УДК 62.001.63(075.8)

ББК 34.42-5-05я73

446

Черепашков А.А., Носов Н.В.

Компьютерные технологии, моделирование и автома­

тизированные системы в машиностроении: Учеб. для студ.

высш. учеб. заведений. — Волгоград: Издательский Дом

«Ин-Фолио», 2009. — 640 с: илл.

В книге приведены основные понятия и определения методов компьютерного м о ­

делирования, используемые в машиностроении, включая имитационное, физическое,

геометрическое, и н ф о р м а ц и о н н о е и ряд других методов, имеющих важное прикладное

значение. Описаны компьютерные технологии, основанные на применении различных

видов моделирования, в том числе технологии автоматизированного проектирования,

реверсивного инжиниринга и быстрого прототипирования.

Особо отмечена роль моделирования в современных системах автоматизированно­

го проектирования изделий и технологических процессов (САПР). Вводится понятие

комплексной информационной модели и интегрированной информационной среды

( И И С ) , используемых в компьютерных системах, поддерживающих жизненный цикл

изделий машиностроения (PLM).

Учебник освещает перспективные направления развития компьютерных техноло­

гий и промышленных систем, такие как C A L S / И П И - т е х н о л о г и и , виртуальная инжене­

рия и виртуальные предприятия. Наряду с теоретическими разделами в книге акценти­

руется внимание на практическом применении методов компьютерного моделирования

и проектирования при производстве инновационной продукции.

Комплексный учебник предназначен для студентов и бакалавров, магистров и аспи­

рантов технических вузов, изучающих информационные технологии в учебных курсах

компьютерного цикла: «Компьютерная графика», «Компьютерное моделирование», «Осно­

вы САПР», «Прикладная информатика», «Автоматизация управления жизненным циклом

продукции», «Компьютерные технологии» и пр., а также в разделах общетехнических и спе­

циальных курсов, связанных с компьютерным моделированием, автоматизацией проек­

тирования и технологической подготовки производства изделий машиностроения.

Книга также может быть полезна практикующим инженерам, осваивающим совре­

менные компьютерные технологии, преподавателям вузов и средних специальных учеб­

ных заведений в качестве методического обеспечения при переподготовке специалистов

на курсах повышения квалификации и на факультетах дополнительного образования.

УДК62.001.63(075.8)

ББК 34.42-5-05я73

ISBN 978-5-903826-22-3 ©Черепашков А. А.,

Носов Н.В., 2009

© Издательский Дом «Ин-Фолио»,

2009

© Оформление, Издательский

Дом «Ин-Фолио», 2009

ВВЕДЕНИЕ

В средствах массовой информации стало привычным назы­

вать XXI столетие веком всеобщей информатизации и компью­

теризации. Действительно, в настоящее время трудно найти об­

ласть человеческой деятельности, в которой не применялись бы

компьютеры. Особую важность внедрение компьютерных тех­

нологий имеет для развития промышленности и, прежде всего,

машиностроения. Признано, что автоматизированные системы,

используемые в машиностроении, базируются на самых слож­

ных программно-методических комплексах и мощных техниче­

ских средствах [9,17,56].

Автоматизация проектно-конструкторских работ - ровес­

ница вычислительной техники: первые ЭВМ делались в первую

очередь для этой цели [11,37]. Машиностроительные системы

автоматизированного проектирования и технологической под­

готовки производства (САПР, САПР-ТП) отличаются чрезвы­

чайным многообразием и сложностью информационных пото­

ков, программ, алгоритмов и используемых в них компьютерных

моделях [32,38].

