Doppelte Kurvenscheibe mit 3D-Scanning und Reverse Engineering anpassen
Eine Kurvenscheibe wandelt eine Drehbewegung in eine genau definierte Bewegung um, zum Beispiel die Bewegung eines Stiftes, Hebels oder einer Kurvenrolle. Die Form des Kurvenprofils bestimmt, wann die Bewegung beginnt, wie groß der Hub ist und wie der Bewegungsablauf verläuft.
Für einen Kunden hat MartCad eine komplexe doppelte Kurvenscheibe angepasst. Im ursprünglichen Bewegungsablauf musste eine kleine unerwünschte Bewegung entfernt werden. Außerdem sollte eine andere Bewegung früher während der Umdrehung stattfinden.
Ein einfaches Verdrehen der gesamten Kurvenscheibe auf der Welle war dafür keine Lösung. Dadurch würde sich das vollständige Bewegungsprogramm beider Profile als Ganzes verschieben, während gerade der Ablauf innerhalb des Zyklus geändert werden musste.
Da eine Kurvenrolle von beiden Kurvenprofilen geführt wird, konnten die Profile nicht unabhängig voneinander geändert werden. Beide Kurven mussten aufeinander abgestimmt angepasst werden, damit die kleine unerwünschte Bewegung entfiel, die gewünschte Bewegung früher stattfand und die Kurvenrolle weiterhin korrekt eingeschlossen und geführt wurde.
Bei diesem Projekt ging es daher nicht nur um die Rekonstruktion der Form, sondern vor allem um den Neuaufbau und die gezielte Änderung der Funktion des Bauteils.
Projektübersicht
Aufgabe: Eine kleine unerwünschte Bewegung entfernen und eine andere Bewegung früher innerhalb der Rotation ausführen lassen.
Herausforderung: Beide Profile so anpassen, dass die Kurvenrolle weiterhin korrekt geführt wird.
Vorgehensweise: 3D-Scanning, Extraktion beider Kurvenprofile, Rekonstruktion des Bewegungsablaufs, CAD-Anpassung und Bewegungsvalidierung.
Ergebnis: Ein produktionsreifes CAD-Modell, in dem die kleine unerwünschte Bewegung entfernt wurde und die gewünschte Bewegung früher im Zyklus stattfindet.
Was ist eine doppelte Kurvenscheibe?
Eine Kurvenscheibe, auch Cam genannt, wandelt eine Drehbewegung in eine kontrollierte lineare oder schwenkende Bewegung um. Das Kurvenprofil bestimmt die Verschiebung des Abnehmers in Abhängigkeit vom Drehwinkel.
Bei einer doppelten Kurvenscheibe oder konjugierten Kurvenscheibe führen zwei Kurvenprofile gemeinsam eine Kurvenrolle beziehungsweise einen Folgemechanismus. Dadurch ist ihre geometrische Beziehung zueinander kritisch. Eine Abweichung in einem Profil kann unmittelbar zu zusätzlichem Spiel, unruhiger Bewegung, erhöhter Belastung oder Blockieren führen.
Animation ansehen: Funktionsweise einer Kurvenscheibe
Warum beide Kurvenprofile angepasst werden mussten
Im ursprünglichen Bewegungsablauf gab es eine kleine Bewegung, die nicht mehr gewünscht war. Zusätzlich sollte ein anderer Hub eines Stiftes, Hebels oder vergleichbaren Bauteils früher während der Umdrehung stattfinden.
Ein Verdrehen der gesamten Kurvenscheibe auf der Welle würde lediglich das komplette Bewegungsprogramm früher oder später stattfinden lassen. Die kleine unerwünschte Bewegung würde dadurch nicht verschwinden, und auch die relative zeitliche Abstimmung innerhalb des Zyklus würde sich nicht ändern.
Die erforderliche Änderung lag somit in der Form des Bewegungsprogramms selbst. Da die Kurvenrolle von zwei zusammenwirkenden Profilen geführt wird, mussten beide Kurven gleichzeitig angepasst werden.
Die Aufgabe bestand daher darin:
- eine kleine unerwünschte Bewegung aus dem ursprünglichen Ablauf zu entfernen;
- eine andere Bewegung früher innerhalb der Rotation stattfinden zu lassen;
- den erforderlichen Hub und den gewünschten Bewegungscharakter beizubehalten;
- beide Kurvenprofile aufeinander abgestimmt zu ändern;
- die Kurvenrolle über die gesamte Umdrehung korrekt zu führen;
- fließende Übergänge ohne unerwünschte Bewegungssprünge zu realisieren;
- ein reproduzierbares CAD-Modell für die Fertigung bereitzustellen.
