Jan Meeth
Michael Schuth

Grundlagen und praktische Anwendung
der kinematischen Simulation

Bewegungssimulation
mit CATIA V5

Bewegungssimulation

mit

C

A

TIA

V5

Meeth

·

Schuth

Meeth · Schuth

Bewegungssimulation mit CATIA V5

Dieses Grundlagen- und Praxisbuch vermittelt das notwendige Know-how für alle,
die Bewegungssimulationen mit CATIA V5 durchführen wollen. Es wendet sich an
Ingenieure, Techniker, Konstrukteure, Studenten und Auszubildende technischer
Berufe. Die hier vorliegende 2. Auflage basiert auf der Programmversion CATIA V5
Release 18.

Ausführlich behandeln die Autoren die Arbeitsumgebung DMU Kinematics von
CATIA V5. Zusätzlich stellen sie einige Funktionen außerhalb des DMU Kinematik-
Simulators vor, wie etwa die Animation von Bemaßungsbedingungen. Um den
DMU Kinematik-Simulator effizient nutzen zu können, werden anschließend
die wichtigsten Grundlagen zur Getriebelehre vermittelt. Schwerpunkte sind hier
die Betrachtung der Freiheitsgrade von Körpern, Gelenken und Mechanismen.
Ein abschließendes Kapitel zeigt, wie sich aus zuvor generierten Bewegungs-
simulationen Animationen erstellen lassen.

Zahlreiche Übungsbeispiele zum Erstellen und Simulieren von Mechanismen
ermöglichen dem Leser, die Inhalte zu vertiefen und sie in seiner täglichen Arbeit
einzusetzen. Die Dateien zu sämtlichen Übungen sind unter

abrufbar.

studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der FH Trier.

ist Dozent an der FH Trier im Bereich Technik.

Er leitet das Labor Gerätebau, Konstruktion und Bauteiloptimierung und führt
Konstruktionsprojekte mit der Industrie durch.

Dipl.-Ing. Jan Meeth
Prof. Dr. Ing. Michael Schuth

http://downloads.hanser.de

2., aktualisierte Auflage

ISBN 978-3-446-41452-5

www.hanser.de/cad

9 783446 414525

 

 

5

Inhalt

Vorwort ....................................................................... 7

 

1

 

Einleitung .................................................... 9

 

1.1

 

Begriffe.......................................................9

 

1.2

 

Getriebelehre und DMU Kinematics.... 10

 

2

 

Einführung in DMU Kinematics ........... 15

 

2.1

 

Vorstellung der Arbeitsumgebung  
DMU Kinematics .................................... 16

 

2.1.1

 

Aufrufen der Arbeitsumgebung  
DMU Kinematics .................................... 16

 

2.1.2

 

Symbolleisten von DMU Kinematics .. 18

 

2.1.3

 

Anpassen der Arbeitsumgebung  
DMU Kinematics .................................... 27

 

2.2

 

Kinematische Simulation einer 
Viergelenkkette ...................................... 29

 

2.2.1

 

Erstellen eines simulierbaren 
Mechanismus.......................................... 29

 

2.2.2

 

Simulation mit Befehlen....................... 35

 

2.2.3

 

Simulation mit Regeln .......................... 37

 

2.2.4

 

Bearbeiten von Simulationen .............. 40

 

2.2.5

 

Erstellen einer Wiedergabe................... 41

 

2.3

 

Beispiele und Übungen ......................... 44

 

2.3.1

 

Bewegungssimulation einer Presse  
mit Niederhalter ..................................... 44

 

2.3.2

 

Bewegungssimulation eines 
Scheibenwischers................................... 51

 

2.4

 

Automatische 
Überschneidungserkennung ................. 58

 

2.5

 

Umwandlung von 
Baugruppenbedingungen ..................... 64

 

2.6

 

Animationen von 
Bemaßungsbedingungen ...................... 75

 

3

 

