgeführt werden. Am Ende dieses Kapitels soll kurz
auf diese Möglichkeit, im Skizzierer mit der Funktion „Animation von Bemaßungs-
bedingungen“ einfache ebene Getriebesimulationen zu erstellen, eingegangen wer-
den. Dies geschieht auf der Basis von Bedingungen, mit denen die geometrischen
Elemente der Skizze verknüpft sind. Eine der Bedingungen muss dann animiert
werden, was der Definition eines Antriebes entspricht (Bild 1.2-c).

2 Einführung in DMU Kinematics

16

2.1

Vorstellung der Arbeitsumgebung DMU Kinematics

Nach dieser zusammenfassenden Einleitung folgt zunächst eine Vorstellung der Ar-
beitsumgebung DMU Kinematics, bevor anhand von Beispielen die prinzipielle Vor-
gehensweise mit CATIA V5 DMU Kinematics dargestellt wird.

2.1.1

Aufrufen der Arbeitsumgebung DMU Kinematics

Wo die Arbeitsumgebung DMU Kinematics zu finden ist und wie sie aufgerufen
wird, zeigt Bild 2.1.

Bild 2.2 zeigt die Arbeitsumgebung des CATIA V5 DMU Kinematik-Simulators, die
aber auch auf andere Art und Weise aufgerufen werden kann.

Bild 2.1:
Aufrufen der Workbench
DMU Kinematics

2.1 Vorstellung der Arbeitsumgebung DMU Kinematics

17

Außerdem kann man unter bestimmten Voraussetzungen DMU Kinematics über das
beim Neustart von CATIA erscheinende Fenster (Bild 2.2-a), über Start in der Menü-
leiste wie in Bild 2.2.-b oder über die Symbolleiste „Umgebungen“ (Bild 2.2-c) auf-
rufen. Dazu müssen die Schritte durchgeführt werden, die in Bild 2.3 dargestellt
sind.

Bild 2.2:
Arbeitsumgebung
DMU Kinematics

Bild 2.2-a: Aufrufen von
DMU Kinematics beim
Start von CATIA

Bild 2.2-b und 2.2.-c:
Aufrufen von DMU Kine-
matics über die Menü-
leiste „Start“ und die
Symbolleiste „Umge-
bungen“

2 Einführung in DMU Kinematics

18

Erstellen einer Liste von bevorzugten
Umgebungen:

→ Ansicht (Menüleiste) → Symbol-
leisten

→ Anpassen… → Registerkar-

te: Menü Start
→ DMU Kinematics (und andere oft
verwendete Arbeitsumgebungen) mar-
kieren

→ Klick auf den Pfeil nach

rechts

→ S

CHLIEßEN

→ die ausgewählten Umgebungen
können über „Start“ nun direkt oder
über die Symbolleiste „Umgebungen“
angewählt werden. Falls diese nicht
angezeigt wird, kann sie folgenderma-
ßen angezeigt werden:

→Ansicht → Symbolleisten → Symbolleiste „Umgebungen“ anzeigen

Nach dem Aufrufen der Arbeitsumgebung DMU Kinematics stellt sie dem Anwender
verschiedene Symbolleisten bereit, die nun kurz vorgestellt werden, um einen ersten
Eindruck zu vermitteln.

2.1.2

Symbolleisten von DMU Kinematics

Um einen Überblick über den Funktionsumfang und die Anwendungsmöglichkeiten
der Arbeitsumgebung DMU Kinematics zu erhalten, sollen die einzelnen Symbol-
leisten, die in CATIA V5 standardmäßig zu DMU Kinematics gehören, dargestellt
und kurz erläutert werden.

2.1.2.1

Die Symbolleiste „DMU Kinematics“

Die Symbolleiste „DMU Kinematics“ (Bild 2.4)
enthält die elementaren Funktionen, die zur
Definition des Getriebes und der Simulation
notwendig sind. Zu der Definition eines Ge-
triebes gehören unter anderem die Definition

der Festkomponente und der Gelenke des Getriebes. Diese Gelenke werden über die
kinematischen Verbindungen bestimmt.

Die Leiste „Kinematische Verbindungen“ (Bild 2.5) kann neben der Symbolleiste
„Simulation“ durch einen Doppelklick abgekoppelt werden.