Необходимость успешного функционирования промышлен­

ных предприятий в условиях жёсткой конкурентной среды ми­

рового рынка диктует крайне высокие требования к оператив­

ности исполнения заказов и качеству продукции. Решение задач

сокращения сроков технической подготовки производства и по­

вышения качества изделий напрямую связывается с обеспече­

нием эффективной информационной поддержки всех основных

процессов предприятия. Поэтому сегодня в промышленности

ни у кого не вызывает сомнений важность и практическая цен-

3

Введение

западные корпорации. Информационные технологии и ком­

пьютерное моделирование становятся, таким образом, важным

фактором сохранения российского промышленного потенциа­

ла. По данным ведущих российских и мировых аналитических

агентств, в течение последних десятилетий идёт устойчивое уве­

личение вложений промышленных предприятий в И К Т (инфор­

мационные телекоммуникационные технологии) во всем мире

и в том числе в России. Причем в России прогресс И К Т проис­

ходит значительно более высокими темпами, чем даже в эконо­

мически развитых странах [107, 116, 127, 150].

обеспечивающая непрерывное информационное сопровождение

всего жизненного цикла продукции и, главное, производственной

его составляющей, связанной с конструкторской (КПП) и техно­

логической (ТПП) подготовкой производства [17, 24,56,58].

Уровень конкуренции на внешних рынках весьма высок. Что

сегодня необходимо для выигрыша в сроках выпуска и качестве

новой продукции? Точный учёт производственных данных о за­

казах, поставках сырья, комплектующих, инструментах. Нужна

полная и доступная всем службам предприятия информация об

изделии — его составе, геометрии, технологии производства.

Передовая методология информационной поддержки произ­

водства (ИПИ), в англоязычной интерпретации CALS/PLM,

предусматривает полный переход от традиционной бумажной

технической документации к электронным документам и моде­

лям, хранящимся в компьютерных файлах и базах данных.

Современная концепция автоматизации проектирования и

производства предполагает повсеместное внедрение новых про­

мышленных стандартов, основанных на комплексном использо­

вании компьютерного моделирования. Применение электрон­

ных моделей обеспечивает не только существенное ускорение

процессов разработки новых образцов продукции, но и ощути­

мое повышение их качества за счет снижения ошибок и увеличе­

ния точности расчетов. Многократно ускоряется модификация

изделий и внесение исправлений, неизбежных в силу итераци­

онности процессов конструкторского проектирования и техно­

логической подготовки производства.

Не секрет, что российские КБ и заводы по-прежнему оста­

ются «недоавтоматизированными», и им необходимо догонять

4

Таким образом, развитие и повышение эффективности про­

мышленного производства напрямую связывается с внедрени­

ем новых информационных технологий, которое сдерживается,

прежде всего, отсутствием квалифицированных специалистов.

Многолетний опыт сотрудничества с промышленностью, ре­

гулярно проводимое анкетирование и исследования запросов

предприятий позволяют утверждать, что в настоящее время од­

ним из основных требований, предъявляемых к молодым специ­

алистам на производственных предприятиях, в конструкторских

и технологических бюро, является наличие знаний и практиче­

ских навыков применения компьютерных технологий в инже­

нерной деятельности. Современный инженер, востребованный

в конкурентных условиях рыночной экономки, это, прежде все­

го, всесторонне образованный специалист, профессиональная

подготовка которого ориентируется не столько на достижении

прошлого, сколько на запросы будущего. Он должен быть готов

практически использовать изученные в вузе компьютерные ин­

новации и занять достойное его образованию и умениям место

в области высоких технологий.

Для организации результативного учебного процесса по осво­

ению новых компьютерных технологий необходимо иметь не

только самые современные программы и технические средства

промышленного назначения, но и соответствующее их уровню

методическое обеспечение.

Данный учебник представляет собой комплексное методиче­

ское пособие по сквозному циклу компьютерных дисциплин. На­

ряду с теоретическими разделами, в учебном пособии акцентиру­

ется внимание на практическом применении автоматизированных

5

Введение

систем и компьютерных технологий при производстве иннова­

ционной продукции.

Комплексный характер учебника соответствует содержанию

и определенной последовательности учебных курсов в цепочке

непрерывной компьютерной подготовки инженеров машино­

строителей в техническом вузе, что дает возможность постепен­

но и логично сформировать у читателя базовый комплекс пред­

ставлений и знаний. Данная книга включает в себя следующие

основные темы, важные для понимания задач и проблем автома­

тизации проектирования и производства, которые связаны меж­

ду собой не только содержательно, но и в методическом плане.

