САПР конструктора машиностроителя

УДК 621
ББК 34.42

Б49

Рецензенты:

В.Г. Якухин — доктор технических наук, профессор;
М.А. Босинзон — доктор технических наук, профессор Московского
государственного открытого университета (МГОУ)

Берлинер Э.М., Таратынов О.В.

Б49
САПР конструктора машиностроителя : учебник / Э.М. Берлинер,

О.В. Таратынов. — М. : ФОРУМ : ИНФРАМ, 2019. — 288 с. : ил. —
(Высшее образование. Бакалавриат).

ISBN 9785000910429 (ФОРУМ)
ISBN 9785160107288 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161027356 (ИНФРАМ, online)

В учебнике приведены основные сведения по различным аспектам применения САПР в машиностроительном производстве. Дана классификация
САПР. Рассмотрены различные виды обеспечения САПР: техническое,
программное, информационное, лингвистическое, организационное и
правовое, вопросы, связанные с применением САПР в машиностроении,
с моделированием изделия и процесса его сборки.

Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.05 «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств (Технология
машиностроения)» и 15.03.01 «Машиностроение (Сварочное производство.
Обработка металлов давлением)», также будет полезен студентам учреждений среднего профессионального образования и инженернотехническим
работникам.

УДК 621
ББК 34.42

ISBN 9785000910429 (ФОРУМ)
ISBN 9785160107288 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161027356 (ИНФРАМ, online)

© Берлинер Э.М., Таратынов О.В., 2014
© Издательство «ФОРУМ», 2014

Введение

В условиях рыночной экономики и активной конкуренции особую остроту для промышленных предприятий приобретает проблема
регулярного обновления производимой продукции, выпуска новых,
более совершенных модификаций уже разработанных изделий для
удовлетворения запросов максимального количества потребителей.
Растущая сложность и точность изделий машиностроения, необходимость повышения качества разработки проектов и сокращения
сроков проектирования заставляют машиностроителей все шире применять системы автоматизированного проектирования (САПР).
С помощью САПР выполняется разработка чертежей, производится трехмерное моделирование изделия и процесса его сборки, проектируются технологический процесс изготовления деталей, вспомогательная оснастка, например штампы и прессформы, составляются
технологическая документация и управляющие программы для станков с числовым программным управлением, ведется архив, отслеживается жизненный цикл изделия с момента зарождения идеи создания
нового изделия до его проектирования, эксплуатации и утилизации.
САПР позволяет согласовать замысел конструктора с различными службами, сократить время освоения новой продукции.
Применение САПР позволяет увеличить скорость выполнения
графических и расчетных работ, сократить сроки подготовки нового
производства, повысить эффективность проектирования и создания
документации. Современные системы автоматизированного проектирования облегчают коллективную работу над проектом большого числа исполнителей, которые могут находиться в различных точках земного шара.
Широкому внедрению САПР способствуют потребность предприятий и организаций по применению систем, обеспечивающих
комплексную автоматизацию всех конструкторских и технологических работ, необходимость сокращения сроков выпуска нового изделия, рост требований к качеству выпускаемых изделий.
Национальный научный фонд США назвал появление систем автоматизированного проектирования самым выдающимся событием с
точки зрения повышения производительности труда со времен изобретения электричества.
Отметим, что доходы промышленности, связанные с применением САПР, измеряются десятками миллиардов долларов. Эксперты
CIMdata предсказывают значительный рост доходов от применения
САПР и оказания услуг в области САПР в ближайшие годы.
В первой главе учебника приведены основные сведения об истории применения САПР в машиностроении, рассмотрены три уровня
(класса) САПР, виды обеспечения САПР: техническое, программное,
информационное, лингвистическое, организационное и правовое.
приведена классификация САПР.
Во второй главе рассмотрены современные пакеты САПР, возможности, предоставляемые САПР при построении различных типов
поверхностей, объемных моделей, показаны преимущества трехмерного (твердотельного) моделирования. Изложена практика применения САПР при создании фотореалистичного изображения внешнего
вида изделия, виртуальной реальности, разработке интерактивных
электронных технических руководств.
В третьей главе содержатся сведения о проектировании процесса
сборки изделий, создании семейства сборок, о генерации конструкторских спецификаций сборочных единиц. Рассмотрены возможности специальных модулей, позволяющих выполнить анализ сборочного узла, прогнозировать различные варианты поведения операторов в процессе работы, приведены сведения о применении манекенов
для прогнозирования.
В четвертой главе рассмотрены программы инженерного анализа,
применяемые в САПР. Приведены названия и рассмотрены возможности наиболее известных программ инженерного анализа многокомпонентных механических систем.