Zur Simulation stehen die beiden Modi „Simulation mit Befehlen“ und „Simulation
mit Regeln“ zur Verfügung, die beide in diesem Kapitel vorgestellt werden. Außer-
dem bietet sich bei manchen Getrieben die bereits erwähnte Funktion „Umwandlung

Bild 2.3:
Dialogfenster zum Erstel-
len einer Liste bevorzugter
Bedingungen

Bild 2.4:
Symbolleiste
„DMU Kinematics“

2.1 Vorstellung der Arbeitsumgebung DMU Kinematics

19

von Baugruppenverbindungen“ an, mit der man aus im Assembly Design erstellten
Baugruppenbedingungen kinematische Verbindungen generieren kann. Die Ver-
wendung verschiedener kinematischer Verbindungen wird im weiteren Verlauf die-
ses Buches dargestellt. Dies gilt auch für die Funktionen „Umwandlung von Bau-
gruppenbedingungen“, „Mechanismusanalyse“ sowie die Funktion „Geschwindigkeit
und Beschleunigung“.

Bild 2.5:
Übersicht über Symbol-
leisten „DMU Kinematics“
und die davon abkoppel-
baren Symbolleisten „Si-
mulation“ und „Kinema-
tische Verbindungen“

Symbolleiste:

Kinematische Verbindungen

Definition der Festkomponente

Umwandlung von Baugruppenbe-
dingungen

Doppelgelenk

Zahnradverbindung

Zahnstangenverbind.

Kabelverbindung

Achsenbasierte Verbind.

Starre Verbindung

Punktkurvenverbindung

Gleitkurvenverbindung

Rollkurvenverbindung

Punktflächenverbindung

Drehverbindung

Prismatische Verbind.

Zylindrische Verbind.

Schraubverbindung

Kugelgelenkverbindung

Simulation mit Befehlen

Simulation mit Regeln

Mechanismusaufbereitung

Doppelklick auf diesen schmalen Balken
bewirkt das An- oder Abkoppeln der
Symbolleiste

Symbolleiste

Simulation

Mechanismusanalyse

Geschwindigkeit und
Beschleunigung

Symbolleiste DMU Kinematics

299

Index

Abhängige Länge 99
Abtriebsglied 86
Achsensysteme 162
Aktion bearbeiten 257
Animation 290
Animation von Bemaßungs-

bedingungen 15

Animation wiedergeben 292
Animationen 287
Animationsdatei 43
Antriebsfunktion 259
Antriebsglied 86
Arbeitsumgebung DMU

Kinematics 16

Assembly Design 15
Astschere 111
Automatische Überschneidungs-

erkennung 44

Bahnkurve 181
Baugruppenbedingungen 91, 97
Befehl 92
Beleuchtung 288
Beleuchtungsbefehle 294
Beschleunigung 181
Beschleunigungsmaßstab 259
Bezugsglied 86
Bezugssystem 87
Bildformat 291
Bildgröße 291
Blickpunkt 288
Bohrungen 86
Bolzen 86

Dampfkanäle 83
Dampflokomotive 235
Dampfzylinder 83
Definition der Filmaufnahme 288
Differentialschraube 101
Differentialschraubengetriebe 101
Digital-Mock-Up 10

DMU Fitting 10, 256
Doppelgelenk 149
Drehen 90
Drehgelenk 11, 92
Drehschubgelenk 89, 98
Drehsockel erzeugen 288
Drehverbindung 92
Druckgusswerkzeug 191, 292
Druckmittel 86

Ebene Verbindung 108
Eigenrotation 183
Einzelradaufhängung 83, 180,

186

Elementarbewegungen 87, 88
Erneute Wiedergabe 288

Fahrbahnunebenheiten 181
Fahrzeugtechnik 134
Filmaufnahmen 287
Flächenberührung 90
Fördergetriebe 118
Freiheitsgrad 87, 88, 175, 177