Grundlagen zur Getriebelehre und 
Anwendung von DMU Kinematics........83

 

3.1

 

Aufgaben und Inhalt der  
Getriebelehre .......................................... 83

 

3.2

 

Aufbau von Getrieben und  
Mechanismen ......................................... 85

 

3.2.1

 

Getriebeglieder und Gelenke ................ 86

 

3.2.2

 

Freiheitsgrade von Körpern.................. 87

 

3.2.3

 

Freiheitsgrade von Gelenken und 
kinematischen Verbindungen .............. 88

 

3.2.4

 

Eigenschaften und Erzeugung von 
kinematischen Verbindungen .............. 91

 

3.2.5

 

Zwanglauf und Freiheitsgrad von 
Mechanismen und Getrieben ............. 175

 

3.2.6

 

Freiheitsgrad (Laufgrad) eines  
ebenen Getriebes.................................. 177

 

3.2.7

 

Freiheitsgrade von Körperverbünden  
im Raum................................................ 180

 

4

 

Übungsbeispiele zum Erstellen und 
Simulieren von Mechanismen ............ 191

 

4.1

 

Bewegungssimulation eines  
Werkzeugs ............................................ 191

 

4.2

 

Bewegungssimulation eines 
Hubkolbenverdichters ......................... 197

 

4.3

 

Bewegungssimulation eines 
Scharniermechanismus ....................... 206

 

4.4

 

Bewegungssimulation einer  
Gelenkwelle .......................................... 214

 

4.5

 

Bewegungssimulation einer 
Ladebordwand...................................... 223

 

4.6

 

Bewegungssimulation einer 
Dampflokomotivsteuerung ................. 235

 

Inhalt

 

 

6 

4.7

 

Bewegungssimulation eines  
Radladers .............................................. 246

 

4.8

 

Erstellen einer Sequenz am Beispiel  
eines Kolbenmotors ............................. 255

 

5

 

Getriebeanalyse und Simulation mit 
Regeln ...................................................... 259

 

5.1

 

Analyse der Getriebekinematik.......... 259

 

5.1.1

 

Grundlagen zu grafischen Verfahren  
der kinematischen Analyse ................ 259

 

5.1.2

 

Kurbelschwinge mit konstanter 
Winkelgeschwindigkeit....................... 261

 

5.2

 

Simulation mit Regeln ........................ 273

 

5.2.1

 

Simulation mit Regeln am Beispiel  
einer Kurbelschwinge.......................... 273 

5.2.2

 

Erstellen von kombinierten 
Sensorkurven ....................................... 280 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2.3

 

Importieren von kinematischen  
Regeln aus einer Textdatei ................. 284 

6

 

Erstellen von Animationen ................. 287

 

6.1

 

Vorstellung der Arbeitsumgebung 
„Photo Studio“ ..................................... 287

 

6.1.1

 

Die Symbolleiste „Wiedergabe“ ......... 288

 

6.1.2

 

Die Symbolleiste „Animation“ ........... 288

 

6.1.3

 

Die Symbolleiste „Szeneneditor“ ....... 289

 

6.2

 

Übungen zum Erstellen von 
Animationen ........................................ 290

 

Literaturverzeichnis ............................................. 297

 

Index 

................................................................... 299

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

2  Einführung in DMU Kinematics 

Zu Beginn dieses Kapitels werden zunächst verschiedene Wege gezeigt, wie man die 
Arbeitsumgebung CATIA V5 DMU Kinematics starten kann. Anschließend erfolgt eine 
sehr kurze Vorstellung einzelner Symbolleisten. Dadurch soll ein erster Eindruck über 
die Verwendungsmöglichkeiten dieser Arbeitsumgebung vermittelt werden.  

Nach diesem Überblick werden die elementaren Funktionen von DMU Kinematics 
an dem einfachen Beispiel einer Viergelenkkette ausführlich dargestellt. Dabei wird 
gezeigt, wie man mit CATIA einen simulierbaren Mechanismus erzeugt und wie 
man ihn mithilfe der beiden Simulationsmodi „Simulation mit Befehlen“ und „Si-
mulation mit Regeln“ auf zwei Arten simulieren kann.  