В первом разделе вводятся ключевые понятия «модель»

и «моделирование», определяется их смысловое и терминоло­

гическое наполнение, обосновывается практическая ценность

и методологическая значимость моделирования в науке и тех­

нике. Обсуждаются цели и возможности применения современ­

ных компьютерных технологий для поддержки математического

моделирования технических объектов и процессов. Приводится

классификация основных методов компьютерного моделирова­

ния, используемых в машиностроении.

Во втором разделе рассматриваются основные положения

имитационного моделирования, определяется роль и место ком­

пьютерной имитации и вычислительного эксперимента в тех­

нических науках и прикладных отраслях. Авторы надеются, что

этот материал особенно будет полезен будущим бакалаврам и

магистрам техники и технологий при написании диссертацион­

ных работ.

Применение компьютерного моделирования для анализа

и синтеза промышленных изделий и технологических процессов

дает возможность не только обоснованно выбрать рациональ­

ный вариант технического решения, но и значительно сократить

сроки реализации технических новаций, уменьшить риски и по­

следствия возможных ошибок. Часто называемое компьютер­

ным инжинирингом прикладное компьютерное моделирование

позволяет отказаться от длительных и опасных натурных испы­

таний, дорогостоящих материальных моделей. В третьем разделе

рассматриваются инженерно-физические модели, которые ис­

пользуются в промышленных автоматизированных системах для

6

Введение

анализа и оптимизации технических объектов (САЕ-системы).

Обсуждаются основные возможности и проблемы применения

в инженерной практике метода конечных элементов (МКЭ), ко­

торый считается одним из самых универсальных (инвариантных)

методов моделирования в САПР, и с успехом используется при

проектировании и оптимизации изделий и процессов в машино­

строении.

В четвертом разделе рассматриваются методы и спосо­

бы геометрического моделирования, наиболее популярного

и распространенного средства автоматизации конструкторско-

технологической подготовки в машиностроении. Действитель­

но, графические изображения являются неотъемлемой частью

технической культуры. Вершиной традиционной (бумажной)

графики стало техническое черчение, в котором стандартизовано

применение графических моделей и обозначений. Машиностро­

ительный чертеж признанно считается языком техники сегодня,

и не потеряет своей актуальности в обозримом будущем. Во всех

машиностроительных САПР в обязательном порядке присут­

ствуют специализированные графические редакторы с различ­

ным уровнем совершенства, реализующие технологии плоской

компьютерной графики. А используемые в них графические мо­

дели прочно заняли свои позиции в учебных курсах «Компью­

терной графики» и «Машиностроительного черчения».

В последние годы, в связи с внедрением и развитием ком­

пьютерной техники и технологий автоматизированного про­

ектирования, повсеместно наблюдается смещение интереса

и приоритетов разработчиков САПР от плоской графики (элек­

тронные технические документы) к объемному геометрическо­

му моделированию (ЗD-модели). В настоящее время объемные

геометрические модели, наиболее полно описывающие структу­

ру технических объектов, выступают в роли основы, ядра ком­

плексной информационной модели изделий машиностроения.

Без объемного геометрического моделирования уже немыслима

работа конструктора и технолога в составе интерактивных систем

автоматизации конструирования и программирования станков

с ЧПУ (CAD/CAM-системы).

Научным основам и практическим аспектам автоматизации

проектирования и технологической подготовки производства

7

Введение

Введение

(САПР) в машиностроении посвящен пятый раздел. Тенденция

развития компьютерных технологий промышленного назначе­

ния заключается в переходе от очаговой (лоскутной) автомати­

зации к созданию комплексных автоматизированных систем,

охватывающих весь цикл работ, производимых в процессе

конструкторско-технологической подготовки производства

(КТПП). Машиностроительные САПР XXI века объединяют

в своем составе целый комплекс компьютерных систем, покры­

вающих практически все задачи, решаемые в процессах К Т П П

(CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM-системы). При работе в составе

комплексных систем автоматизации пользователями создается

множество взаимосвязанных компьютерных моделей различно­

го вида и назначения. Для достижения максимальной эффектив­

ности функционирования САПР, современными стандартами

предусматривается создание электронных моделей уже на самой

ранней стадии разработки и далее их развитие и пополнение не­

прерывно, в течение всего жизненного цикла изделий.

