Durchführung und Bewertung einer VAriantenkonstruktion im Industrie-Ventilatorenbau unter Verwendung der 3D-CAD-Software Solid-Works 97+

Abbildung 2 Ventilator der K Baureihe 6

Abbildung 3 Ventilator der M-Baureihe 7

Abbildung 4 Ventilator der R-Baureihe 7

Abbildung 5 Vorgehensweise bei konventioneller Ventilator Konstruktion 8

Abbildung 6 Übersicht des Makro-Ablaufes „Stammkarte erzeugen“ 12

Abbildung 7 Benutzerdialog des Steuermakros (hier für linksdrehende R-Ventilatoren mit linksseitig angebautem Motor). 13

Abbildung 8 Übersicht des Makros „Modelldaten aktualisieren“ 13

Abbildung 9 Schattierte Ansicht des erstellten Ventilators 15

Einleitung

Bei der Konstruktion von Ventilatoren, sowie im gesamten Apparatebau bedeuten kurze Lieferzeiten Wettbewerbsvorteile gegenüber anderen Mitbewerbern. Da die Konstruktionszeit eines Radial-Ventilators in der Form von Berechnung, Konstruktion und Anfertigen von Fertigungszeichnungen ca.1/3 der gesamten Produktionszeit in Anspruch nimmt, sind nun Überlegungen naheliegend wie man diese erste Konstruktionsphase verkürzen kann.

Um dieser Forderung gerecht zu werden wurde die Durchführung einer Variantenkonstruktion untersucht, da mit ihr ein Großteil der sich immer wiederholenden und zeitraubenden Vorarbeiten der Zeichnungserstellung verbessert werden kann.

Da in der Firma Maschinenbau GmbH Überlegungen zu einem Umstieg von 2D- zu 3D-CAD-Software anstehen, wurde SolidWorks 97+ von der SolidWorks Corporation für diese Arbeit testweise eingesetzt.

Ziel der Diplomarbeit war die Umsetzung einer automatischen Modellerstellung mit gleichzeitiger Zeichnungsanfertigung nach vorausgegangener Eingabe der Ventilator-Solldaten.

Weiterhin sollte die Möglichkeit von Dateninkonsistenz weitestgehend verringert werden, so daß ein Teil der Ventilator-Dokumentationen nicht mehr per Hand sondern, basierend auf die Berechnungsdaten, automatisch erstellt wird.

Stand der Technik von 3D-CAD-Systemen

Ein CAD-System besteht im Grunde aus drei Elementen, der Benutzeroberfläche, dem Geometrie-Modellierer, auch Kern genannt und den einzelnen Schnittstellen zum Informationsaustausch mit anderen Systemen. Die Benutzeroberfläche dient dazu die Funktionen des Kerns dem Benutzer zugänglich bzw. die Datenstruktur in Form von Bildschirmdarstellungen des modellierten Objekts sichtbar zu machen. Der Geometrie-Modellierer hingegen besitzt keine eigenen Visualisierungsfunktionen und dient ausschließlich zur Verwaltung und Manipulation der Datenstruktur.

Die zur Zeit auf dem Markt befindlichen 3D-CAD-Systeme können grob in zwei Arten von Programmen unterteilt werden. Zum einen handelt es sich um CAD-Systeme mit eigens entwickelten Kernen, zum anderen um Systeme mit sogenannten Standard-Kernen. Der Vorteil von Programmen mit Standard-Kernen besteht darin, daß der Softwarehersteller nicht mehr, wie bei eigens entwickelten Kernen, als einziger „Abnehmer“ die extrem hohen Entwicklungskosten selbst tragen muß. Dies hat zur Folge,

In letzter Zeit haben sich die Volumenmodellierer durchgesetzt, da mit ihnen ein differenzierteres bzw. ausführlicheres Datenmodell erstellt wird. Dieses Datenmodell wird auch BREP-Model (Boundary Representation Model) genannt. Das BREP-Model (Flächenbegrenzungsmodell) zählt zu den akkumulativen Modellen. Sie beschreiben ein Volumen durch seine Oberflächen. Das rechnerinterne Modell besteht aus einer Liste aller Flächen und Kanten sowie der Beziehung der Flächen und Kanten zueinander.