Im Anschluss daran werden weitere Simulationen von einer Presse mit Niederhalter 
und dem Getriebe eines Scheibenwischerantriebs vorgeführt. An diesen beiden Bei-
spielen werden auch bereits Verwendungsmöglichkeiten der Arbeitsumgebung Ge-
nerative Drafting in Verbindung mit Getriebesimulationen erläutert. Zusätzlich wird 
beim zweiten Beispiel die Funktion „Verlaufslinie“ angewendet, um das Wischfeld 
des Scheibenwischers zu erzeugen und es auf einer technischen Zeichnung darstel-
len zu können. Bei diesen Beispielen wurde der simulierbare Mechanismus aus-
schließlich in der Arbeitsumgebung DMU Kinematics erzeugt.  

Prinzipiell gibt es in CATIA V5 jedoch zwei Wege, um zu einem simulierbaren Me-
chanismus zu gelangen. Die beiden Wege unterscheiden sich vor allem hinsichtlich 
der Verbindungserstellung zwischen den einzelnen Bauteilen der zu simulierenden 
Baugruppe. Der erste Weg besteht darin, kinematische Verbindungen zwischen den 
Bauteilen in der Arbeitsumgebung DMU Kinematics zu erstellen. Bei manchen Me-
chanismen bietet sich die zweite Möglichkeit an, Bewegungssimulationen zu defi-
nieren, bei der man auf im Assembly Design erstellte Verbindungen zurückgreift 
und CATIA V5 automatisch die daraus entsprechenden kinematischen Verbindun-
gen erstellen lässt.  

Außerdem können Getriebesimulationen ebener Mechanismen prinzipiell auch im 
Skizzierer von CATIA V5 durchgeführt werden. Am Ende dieses Kapitels soll kurz 
auf diese Möglichkeit, im Skizzierer mit der Funktion „Animation von Bemaßungs-
bedingungen“ einfache ebene Getriebesimulationen zu erstellen, eingegangen wer-
den. Dies geschieht auf der Basis von Bedingungen, mit denen die geometrischen 
Elemente der Skizze verknüpft sind. Eine der Bedingungen muss dann animiert 
werden, was der Definition eines Antriebes entspricht (Bild 1.2-c). 

2  Einführung in DMU Kinematics

 

 

 

16 

2.1 

Vorstellung der Arbeitsumgebung DMU Kinematics 

Nach dieser zusammenfassenden Einleitung folgt zunächst eine Vorstellung der Ar-
beitsumgebung DMU Kinematics, bevor anhand von Beispielen die prinzipielle Vor-
gehensweise mit CATIA V5 DMU Kinematics dargestellt wird. 

2.1.1 

Aufrufen der Arbeitsumgebung DMU Kinematics 

Wo die Arbeitsumgebung DMU Kinematics zu finden ist und wie sie aufgerufen 
wird, zeigt Bild 2.1. 

 

Bild 2.2 zeigt die Arbeitsumgebung des CATIA V5 DMU Kinematik-Simulators, die 
aber auch auf andere Art und Weise aufgerufen werden kann. 

 

 

 

 

 

Bild 2.1:  
Aufrufen der Workbench 
DMU Kinematics 

 

2.1  Vorstellung der Arbeitsumgebung DMU Kinematics 

 

17

 

Außerdem kann man unter bestimmten Voraussetzungen DMU Kinematics über das 
beim Neustart von CATIA erscheinende Fenster (Bild 2.2-a), über Start in der Menü-
leiste wie in Bild 2.2.-b oder über die Symbolleiste „Umgebungen“ (Bild 2.2-c) auf-
rufen. Dazu müssen die Schritte durchgeführt werden, die in Bild 2.3 dargestellt 
sind. 

