CLASS. Dit is knots van de. C2 continue. kleppen geschiedt. dicht. Meer info over de

Transcriptie

1 CLASS A SURFACE MODELING Dit is een oefening waarin tweee onderwerpen aan samen komen en waarin doordringt tot de kern van de geometriemodellen: de control points en de knots van de NURBS. Je leert hoe je een C2 continue overgang tussen vlakken realiseert. Verder maak je kennis met de mogelijkheden (en de beperkingen) van dataoverdracht tussen verschillende CAD systemen. NOKKENAS VAN EEN VIERTAKTMOTOR De belangrijkste onderdelen van een viertakt verbrandingsmotor zijn het cylinderblok en de cylinderkop. In het blok bewegen de zuigers op en neer in de cylinders. Het is aan één zijde afgesloten door een kop met in en uitstroomkanalen. Iedere cylinder heeft tenminste één toevoerkanaal voor een lucht benzine mengsel en een afvoerkanaal waardoor de hete verbrandingsgassen naar de uitlaat stromen. In elk kanaal is een klep geplaatst om de toevoer en de afvoer op het juiste moment te laten plaatsvinden. De inlaatklep en de uitlaatklep hebben beide een eigen periode waarin ze zijn geopend. Het openen van de kleppen geschiedt via een as met nokken: de nokkenas. Deze as draait op de halve snelheid van de motor. In Figuur 1 is een opengewerkte kop te zien. De cylinder met zijn op en neer bewegende zuiger hoort hier nog onder. Linksonder in de kop zie je het inlaatkanaal en rechts het uitlaatkanaal. De kleppen worden dicht getrokken door een veer die om de klepsteel ligt. Daarbovenop is een bus die op het uiteinde van de klepsteel rust. De nok duwt de bus, en daarmee de klep naar beneden naar een geopende positie. Wanneer de nok voorbij zijn hoogste punt draait zorgt de veer dat het geheel weer terug omhoog beweegt. De kop uit de afbeelding heeft twee nokkenassen. Dit is een duurdere, maar niet ongebruikelijke oplossing, veel automotoren hebben één nokkenas. Figuur 1 Opengewerkte kop van een viertaktmotor. Figuur 2 Kleptiming diagram Meer info over de verbrandingsmotor //en.wikipedia.org/wiki/four stroke_engine CADCAM HT, 1sep2011, UTwente 1

2 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 f i 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

3 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

4 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

5 Class A Surface Modeling EXPORT WITH STEP Een goede manier om een model naar een ander CAD systeem te exporteren is het gebruik van een Neutral File. De modernste standaard op dat gebied is STEP. Binnen de standaard zijn verschillende toepassingsgebieden gedefinieerd. Je kiest het gebied dat het best je lading dekt. In de onderstaand kader zie je de belangrijkste mogelijkheden. ISO STEP Mechanical: AP 201, Explicit draughting. Simple 2D drawing geometry related to a product. No association, no assembly hierarchy. AP 202, Associative draughting. 2D/3D drawing with association, but no product structure. AP 203, Configuration controlled 3D designs of mechanical parts and assemblies. AP 204, Mechanical design using boundary representation AP 207, Sheet metal die planning and design AP 209, Composite and metallic structural analysis and related design AP 214, Core data for automotive mechanical design processes Kies in SolidWorks het commando Save As Hier kun je niet alleen je part opbergen onder een andere naam, je kunt er ook het type bestand kiezen. Selecteer STEP AP203, en type als filenaam CamFromSW. Het bestand krijgt de step extensie. Onthoud de directory, want je gaat de file strakss inlezen en Rhino. RHINO Aangenomen wordt dat je je al verdiept hebt in het gebruik van Rhino door de in de practicum aanwijzing aangegeven tutorials door te nemen. Je start Rhino op versie 3 of 4 zijn beide geschikt en importeert het.stepp bestand dat je zojuist hebt aangemaakt. Na File, New geef je de opdracht File, Import. Zet het file type op STEP, ga naar de map met de file CamFromSW.step en lees deze file in. Je scherm is nu waarschijnlijk gevuld met een wirwar aan lijnen. Je kunt alle vier views tegelijk uitzoomen door een rechtermuisklik op Zoom Extents. 5