Gelenkbauarten 89
Gelenkdreieck 177
Gelenkfünfeck 177
Gelenkgabel 149
Gelenkhälfte 89
Gelenkviereck 177
Gelenkwelle 149, 215
Generative Drafting 15
Gesamtsteigung 101
Geschwindigkeitsmaßstab 259
Getriebe 9
Getriebeanalyse 84, 259
Getriebedarstellungen 86
Getriebedynamik 84, 259
Getriebeglied 11

starr 86

Getriebekinematik 84

Getriebelehre 9
Getriebestruktur 86
Getriebesynthese 84
Getriebesystematik 84
Getriebetechnik 83
Gewindesteigung 101
Gleitkurvenverbindung 128
Gruppierung 115

Heusinger-Steuerung 83, 235
Hohlrad 134
Hubkolbenverdichter 199

Identische Freiheiten 183
Industrieroboter 83

Kabelverbindung 160
Kamerabefehle 294
Ketten 86
Kinematik 9
Kinematische Funktion 86
Kinematische Kette 11, 12, 83,

177, 182

Kinematische Verbindungen 18
Kinetik 9
Knicklenkung 247
Kolbenmotor 255
Kongruenz 94
Kraftfluss 134
Kugelflächengelenk 89
Kugelgelenk 87, 89, 106
Kugeln 86
Kugelpfanne 187
Kugelschalen 86
Kurbelschwinge 261

Ladebordwand 223
Längenmaßstab 259
Laufgrad 175
Lenkerfreiheitsgrad 183
Lichtquellen 288

Index

300

Linienberührung 90
Lokomotivsteuerung 235

Material 292, 293

Mathematische Funktion 85

Mechanismus 11

Mechanismusanalyse 19, 189

Momentanpol 260

Mutter 100

Parallelkurbel 225

Photo Studio 287

Pixelzahl 291

Planetengetriebe 134

Planetenräder 134

Planetenradsatz 134

Player 43

Polygonmethode 261

Präsentation 287

Presse mit Niederhalter 44

Prismatische Verbindung 95

Produktpräsentation 287

Punktbahn 85

Punktberührung 90

Punktflächenverbindung 144

Punktkurvenverbindung 117, 118

Radlader 246

Ravigneaux 134

Real Time Rendering 287

Relativbewegung 21, 87, 88

Relativrotation 89

Reuleaux 11

Riemen 86

Rollenzuführung 122

Rollkurve 131

Rollkurvenverbindung 132

Rotation 87
Rückwärtsgang 135
Schaltungsmöglichkeiten 134
Scharniermechanismus 206
Schaufellader 83
Scheibenwischerantrieb 15
Schieben 90
Schieberstange 83
Schleifenmodus 42
Schnelle Wiedergabe 288
Schnellgang 135
Schrauben 90
Schraubengelenk 100
Schraubengetriebe 100
Schraubverbindung 91, 100
Seile 86
Sequenz 255
Sichtbarkeitsaktion 256
Simpson-Getriebe 134
Simulation 34, 35
Simulation mit Befehlen 15
Simulation mit Regeln 15, 37
Simulation umwandeln 43
Simulationsmodi 15
Sonnenrad 134
Spindel 100
Standardmaterialkatalog 293
Starrachse 180
Starre Verbindung 115
Steigungsdifferenz 101
Szeneneditor 289

Teleskopspindel 101
Trace 213
Translation 87

Übersetzungsverhältnis 153
Übertragungsgetriebe 85

Umgebung 288
Umlaufgetriebe 153
Umwandlung von Baugruppen-

bedingungen 91

Unfreiheiten 90
Universalgelenk 147, 208
Universalverbindung 147
Unterverbindungen 157

Verbindung aus Achsensystemen

162

Verbindungsgrenzen 191
Verbindungslimits 194
Verlaufslinie 15, 44
Video-Dateien 41
Videoschaltflächen 41
Viergelenkgetriebe 10
Vorschubbewegung 89

Walschert-Steuerung 235
Wiedergabe 42
Wiedergabe generieren 41
Wirkungsgrad 102
Wischfeld 15

Zahnradverbindung 153
Zahnstange 157
Zahnstangenverbindung 157
Zeichnungsableitung 50
Zeichnungsansicht 44
Zeitintervall 43
Zentriert 93
Zugmittel 86
Zwanglauf 11, 175
Zwanglaufgleichung 184
Zwangläufig 175
Zweifachschraubgetriebe 101
Zweistufige Planetenradsätze 134
Zylinderfüllung 83
Zylindrische Verbindung 98