 

Bild 2.2:  
Arbeitsumgebung  
DMU Kinematics 

Bild 2.2-a: Aufrufen von 
DMU Kinematics beim 
Start von CATIA 

Bild 2.2-b und 2.2.-c: 
Aufrufen von DMU Kine-
matics über die Menü-
leiste „Start“ und die 
Symbolleiste „Umge-
bungen“ 

2  Einführung in DMU Kinematics

 

 

 

18 

Erstellen einer Liste von bevorzugten 
Umgebungen: 

→  Ansicht (Menüleiste) → Symbol-
leisten 

→ Anpassen… → Registerkar-

te: Menü Start 
→ DMU Kinematics (und andere oft 
verwendete Arbeitsumgebungen) mar-
kieren 

→ Klick auf den Pfeil nach 

rechts 

→ S

CHLIEßEN

  

→ die ausgewählten Umgebungen 
können über „Start“ nun direkt oder 
über die Symbolleiste „Umgebungen“ 
angewählt werden. Falls diese nicht 
angezeigt wird, kann sie folgenderma-
ßen angezeigt werden: 

→Ansicht → Symbolleisten → Symbolleiste „Umgebungen“ anzeigen 

Nach dem Aufrufen der Arbeitsumgebung DMU Kinematics stellt sie dem Anwender 
verschiedene Symbolleisten bereit, die nun kurz vorgestellt werden, um einen ersten 
Eindruck zu vermitteln. 

2.1.2 

Symbolleisten von DMU Kinematics 

Um einen Überblick über den Funktionsumfang und die Anwendungsmöglichkeiten 
der Arbeitsumgebung DMU Kinematics zu erhalten, sollen die einzelnen Symbol-
leisten, die in CATIA V5 standardmäßig zu DMU Kinematics gehören, dargestellt 
und kurz erläutert werden.  

2.1.2.1 

Die Symbolleiste „DMU Kinematics“ 

Die Symbolleiste „DMU Kinematics“ (Bild 2.4) 
enthält die elementaren Funktionen, die zur 
Definition des Getriebes und der Simulation 
notwendig sind. Zu der Definition eines Ge-
triebes gehören unter anderem die Definition 

der Festkomponente und der Gelenke des Getriebes. Diese Gelenke werden über die 
kinematischen Verbindungen bestimmt. 

Die Leiste „Kinematische Verbindungen“ (Bild 2.5) kann neben der Symbolleiste 
„Simulation“ durch einen Doppelklick abgekoppelt werden. 

Zur Simulation stehen die beiden Modi „Simulation mit Befehlen“ und „Simulation 
mit Regeln“ zur Verfügung, die beide in diesem Kapitel vorgestellt werden. Außer-
dem bietet sich bei manchen Getrieben die bereits erwähnte Funktion „Umwandlung 

 

Bild 2.3:  
Dialogfenster zum Erstel-
len einer Liste bevorzugter 
Bedingungen 

Bild 2.4:  
Symbolleiste  
„DMU Kinematics“ 

 

2.1  Vorstellung der Arbeitsumgebung DMU Kinematics 

 

19

von Baugruppenverbindungen“ an, mit der man aus im Assembly Design erstellten 
Baugruppenbedingungen kinematische Verbindungen generieren kann. Die Ver-
wendung verschiedener kinematischer Verbindungen wird im weiteren Verlauf die-
ses Buches dargestellt. Dies gilt auch für die Funktionen „Umwandlung von Bau-
gruppenbedingungen“, „Mechanismusanalyse“ sowie die Funktion „Geschwindigkeit 
und Beschleunigung“. 

 

Bild 2.5:  
Übersicht über Symbol-
leisten „DMU Kinematics“ 
und die davon abkoppel-
baren Symbolleisten „Si-
mulation“ und „Kinema-
tische Verbindungen“ 

Symbolleiste:  

Kinematische Verbindungen

 

Definition der Festkomponente 

Umwandlung von Baugruppenbe-
dingungen

Doppelgelenk 

Zahnradverbindung 

Zahnstangenverbind. 

