Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы САПР в машиностроении. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
А.А. ЧЕРЕПАШКОВ
ОСНОВЫ САПР
В МАШИНОСТРОЕНИИ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по образованию в области автоматизированного машиностроения
(УМО АМ) в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
«Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств»
Самара
Самарский государственный технический университет
2015
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 621.001(075.8) +658.512(075.8) + 004(075.8)
ББК 34.42я73+32.965я73
Ч-46
Черепашков А.А.
Ч-46 Основы САПР в машиностроении: учеб. пособ. / А.А. Черепашков. –
2-е изд., стер. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2015. – 133 с.: ил.
ISBN 978-5-7964-1808-6
Рекомендуется для студентов, обучающихся по направлению 151900
«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных произ-
водств», в курсах: «Основы компьютерной графики», «Геометрическое моделирование и основы САПР», «САПР ТП», «Компьютерные технологии», а также в других учебных курсах и специализациях машиностроительного профиля.
Может быть использовано в качестве учебного пособия при переподготовке специалистов на курсах повышения квалификации и дополнительного образования.
УДК 621.001(075.8) +658.512(075.8) + 004(075.8)
ББК 34.42я73+32.965я73
Ч-46
Р ец е н з е н т д-р техн. наук, проф. А.А. Калентьев
ISBN 978-5-7964-1808-6
© А.А. Черепашков, 2015
© Самарский государственный
технический университет, 2015
2
ВВЕДЕНИЕ
В средствах массовой информации стало привычным называть
XXI столетие веком всеобщей информатизации и компьютеризации.
Действительно, в настоящее время трудно найти область человече-
ской деятельности, в которой не применялись бы компьютеры. Осо-
бую важность внедрение компьютерных технологий имеет для разви-
тия промышленности, и прежде всего машиностроения. Признано,
что автоматизированные программные комплексы, используемые в
машиностроении, являются одними из самых сложных и развитых
компьютерных систем [1-8].
Автоматизация проектно-конструкторских работ – ровесница вычислительной техники: первые ЭВМ делались в первую очередь для
этой цели [39]. Машиностроительные САПР (в англоязычной транскрипции CAD/CAM/CAE/PDM-системы) отличаются чрезвычайным
многообразием и сложностью информационных потоков, программ,
алгоритмов и используемых в них компьютерных моделей [5-8].
В настоящее время одним из основных требований, предъявляемых к молодым специалистам на производственных предприятиях, в
конструкторских и технологических бюро, является наличие знаний и
практических навыков применения компьютерных технологий в инженерной деятельности. Развитие и повышение эффективности производства напрямую связывается с внедрением новых информационных технологий, которое сдерживается, прежде всего, отсутствием
квалифицированных специалистов. Для решения этой жизненно важной для российской промышленности проблемы в СамГТУ, как и в
других ведущих вузах страны, созданы и успешно функционируют
учебно-производственные центры по подготовке и переподготовке
специалистов в области промышленной информатики.
Организованный в СамГТУ центр компьютерного проектирования
позволяет студентам осуществлять виртуальное проектирование машиностроительных изделий на самых совершенных программных продуктах, лидирующих на отечественном и зарубежных рынках ПО. Успешная работа центра компьютерного проектирования поддерживается ве-
3
дущими фирмами – интеграторами и производителями САПР. Центр
оснащен парком современных автоматизированных рабочих мест на
базе машиностроительных САПР различного класса и назначения. В
компьютерных лабораториях центра установлены учебные и промышленные версии наиболее востребованных на машиностроительных
предприятиях региона автоматизированных систем: КОМПАС,
ВЕРТИКАЛЬ, ЛОЦМАН (АСКОН) [9], UNIGRAPHICS (Simens PLM
software) [10], SOLIDWORKS (Dassault Systemes) [11], ANSYS (Ansys
Inc.) [12], POWER SOLUTION (Delcam plc.) [13] и ряд других лицензи-
онных прикладных программ и систем.