Zuverlässige originale CAD-Daten waren nicht verfügbar. Das vorhandene Bauteil musste daher zunächst vollständig vermessen und funktional analysiert werden.
3D-Scanning als Grundlage für die Funktionsrekonstruktion
Mit einem ATOS 3D-Scanner wurde die komplette doppelte Kurvenscheibe präzise erfasst. Dadurch entstand eine zuverlässige digitale Grundlage beider Kurvenprofile.
Die Scandaten lieferten Einblick in:
- die tatsächliche Form beider Profile;
- die radiale Position je Drehwinkel;
- lokalen Verschleiß und Asymmetrien;
- den Übergang zwischen aktiven und inaktiven Bereichen;
- die geometrische Beziehung zwischen beiden Kurven.
Bei solchen freien Kurvenformen reichen manuelle Messungen, Radiusschablonen oder einzelne Messpunkte nicht aus. Die Funktion liegt nicht in einem Einzelmaß, sondern im vollständigen Profil.
Mehr über diese Messmethode erfahren Sie auf unserer Seite 3D-Scannen .
Vorgehensweise in sechs Schritten
- 3D-Scan des Originalbauteils und beider Kurvenprofile;
- Extraktion der Profile aus den Scandaten;
- Rekonstruktion der Abnehmerbewegung je Drehwinkel;
- Festlegen, welche kleine Bewegung entfallen und welche Bewegung früher stattfinden sollte;
- lokale CAD-Anpassung beider Profile in Abstimmung auf die Kurvenrolle;
- Vergleich und Validierung von Original und angepasstem Modell.
Die Anpassung wurde somit nicht als einfache Verdrehung der kompletten Kurvenscheibe ausgeführt. Stattdessen wurde der Bewegungsablauf selbst geändert: Eine kleine unerwünschte Bewegung wurde entfernt und eine andere Bewegung an eine frühere Position im Zyklus verlegt.
Analyse des ursprünglichen Bewegungsablaufs
Aus den Scandaten wurde der ursprüngliche Bewegungsablauf des Abnehmers in Abhängigkeit vom Drehwinkel rekonstruiert.
Dabei wurden unter anderem bestimmt:
- die kleine unerwünschte Bewegung im ursprünglichen Profil;
- der Anfangs- und Endpunkt der gewünschten Bewegung;
- die maximale und minimale Verschiebung;
- die Dauer des Hubs, ausgedrückt als Drehwinkel;
- der Anstiegs- und Rücklaufverlauf;
- der Übergang zwischen den verschiedenen Kurvenbereichen;
- die relative Position beider Kurvenprofile.
Die Kurvenform kann dabei als Bewegungsprogramm betrachtet werden. Bei konstanter Drehzahl entspricht der Drehwinkel dem zeitlichen Ablauf des Maschinenzyklus.
Länge und Form des wirksamen Kurvenabschnitts sind wichtig, da Änderungen Einfluss auf die Bewegungsdauer, die lokale Steigung, den Druckwinkel und die Belastung des Abnehmers haben können.
Lokale Anpassung beider Kurvenprofile
Auf Grundlage der Analyse wurden beide Kurvenprofile im CAD rekonstruiert. Anschließend wurde die kleine unerwünschte Bewegung aus dem Profil entfernt und der Abschnitt, der den gewünschten Hub erzeugt, an eine frühere Winkelposition im Zyklus verschoben.
Da beide Profile zusammenwirken, konnten sie nicht unabhängig voneinander geändert werden. Die Anpassung musste so ausgeführt werden, dass sich der Abnehmer über die gesamte Umdrehung weiterhin korrekt zwischen beiden Profilen bewegt.
Daher wurden folgende Ausgangspunkte zugrunde gelegt:
- die kleine unerwünschte Bewegung aus dem Profil entfernen;
- nur den funktional erforderlichen Bereich der Profile ändern;
- den gewünschten Hub und den Bewegungscharakter beibehalten;
- die gewünschte Bewegung früher innerhalb der Rotation stattfinden lassen;
- fließende Anschlüsse an die unveränderten Profilbereiche herstellen;
- beide Kurven gleichzeitig und aufeinander abgestimmt anpassen.
