1
CLASS A SU URFAC CE MO ODELING ngt tot de kern van de Dit iss een oefening waarin tweee onderwerpeen aan samen komen en waaarin doordrin geom metriemodelleen: de control points en dee knots van de e NURBS. Je leert hoe je een n C2 continue overrgang tussen vvlakken realiseeert. Verder m maak je kenniss met de moggelijkheden (en de beperkin ngen) van dataaoverdracht tu ussen verschillende CAD‐systemen.
NOK KKENAS VA AN EEN VIEERTAKTMO TOR De b belangrijkste o onderdelen vaan een viertakkt verbrandinggsmotor zijn h het cylinderblo ok en de cylinderkop. In heet blok beweggen de zuigerss op‐en‐neer in de cylinderss. Het is aan ééén zijde afgessloten door ee en kop met in‐ en uitstroomkanalen. Ieedere cylinder heeft tenmin nste één toevvoerkanaal voo or een lucht‐b benzine ngsel en een afvoerkanaal w waardoor de h hete verbrandingsgassen naaar de uitlaat stromen. In e elk kanaal men is eeen klep geplaaatst om de toeevoer en de affvoer op het ju uiste momentt te laten plaaatsvinden. De inlaaatklep en de u uitlaatklep heb bben beide eeen eigen perio ode waarin ze zijn geopend. Het openen van de kleppen geschiedtt via een as m met nokken: dee nokkenas. D Deze as draait op de halve snelheid van d de motor. met zijn op‐en n‐neer bewegeende zuiger hoort hier In Figguur 1 is een opengewerkte kop te zien. De cylinder m nog onder. Linkso onder in de kop zie je het inlaatkanaal en n rechts het uitlaatkanaal. D De kleppen wo orden op het uiteind de van de dichtt getrokken door een veer die om de kleepsteel ligt. Daaarbovenop iss een bus die o klepsteel rust. De nok duwt de bus, en daarm mee de klep n naar beneden naar een geopende positie e. Wan nneer de nok vvoorbij zijn ho oogste punt draait zorgt de veer dat het geheel weer tterug omhoogg beweegt. De kop uit de afbeeld ding heeft tweee nokkenasse en. Dit is een d duurdere, maaar niet ongeb bruikelijke ossing, veel au utomotoren heebben één no okkenas. oplo
Figuu ur 1 Opengewe erkte kop van e een viertaktmo otor.
ur 2 Kleptiming diagram Figuu
Meeer info over dee verbrandingsmotor http:///en.wikipediaa.org/wiki/Fou ur‐stroke_enggine CADCAM 1911242 20 1sep2011, UTTwente HT, 1
1
CADCAM, Theory and Application
DESIGN CASE In deze tutorial ga je een nokkenas modelleren voor een viertakt verbrandingsmotor. De basisvorm is als SolidWorks part beschikbaar. De nokken hebben er echter nog geen vorm, die ga je zelf aanbrengen. Je begint met een het modelleren van een eenvoudige oplossing in SolidWorks. Een analyse van de ontstane vorm laat zien dat er ruimte is voor verbetering. Je exporteert je onderdeel naar Rhino en maakt daar een nokoppervlak met betere eigenschappen. De resulterende surface integreer je in je SolidWorks oplossing tot een 3D eindproduct.
RIGID BODY LINEAR MOMENTUM De tweede wet van Newton zegt dat de snelheidsverandering van een voorwerp van constante massa, lineair evenredig is met de som van alle krachten op het voorwerp
waarin m de massa is, v de snelheid van het voorwerp en fi is een van de N krachten. De kleppen in een motor worden in een gemiddelde bedrijfssituatie zo’n 200 keer per seconde geopend. Een klep komt niet vanzelf in beweging maar ondergaat een verplaatsing die wordt opgelegd door de nokvorm. In de bovenstaande formule zie je dat de kracht die daar voor nodig is –en die de nok en de klepsteel ‘voelen’‐ evenredig is met de versnelling. Een maal op snelheid is het geen probleem. Een klep die al met 20 m/s beweegt gaat daar gewoon mee door wanneer ze geen wrijving heeft met de omgeving. De periodes van versnellen en vertragen zijn dus belangrijk. Daar ontstaan de krachten in het systeem die de slijtage en het mechanisch geluid veroorzaken. In dit verband is het aardig om nog eens naar de video te kijken op de hiervoor genoemde Wiki site over Four‐stroke engines, en er vooral ook naar te luisteren.
