Mechanismus in TopSolid definieren und simulieren

Wie können bewegliche Baugruppen in TopSolid definiert werden und wie können aus einer Bewegungssimulation Erkenntnisse gezogen werden?

Allgemeine Funktionsweise des Mechanismus

Definition der Beweglichkeit einer Baugruppe

Die Definition eines Mechanismus findet immer in einem Baugruppendokument statt, wobei auch Form- und Folgematrizendokumente dem Wesen nach Baugruppendokumente sind. Für die Definition eines Mechanismus sind die folgenden Begriffe relevant. Wir können diese Elemente mit den Funktionen im Untermenü Mechanismus erzeugen:

  • Mechanismus: ein Mechanismus ist das Element in einem Baugruppendokument, welches alle weiteren Informationen wie starre Gruppen, Verbindungen, Konfigurationen usw. zusammenfasst und verwaltet. Es kann in jedem Dokument nur eine Mechanismus-Definition geben. Bei der Erstellung des Mechanismus kann angegeben werden, ob eventuell in Unterbaugruppen bereits vorhandene Definitionen von Mechanismen (Beweglichkeiten) in dieser Baugruppe übernommen werden sollen.
  • Starre Gruppe: bezeichnet eine Gruppe von Bauteilen oder Unterbaugruppen, die sich immer zusammen bewegen und deshalb in der Definition des Mechanismus als ein einziges zusammenhängendes Element behandelt werden. Am Beginn sind alle Bauteile oder Unterbaugruppen in der sogenannten Grundgruppe zusammengefasst. Sie stellt sozusagen die feste äußere Umgebung des Mechanismus dar.
  • Verbindung; eine kinematische Verbindung beschreibt, wie sich zwei starre Gruppen zueinander bewegen können, also ob sie z.B. gegeneinander verschiebbar sind oder sich umeinander drehen können. Es gibt in TopSolid viele Arten von kinematischen Verbindungen. Wesentlich bei der Definition einer kinematischen Verbindung ist die Reihenfolge: die erste ausgewählte starre Gruppe ist diejenige, welche die zweite ausgewählte Gruppe gedanklich "antreibt" oder in Bewegung versetzt. Am Ende der Definition des Mechanismus sollten alle vorhandenen starren Gruppen mittelbar oder unmittelbar über Verbindungen mit der Grundgruppe verbunden sein.
  • Konfiguration: eine Konfiguration stellt eine bestimmte, bedeutsame Stellung der beweglichen Baugruppe dar, in der alle definierten Verbindungen eine konkrete, definierte Position einnehmen. Die Definition einer Konfiguration geschieht, ähnlich zur Positionierung von Bauteilen oder Unterbaugruppen in einer Baugruppe, durch die Angabe von Zwangsbedingungen. Hervorzuheben ist die Entwurfskonfiguration, welche die Stellung der starren Gruppe beinhaltet, in der die Baugruppe ursprünglich gezeichnet wurde. Konfigurationen können auch für die Definition von Ansichten in 2D-Zeichnungen verwendet werden, um die Baugruppe in einer bestimmten Stellung zu zeigen.

Die Möglichkeit von Bauteilen oder Unterbaugruppen, sich zu bewegen, wie sie durch die Erstellung eines Mechanismus gegeben ist, ist nicht zu verwechseln mit einer unvollständig bedingten Positionierung der Bauteile. Beides hat nur wenig miteinander zu tun. Wir raten generell dazu, die Positionierung von Bauteilen vollständig durchzuführen, um eine stabile Basis für weitere Änderungen oder Arbeitsschritte zu haben.

Simulation und Analyse eines Mechanismus

Mit dem Festlegen der starren Gruppen, Verbindungen und Konfigurationen haben wir definiert, wie sich eine Baugruppe bewegen kann,  wenn von außen Einflüsse oder Kräfte auf sie wirken, aber genau diese Einflüsse fehlen nun noch dazu, dass die Baugruppe das auch tatsächlich tut. Wir finden die hierfür nötigen Funktionen im Menü Simulation. Hierbei sind die folgenden Begriffe relevant:

  • Aufgabe: eine Aufgabe beschreibt einen einzelnen Vorgang, der während der Simulation passiert. Dies kann das Steuern einer oder mehrerer kinematischer Verbindungen sein, also z.B. das Drehen einer drehbaren Verbindung oder Verschieben einer verschiebbaren Verbindung um ein bestimmtes Maß, aber auch das temporäre Verbinden oder Lösen zwischen zwei starren Gruppen, wenn z.B. eine starre Gruppe temporär eine andere greift oder losläßt. Ebenso können Teile durch eine Aufgabe sichtbar oder unsichtbar werden. Es können beliebig viele Aufgaben innerhalb eines Mechanismus definiert werden.
  • Szenario: auch Drehbuch genannt. Hier können die definierten Aufgaben per Drag&Drop in eine zeitliche Reihenfolge gebracht werden. Es ist ebenfalls möglich, mehrere Aufgaben zeitgleich stattfinden zu lassen, indem sie auf verschiedene Spuren, vergleichbar einer Software zur Audio- oder Videobearbeitung, gezogen werden. Jedes Szenario erhält einen eigenen Namen, es können beliebig viele Szenarien definiert werden.
  • Simulation: eine Simulation beschreibt nun die tatsächliche Bewegung des Mechanismus, wenn man von einer bestimmten Konfiguration ausgeht und darauf ein bestimmtes Szenario anwendet. Es kann in der Simulation definiert werden, wie viele verschiedene Stellungen pro Sekunde intern berechnet werden sollen und ob bestimmte (oder alle) starre Gruppen während des Bewegungsablaufes auf Kollision geprüft werden sollen. Dabei wird in jeder einzelnen berechneten Stellung eine Kollisionsanalyse durchgeführt. Wird die Schrittweite der Simulation zu grob gewählt, können dabei Kollisionen "übersehen" werden. Wird die Schrittweite sehr fein gewählt, steigt der Rechenaufwand stark an.
  • Messungen: eine Messung beschreibt die Messung z.B. eines Abstandes, einer Kraft oder eines Winkels zwischen zwei starren Gruppen während der Simulation. Damit können während der Simulation diese Werte aufgezeichnet und ausgewertet werden.
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