4
Введение

Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О САПР

Применение современных систем автоматизированного проектирования (САПР) совершило революцию в промышленности. САПР
сократили объем ручного труда, повысили точность и качество проектов, уменьшили количество ошибок и увеличили производительность
разработчиков.

Основные направления применения САПР

Современные САПР предоставляют широкие возможности моделирования будущего изделия. Они включают несколько направлений:
• машиностроительные
САПР
(англ.
MCAD
—
Mechanical
СomputerАided Design) применяют в автомобилестроении, судостроении, авиакосмической промышленности, производстве
железнодорожного подвижного состава, товаров народного потребления. Они обеспечивают разработку деталей и сборок (механизмов) с использованием параметрического проектирования на основе конструктивных элементов, технологий поверхностного и объемного моделирования. MCAD могут содержать
пакеты, представляющие собой отдельные приложения.
С помощью машиностроительных САПР ведется разработка деталей и сборок.
• САПР электронных устройств, электрических схем, электроснабжения, радиоэлектронных средств, интегральных схем, печатных плат и т. п. (англ. EDA — Electronic Design Automation или
ECAD — Electronic ComputerAided Design);
• САПР в области архитектуры и строительства (англ. AEC CAD —
Architecture, Engineering and Construction ComputerAided Design или

CAAD — ComputerAided Architectural Design) используют для проектирования зданий, промышленных объектов, дорог и мостов,
планирование территорий под строительство;
• САПР ГИС (географических информационных систем) включает программное обеспечение, с помощью которого можно
хранить информацию о какомлибо географическом участке.
Геоинформационные системы могут использовать графические
данные совершенно разных форматов. Так, при создании ГИСмоделей используется растровая и векторная графика.
Самостоятельную
ветвь
представляют
специализированные
САПР. Примерами таких систем являются САПР летательных аппаратов, САПР электрических машин, САПР больших интегральных
схем (БИС), САПР постройки и модернизации корабля и т. п.
Предлагаемые пользователю пакеты САПР могут иметь дополнительные конфигурации, например, наряду с машиностроительной —
строительную и приборостроительную (КОМПАС3D Home).
Поставщики САПР на протяжении многих лет добавляют отраслевые приложения к своим системам. Исторически судостроители
применяли САПР, специально разработанные для данной отрасли.
Это — Tribon (Aveva), CADDS (PTC), IntelliShip и ISDP (Intergraph).
Dassault Systemes разработала для судостроения специальное решение на базе систем CATIA и Enovia, пользующееся сейчас популярностью. Проникновению французской компании в этот сегмент
способствуют тесные связи, которые корпорация IBM (стратегический партнер Dassault) имеет с ведущими судостроителями США.

История применения САПР в машиностроении

Машиностроительные системы автоматизации проектирования
(САПР) имеют пятидесятилетнюю историю. Первые системы, автоматизирующие выполнение графических работ в машиностроении,
появились в 60—70х гг. ХХ в. Компьютерное черчение на базе компьютерной модели «блокнота для рисования» (Sketchpad) предложил в
1963 г. Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland), студент Массачусетского
технологического института (MIT). В качестве инструмента он использовал световое перо. В это же время были созданы средства для
изображения линий, окружностей и кривых на экране монитора с помощью макрокоманд и интерфейсов прикладного программирования.