2
Class A Surface Modeling
SOLIDWORKS MODEL Open het CamStart.sldprt model dat bij deze opdracht hoort de. In de linker figuur is de feature tree afgebeeld, en in de rechter figuur een afbeelding van de part zodra het er bij aanvang uitziet. Wanneer je de feature tree doorloopt, kom je achtereenvolgens tegen:
De rotatie as Axis 1 en de referentie vlakken die de plaats van de twee nokken aangeven en de positie van het Top Dead Center (TDC) ‐de zuiger op het hoogste punt‐ . Daarna volgen enkele Extrude en Cut features die de as zoals afgebeeld definiëren. De Basic Sketch bevat de contouren voor de gesloten en maximaal open stand. De laastste drie features zijn nog onderdrukt doormiddel van de rol‐back bar.
Verken het model door de features een voor een te selecteren. Maak ook de rest van de features zichtbaar door de roll‐back bar naar beneden te plaatsen. CAM LOBE Voeg een eenvoudig nok profiel toe. Plaats een nieuwe schets op Plane Cam1. Creëer een hulpcirkel die aan de bovenzijde de maximale lift contour raakt. Teken twee raaklijnen die beide de constraints coincident en tangent hebben aan de cirkels –zie rechter figuur‐.
3
CADCAM, Theory and Application
Vervang de hulpcirkel door een3‐point arc. Sluit de contour met een concave arc die op de bovenzijde van de grijze cirkel ligt. Sluit de schets af en gebruik ze in een Extrude feature. Extrudeer in twee richtingen, met een diepte van 16 mm. Sla het SolidWorks model onder een nieuwe naam op met Save As Xxx.sldprt.
ANALYSE Voor het analyseren van de kromming van vlakken kent SolidWorks twee opties die je nu beide aan kunt zetten. Kies de commando’s View, Display, Zebra Stripes en View, Display, Curvature. Onder View, Modify, Zebra Stripes kun je onder andere het aantal strepen en hun breedte instellen. De kleur geeft de kromtestraal aan. Je ziet dat het gedeelte van de nok waar een rechte lijn is gebruik geen kleur krijgt: kromming nul. Verder worden ook de overgangen in kromtestraal duidelijk zichtbaar door de breuk in het zebra‐patroon. Constante radius betekent in dit mechaniek dat de klep niet van positie verandert, v = 0. Op de abrupte overgangen van kromtestraal zal ook de snelheid van onze klep abrupt veranderen. Deze ruk –in het Engels jerk‐ veroorzaakt een kortdurende hoge kracht alsof er met een hamer op het systeem wordt geslagen. Je denkt nu wellicht dat er een fillet geplaatst moet worden waar eerst de rechte lijn is gebruikt. Dit verkleint de sprong, maar elimineert hem niet. Om een betere oplossing te krijgen ga je een ander gereedschap inzetten: modeleren van het oppervlak in Rhino. 4
Claass A Surface Modeling
EXP PORT WITH STEP Een goede manierr om een mod del naar een aander CAD‐syssteem te expo orteren is het ggebruik van een modernste stan ndaard op datt gebied is STEEP. Binnen de standaard zijjn verschillend de Neuttral File. De m toep passingsgebied den gedefinieerd. Je kiest h het gebied datt het best je laading dekt. In de onderstaaand kader zie jee de belangrijkste mogelijkheden. ISO O 10303 STEP M Mechanical:
AP 201, Explicit draugh hting. Simple 2D D drawing geom metry related to o a product. No o bly hierarchy. associattion, no assemb AP 202, Associative dra aughting. 2D/3 3D drawing with h association, b but no product sstructure. AP 203, Configuration controlled 3D d designs of mech hanical parts an nd assemblies. AP 204, Mechanical deesign using bou undary represen ntation AP 207, Sheet metal diie planning and d design AP 209, Composite and d metallic strucctural analysis a and related design AP 214, Core data for a automotive meechanical design n processes
Kies in SolidWorkss het comman ndo Save As… … Hier kun je niet alleen je p part opbergen n onder een an ndere m, je kunt er o ook het type b bestand kiezen n. Selecteer SSTEP AP203, en type als filenaam CamFro omSW. naam Het bestand krijgtt de step extensie. Onthoud d de directoryy, want je gaatt de file strakss inlezen en Rhino.