Generell kann man sagen das sich zwei CAD-Kerne am Markt durch gesetzt haben, der ACIS-Kern von Spatial-Technologys und der PARASOLID-Kern von EDS-Unigraphics. Der Parasolid-Kern ermöglicht ein exaktes BREP-Modell und bietet Freiformflächen zur Unterstützung von CAD/CAM/CAE Anwendungen an. Weiterhin ist die Möglichkeit gegeben, problemlos Daten zwischen unterschiedlichen auf Parasolid basierenden CAD-Systemen verlustlos auszutauschen.

Warum SolidWorks

SolidWorks ist mit dem Parasolid-Kern ausgestattet und benutzt als Betriebsystem Windows-95 oder Windows-NT auf Intel kompatiblen- oder Alpha-PCs. Da Windows-95 bzw. Windows-NT sich mehr und mehr auch als Betriebsystem in dem Bereich der technischen Anwendungen durchsetzt, ist hier eine einfache Einbindung in eine bereits bestehende PC-Welt möglich. Für Windows-NT gilt insbesondere das stabile Betriebsverhalten, die echte 32Bit- und Multitaskingfähigkeit sowie die Fähigkeit zum Aufbau bzw. zur Einbindung von komplexen Netzwerken, bei gleichzeitiger Möglichkeit der Verwendung von Standardsoftware.

Diese wachsende Bedeutung spiegelt sich nun auch bei den CAD-Software-Anbietern wieder.

Die Vorteile von SolidWorks als Windows-kompatibles System liegen auf der Hand.

Die Benutzeroberfläche ist grundlegend bekannt, da sie dem SAA-Standard (System Application Architecture Standard) unterliegt.

Der SAA-Standard garantiert unter anderem z.B. die Anordnung und den Inhalt von Menüs. Dies bedeutet daß z.B. unter dem Menüpunkt Datei, welcher sich immer links oben im Benutzerfenster befinden muß, die Funktionen Öffnen, Speichern, Speichern Unter befinden.

Es kann mit OLE Techniken gearbeitet werden.

OLE Technik (Objekt Linking and Embeding) bedeutet, daß Anwendungen wie z.B. EXCEL direkt mit anderen Anwendungen wie WORD oder SolidWorks kommunizieren können. Das heißt, daß Daten einer Anwendung und deren Manipulationsmöglichkeiten in anderen Anwendungen eingebettet werden können.

Als Beispiele können hier die Einbettung einer EXCEL-Tabelle in eine SolidWorks-Datei zur Steuerung von verschiedenen Modellvarianten

Ein weiterer Vorteil von SolidWorks besteht darin daß, wie mittlerweile bei fast allen Windows Anwendungen, eine sogenannte Kontextsensitivität der rechten Maustaste vorhanden ist.

Das hat zur Folge, daß

Bisherige Vorgehensweise bei der Konstruktion eines Ventilators

Konstruktionsbeschreibung

Bei den Ventilatoren für die die Variantenkonstruktion erstellt wurde handelt es sich um Radialventilatoren mit einseitigem Einlaß und rückwärts gekrümmten Schaufeln. Generell kann man diese Ventilatoren der Firma Maschinenbau GmbH in drei Bauarten unterteilen, sie werden als M, K oder R-Typen bezeichnet. Weiterhin wird bei allen Bauarten unterschieden zwischen links- und rechtsdrehenden Ventilatoren. Für diese Unterscheidung ist die Blickrichtung von der Antriebsseite des Flügelrades maßgebend.

Weiterhin werden die Ausblasrichtungen bzw. die Gehäusestellungen unterschieden.