Центр авторизирован фирмами АСКОН (Россия) и Delcam (Вели-
кобритания). Наличие на кафедре «Технология машиностроения»
разветвленной сети отделений и базовых кафедр на территории промышленных предприятий («АвтоВАЗ», «Волгабурмаш», СПЗГРУПП, завод «Прогресс» и пр.) позволяет поддерживать прямые
связи с ведущими машиностроителями и проводить мониторинг использования средств автоматизации, объективно оценивать запросы
производства, качество подготовки специалистов и выпускников.
Преподаватели и студенты кафедры имеют возможность проходить
стажировки как у самих разработчиков, так в их филиалах.
Для организации результативного учебного процесса по освоению
современных компьютерных технологий должны использоваться не
только самые современные программы и технические средства промышленного назначения, но и соответствующее методическое обеспечение.
Данное учебное пособие является частью комплекса методических
указаний, пособий и материалов по компьютерным технологиям, моделированию и автоматизированным системам в машиностроении, подготовленных автором на кафедре «Технологии машиностроения» СамГТУ.
Тематика этой книги перекликается с содержанием пособия
«Компьютерная графика и геометрическое моделирование в машиностроении» и опирается на изложенный в нем материал. Действительно, графические изображения и модели уже стали неотъемлемой частью технической культуры. В настоящее время в связи с внедрением
компьютерных технологий повсеместно наблюдается переход от бу-
4
могоориентированной плоской графики (2D) к объемному (3D) геометрическому моделированию. Геометрические компьютерные модели являются одними из самых универсальных и широко используются в комплексе с другими видами моделирования в современных системах автоматизированного проектирования.
Тенденция развития компьютерных технологий промышленного
назначения заключается в переходе от очаговой (лоскутной) автоматизации отдельных рабочих мест и отделов к созданию комплексных автоматизированных систем уровня предприятия или даже целой корпорации. Машиностроительные САПР объединяют в своем составе взаимосвязанный комплекс подсистем, покрывающих практически все задачи,
решаемые в процессах конструкторско-технологической подготовки
производства (CAD/CAM/CAE/PDM-системы). Вопросы интеграции автоматизированных систем и технологий с целью создания на предприятии комплексной системы управления жизненным циклом изделий
(PLM-системы) будут рассмотрены в следующем пособии цикла.
В данном учебном пособии изложены основные понятия, термины и определения систем автоматизированного проектирования, преимущественно используемых в машиностроении. Приведены ретроспективный обзор истории развития, состав средств обеспечения и
классификация машиностроительных САПР.
Описываются и обсуждаются научные основы, международные и
отечественные стандарты построения и использования автоматизированных систем проектирования и управления жизненным циклом изделий.
Приводится ряд характерных примеров реализации комплексных
САПР из числа наиболее распространенных в России и мире прикладных систем автоматизации проектирования и технологической
подготовки производства машиностроительной продукции.
Наряду с теоретическими разделами, в учебном пособии акцентируется внимание на практическом применении автоматизированных систем и компьютерных технологий при производстве инновационной продукции.
Задачей книги является не составление исчерпывающего руководства для пользователей многочисленных программных пакетов и
5
комплексов, а систематизация основ автоматизированного проектирования, методическая поддержка и помощь читателю в освоении методологии и теоретической базы компьютерных технологий промышленной автоматизации. Приводится сравнительный анализ прикладных систем и рассмотрение возможностей их практического использования для комплексной автоматизации конструкторскотехнологической подготовки производства изделий машиностроения.
Цикл взаимосвязанных пособий не только соответствует после-
довательности учебных курсов в цепочке непрерывной компьютерной подготовки инженеров-механиков, но и призван дать возможность читателю сформировать целостную картину современного состояния и перспектив применения компьютерных технологий, методов и средств автоматизации в промышленности. А обширный список
литературы, куда вошли не только книги и публикации, но и адреса
электронных информационных источников, при необходимости позволит расширить и методически дополнить материал пособия.