6
Глава 1. Общие сведения о САПР

Патрик Хэнретти (Patrick J. Hanratty) довел до коммерческой реализации методы каркасного и поверхностного моделирования. Базовые идеи были разработаны им в 1961—1964 гг. в процессе выполнения проекта DAC (Design Augmented by Computer) для General Motors.
Он основал компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS).
CAD/CAMсистема ADAM (Automated Drafting and Machining) стала
первым ее продуктом. В 1973 г. ADAM приобрела компания United
Computing (ныне Siemens Product Lifecycle Management (PLM)
Software Inc.). По мнению аналитиков, идеи, предложенные этой компанией, послужили основой для разработки современных САПР.
Первые САПР представляли собой электронные кульманы и заменяли конструктору чертежную доску и карандаш. Они появились в
70х годах ХХ в. В 1979 г. был разработан формат IGES (Initial Graphic
Exchange Standard). Он широко применяется для передачи информации о сложных поверхностях, таких как NURBS.
Дальнейшее развитие системы автоматизированного проектирования относится к 80м гг. ХХ в., когда получил широкое распространение персональный компьютер. В это время появились системы
проектирования обработки деталей на станках с числовым программным управлением CAM (Computer Aided Manufacturing), расчетные
системы CAE (Computer Aided Engineering), предназначенные для инженерного анализа сложных конструкций, и многие другие специализированные приложения, основанные на работе с электронными
чертежами.
В 1981 г. была основана компания CATIA, в 1982 г. — Autodesk
(ADSK), которая занялась разработкой графических пакетов AutoCAD
для персональных компьютеров. Уже к 1987 г. было продано 100 тыс.
копий этих пакетов (в настоящее время количество проданных копий
пакетов компании Autodesk исчисляется миллионами).
В 1987 г. компанией ADEM была выпущена первая версия системы CherryCAD (Сherry — аббревиатура слов чертить, рисовать), главным отличием которой был иконный интерфейс, устранявший необходимость длительной подготовки пользователей. Система оказалась
настолько удачной, что стала лидером по продажам в СССР среди
всех отечественных и зарубежных CADсистем.
Двумерное проектирование активно развивалось до середины
1990х гг. Системы двумерного проектирования обзавелись большим
количеством приложений, библиотек, надстроек, позволивших максимально автоматизировать и упростить большинство чертежных заИстория применения САПР в машиностроении
7

дач: простановку размеров, шероховатостей и отклонений формы,
разработку спецификаций, написание технических требований, создание штампов и рамок, определяющих габаритные размеры чертежного листа. Работу пользователя облегчили инструментальные панели, положение и состав которых он могут изменять по своему усмотрению.
Многооконный графический пользовательский интерфейс с широким использованием пиктограмм позволил одновременно редактировать несколько чертежей, быстро осуществлять обмен данными
между ними.
Появление электронных кульманов упростило и расширило потенциал для создания библиотек. Возможность иметь общие и собственные архивы, отсутствие ограничений на копирование, автоматизация некоторых рутинных процессов (штрихование, масштабирование, позиционирование и т. п.) — все это мгновенно было оценено
конструкторами.
В 1977 г. в компании Dassault начались разработки трехмерной
интерактивной программы, которая стала предшественницей CATIA
(ComputerAided ThreeDimensional Interactive Application).
В начале 1980х гг. произошло расслоение рынка CADсистем на
специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CADсистем разделились на отрасли ECAD и MCAD.
В 1987 г. был представлен пакет Pro/Engineer параметрического
твердотельного моделирования, разработанный компанией PTC.
Главными достижениями новых разработок было следующее:
• использование трехмерного черчения, позволяющего создать
точную компьютерную модель проектируемого изделия, избежать ошибок, возникающих в двумерном черчении. 3Dмодели
значительно сокращают сроки работы над проектом;
• применение эффективной технологии параметрического моделирования.
В 80х годах XX в. персональные компьютеры были 16разрядными, и их мощности хватало лишь для двумерных построений — черчения и создания эскизов. В последние годы широкое распространение
получили 64разрядные системы черчения. По сравнению с 32разрядными процессорами они могут оперировать большими значениями чисел и делать вычисления с большей точностью.
Конкуренция 80х гг. ХХ в. способствовала совершенствованию
программных продуктов, увеличению их функциональных возможно8
Глава 1. Общие сведения о САПР

стей и производительности, широкому внедрению средств коллективной работы над проектом конструкторов, технологов, экономистов и
работников других служб. Были разработаны новые технологии, которые полностью изменили методологический подход к процессу проектирования.
В 1987 г. компания 3D Systems (США) выпустила первые стереолитографические машины (Stereo Litographics Apparatus — SLA), позволившие автоматизировать выпуск по чертежам сложных трехмерных объектов, полученных в результате избирательного отверждения
поверхностного слоя фотополимера при освещении ультрафиолетовым светом. Полученные на стереолитографических машинах образцы хорошо воспроизводят мелкие детали и имеют достаточно ровную
поверхность. Они изготавливаются с точностью до десятых долей
миллиметра.
Стабильный рост производительности персональных компьютеров в начале 1990х гг. дал толчок развитию относительно недорогих
приложений для трехмерного моделирования. Появление таких программных пакетов сделало технологию 3D доступной для простых
пользователей.
В 1995 г. начинающая компания SolidWorks, выпустив пакет
SolidWorks95 под лозунгом «80 % функционала Pro/Engineer за 20 %
цены», заложила основы массового применения 3D подходов в машиностроении, вовлекая в этот процесс компании среднего и малого
бизнеса.
Основополагающей частью CAD стало использование трехмерных моделей, которые позволяют создать точную компьютерную модель проектируемого изделия. 3Dмодели значительно сокращают
сроки работы над проектом. К началу 90х гг. ХХ в. средняя цена рабочего места САПР снизилась до 20 тыс. долл. США, и оно стало доступнее. Системы обзавелись большим количеством приложений,
библиотек, надстроек, позволивших максимально автоматизировать
и упростить большинство чертежных задач.
В 1993 г. было выпущено программное обеспечение CATIA, которое обеспечило возможность трехмерного проектирования изделий,
создания их фотореалистичных изображений, позволило провести
инженерный анализ деталей или сборок. Понастоящему массовым
3Dмоделирование стало в середине 1990х гг., когда такие работы
стали выполнять на персональных компьютерах. Параметрические
сборочные чертежи, ассоциативные связи позволили автоматизироИстория применения САПР в машиностроении
9