Abbildung 1 Ventilator der K Baureihe

Bei der K-Baureihe (Abbildung 1) wird das Flügelrad über ein Blocklager und eine Kupplung vom Motor angetrieben. Das Blocklager übernimmt dabei die auftretenden Radial- und Axialkräfte vom Flügelrad, so daß die Motorlagerung nur die reine Drehmomentbelastung erhält. Das Blocklager ist mit dem Flügelrad mittels einer Kombination aus Nabe und zugehöriger Taperlock-Buchse ( Welle/Nabe-Verbindungssystem der Firma Fenner), verbunden. Der gesamte Antriebsstrang befindet sich auf einer Blechkonstruktion welche aus zwei zusammengeschweißten Blechböcken besteht. Im weiteren Verlauf wird der das Blocklager tragende Teil Blocklagerbock und der den Motor tragende Teil Motorbock genannt. Um Stabilitätsproblemen im Bereich des Blocklagers, sowie der Motorbefestigung zu beheben sind jeweils Winkelbleche unterhalb des Bockes angeschweißt. Während der Montage werden zum Höhenausgleich Distanzbleche unter dem Motor befestigt, deren durchschnittliche Höhe bereits während der Konstruktion berücksichtigt wird, so daß ein Ausgleich durch Wegnahme bzw. weitere Ergänzung in beide Richtungen erfolgen kann.

Abbildung 2 Ventilator der M-Baureihe

Im Vergleich zur K-Baureihe ist der Wegfall von Blocklager und Kupplung auffallend, so daß bei dieser Bauart das Flügelrad direkt auf der Motorwelle befestigt ist. Dies hat zur Folge, daß

Bei Ventilatoren der R-Baureihe ist der Motor seitlich vom eigentlichen Ventilator angeordnet und treibt diesen mittels eines Keilriementriebes an. Daraus ergibt sich eine weitere Variationsmöglichkeit, so daß der Motor rechts oder links angeordnet sein kann.

Abbildung 3 Ventilator der R-Baureihe

Der Riementrieb ist aus Gründen der Betriebssicherheit immer mindestens zweireihig ausgeführt. Die beiden Riemenscheiben (Motorscheibe und Ventilatorscheibe) sind auf der Motorachse bzw. auf der Blocklagerachse mittels eines Taperlock-Systems befestigt.

Die oben genannten Konstruktionen entsprechen der Grundausstattung des jeweiligen Ventilators. Dem Kundenauftrag entsprechend werden diese mit diversen Anpassungen versehen.

Typische Zusatzausstattungen oder Umbauten sind:

Schwingmetalle zur Dämpfung gegenüber der Aufstellungsfläche,

Verstärkungsstreben bei großen Blechflächen,

Notwendige Arbeitsschritte

Folgende Arbeitsschritte sind bisher bei der Konstruktion eines Ventilators nötig:

Abbildung 4 Vorgehensweise bei konventioneller Ventilator Konstruktion

Die Nachteile dieser Vorgehensweise liegen im hohen Zeitaufwand für die Zeichnungserstellung, der Möglichkeit zu Maßfehlern bei der Erstellung der Einzelteilzeichnungen sowie nicht zuletzt bei möglichen Übertragungsfehlern während der Erstellung der Stammkarte.

Ein weiterer Nachteil der zur Zeit eingesetzten 2D-CAD-Software POLARIS besteht darin das keine Assoziativität zwischen der Bemaßung und den Zeichenelementen besteht. Dies bedeutet, daß Anderungen an Bemaßungswerten sich nicht auf die Zeichnung auswirken, sonder zuerst neu gezeichnet und anschließend wieder bemaßt werden müssen.

