Technisches Magazin Ausgabe 2 | 2020

3DCS
Armin Schöne, Dipl.-Ing., Senior Berater Toleranzmanagement 3DS-PLM Technical Sales Support

3D-Toleranzanalyse in CATIA

3DCS Mechanical Variation Modeler ermöglicht die konstruktionsbegleitende 3D Toleranzanalyse von Form-und Lagetoleranzen durch die Integration in den 3D Master/Model Based Definition Prozess. Die Software 3DCS ist in CATIA V5, 3DExperience, NX, Creo und SolidWorks integriert.

Als gravierendste Neuerung im aktuellen Release von 3DCS 7.7. ist die Unterstützung von 3D Form-und Lagetoleranzen des CAD-Modells als GD&T-Messungen (Geometric Dimensioning and Tolerancing). Bislang konnte man diese Definitionen als GD&T Toleranzen übernehmen. In Kombination mit den Baugruppen-Constraints (sie dienen zur Definition des Zusammenbaus von Bauteilen innerhalb der Baugruppe), können ab dem neuen Release 3D-Toleranzanalysen in der Konstruktion definiert und im Anschluss in 3DCS übernommen werden. Hierdurch entfällt eine erneute Definition in der Toleranzanalyse-Software. Damit unterstützt 3DCS noch besser die 3D Master bzw. Model Based Definition Methodik hinsichtlich der digitalen Kontinuität. Im folgenden Artikel wird exemplarisch, am Beispiel einer Umlenkrolle, ein möglicher Prozess demonstriert.

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Abbildung 1: Umlenkrolle

In der verwendeten CATIA Baugruppe der Umlenkrolle wurden vom Konstrukteur die CATIA Constraints für den Zusammenbau definiert.

Abbildung 2: Baugruppe mit Constraints

Zusätzlich wurden die Bauteil- und Baugruppentoleranzen mit FT&A (Functional Tolerancing and Annotation) definiert, wie unter der Abbildung 3 zu sehen ist. Bei den weißen FT&A Toleranzen handelt es sich um die Bauteiltoleranzen. Gelb dargestellt sind die Baugruppentoleranzen, die später als Messungen übernommen und genutzt werden sollen.

Abbildung 3: Bauteil- und Baugruppentoleranzen

In 3DCS können die Constraints aus dem CAD-Modell als sogenannte "DCS Moves" oder Zusammenbaudefinitionen mit Hilfe der Funktion „Update Constraints and Joints“ übernommen werden. Die Joints aus den CAD-Kinematiken lassen sich ebenfalls in 3DCS übernehmen.

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Abbildung 4: Übernahme der CAD-Constraints in 3DCS

Dabei sind die übernommenen Constraints direkt mit den 3DCS Moves verknüpft, d.h. im Strukturbaum ist unterhalb des 3DCS Moves auch der zugehörige Constraint sichtbar und selektierbar.

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Abbildung 5: Zuordnung der CAD-Constarints zu den 3DCS Moves

Nach der Übernahme der Constraints werden dann die Form- und Lagetoleranzen der Einzelteile aus dem CAD als GD&T Toleranzen in 3DCS übernommen. Hierzu dient die Funktion „Update GD&T“ in 3DCS. Später können geänderte Toleranzen auch wieder von 3DCS an die jeweiligen CAD-Toleranzen zurückgeschrieben werden.

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Abbildung 6: Übernahme der CAD-Toleranzen als GT&T in 3DCS

Für die Toleranzanalyse fehlen nun noch die entsprechenden Messungen auf der Baugruppen-Ebene.
Diese werden mit Hilfe der Funktion „Update GD&T Measure“ in 3DCS übernommen.

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Abbildung 7: Update GD&T Measure

Neben den Messungen werden auch die hierfür notwendigen Bezüge und Bezugsysteme der Baugruppe extrahiert.

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Abbildung 8: Übernahme der GD&T Messungen

Nachdem der Zusammenbau definiert,  Einzelteiltoleranzen und Baugruppenmessungen in 3DCS übernommen worden sind, können die ersten Analysen mit 3DCS durchgeführt werden. 3DCS bietet hierzu statistische und grafische Analysemöglichkeiten. Zu den statistischen Analysen gehören die auf Zufallszahlen-basierende "Monte-Carlo Analyse", die auf einem Gleichungssystem basierende "Geofactor Analyse" inkl. Worst-Case sowie die "Beitragsleister Analyse".

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Abbildung 9: Statistische Analysen

Grafische Analysemöglichkeiten unter 3DCS zeigen die Lage der Bauteile, auf der Grundlage der Toleranzabweichungen und das Verhalten der Baugruppe basierend auf den Einzelteilabweichungen. Damit lassen sich die Effekte einzelner Toleranzen auf die Baugruppe, wie auch das Zusammenspiel aller Toleranzen, untersuchen. Vorkonfigurierbare Berichte lassen sich automatisch aus 3DCS heraus im HTML,  Excel, Word und PowerPoint Format generieren.

Die extrahierten Zusammenbaudefinitionen, GD&T Toleranzen und Messungen lassen sich nachträglich in 3DCS ändern und ergänzen. Fehlende Informationen im CAD-Modell können auch direkt in 3DCS erzeugt werden. Dies unterstützt die Unternehmen, welche  noch nicht alle für die Berechnung notwendigen Informationen im CAD-Modell hinterlegen.
Das 3DCS Modell kann als digitaler Prototyp bezeichnet werden, mit dessen Hilfe die Qualitätsanforderungen an die Baugruppe abgesichert und optimiert werden. Die Integration von 3DCS im CAD-System ermöglicht zusätzlich die optimierten Toleranzwerte aus der Analyse wieder in das CAD-Modell zurückzuschreiben. Die Erzeugung und Verwaltung von Varianten unterstützen Konzeptvergleiche und erleichtern die Entscheidungsfindung. Das hier vorgestellte Beispiel zeigt, wie 3DCS in der Konstruktion 3D-Toleranzanalysen auf Basis der im CAD-Modell vorhandenen Definitionen ermöglicht. Durch die Übernahme dieser Informationen werden Übertragungsfehler vermieden. Ebenso lassen sich die Toleranzanalysen schnell und effizient auf konstruktive Änderungen anpassen. Die so erstellten 3DCS Modelle lassen sich später auch in der Expertenlösung "3DCS Variation Analyst" für granuliertere  Analysen weiter verwenden.