6 CADCAM, Theory and Application Om delen van de geometrie makkelijker te kunnen manipuleren, bijvoorbeeld ze zichtbaar of onzichtbaar maken, voeg je een drietal nieuwee layer namen toe. Hierin kunnen we tussenresultaten parkeren. Open het Layers venster met de Edit Layer knop. Geef drie bestaande lagen een nieuwe naam, zie afbeelding. Layer 4 en 5 zijn we niet nodig, je kunt ze onzichtbaar maken door op het lampje te klikken. Wanneer je naast het onderdeel klikt is het gedéselecteerd (zwart, de kleur van de laag). Zorg dat het geselecteerd is door er op te klikken (geel). Verplaatst het geïmporteerde object naar de laag ImportSW met het commando Edit, Layers, Change Object Layer. Kies als bestemming ImportSW. Zorg dat de current layer (die met het vinkje) nog steeds op Default staat. Kies nu Solid, Extract Surface. Met dit commando kun je een surface copieren uit de groep surfaces die samen een solid definiëren. Het part dat je hebt geïmporteerd is zo n solid groep. Selecteer één voor één alle surface patches op het nokoppervlak. Bij selectie krijg je een lijstje. Wanneer je met je muis een item in die lijst aanwijst, zal ze in het model gehighlight worden. In de linker figuur is de bovenste keuze het zijvlak. Kies /klik op het item dat je wilt. Na afloop zijn er zeven surfaces gekopieerd die je niet ziet omdat ze op dezelfde positie staan als het origineel. Selecteer deze groep met een venster, en verplaats ze naar de layer Default. Daarna maak je de layer ImportSW onzichtbaar. Nu wordt het overzichtelijker, want alleen het gekopieerde oppervlak is zichtbaar. Ons uiteindelijke doel is de rand van het oppervlak. Maak een hulpvlak aan door de zijwang van de nok die het dichtst bij de oorsprong ligt (zie linker en middelste afbeelding hieronder). Het commando is Surface, Plane, Vertical. Dit vlak gebruik je om de surface op de projecteren. We gaan nog een stap verder met het commandoo Curve, Convert from Objects, Project: selecteer in de Top view met een selectiekader de rechterkant van je surface. Je hebt nu de complete rand in te pakken zoals je kunt controleren in de Perspective view (rechter afbeelding). Afsluiten met Return (spatie werkt ook), en het projectievlak selecteren wat je zojuist hebt gemaakt. Voila, de contour die we kunnen gaan wijzigen. 6

7 Class A Surface Modeling Selecteer de nieuwe contour met een selectiekader in de Top view: ter controle, linksboven in het scherm staatt 7 curves added to the selection. Plaats deze contour naar de laag ContourSW. De zeven surfaces die je hebt gemaakt kun je in een extra laag zetten die je onzichtbaar maakt, of ze weggooien. CURVATURE ANALYSE Rhino heeft ook een utility om de kwaliteit van geometriee te analyseren. Je vindt de commando s onder Analyze Curve en onder Analyze Surface. Probeer eerst Analyze, Curve, Geometric Continuity. Het programma vraagt om het uiteinde van een curve, en vervolgens om het uiteinde van een anderee curve die er aan vast zit. De uitkomsten zijn G0, G1 of G2. Kun je de plekken met G1 en G2 vinden? Gebruik hierna Curve, Curvature Graph. Het kan nodig zijn om even met Scale en Density te varieren voordat je een duidelijkee afbeelding krijgt. Daarna zie je meteen wat we ook in SolidWorks al hadden ontdekt, grote discontinuïteiten in de kromming. 7