1. РОЛЬ И МЕСТО САПР В ОБЩЕМ КОМПЛЕКСЕ ЗАДАЧ
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ПРОИЗВОДСТВА
И УПРАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ ИЗДЕЛИЙ
Компьютерные технологии, относящиеся к информационной, не-
осязаемой, виртуальной составляющей деятельности человека, уже
заметно повлияли на облик современной цивилизации в целом и материального производства в частности.
В настоящее время общепризнанным фактом является невозмож-
ность проектирования и изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, автомобилей, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения компьютеров. Автоматизированные системы не только повышают эффективность, но и
значительно изменяют содержательную сторону всех бизнеспроцессов машиностроения, оказывая существенное влияние на способы проектирования, технологию и организацию производства.
6
Многие современные автоматизированные линии и станки с ЧПУ
уже нельзя эксплуатировать, опираясь только на традиционные методы и подходы. При использовании цифровых систем управления оборудованием компьютеры и программное обеспечение становятся
неотъемлемой частью технологической цепочки на машиностроительном предприятии. Поэтому без создания специальных промышленных автоматизированных систем теряют смысл инвестиции в дорогостоящие средства производства, измеряемые миллионами, а порой и миллиардами рублей.
Несмотря на свою относительную молодость и новизну, системы автоматизированного проектирования уже прошли длительный путь совершенствования и метаморфоз. Всего за несколько десятилетий они стремительно развились от утилитарных программ и лабораторных образцов до
полноценной отрасли промышленного программного обеспечения и соответствующей ей области компьютерных наук.
Концепции разработки, внедрения и интеграции автоматизированных систем, методы моделирования и проектирования, алгоритмы
численных расчетов, оптимизация и многие другие компьютерные
технологии, реализованные сейчас в математическом, информационном, программном, организационном и других видах обеспечений
САПР, в свое время потребовали выполнения большого объема исследований и экспериментов. Все это нашло свое место и отражение
в теоретическом и практическом арсенале САПР как науки.
Развитие и совершенствование систем автоматизированного проектирования, которые активно продолжают культивироваться во всех
индустриально развитых странах мира, дают ощутимые результаты.
Со стремительным прогрессом компьютерной техники и технологий
значительно изменяются в положительную сторону показатели экономической эффективности автоматизированных систем. Многократное удешевление электроники заметно даже на бытовом уровне. Программное обеспечение становится все более мощным и функционально полным без заметного увеличения стоимости, а в ряде случаев
и более доступным для пользователей за счет увеличения тиражей и
использования промышленных методов разработки.
7
Все более критичным для прогресса промышленности становятся
наличие развитой системы подготовки специалистов по промышленным компьютерным технологиям и уровень их подготовки. В экономически развитых странах в свое время были сделаны серьезные изменения в системе образования с учетом происходящей компьютеризации промышленности. И на сегодня практически все учебные заведения технического профиля в США и Западной Европе имеют в своих учебных программах практикумы по основам автоматизированного проектирования. Так, например, одними из мировых лидеров в области промышленных компьютерных технологий являются ведущий
технический университет США - Массачусетский технологический
институт (MIT) [14], а также Колумбийский университет [15] и Университет Пурдью (штат Индиана) [16], университеты Кембриджа [17]
и Бирмингема [18] в Великобритании и многие другие известные
центры образования и науки. В России большое внимание развитию
САПР уделяют в МГТУ им. Баумана [19, 1], в Московском станкоинструментальном (СТАНКИН) [20, 7], МАИ [21], МАТИ [22], Брянском техническом [23] и Ивановском энергетическом университетах
[24], СГАУ [25], СамГТУ и ряде других ведущих вузов страны.
В настоящее время многие научные методы и рекомендации по
созданию и эксплуатации автоматизированных систем проектирования доведены до уровня промышленных стандартов. Они формализованы, описаны и официально приняты на международном и государственном уровнях в виде руководящих документов, методик и регламентов [31-38].
По своему классическому, стандартному определению автома-
тизированное проектирование является сложным информационным
процессом взаимодействия проектировщиков и средств автоматизации. Причем за человеком остаются самые ответственные, интел-
лектуальные функции, такие как постановка задач и принятие решений, которые не могут быть выполнены с помощью формальных математических методов.