Konstruktion eines Ventilators mit Hilfe von SolidWorks

Realisierung

Aufgrund der in 4.1 erläuterten Konstruktion der Ventilatoren bietet sich nun eine Variantenkonstruktion in Form einer Maßvariation an. Da sich bei Ventilatoren unterschiedlicher Leistung hauptsächlich die Abmaße ändern bzw. die Anzahl der einzelnen Bauteile variieren, ist hier eine Möglichkeit gegeben um die Grundkonstruktion eines jeden Ventilators zu erzeugen. Um nun auch unterschiedliche Arten bzw. das Aussehen der einzelnen Bauteile automatisch zu variieren bedarf es einer Komponentenvariation. Diese Vorgehensweise scheidet aber aufgrund ihrer Kompliziertheit im 3D-CAD und des damit verbundenen notwendigen Zeitaufwandes für eine Diplomarbeit aus. Erforderliche Komponenten-variationen werden somit nachträglich von Hand durchgeführt.

Die Lösung mittels einer Maßvariation hat den entscheidenden Vorteil, daß nur einmal ein Muttermodel erstellt wird und anschließend alle relevanten Abmaße automatisch der Berechnung entsprechend angepaßt werden.

Begonnen wurde mit einem Ventilator der K-Baureihe, da dieser aus vielen Bauteilen besteht, welche in den anderen beiden Baureihen Verwendung finden.

Da der grundlegende Aufbau eines 3D-CAD-Modells so nah wie möglich an der Realität orientiert sein sollte, war es erforderlich den Ventilator in seine realen Baugruppen, Unterbaugruppen und Einzelteile zu zergliedern.

Anschließend wurden die Baugruppen nach der Bottom-Up-Methode zusammengestellt. Bottom-Up-Design ist die traditionelle Kontruktionsmethode. Bei dieser Methode werden Komponenten bzw. Bauteile zu einer Baugruppe zusammengesetzt und nach Bedarf verknüpft. Der Vorteil des Bottom-Up-Designs ist die Tatsache, daß die Komponenten unabhängig voneinander erstellt werden. Diese Vorgehensweise entspricht der realen Fertigung.

Für Bauteile, die am fertigen Ventilator nachträglich angepaßt werden, wurde das Top-Down-Design verwendet, die so erstellten Komponenten werden auch „In-Kontext-Features“ genannt. Der Begriff „In-Kontext-Feature“ kann für Bauteile sowie für die zur Bauteilerstellung benutzten Primitivkörper (rotierte oder extrudierte Skizzen) verwendet werden. Typisch für das Top-Down-Design ist, daß die Arbeit mit der Baugruppe beginnt um anschließend Komponenten anhand bereits vorhandener Maße (Ecken, Kantenlängen, Flächen etc.) einzupassen, ohne diese Maße explizit angeben zu müssen. Ein typische „In-Kontext-Bauteil“ ist z.B. der Kupplungschutz bei den K-Ventilatoren. Dieses Bauteil wurde komplett innerhalb der Hauptbaugruppe erzeugt. Als Referenzebene zur Erstellung des ersten Primitivkörpers diente hierzu die plane Endfläche der Blocklagerdichtung.

Mischformen aus separat erstellten Bauteilen mit „In-Kontext-Features“ (z.B. Bohrungen) sind ebenfalls möglich. Diese Erstellungsmethode wurde z.B. für den Ventilatorbock verwendet. Der Bock wurde komplett als Einzelteil erzeugt und mit der Hauptbaugruppe verknüpft. Anschließend wurden die Befestigungsbohrungen anhand des Blocklagers sowie des Motors referenziert.

Die Tatsache daß der Baugruppenaufbau im Model dem realen Ventilator entspricht, ermöglicht bei der automatischen Zeichnungserstellung eine einfache Erzeugung der Einzelteilzeichungen bzw. der Zeichnungen für Unterbaugruppen. Wird diese Vorgehensweise nicht eingehalten müssen unter Umständen Baugruppen zusammengestellt werden, nur um eine bestimmte Zeichenansicht zu erzeugen, was einen erhöhten Modellierungsaufwand und die Möglichkeit zur Datenredundanz in sich birgt.

Bei der Modellierung der einzelnen Ventilatoren wurde besonderer Wert darauf gelegt, daß die verwendeten Modellmaße und deren Bezeichnungen den Maßtypen im entsprechenden Herstellerkatalog entsprechen. Dies soll verhindern daß für das Model- Abmaße verwendet werden, welche erst noch berechnet werden müssen, bzw. daß in den Einzelteilzeichnungen Maße erscheinen, welche nicht mit den Katalogangaben zu überprüfen sind.

