САПР технологических процессов

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 2627

Кафедра горного оборудования, транспорта и машиностроения

Н.В. Сурина

САПР технологических 
процессов

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета

Москва  2016

УДК 622
 
С90

Р е ц е н з е н т

д-р техн. наук, проф. В.А. Тимирязев (МГТУ «Станкин»)

Сурина Н.В.

С90  
САПР технологических процессов : учеб. пособие / Н.В. Су
рина. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 104 с.

ISBN 978-5-87623-959-4

Рассмотрены вопросы автоматизации технологического проектирования, 

ее место среди других автоматизированных систем в условиях различных типов производства.

Предназначено для студентов, обучающихся по дисциплине «САПР техно
логических процессов», для самостоятельной работы и выполнения дипломных работ.

УДК 622

 Н.В. Сурина, 2016

ISBN 978-5-87623-959-4
 НИТУ «МИСиС», 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................4
1. Место систем автоматизированного проектирования 
технологических процессов среди других автоматизированных 
систем .........................................................................................................5
2. Системный подход к проектированию.............................................. 11
3. САПР технологической подготовки производства ..........................16
4. Основы автоматизации проектирования ...........................................20

4.1. Принципы автоматизации процесса принятия решений ............ 20
4.2. Принципы автоматизации технологической подготовки 
производства ........................................................................................... 22
4.3. Пути автоматизированного проектирования 
технологических процессов .................................................................. 28

5. Основные понятия САПР ТП .............................................................29

5.1. Задачи САПР ТП ............................................................................. 29
5.2. Состав и структура САПР .............................................................. 29
5.3. Основные средства обеспечения САПР ТП ................................. 32
5.4. Организация работы САПР ТП ..................................................... 50

6. Методы автоматизированного проектирования 
технологических процессов ...................................................................51

6.1. Повторное использование единичных технологических 
процессов ................................................................................................ 51
6.2. Проектирование технологических процессов на основе 
методов типизации. Метод анализа ..................................................... 52
6.3. Синтез технологического процесса обработки деталей ............. 59

7. САПР ТП в условиях различных типов производств ......................64

7.1. САПР ТП в условиях единичного и мелкосерийного 
производства ........................................................................................... 64
7.2. САПР ТП в условиях среднесерийного производства ............... 65
7.3. САПР ТП в условиях крупносерийного и массового 
производства ........................................................................................... 65

8. Оптимизация технологических процессов .......................................67

8.1. Параметрическая оптимизация ..................................................... 69
8.2. Структурная оптимизация ............................................................. 72

9. Выбор заготовок деталей с использованием ЭВМ ..........................75
10. Автоматизация проектирования технологических процессов 
сборки .......................................................................................................79
Библиографический список ...................................................................... 84
Приложения .............................................................................................85

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроение – важнейшая отрасль промышленности. Темпы 

перевооружения промышленности новой техникой во многом зависят 
от уровня развития машиностроения. Причем технический прогресс 
определяется не только совершенствованием конструкции машин, но 
в значительной степени и совершенствованием технологии их производства. Повышение производительности труда технологов, качества 
разрабатываемых ими решений, сокращение сроков технологического проектирования в настоящее время невозможны без применения 
автоматизации проектных работ на основе широкого использования 
вычислительной техники.

Цель автоматизации технологического проектирования – это по
вышение качества, сокращение материальных затрат и сроков проектирования, ликвидация тенденции к увеличению численности проектировщиков, повышение производительности их труда.

1. МЕСТО СИСТЕМ 

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

ПРОЦЕССОВ СРЕДИ ДРУГИХ 

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Интенсивное развитие наукоемкой промышленности индустри
ально развитых стран мира в последние годы обеспечивается разработкой и внедрением информационных технологий. 

Информационные технологии, наряду с прогрессивными техноло
гиями машиностроительного производства, позволяют существенно 
повысить производительность труда, качество выпускаемой продукции одновременно со значительным сокращением сроков ввода в производство и выпуска новых, более совершенных изделий.

Основным способом повышения конкурентоспособности изделия 

является повышение эффективности процессов его жизненного цикла, которая зависит от эффективности управления материальными, 
финансовыми, кадровыми и информационными ресурсами.

Информация занимает значительное место на всех этапах жизнен
ного цикла изделия. Поэтому проблема развития и эффективного использования информационных ресурсов является наиболее актуальной.

В настоящее время для решения задач сокращения сроков проек
тирования и выпуска новой продукции применяются отдельные системы автоматизированного проектирования:

– конструкторские CAD (Computer Aided Design) для создания, 

изменения, хранения и вывода чертежей, а также создания и использования трехмерных моделей;

– технологические CAM (Computer Aided Manufacturing) для кон
троля и управления производством, подготовка технологической документации, проектирование программ для станков с ЧПУ (см. приложение 4) и т.д.;

– автоматизированные системы инженерных расчетов CAE

(Computer Aided Engeneering) для проектных расчетов.