Современные технологии проектирования, разработки и вне­

дрения комплексных автоматизированных систем обсуждают­

ся в шестом разделе. В том числе рассматриваются информа­

ционные модели, а также методы и средства инфологического

и структурно-функционального моделирования автоматизиро­

ванных систем и информационного обеспечения САПР. В на­

стоящее время на передовых промышленных предприятиях ак­

тивно внедряется методология управления жизненным циклом

изделий (CALS/ИПИ/PLM), которая официально принята на

уровне международных и российских стандартов и предполага­

ет создание единого информационного пространства. Вводятся

понятия комплексной информационной модели и интегриро­

ванной информационной среды (ИИС) предприятия, использу­

емых в компьютерных системах, поддерживающих жизненный

цикл изделий (PLM-системы и решения).

Какими бы универсальными и инвариантными не считались

методы инженерного анализа и геометрического моделирования,

но при реализации в прикладном программном обеспечении они

приобретают свои особенности и характерные черты, специфи­

ческие для каждой предметной области. С такой точки зрения

в седьмом разделе рассматривается компьютерное моделиро-

8

вание технологических процессов, реализуемое в специализиро­

ванных подсистемах машиностроительных САПР (CAM/CNS-

системы). Моделирование в технике, изначально основанное на

использовании материальных моделей, на современном витке

эволюции снова вернулось к идеям материального прототи-

пирования изделий. В оригинальных технологиях «Быстрого

прототипирования» (RP-технологии) первичной является уже

компьютерная модель, при помощи которой, с использованием

оригинальных технических средств, автоматически порождается

материальный прототип.

Отличительная особенность этого учебника, собравшего

воедино основные методы и направления компьютерного ин­

жиниринга, состоит в следующем. Мы постарались, с позиции

комплексного применения прикладных методов моделирова­

ния, рассмотреть цели и задачи компьютерных технологий про­

мышленного назначения, дать обобщающую классификацию

и упорядочить основные термины и определения, а также обсу­

дить практические аспекты создания внедрения и использова­

ния систем автоматизированного проектирования и управления

жизненным циклом изделий машиностроения.

Авторы надеются, что такой «концентрированный» способ

изложения материала даст возможность читателю сформировать

целостную картину современного состояния и перспектив при­

менения компьютерных технологий, методов и средств автома­

тизации в промышленности.

В книге приводится сравнительный анализ популярных

прикладных систем и программных комплексов автоматизиро­

ванного проектирования, обсуждаются возможности их прак­

тического использования для комплексной автоматизации

конструкторско-технологической подготовки производства из­

делий машиностроения. В цели авторов не входило составление

исчерпывающего руководства для пользователей многочислен­

ных программных пакетов и комплексов, которое в наиболее

полном виде представлено в технической документации (в том

числе и электронной), поставляемой самими разработчиками

программного обеспечения. Назначение данного учебника —

это обобщение и систематизация научных основ и практиче­

ских достижений в достаточно широкой, но взаимосвязанной

9

Введение

и взаимозависимой области знаний, которую обобщенно можно

назвать промышленной информатикой, а также методическая

поддержка и помощь читателю в освоении методологии и средств

компьютерных технологий промышленной автоматизации.

В приложениях приведены поучительные примеры выполнения

компьютерных проектов, а обширный список литературы, куда

вошли не только книги и публикации, но и адреса электронных

информационных источников, при необходимости позволит

значительно расширить и дополнить актуальным и фактическим

материалом соответствующие разделы учебного пособия.