Nachdem die jeweiligen Ventilatormodelle

Um die Maße im SolidWorks-Modell denen der Arbeitsmappe anzupassen wurden verschiedene Lösungsansätze untersucht.

Als erstes wurde versucht die Steuerung des Modells mittels einer eingebetteten EXCEL-Tabelle zur Konfigurationserzeugung zu erreichen. Normalerweise wird diese Vorgehensweise dazu benutzt von einem Bauteil mehrere Varianten zu erzeugen. Hierfür wird ein Ur-Modell mit einer EXCEL-Tabelle, welche die Daten verschiedener Baugrößen enthält, verknüpft, und damit verschiedene Konfigurationen eines Bauteils erzeugt. In dem vorliegendem Fall müßte die Tabelle nur eine Variante enthalten und somit eine den Berechnungsdaten entsprechende Komponente erzeugen.

Bei der Durchführung stellte sich jedoch heraus, daß eine automatische Aktualisierung des gesamten Modells nicht möglich ist, da die eingebetteten Komponenten-Tabellen keinen Bezug mehr zum ursprünglichen Berechnungsprogramm besitzen. Um nun die Daten des Berechnungsprogrammes mit der jeweiligen eingebetteten Tabelle zu verbinden wurde versucht dies mittels externer Verknüpfungen zu realisieren. Diese externen Verknüpfungen müssen allerdings für jedes Bauteil manuell aktualisiert werden, so daß diese Möglichkeit ebenfalls als automatisierte Lösung ausschied.

Um nun einer kompletten Neukonstruktion mittels der API-Sprache aus dem Wege zu gehen, weil dies wie bereits oben erwähnt den vorgegebenen Zeitrahmen gesprengt hätte wurde eine Kombination aus VisualBasic-Makro(VBA-Makro) und EXCEL-Tabelle benutzt.

Außerdem bietet diese Variante die einfache Möglichkeit des Dateihandlings, so daß bereits aus dem Berechnungsprogramm heraus die benötigte Dateistruktur auf dem Datenträger angelegt wird.

Der Ablauf einer Ventilatorkonstruktion mit Hilfe der Makros erfolgt in zwei Schritten.

Bis zu diesem Zeitpunkt ist das SolidWorks-Modell noch nicht mit den errechneten Werten aktualisiert worden. In einem zweiten Arbeitsschritt

Beschreibung der verwendeten Visual-Basic-Makros

Nachdem alle erforderlichen Angaben für den Ventilator im Eingabeblatt der Arbeitsmappe „VT08a_23.XLS“ eingetragen wurden, wird der Button „Stammkarte erzeugen“ angeklickt. Dies führt zur Ausführung des Makros „Stammkarte erzeugen“ dessen schematischer Ablauf in Abbildung 5 dargestellt ist.

Abbildung 5 Übersicht des Makro-Ablaufes „Stammkarte erzeugen“

Im folgenden wird der Ablauf des Makros erklärt:

Einlesen aller für das Makro benötigten Variablen (Pfade, Kommissionsnummern, etc.) aus der Eingabetabelle.

Die Kommissions- oder Projektverzeichnisse werden gemäß der Verzeichnisstruktur

Anschließend wird in MS-EXCEL die Steuerdatei (z.B. „K_Venti_ linksdrehend.XLS“) geöffnet. In dieser Datei wird das Makro „Modelldaten aktualisieren“ mittels des Buttons “SolidWorks-Modell aktualisieren!“ auf dem Tabellenblatt „Benutzerdialog“ gestartet (siehe Abbildung 6) . Die auf diesem Blatt eingetragenen Pfadangaben dürfen unter keinen Umständen verändert werden, da dies zu einer Zerstörung bereits fertiger CAD-Modelle führen kann.