RHI NO Aanggenomen worrdt dat je je al verdiept heb bt in het gebru uik van Rhino door de in de practicum aaanwijzing aanggegeven tutorrials door te nemen. Je start Rhino op ‐ve ersie 3 of 4 zijn beide gesch hikt‐ en imporrteert het .step p bestand dat je zojuist heb bt aangemaakt. Na FFile, New geeff je de opdracht File, Imporrt. Zet het file type op STEP P, ga naar de m map met de file Cam mFromSW.step p en lees deze file in. Je scheerm is nu waaarschijnlijk gevvuld met een wirwar aan lijjnen. Je kuntt alle vier view ws tegelijk uitzzoomen door een rechterm muisklik op Zoo om Extents .
5
CADCAM M, Theory and Application
n van de geom metrie makkelijker te kunneen manipulere en, Om delen bijvoorbeeeld ze zichtbaar of onzichttbaar maken, voeg je een d drietal nieuwee layer nam men toe. Hieriin kunnen we tussenresultaaten parkeren n. Open het Layers veenster met dee Edit Layer‐kn nop . Geef d drie bestaande lagen een nieuwe n naam, zie afbeeelding. Layer 4 en 5 zijn wee niet nodig, je kunt ze onzichtbaaar maken do oor op het lam mpje te klikken n. Wanneerr je naast het onderdeel klikt is het gedééselecteerd (zw wart, de kleurr van de laaag). Zorg dat het geselecteeerd is door err op te klikken n (geel). Verplaatsst het geïmpo orteerde objecct naar de laagg ImportSW m met het commando Edit, Layerrs, Change Ob bject Layer. Kiies als bestem mming ImportSSW. Zorg dat d de current layyer og steeds op D Default staat. (die met het vinkje) no Kies nu SSolid, Extract SSurface. Met dit commando kun je een ssurface copierren uit de groep surfaces die samen eeen solid definiëren. Het parrt dat je hebt geïmporteerd d is zo’n solid groep. Selecteeer één voor é één alle surfaace patches op p het nokoppeervlak. Bij seleectie krijg je e een lijstje. Wanneer je met je muis een ittem in die lijst aanwijst, zal ze in het model gehighligh ht worden. In de linker figuur is de boven nste keuze he et n surfaces gekkopieerd die je niet ziet om mdat zijvlak. Kiies /klik op heet item dat je wilt. Na afloop zijn er zeven ze op dezzelfde positie staan als het origineel. Selecteer deze groep met een n venster, en vverplaats ze naar de layer D Default. Daarna maak je dee layer ImporttSW onzichtbaaar.
Nu wordtt het overzich htelijker, wantt alleen het geekopieerde op ppervlak is zichtbaar. Ons uiteindelijke do oel is de rand vvan het opperrvlak. Maak eeen hulpvlak aaan door de zijw wang van de n nok die het diichtst bij de oorspron ng ligt (zie linkker en middelsste afbeeldingg hieronder). H Het command do is Surface, Plane, Verticaal. Dit vlak ggebruik je om de surface op p de projecterren. We gaan nog een stap verder met het commando o Curve, Co onvert from O Objects, Proje ect: selecteer in de Top view w met een selectiekader dee rechterkant van je surfacee. Je hebt nu d de complete rrand in te pakkken zoals je kkunt controlerren in de Persp pective view (rechter afbeelding). A Afsluiten met Return (spatiee werkt ook), en het projecctievlak selecteren wat je zo ojuist maakt. Voila, d de contour diee we kunnen ggaan wijzigen. hebt gem
6
Claass A Surface Modeling
we contour m met een selectiekader in de Top view: terr controle, linkksboven in het scherm Seleccteer de nieuw staatt 7 curves add ded to the seleection. Plaats deze contour naar de laag ContourSW. D De zeven surfaaces die je heebt gemaakt kkun je in een eextra laag zettten die je onziichtbaar maakkt, of ze wegggooien.