Все эти средства созданы на многих вычислительных платформах 

и в различных языковых средах, как правило, не совместимых между 
собой, имеют свой формат представления данных, что определяет их 
автономное использование. Все это приводит к снижению эффективности работы.

Рис. 1.1. Примеры программного обеспечения этапов жизненного 

цикла изделия

Чтобы решить эти проблемы, необходимо интегрировать систе
мы в единый комплекс. Эта идея привела к выработке стратегии, направленной на создание единого информационного пространства или 
интегрированной информационной среды (ИИС), охватывающей все 
этапы жизненного цикла изделия.

Жизненный цикл изделий включает ряд этапов начиная от зарож
дения идеи нового продукта до утилизации по окончании срока его 
использования. К ним относятся этапы проектирования, технологической подготовки производства (ТПП), собственно производства, 
реализации продукции и ее утилизации. На всех этапах жизненного 
цикла необходимо реализовать поставленные цели с максимальной 
эффективностью. Это сложно сделать без использования САПР.

На рис. 1.1 представлены примеры программного обеспечения эта
пов жизненного цикла изделия.

Для решения проблем совместного функционирования компонен
тов САПР различного назначения, координации работы систем CAD/
CAE/CAM, управления проектными данными и проектированием разрабатываются системы PDM (Product Data Management) – управления проектными данными. Системы PDM входят либо в состав подсистем конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и 
могут работать совместно с разными САПР.

На большинстве этапов жизненного цикла изделий, начиная с 

определения предприятия-поставщика исходных материалов и кончая 
реализацией продукции, требуются системы управления цепочками поставок SCM (Supply Chain Management).

Координация работы предприятий-партнеров с использованием 

технологий Internet возлагается на системы CPC (Collaborative Product Commerce) – системы управления данными в интегрированном 
информационном пространстве. Эти системы объединяют в едином 
информационном пространстве запросы заказчиков и данные о возможностях многих организаций, предоставляющих услуги по проектированию, изготовлению и поставкам заказанных изделий.

Системы планирования и управления предприятием ERP (Enter
prise Resourсe Planning) выполняют различные бизнес-функции, 
связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, 
персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.д.

На этапе реализации продукции выполняются функции управле
ния отношениями с заказчиками и покупателями, проводится анализ 
рыночной ситуации, определяются перспективы спроса на планируемые изделия. Эти функции возложены на систему CRM (Castomer
Relationship Management).

 Проблемами взаимодействия автоматизированных систем (АС) 

на различных этапах жизненного цикла изделий, управления данными в информационном пространстве, едином для различных АС, занимаются системы информационной поддержки изделий ИПИ, или
CALS-технологии.

Реализация ИПИ-технологий возлагается на систему управления 

жизненным циклом продукции PLM (Product Lifecycle Management),
которая объединяет все перечисленные ранее системы.

PLM можно определить следующим образом: cтратегия развития 

промышленного бизнеса, основанная на объединении в едином информационном пространстве методов и средств поддержки коллективного процесса разработки, управления, передачи и использования 
информации об изделии на всех этапах его жизненного цикла в рамках расширенного предприятия, реализованного путем интеграции 
исполнителей, процессов и информации. 

CALS-технологии определяют как технологии комплексной ком
пьютеризации сфер промышленного производства, цель которых – 

унификация и стандартизация продукции на всех этапах ее жизненного цикла.

В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача 

информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным 
в нужное время и в нужном месте с возможностью их правильной интерпретации.

Главная задача внедрения этих технологий – обеспечение единоо
бразного описания данных, независимо от места и времени их получения в общей системе. Тогда становится реальной успешная работа 
над общим проектом разных коллективов, используемых различные 
CAD/CAE/CAM-системы. Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна 
и та же технологическая документация адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства.

CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support) – не
прерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла.

CALS-технология базируется на комплексе военных стандартов 

США, а в настоящее время и международных стандартов ISO. Эти документы посвящены представлению в электронной форме документации 
на продукт в тек стовой и табличной форме, а также правилам обмена 
электронными доку ментами о моделях, чертежах и спецификациях изделий, сборочных единиц, деталей и технологии их изготовления.