Kabelverbindung 

Achsenbasierte Verbind.

 

Starre Verbindung 

Punktkurvenverbindung 

Gleitkurvenverbindung 

Rollkurvenverbindung 

Punktflächenverbindung 

Drehverbindung 

Prismatische Verbind. 

Zylindrische Verbind. 

Schraubverbindung 

Kugelgelenkverbindung 

Simulation mit Befehlen 

Simulation mit Regeln 

Mechanismusaufbereitung 

Doppelklick auf diesen schmalen Balken
bewirkt das An- oder Abkoppeln der
Symbolleiste 

Symbolleiste  

Simulation 

Mechanismusanalyse

Geschwindigkeit und  
Beschleunigung

 

Symbolleiste DMU Kinematics

 

 

299

Index 

 

Abhängige Länge  99 
Abtriebsglied  86 
Achsensysteme  162 
Aktion bearbeiten  257 
Animation  290 
Animation von Bemaßungs-

bedingungen  15 

Animation wiedergeben  292 
Animationen  287 
Animationsdatei  43 
Antriebsfunktion  259 
Antriebsglied  86 
Arbeitsumgebung DMU 

Kinematics  16 

Assembly Design  15 
Astschere  111 
Automatische Überschneidungs-

erkennung  44 

 
Bahnkurve  181 
Baugruppenbedingungen  91, 97 
Befehl  92 
Beleuchtung  288 
Beleuchtungsbefehle  294 
Beschleunigung  181 
Beschleunigungsmaßstab  259 
Bezugsglied  86 
Bezugssystem  87 
Bildformat  291 
Bildgröße  291 
Blickpunkt  288 
Bohrungen  86 
Bolzen  86 

 
Dampfkanäle  83 
Dampflokomotive  235 
Dampfzylinder  83 
Definition der Filmaufnahme  288 
Differentialschraube  101 
Differentialschraubengetriebe  101 
Digital-Mock-Up  10 

DMU Fitting  10, 256 
Doppelgelenk  149 
Drehen  90 
Drehgelenk  11, 92 
Drehschubgelenk  89, 98 
Drehsockel erzeugen  288 
Drehverbindung  92 
Druckgusswerkzeug  191, 292 
Druckmittel  86 

 
Ebene Verbindung  108 
Eigenrotation  183 
Einzelradaufhängung  83, 180, 

186 

Elementarbewegungen  87, 88 
Erneute Wiedergabe  288 

 
Fahrbahnunebenheiten  181 
Fahrzeugtechnik  134 
Filmaufnahmen  287 
Flächenberührung  90 
Fördergetriebe  118 
Freiheitsgrad  87, 88, 175, 177 

 
Gelenkbauarten  89 
Gelenkdreieck  177 
Gelenkfünfeck  177 
Gelenkgabel  149 
Gelenkhälfte  89 
Gelenkviereck  177 
Gelenkwelle  149, 215 
Generative Drafting  15 
Gesamtsteigung  101 
Geschwindigkeitsmaßstab  259 
Getriebe  9 
Getriebeanalyse  84, 259 
Getriebedarstellungen  86 
Getriebedynamik  84, 259 
Getriebeglied  11 

starr  86 

Getriebekinematik  84 

Getriebelehre  9 
Getriebestruktur  86 
Getriebesynthese  84 
Getriebesystematik  84 
Getriebetechnik  83 
Gewindesteigung  101 
Gleitkurvenverbindung  128 
Gruppierung  115 

 
Heusinger-Steuerung  83, 235 
Hohlrad  134 
Hubkolbenverdichter  199 

 
Identische Freiheiten  183 
Industrieroboter  83 

 
Kabelverbindung  160 
Kamerabefehle  294 
Ketten  86 
Kinematik  9 
Kinematische Funktion  86 
Kinematische Kette  11, 12, 83, 