Современные системы автоматизированного проектирования
поддерживают целый комплекс инженерных работ на нескольких
8
ключевых этапах жизненного цикла изделия (ЖЦИ) – в процессах
проектирования, конструкторско-технологической подготовки производства и составляют основу интегрированных систем управления
ЖЦИ машиностроительного предприятия (PLM-систем).
Разработка и техническая подготовка производства изделий машиностроения предусматривает выполнение определенной стандартами
последовательности взаимосвязанных процессов [7-8]. К основным процессам приято относить конструкторское и технологическое проектирование (КТПП). Вспомогательными, но не менее необходимыми процессами считают организацию информационной поддержки КТПП (корпоративные справочники, технические архивы, документооборот) и управление бизнес-процессами промышленного предприятия.
В настоящее время под термином «машиностроительная САПР»
у нас в стране [1-3, 6-8] и за рубежом [2, 5] однозначно подразумевается комплексная автоматизированная система, состоящая как минимум из CAD/CAM/CAE/PDM-подсистем.
CAD-системы (Computer-Aided Design – компьютерная поддерж-
ка конструирования) предназначены прежде всего для решения конструкторских задач и автоматизации оформления проектноконструкторской документации. Современные универсальные CADсистемы позволяют выполнять в интерактивном режиме как 2D, так и
3D-геометрическое моделирование деталей и сборок, а также разрабатывать на основе геометрических моделей полный комплект технической документации: чертежи, спецификации, ведомости и т. д.
Сюда же относятся и многочисленные проблемно-ориентированные
программы и подсистемы, автоматизирующие частные задачи проектирования (моделирование деталей, изготавливаемых из листовых
материалов, объемной штамповки, трассировки трубопроводов, расчеты типовых изделий и их элементов – тел вращения, пружин, зубчатых соединений и т. д.).
CAM-системы (Computer-Aided Manufacturing – компьютерная
поддержка изготовления) предназначены в основном для проектирования процессов обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и генерации программ для этих стан-
9
ков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, токарных, шлифовальных
и др.) [2, 3]. К СAM-системам обычно относят и другие компоненты
САПР, решающие многочисленные проблемно-ориентированные задачи технологической подготовки производства (моделирование и
расчет заготовок, траекторий и режимов резания, вычисление параметров типовых техпроцессов и т. д.) [6-8].
САЕ-системы (Computer-Aided Engineering – компьютерная под-
держка инженерного анализа), как правило, реализуют универсальные подходы метода конечных элементов, с помощью которого можно проводить моделирование и численные расчеты практически любых физических полей [12, 46]. К CAE можно отнести обширный
класс подсистем, каждая из которых позволяет автоматизировать
определенную инженерную задачу (класс однородных задач): от расчетов на прочность, анализа аэро-, гидро-, термодинамических процессов – до моделирования функционирования машин и механизмов,
расчетов процессов литья, штамповки и пр.
CAPP (CAAP)-системы (Computer-Aided Process Planning (As-
sembly Planning) – компьютерная поддержка планирования техноло-
гических процессов (процессов сборки). Предназначены для проектирования технологических процессов, трудового и материального
нормирования и разработки технологической документации. Эти системы совместно с компонентами CAD/CAM/CAE-систем составляют
современную основу САПР ТП.
PDM-системы (Product Data Management – управление данными
о продукте) предназначены для интеграции и хранения комплексной
информационной модели изделия, включая геометрические и инженерно-физические модели, исходные данные и результаты расчетов,
чертежи, программы для станков с ЧПУ, другие конструкторские и
технологические документы, результаты измерений и контроля, материалы системы качества и т. д.
Наклонные линии в аббревиатуре CAD/CAM/CAE/PDM, скорее,
не делят, а объединяют подсистемы САПР. Интеграция и комплексное использование инженерных подсистем являются магистральным
путем развития современных систем автоматизированного проекти-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]