вать получение рабочих чертежей отдельных деталей при изменении
габаритов узла.
В 1996 г. компания Unigraphics (сейчас Siemens PLM Software) выпустила пакеты, позволяющие контролировать взаимодействие деталей в сборочном узле. В это же время появились специализированные
приложения, основанные на работе с данными, предоставляемыми
CADсистемами:
• инженерных расчетов (англ. CAE — ComputerAided Engineering), позволившие конструктору, не имеющему профессиональной подготовки по таким дисциплинам, как математика,
детали машин, сопротивление материалов, теория пластичности, теплофизика, производить анализ поведения разрабатываемой конструкции в различных условиях и получать наилучшее решение по заданным критериям;
• средства технологической подготовки производства изделий с
применением компьютера (англ. CAM — СomputerАided Manufacturing).
Итогом широкого внедрения CADсистем в различные сферы инженерной деятельности явилось то, что около 40 лет назад Национальный научный фонд (National Science Foundation, NSF) США назвал появление CADсистем самым выдающимся событием с точки
зрения повышения производительности труда со времен изобретения
электричества.
Параллельно развивались системы управления централизованным архивом информации (PDM — Product Data Management), которые обеспечивают автоматизацию движения документов между
пользователями. В пакеты САПР стали включать базы данных и базы
знаний.
В конце минувшего тысячелетия IBM разработала новую концепцию — PLM (Product Lifecycle Management), которой повезло значительно больше, чем CALSи CIMтехнологиям, и спрос на PLMпродукты стал расти невзирая на спады и кризисы мировой экономики.
Основное назначение PLMтехнологий — объединение и эффективное взаимодействие изолированных участков автоматизации, образовавшихся в результате внедрения различных систем — CAD/CAM/
CAE/PDM (EKM/SLM/SPM/PSM/ESM)/PLM и ERP, MES, SCM и
CRM, — в рамках единого информационного пространства, а также
для реализации сквозного конструкторского, технологического и
коммерческого циклов производства.

10
Глава 1. Общие сведения о САПР

В рамках единого информационного пространства PLMтехнологии объединяют усилия различных специалистов (конструкторов, инженероврасчетчиков, технологов, менеджеров проектов и др.) для
своевременного достижения поставленных целей. PLMтехнологии
интегрируют процессы, бизнессистемы и разнообразные потоки информации об изделии, что позволяет компаниям более эффективно
использовать интеллектуальное богатство, накопленное за годы проектирования и производства продукции.
Машиностроение входит в число отраслей промышленности,
наиболее сильно подверженных влиянию процесса глобализации.
Известные всему миру производители машин открывают свои филиалы на разных континентах, в разных странах. На заводах и в проектных организациях создают единое информационное пространство, в
котором системы CAD/CAM/CAE взаимодействует с системами
управления информационными потоками и предприятием (ERP).

Классификация САПР

Система автоматизированного проектирования — комплекс
средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом
специалистов (пользователей системы), выполняющий автоматизированное проектирование (ГОСТ 34.003—90). Проектирование —
процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания данного объекта и (или) алгоритма его функционирования.
Проектирование является сложным творческим процессом целенаправленной деятельности человека, основанным на глубоких научных знаниях, использовании практического опыта и навыков в определенной сфере. Объектами проектирования в САПР могут быть здания, сооружения, металлорежущие станки и т. д., в САПР ТП —
технологические процессы.
Автоматизированное проектирование — проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ. Функции между человеком и ЭВМ должны быть рационально распределены. Человек должен решать задачи творческого

Классификация САПР
11