8 CADCAM, Theory and Application AANPASSEN CONTOUR Voor de geleidelijke overgangen van de kromming maken we eerst wat ruimte. Teken een paar hulplijnen en verwijder met het trim commando een stuk van de beide arcs op de plaat waar die op de rechte lijn aansluiten. Het resultaat zie je hieronder links. De hulplijnen kun je daarna weer verwijderen. Nu plaats je een free form spline die door control points gaat. Rhino heeft zijn NURBS zo gemaakt dat ze starten in het 1 e en eindigen in het laatse punt. Kies drie punten, zodat de spline aansluit op de arcs die je zojuist hebt ingekort, en zo dat ongeveer de vorm uit de rechter figuur ontstaat. Voor het handmatig manipuleren van splines kent het programma twee opties: de edit points en de control points. Edit points liggen net als de knots op de spline (maar ze komen niet overeen, het zijn er meer, en je kunt er ook zelf toevoegen). Zichtbaar maken doe je met het commando Edit Points On. Control points zijn de ophangpunten van de NURB. In plaats van de edit points kun je er ook voor kiezen om deze zichtbaar maken om er de spline mee te wijzigen. De Control Points On knop zit naast de vorige in de toolbar. Geef dit laatste commando, en kies de spline die je zojuist hebt ingevoerd. De punten worden afgebeeld net als in bovenstaande figuur. Om je te helpen bij de manipulatie is het handig om de curvaturee display optie aan te zetten voor de arcs en de spline (Curvature Graph On, Addd Objects). Het valt niet mee om hier een goed resultaat te krijgen. Een holle surface geeft een fraaie continuïteitt maar daarmee gaat het mechanischh niet werken omdat de bus op de klepsteel die holte niet kan volgen. Kun je zeggen welke graad de bovenstaande kromme heeft? Gelukkig is de gereedschapskist van Rhino nog niet uitgepunt. In het Curve menu, is onder Curve Edit Tools de optie Match te vinden. De weergave van edit door met een rechter muisklik op de knop waarmee de optie is aangezet. en control points maakt de selectie van de spline als geheel onmogelijk. Beeindig deze modus Het Match commandoo kan een spline zó laten aansluiten op een volgende curve, dat een G0, G1 of G2 continue overgang ontstaat. Geef dit commando en kies de spline nabij het aansluitpunt met een arc, kies vervolgens de arc nabij hetzelfde aansluitpunt. In het menu dat nu verschijnt kun je de continuïteit invullen, en in de tweede set opties, of de andere curve aangepast mag worden en of het andere uiteindee aangepast mag worden. Verder is er de mogelijkheid om de splines te verenigen to een nieuwe curve, dat hoeft hier niet. 8

9 Class A Surface Modeling Dezelfde procedure kun je herhalen voor het andere uiteinde. Het resultaat op je scherm is hopelijk beter dan hieronder, waar een curve met een ondersnijding (een negatieve kromming) is gemaakt. De curve links is derdegraads, dat betekent dat er een buigpunt kan bestaan; iets dat we hier willen voorkomen. Remedie is het verlagen van de graad. Dat kan met het commando Curve Edit Tool, Refit to Tolerance. De rekennauwkeurigheid hoeft niet te wijzigen, maar de graad kun je op 2 instellen. Voer daarna weer op beide uiteinden een Match commando uit. We hebben nu een profiel met snel oplopende acceleratiee (kromming neemt af, klep wordt weggeduwd. Daarna een traject met een bijna constante snelheid en op pakweg 70 % een oplopend kromming waardoor de klep vertraagt. Nabij het Top Dead Center (TDC) op het cirkelsegment is de kromming constant en de snelheid nul. Deze korte periode staat de klep helemaal open. DE WEG TERUG De route terug naar SolidWorks is ongecompliceerd. Van de curve maak je een surface met Surface, Extrude, Straight.. Het leven is makkelijker wanneer de surface op de juiste locatie staat en de juiste breedte heeft: begin op X=2, einde op X=18 (zie figuur). Dat kun je makkelijk bereiken met Snap = on. Sla het model op in Rhino s eigen 3dm formaat en exporteer het resultaat: Selecteer je nieuwe verkregen surface, en exporteer ze naar een Step file. Gebruik het commando File, Export Selected. Kies het formaat STEP en de naam CamFromRhino.STEP Step schema dezelfde als waarin we het hebben binnengehaald: AP203. 9

10 CADCAM, Theory and Application SOLIDWORKS Heropen het SolidWorks programma en de Part die je hebt gesaved in de laatste toestand (voor de export). Voeg de surface als externee feature toe met het commando Insert, Features, Imported. Kies ook hier het type STEP AP203 en selecteer de file die je met hiervoor hebt gemaakt: CamFromRhino.STEP. De feature wordt onderaan je feature tree toegevoegd. Onderdruk nu de Boss Extrude Je ziet nu die je zelf aan de part CamStartt hebt toegevoegd (met de schets en simpele contour). dit. Wat rest is het opvullen van de ruimte die eerst door Boss Extrude werd gevuld. Selecteer hiervoor de Top Plane en maak een schets. Teken nu een rechthoek waarvan de uiteinden samenvallen met de uiteinden van de Boss Extrude Exhaust (afbeelding rechtsboven). Gebruik hiervoor een Extrude met de opties: From Sketch Plane en Up To Surface. Kjk wat het resultaat is geworden. Links zie je de Zebra Stripes op het oude profiel (de Boss Extrude die nu even suppressed is, en de rechter afbeelding laat het nieuwe profiel zien. 10

11 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 // onder Diversen. Ook vanaf de andere kant wordt informatie gegeven over het gebruik van de combinatie SolidWorks Rhino 11