Книга написана на основе имеющегося опыта подготовки

студентов по компьютерным технологиям на кафедре «Техноло­

гия машиностроения» СамГТУ [67,68,69], а также практического

опыта внедрения компьютерного моделирования при проекти­

ровании и изготовлении изделий на производственном объеди­

нении «АвтоВАЗ» [4] и других ведущих машиностроительных

предприятиях. Профессором Носовым Н.В написано введение,

разделы 1, 7 и подготовлены иллюстрированные приложения

к книге. Автором разделов 1 —6 является доцент Черепашков А.А.

Авторы выражают благодарность ведущему специалисту ОПП

«АвтоВАЗ». Б.В. Бондину, предоставившему материалы для раз­

дела 7, а также всем преподавателям и сотрудникам ФМиАТ

СамГТУ за оказанную помощь и поддержку.

10

Раздел 1. О моделях

И МОДЕЛИРОВАНИИ

В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ

•

Слова «модель» и «моделирование» уже прочно вошли в круг

основных понятий, которыми оперирует практически каждый

современный человек. Изначально появившись как сугубо науч­

ный, термин «модель» (от лат. modulus — мера, мерило, образец,

норма) в настоящее время получил самое широкое распростране­

ние и толкование. Согласно определению, данному в энциклопе­

дии, МОДЕЛЬ — это образ (в том числе условный или мысленный —

изображение, описание, схема, чертёж, график, план, карта и т.п.)

или прообраз (образец) какого-либо объекта или системы объектов

(«оригинала» данной модели), используемый при определённых услови­

ях в качестве их «заместителя» или «представителя» [8].

Среди множества моделей, которыми издревле пользуется

человек, первенство занимают материальные предметы, создан­

ные его физическим трудом. Важнейшую роль в становлении

всей человеческой культуры, включая науку и технику, играют

языковые (вербальные) модели, порожденные силой интеллек­

та и хорошо приспособленые для коммуникации между людьми.

Любой содержательный и связный текст можно рассматривать

как своеобразную модель, способную хранить и передавать ин­

формацию.

С точки зрения информатики под моделью объекта часто по­

нимается его описание в виде текста на некотором языке коди­

рования, содержащее определенную информацию об объекте.

11

Раздел 1. О моделях и моделировании в науке и технике

А языки программирования, разработанные для компьютеров,

можно рассматривать как «универсальные моделирующие систе­

мы» [8].

В естественных науках (например, в физике) моделью назы­

вают «описание» какого-либо объекта или явления на формальном

языке некоторой научной теории. Например, химическую или

математическую формулу, уравнение или систему уравнений,

основные положения научной теории или даже всю теорию

в целом можно назвать моделью [8]. Практическая реализация

и использование фундаментальных научных моделей, создан­

ных в естественных науках для описания законов окружающего

нас материального мира, происходит в прикладных технических

науках.

В технике и строительстве понятие «модель» в течение многих

веков, чаще всего, подразумевало материальный объект:

1) образец, служащий эталоном (стандартом) для серийного или

массового воспроизведения (модель автомобиля, модель одежды

и т.п.), а также тип, марка какого-либо изделия, конструкции;

2) изделие (изготовленное из дерева, глины, воска, гипса

и др.), с которого снимается форма для воспроизведения в другом

материале (металле, гипсе, камне и др.) [8].

До сих пор материальные модели имеют чрезвычайно боль­

шое значение для машиностроения. Однако необходимо отме­

тить, что техническое моделирование, первоначально основан­

ное на использовании материальных моделей, затем графических

изображений и текстовых описаний, на современном витке

эволюции уже немыслимо без математической формализации

и компьютерной реализации. Например, в технологиях «Быстро­

го прототипирования» первичной уже является компьютерная

модель, при посредстве которой, с использованием специальных

технических средств, автоматически порождается материальный

прототип.

В научно-технической литературе можно найти множество

определений термина «модель», которые зависят от научной об­

ласти, подхода, глубины исследований или даже личных при­

страстий автора [1, 2, 32, 34, 41, 52, 74]. Существуют философское

и математическое определение модели. Специфические модели

используют в экономике, биологии, социологии, педагогике и пр.

12