Abbildung 6 Benutzerdialog des Steuermakros (hier für linksdrehende R-Ventilatoren mit linksseitig angebautem Motor).

Der schematische Ablauf dieses Makros ist in Abbildung 7 dargestellt:

Abbildung 7 Übersicht des Makros „Modelldaten aktualisieren“

Im folgenden wird der Ablauf des Makros erklärt:

Die Stammkarte des Ventilators wird geöffnet und die geometrischen Daten werden ausgelesen.

Die Auswertung der geometrischen Daten führt je nach Bauteilabmessungen und Ausblasstellungen zu folgenden Meldungen.

Bewertung des CAD-Systemeinsatzes für die Firma Maschinenbau GmbH

Vorteile / Nachteile die bei der Entwicklung zu Tage gefördert wurden.

Durch die Variantenkonstruktion zeigte sich, daß für die Zeichnungserstellung nur ca. 1/5 der Zeit benötigt wird, welche für eine herkömmliche Konstruktion anfallen würde. Diese Zeiteinsparung wird jedoch verringert, wenn viele Anderungen an der Grundkonstruktion erforderlich sind. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß bei Standardventilatoren (keine Sonderbauformen, Leistung nicht >90KW) immer mit einer Zeiteinsparung gegenüber der konventionellen Konstruktion gerechnet werden kann. Sonderbauformen bedeuten

Ein weiterer, damit direkt verbundener Vorteil besteht in einer

Überschlägige Kosten-/Nutzen Rechnung für den Ventilatorenbau

Im folgenden ist eine exemplarische überschlägige Berechnung der Amortisationszeit für ein CAD-System dargestellt.

Bei dem Einsatz von SolidWorks in Verbindung mit der Variantenkonstruktion für Ventilatoren ergibt sich eine theoretische Amortisationszeit von ca. 4 Monaten. Diese Zeit ist allerdings sehr stark von der Nutzung des Variantenmoduls abhängig und beeinflußt somit stark den Beschleunigungsfaktor.

Normalerweise wird bei gleichartigen Berechnungen mit einem Beschleunigungsfaktor von ca. 1,5 bis 2 und einer Nutzung von 20h/Monat gerechnet, was eine Armortisationszeit von ca. 6-7 Monaten ergibt.

Beispielhafte Anwendung

Im folgenden wird eine Konstruktion beispielhaft durchgeführt und kommentiert.

Zuerst werden die Vorgabedaten des Kunden vollständig im EXCEL-Berechnungsprogramm eingegeben.

Anschließend muß der Wert für den Durchmesser der Einlaufdüse manuell ausgesucht werden. Als Anhaltspunkt hierzu dient der Vorgabewert der Berechnung in Verbindung mit der durchschnittlichen Luftgeschwindigkeit im Ansaugstutzen. Als nächstes wird der Motor anhand der berechneten Motorleistung ausgesucht. Die erforderlichen Blechdicken werden an die Vorgabewerte der Berechnung angepaßt. Nachdem alle Werte eingegeben wurden und die auftretende Belastung des Werkstoff nicht zu hoch ausfällt (siehe Warmstreckgrenze), können die Eingabedaten sowie ein Ausgabeblatt, welches die Konstruktionsdaten enthält, mittels des Buttons „Drucken“ ausgedruckt werden.

Anschließend wird der Button „Stammkarte erzeugen, Unterverzeichnisse anlegen“ betätigt.

Eine Ansicht des erstellten Ventilators zeigt Abbildung 8.

Abbildung 8 Schattierte Ansicht des erstellten Ventilators

Literaturverzeichnis

N.N. SolidWorks 97 Plus, USER’S GUIDE Deutsche Ausgabe
SolidWorks Corporation, Massachusetts 1997

N.N. Skript zur Vorlesung CAD-II
Universität GH Essen, 1996

N.N. CAD-CAM Report Nr.2
Heidelberg, Februar 1998

N.N. EXCEL-Vers.7.0 Kompendium
Data Becker, Januar 1997