177, 182 

Kinematische Verbindungen  18 
Kinetik  9 
Knicklenkung  247 
Kolbenmotor  255 
Kongruenz  94 
Kraftfluss  134 
Kugelflächengelenk  89 
Kugelgelenk  87, 89, 106 
Kugeln  86 
Kugelpfanne  187 
Kugelschalen  86 
Kurbelschwinge  261 

 
Ladebordwand  223 
Längenmaßstab  259 
Laufgrad  175 
Lenkerfreiheitsgrad  183 
Lichtquellen  288 

Index

 

300 

Linienberührung  90 
Lokomotivsteuerung  235 

 

Material  292, 293 

Mathematische Funktion  85 

Mechanismus  11 

Mechanismusanalyse  19, 189 

Momentanpol  260 

Mutter  100 

 

Parallelkurbel  225 

Photo Studio  287 

Pixelzahl  291 

Planetengetriebe  134 

Planetenräder  134 

Planetenradsatz  134 

Player  43 

Polygonmethode  261 

Präsentation  287 

Presse mit Niederhalter  44 

Prismatische Verbindung  95 

Produktpräsentation  287 

Punktbahn  85 

Punktberührung  90 

Punktflächenverbindung  144 

Punktkurvenverbindung  117, 118 

 

Radlader  246 

Ravigneaux  134 

Real Time Rendering  287 

Relativbewegung  21, 87, 88 

Relativrotation  89 

Reuleaux  11 

Riemen  86 

Rollenzuführung  122 

Rollkurve  131 

Rollkurvenverbindung  132 

Rotation  87 
Rückwärtsgang  135 
Schaltungsmöglichkeiten  134 
Scharniermechanismus  206 
Schaufellader  83 
Scheibenwischerantrieb  15 
Schieben  90 
Schieberstange  83 
Schleifenmodus  42 
Schnelle Wiedergabe  288 
Schnellgang  135 
Schrauben  90 
Schraubengelenk  100 
Schraubengetriebe  100 
Schraubverbindung  91, 100 
Seile  86 
Sequenz  255 
Sichtbarkeitsaktion  256 
Simpson-Getriebe  134 
Simulation  34, 35 
Simulation mit Befehlen  15 
Simulation mit Regeln  15, 37 
Simulation umwandeln  43 
Simulationsmodi  15 
Sonnenrad  134 
Spindel  100 
Standardmaterialkatalog  293 
Starrachse  180 
Starre Verbindung  115 
Steigungsdifferenz  101 
Szeneneditor  289 

 
Teleskopspindel  101 
Trace  213 
Translation  87 

 
Übersetzungsverhältnis  153 
Übertragungsgetriebe  85 

Umgebung  288 
Umlaufgetriebe  153 
Umwandlung von Baugruppen-

bedingungen  91 

Unfreiheiten  90 
Universalgelenk  147, 208 
Universalverbindung  147 
Unterverbindungen  157 

 
Verbindung aus Achsensystemen  

162 

Verbindungsgrenzen  191 
Verbindungslimits  194 
Verlaufslinie  15, 44 
Video-Dateien  41 
Videoschaltflächen  41 
Viergelenkgetriebe  10 
Vorschubbewegung  89 

 
Walschert-Steuerung  235 
Wiedergabe  42 
Wiedergabe generieren  41 
Wirkungsgrad  102 
Wischfeld  15 

 
Zahnradverbindung  153 
Zahnstange  157 
Zahnstangenverbindung  157 
Zeichnungsableitung  50 
Zeichnungsansicht  44 
Zeitintervall  43 
Zentriert  93 
Zugmittel  86 
Zwanglauf  11, 175 
Zwanglaufgleichung  184 
Zwangläufig  175 
Zweifachschraubgetriebe  101 
Zweistufige Planetenradsätze  134 
Zylinderfüllung  83 
Zylindrische Verbindung  98