CUR RVATURE A ANALYSE Rhin no heeft ook eeen utility om de kwaliteit vvan geometrie e te analyseren. Je vindt de commando’ss onder Analyze Curve en onder Analyze Surface. Pro obeer eerst An nalyze, Curve e, Geometric C Continuity. He et e curve proggramma vraaggt om het uiteinde van een curve, en vervvolgens om het uiteinde vaan een andere die eer aan vast zit. De uitkomsten zijn G0, G1 1 of G2. Kun je e de plekken m met G1 en G2 vinden? Gebrruik hierna Cu urve, Curvaturre Graph. Het kan nodig zijn n om even met Scale en Denssity te variereen voordat je eeen duidelijkee afbeeelding krijgt. Daarrna zie je meteen wat we o ook in Solid dWorks al had dden ontdekt, grote disco ontinuïteiten in de kromming.
7
CADCAM M, Theory and Application
AANPA SSEN CONTTOUR Voor de ggeleidelijke ovvergangen van de krommin ng maken we eerst wat ruim mte. Teken eeen paar hulplijjnen en verwijjder met het ttrim commando een stuk van de beide aarcs op de plaaat waar die op p de rechte lijn aansluiteen. Het resultaaat zie je hiero onder links. De hulplijnen kkun je daarna weer verwijdeeren. Nu plaatss je een free‐fform spline die door contro ol points gaat. Rhino heeft zzijn NURBS zo o gemaakt dat ze starten in n het 1e en ein ndigen in het laatse punt. K Kies drie punte en, zodat de sspline aansluitt op de arcs die je zojuist heebt ingekort, een zo dat ongeveer de vorm m uit de rechtter figuur ontsstaat.
Voor het handmatig m manipuleren vaan splines ken nt het program mma twee opties: de edit p points en de points. Edit points liggen net als de knots op de spline (maar ze kom men niet overeeen, het zijn er control p meer, en n je kunt er oo ok zelf toevoeggen). Zichtbaaar maken doe je met het co ommando On. Edit Points O Control p points zijn de ophangpunten van de NUR RB. In plaats vaan de edit poiints kun je er ook voor kiezen om deze zichtbaar maken om er de spline mee tee wijzigen. De e Control Pointts On knop e zit naast de Geef dit laatstee commando, en kies de sp pline die je zojuist hebt ingeevoerd. De punten vorige in de toolbar. G elpen bij de maanipulatie is h het handig om m de worden aafgebeeld nett als in bovensstaande figuurr. Om je te he curvaturee display optiee aan te zetteen voor de arccs en de spline e (Curvature G Graph On, Add d Objects). Het valt n niet mee om h hier een goed d resultaat te kkrijgen. Een holle surface geeft een fraaie continuïteitt maar daaarmee gaat heet mechanisch h niet werken omdat de bus op de klepstteel die holte niet kan volge en. Kun je zeeggen welke graad de bovenstaande krom mme heeft? Gelukkig is de gereedsschapskist van n Rhino nog niiet uitgepunt. In het Curve menu, is ondeer Curve Edit Tools de optie Match te vinden. De weerg gave van edit‐‐ en control po oints maakt d de selectie van de spline als geheel onmog gelijk. Beeindiig deze mod dus door met een rechter‐m muisklik op de knop waarmeee de optie is aangezet. Het Matcch commando o kan een splin ne zó laten aaansluiten op e een volgende curve, daat een G0, G1 of G2 continu ue overgang o ontstaat. Geeff dit command do en kies de spline nabij het aansluitp punt met een arc, kies vervo olgens de arc nabij hettzelfde aansluitpunt. In het menu dat nu verschijnt kun je de continuïtteit invullen, een in de tweed de set opties, of de andere curve aangepasst mag wordeen en of het an ndere uiteindee aangepast m mag worden. Verder iss er de mogelijjkheid om de splines te verrenigen to een n nieuwe curvve, dat hoeftt hier niet.
8
Claass A Surface Modeling
halen voor het andere uiteiinde. Het resu ultaat op je scherm is hopellijk beter Dezeelfde procedure kun je herh dan hieronder, waaar een curve met een ondersnijding (ee en negatieve kkromming) is ggemaakt.