Среди стандартов ISO выделяют следующие комплексы стандартов:
• ISO 8879 (SGML) – стандарт для представления комбиниро ванных 

документов: текст, таблицы, математические форму лы, графика и т.д.;

• ISO 10303 (STEP) – комплекс стандартов по представлению и пе
редаче данных об изделиях и их компонентах. На сегодня разработано 
207 частей этого стандарта, в которых предусмот рены как общемашиностроительные, так и специа лизированные стандарты для судостроения, автомобилестроения, строи тельства зданий и сооружений и пр.;

• ISO 13584 (PARTJLIB) – комплекс стандартов, регламентиру ющих 

создание библиотек изделий, с представлением их в со ответствии с 
ISO 10303 (STEP);

• ISO 14959 – комплекс стандартов, регламентирующих парамет
ризацию геометрических моделей изделия и его компонентов;

• ISO 15531 – комплекс стандартов, регламентирующих управле
ние применения средств производства. Форма представления и методы использования информации о производстве и используемых про

изводственных ресурсах, их характеристиках и ограничениях с точки 
зрения управления производством.

Основные цели CALS-технологий в мировой практике – это эф
фективное управление жизненным циклом изделий на всех этапах 
(включая выработку концепции, научно-исследователь ские работы, 
проектирование, производство, эксплуатацию, мо дернизацию, сервис, утилизацию) с непрерывным технико-эконо мическим анализом 
рисков и затрат в выборе оптимального решения. 

Так, приоритетными направлениями в области безбумажного об
мена информацией на основе CALS-технологий в процессе создания 
высокоэффективных изделий определены такие этапы, как:

• проведение расчетов в процессе предпроектных исследований и 

проектирования;

• разработка конструкторско-технологической документации;
• проведение испытаний с применением автоматизированных си
стем сбора и обработки результатов измерений;

• создание банков данных по конструкционным и функциональ
ным характеристикам материалов, типовым конструкторско-технологическим решениям и т.п.

Как говорилось ранее, для интеграции различных информацион
ных систем необходимо иметь единую форму представления данных 
об изделии, которая должна обеспечивать организацию информационного обмена между различными компьютерными системами. Основой такой формы представления является международный стандарт 
ISO 10303. Неофициально этот стандарт называют STEP-стандарт, регламентирующий компьютерное представление данных об изделии и 
их обмен.

Стандарт определяет способ представления данных в форме так 

называемого обменного файла. Обменный файл является транспортным форматом, с помощью которого происходит передача данных 
между различными системами на протяжении всего жизненного цикла изделия.

Содержимое обменного файла определяется информационной мо
делью, которая описывается с помощью универсального языка информационного моделирования EXPRESS (ISO 10303–11).

Одной из основных частей CALS-технологий является PDM (Prod
uct Data Management) – технология управления всеми данными об изделии. Основная идея, заложенная в PDM – это повышение эффективности управления информацией.

Интегрированные САПР конструкторско-технологической подго
товки производства позволяют:

1. Значительно повысить производительность труда и качество 

проектных работ за счет многократного использования существующих наработок.

2. Осуществлять конструкторское и технологическое проектиро
вание параллельно в едином цикле, что значительно сокращает длительность технологической подготовки производства.

3. Решить задачи конструкторской и технологической унифика
ции, отработки изделия на технологичность.

4. Интегрировать конструкторское и технологическое проектиро
вание на основе интеграции конструкторских и технологических модулей и на базе этого значительно повысить степень автоматизации 
проектирования.

5. На основе классификаторов конструкторских и технологиче
ских модулей систематизировать базу знаний, создать эффективные 
информационно-поисковые системы.

6. Создать предпосылки для дальнейшего совершенствования тех
нологической подготовки производства – внедрения групповых методов обработки, унификации средств технологического оснащения, специализации рабочих мест, применения прогрессивного оборудования.

7. Максимально использовать ресурсы предприятия для обеспече
ния конкурентных преимуществ – сжатых сроков и гарантированного 
высокого качества новых изделий.

2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД 

К ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Проектирование технического объекта – это создание, преобразо
вание и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта.

 Образ объекта или его составных частей может создаваться в во
ображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. 

Проектирование включает в себя разработку технического предло
жения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих поставленную 
задачу, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Проектирование, при котором все проектные решения или их 

часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным.

Система, реализующая автоматизированное проектирование, пред
ставляет собой систему автоматизированного проектирования – 
САПР.

Автоматическое проектирование возможно без участия человека 

в промежуточных этапах и лишь в отдельных частных случаях для 
сравнительно несложных объектов. Превалирующим в настоящее 
время является автоматизированное проектирование сложных систем.

СТРУКТУРНЫЙ 
ПОДХОД
 

БЛОЧНО-ИЕРАРХИ- 
ЧЕСКИЙ ПОДХОД
 

ОБЪЕКТНО- 
ОРИЕНТИРОВАННЫЙ
 
ПОДХОД
 

КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМОТЕХНИКИ 

Рис. 2.1. Компоненты системотехники

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем вы
ражены в системном подходе, который включает в себя определение 
структуры системы, типизацию связей, анализ влияния внешней среды (рис. 2.1).

При структурном подходе как разновидности системного требу
ется синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оце