Ziel war somit nicht, eine optisch saubere Kurve zu zeichnen, sondern ein reproduzierbares Profil zu erstellen, das die gewünschte funktionale Bewegung zu einem früheren Zeitpunkt im Zyklus ausführt.
Bewegungskontrolle und Validierung
Nach der CAD-Anpassung wurden der ursprüngliche und der angepasste Bewegungsablauf miteinander verglichen.
Dabei wurde geprüft, ob:
- die kleine unerwünschte Bewegung tatsächlich entfernt wurde;
- die gewünschte Bewegung tatsächlich früher beginnt;
- die maximale und minimale Verschiebung dem gewünschten Verlauf entsprechen;
- der Anstiegs- und Rücklaufverlauf fließend bleibt;
- die Kurvenrolle weiterhin korrekt zwischen beiden Profilen läuft;
- beide Kurvenprofile über die gesamte Umdrehung korrekt zusammenwirken;
- keine abrupten Profilübergänge oder unerwünschten Bewegungssprünge entstehen.
Erst nachdem das angepasste Modell den gewünschten funktionalen Bewegungscharakter zeigte, wurde das CAD-Modell für die Fertigung freigegeben.
Mehr über unsere Kontroll- und Vergleichsmöglichkeiten erfahren Sie unter 3D-Vermessung .
Ergebnis
Die kleine unerwünschte Bewegung wurde aus dem ursprünglichen Bewegungsablauf entfernt. Zusätzlich wurde die gewünschte Bewegung des Stiftes oder Hebels innerhalb der Rotation auf einen früheren Zeitpunkt verlegt.
Beide Kurvenprofile wurden aufeinander abgestimmt angepasst, sodass die Kurvenrolle über die gesamte Umdrehung korrekt zwischen den Profilen läuft. Der gewünschte Hub und der funktionale Bewegungscharakter blieben dabei erhalten.
Das Ergebnis war ein produktionsreifes CAD-Modell, in dem die kleine unerwünschte Bewegung entfernt wurde und die gewünschte Maschinenfunktion früher im Zyklus stattfindet, während die Kurvenrolle korrekt durch beide angepassten Kurvenprofile geführt wird.
Diese Fallstudie zeigt, dass Reverse Engineering über das reine Kopieren eines vorhandenen Bauteils hinausgehen kann. Durch die Analyse der ursprünglichen Funktion lässt sich ein bestehender Mechanismus gezielt ändern und erneut fertigungsgerecht auslegen.
Häufig gestellte Fragen
Warum reichte ein Verdrehen auf der Welle nicht aus?
Durch das Verdrehen der gesamten Kurvenscheibe verschiebt sich das komplette Bewegungsprogramm als Ganzes. In diesem Projekt musste jedoch der Ablauf selbst geändert werden: Eine kleine Bewegung sollte entfallen und eine andere Bewegung früher stattfinden. Dafür mussten die Profile angepasst werden.
Wie wird der Bewegungsablauf geändert, ohne die Kurvenrolle falsch zu belasten?
Zunächst wird der ursprüngliche Bewegungsablauf der Kurvenrolle in Abhängigkeit vom Drehwinkel rekonstruiert. Danach werden beide Profile gemeinsam angepasst. So kann eine kleine Bewegung entfernt und eine andere Bewegung vorverlegt werden, während die Rolle korrekt geführt wird und die Übergänge fließend bleiben.
Warum müssen beide Kurvenprofile angepasst werden?
Beide Profile wirken auf dieselbe Kurvenrolle. Wird nur ein Profil geändert, können der gegenseitige Abstand oder die Führung der Rolle nicht mehr stimmen. Deshalb müssen beide Profile aufeinander abgestimmt angepasst und validiert werden.
Kann MartCad eine Kurvenscheibe ohne Originalzeichnung rekonstruieren?
Ja. Mit 3D-Scanning kann das vorhandene Profil präzise erfasst werden. Anschließend lassen sich die Kurvenform, die Abnehmerbewegung und die geometrische Beziehung zwischen den Profilen im CAD rekonstruieren.
Ein vorhandenes Maschinenbauteil ohne originale CAD-Daten anpassen?
MartCad kombiniert 3D-Scanning, Reverse Engineering und CAD-Konstruktion, um nicht nur die Form, sondern auch die Funktion bestehender Bauteile zu rekonstruieren und gezielt anzupassen.