De currve links is derd degraads, dat b betekent dat er een buigpunt kan bestaan; ie ets dat we willen voorkomeen. hier w
Remed die is het verlaggen van de graad. Dat kan met het comman ndo Curve Edit Tool, Refit tto Tolerance. D De rekennauwkeurigheid hoeft niet te wijzigen n, maar de graa ad kun je nstellen. Voer d daarna weer op p beide op 2 in uiteind den een Match h commando uiit.
We h hebben nu eeen profiel met snel oplopende acceleratie e (kromming n neemt af, klep p wordt wegggeduwd. Daarrna een trajecct met een bijn na constante snelheid en o op pakweg 70 % een oplopeend krommingg waardoor de klep vertraagt. Naabij het Top Dead Center (TTDC) op het cirkelsegment iis de krommin ng consstant en de snelheid nul. Deeze korte periode staat de kklep helemaal open.
DE W WEG TERU G De ro oute terug naaar SolidWorkss is ongecomp pliceerd. Van de curve maaak je een surfaace met Surfacce, Extru ude, Straight.. Het leven is m makkelijker w wanneer de surface op de ju uiste locatie sttaat en de juisste breeedte heeft: begin op X=2, eiinde op X=18 (zie figuur). D Dat kun je makkkelijk bereeiken met Snap = on. Sla h het model op in Rhino’s eigen 3dm formaaat en exporte eer het resulttaat:
Selecteerr je nieuwe veerkregen surfaace, en exportteer ze naar eeen Step file. het command do File, Exportt Selected. Gebruik h Kies het fformaat STEP en de naam C CamFromRhin no.STEP Step scheema dezelfde als waarin wee het hebben binnengehaald: AP203.
9
CADCAM M, Theory and Application
SOLIDW WORKS Heropen het SolidWorrks programm ma en de Part d die je hebt gesaved in de laaatste toestan nd (voor de Voeg de surfaace als externee feature toe met het comm mando Insert,, Features, Im mported. Kies ook export). V hier het ttype STEP AP2 203 en selecteeer de file die je met hiervo oor hebt gemaaakt: CamFrom mRhino.STEP. De feature w wordt onderaaan je feature ttree toegevoeegd. Onderdru uk nu de Boss‐‐Extrude die jee zelf aan de p part CamStartt hebt toegevoegd (met dee schets en sim mpele contourr). Je ziet nu d dit.
Wat rest is het opvulleen van de ruim mte die eerst d door Boss‐Exttrude werd geevuld. Selecteeer hiervoor de e Top Plane en maak een sch hets. Teken nu u een rechtho oek waarvan d de uiteinden ssamenvallen m met de uiteind den van de Bo oss‐Extrude Exxhaust (afbeeelding rechtsboven). Gebruik hiervoor eeen Extrude meet de opties: FFrom Sketch Pllane en Up To o Surface. Kjk wat h het resultaat iss geworden. LLinks zie je de Zebra Stripess op het oude profiel (de Bo oss‐Extrude diie nu even sup ppressed is, en n de rechter afbeelding laatt het nieuwe p profiel zien.
10
Class A Surface Modeling
VERDER In deze oefening heb je geleerd hoe tussen curves een aansluiting met een hoge graad van continuïteit kan worden verkregen. Dezelfde mogelijkheden zijn er ook voor het aansluiten van surfaces. In Rhino kun je Edit points of Knots van gekromde vlakken zichtbaar maken en ze benutten om de vorm te wijzigen. En is er, net als voor de curve, een commando Surface Edit Tools, Match, waarmee je een C0, C1 of C2 aansluiting van vlakken maakt. Van de Rhino makers is een notitie beschikbaar met modelleersituaties waarin SolidWorks en Rhino samen worden gebruikt om het gewenste resultaat te realiseren. Op deze manier wordt slim gebruik gemaakt van de sterke kanten van beide benaderingen. Het document staat op de CADCAM web site //www.opm.ctw.utwente.nl/staff/onderwijs/cadcam onder Diversen. Ook vanaf de andere kant wordt informatie gegeven over het gebruik van de combinatie SolidWorks‐ Rhino http://help.solidworks.com/2011/English/SolidWorks/sldworks/LegacyHelp/Sldworks/ImpExp/Rhino_Files.htm
11
