Файл: Учебное пособие Иваново 2018.pdf

А.А. Липин
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Учебное пособие
Иваново 2018

Министерство образования и науки Российской Федерации
Ивановский государственный химико-технологический университет
А.А. Липин
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Учебное пособие
Иваново 2018

2
УДК 519.6:004.3:004.92
Липин, А.А.
Системы автоматизированного проектирования: учеб. пособие / А.А.
Липин; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. – Иваново, 2018. – 108 с.
В учебном пособии рассмотрены теоретические основы систем автоматизированного проектирования (САПР), приведены классификация и виды обеспечения САПР, подробно рассмотрены специальные виды технического обеспечения.
Приведены виды геометрического и параметрического моделирования, сделан обзор современных и наиболее распространенных систем автоматизированного проектирования.
Предназначено студентам направлений подготовки «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», «Технологические машины и оборудование», изучающим дисциплины
«Системы автоматизированного проектирования»,
«Автоматизированные компьютерные системы в химической технологии».
Табл. 5. Ил. 45. Библиогр.: 31 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Ивановского государственного химико-технологического университета.
Рецензенты: кафедра гидравлики, теплотехники и инженерных сетей Ивановского государственного политехнического университета; доктор технических наук
С.П.
Бобков
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
Липин А.А., 2018
ФГБОУ ВО “Ивановский государственный химико-технологичеcкий университет”, 2018

3
Оглавление
Введение ....................................................................................................................... 5 1. Жизненный цикл изделия ..................................................................................... 8 1.1. Научные исследования ................................................................................... 9 1.2. Маркетинг ...................................................................................................... 10 1.3. Проектирование ............................................................................................ 11 1.4. Основные типы автоматизированных систем, применяемых на этапах жизненного цикла изделия .................................................................................... 16 1.5. Понятие о CALS-технологии ....................................................................... 21 2. Цели и задачи САПР ........................................................................................... 24 3. Классификация САПР ........................................................................................ 28 4. Виды обеспечения САПР ................................................................................... 31 4.1. Техническое обеспечение САПР ................................................................ 31 4.2. Математическое обеспечение САПР .......................................................... 34 4.3. Программное обеспечение САПР ............................................................... 34 4.4. Информационное обеспечение САПР ........................................................ 36 4.5. Лингвистическое обеспечение САПР ......................................................... 36 4.6. Организационно-методическое обеспечение САПР ................................. 37 5. Специальное оборудование САПР .................................................................... 39 5.1. Плоттеры ........................................................................................................ 39 5.2. 3D-принтеры .................................................................................................. 44 5.3. Дигитайзеры .................................................................................................. 49 5.4. 3D-манипуляторы ......................................................................................... 51 5.5. 3D-сканеры .................................................................................................... 53 6. Геометрическое моделирование в САПР ......................................................... 56 6.1. Каркасное моделирование ........................................................................... 56 6.2. Поверхностное моделирование ................................................................... 57 6.3. Твердотельное моделирование .................................................................... 60 6.4. Принципы твердотельного моделирования деталей и сборок ................. 64 7. Параметрическое моделирование ..................................................................... 69 7.1. Табличная параметризация .......................................................................... 69

4 7.2. Иерархическая параметризация .................................................................. 70 7.3. Вариационная (размерная) параметризация .............................................. 71 7.4. Геометрическая параметризация ................................................................ 73 8. Обзор современных САПР ................................................................................ 75 8.1. CAD системы ................................................................................................. 75 8.2. CAE системы ................................................................................................. 82 8.3. CAM системы ................................................................................................ 89 8.4. Комплексные САПР ..................................................................................... 92
Список литературы.................................................................................................. 105

5
Введение
Мы живём в век цифровых технологий. Сегодня информатизация коснулась практически всех сфер человеческой деятельности, не стала исключением и проектная.
В широком смысле проектирование – это процесс создания проекта, комплекса информации, описывающей прообраз предполагаемого или возможного объекта либо процесса. В технике под проектированием понимают комплекс мероприятий, обеспечивающих поиск технических решений, удовлетворяющих заданным требованиям, их оптимизацию и реализацию в виде комплекта конструкторских документов и опытного образца, подвергаемого циклу испытаний на соответствие требованиям технического задания.
Проектирование может быть ручным, автоматизированным и автоматическим.
Ручное проектирование осуществляется без использования ЭВМ. Ещё буквально 25-30 лет назад все конструкторские документы изготавливались проектировщиками вручную с помощью карандаша или туши. Любое изменение требовало подчистки либо даже перечерчивания. Сейчас ручное проектирование не используется. Цифровые технологии не только изменили методы подготовки чертежей, но и внесли фундаментальные изменения в процесс проектирования.
Автоматическое проектирование осуществляется без участия человека на промежуточных этапах. Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов.
Превалирующим в настоящее время является автоматизированное проектирование.
Автоматизированное проектирование – это вид проектирования, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и компьютера.
При автоматизированном проектировании

6
эвристические действия проектировщика дополняются вычислительными возможностями компьютера, реализованными посредством определенных алгоритмов.
Системы, реализующие автоматизированное проектирование, называются системами автоматизированного проектирования (САПР). Существует и другая, менее употребительная расшифровка аббревиатуры САПР – системы автоматизации проектных работ.
Система автоматизированного проектирования – это организационно- техническая система, предназначенная для автоматизации процесса проектирования, состоящая из персонала и комплекса технических и программных средств автоматизации проектирования.
Для перевода термина САПР на английский язык зачастую используется аббревиатура CAD (computer-aided design), однако понятие CAD не является полным эквивалентом САПР как организационно-технической системы. Более правильный перевод термина САПР на английский язык – CAD system или automated design system.
Термин CAD более расплывчат, широк, нежели термин САПР, так как относится не только к системам проектирования, но и иных областей, например, математических вычислений (пакет MathCAD, пакет MatLab), финансово-экономического анализа (система SAP), медицинской диагностики.
Системы автоматизированного проектирования нашли применение в таких отраслях, как авиастроение, автомобилестроение, тяжелое машиностроение, в архитектуре, строительстве, нефтегазовой промышленности, в области картографии, геоинформационных систем, при производстве товаров народного потребления, в частности, бытовой электротехники, мебели. САПР в машиностроении используется для проведения конструкторских, технологических работ и работ по технологической подготовке производства. С помощью САПР выполняется разработка чертежей, проводится трехмерное моделирование изделия и процесса сборки, проектируется вспомогательная оснастка, например, штампы

7
и пресс-формы, составляется технологическая документация и управляющие программы (УП) для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), ведутся архивы. Современные САПР применяются для сквозного автоматизированного проектирования, технологической подготовки, анализа и изготовления изделий в машиностроении, для электронного управления технической документацией.
Учебная дисциплина «Системы автоматизированного проектирования» направлена на формирование у обучающегося способностей к решению задач проектирования технологических процессов и аппаратов при помощи систем автоматизации проектно-конструкторской деятельности. В данном учебном пособии рассматриваются теоретические основы САПР, специальные виды технического обеспечения
САПР, представлен обзор наиболее распространенных САПР.

8
1. Жизненный цикл изделия
Жизненный цикл изделия – совокупность взаимосвязанных процессов последовательного изменения состояния продукции от формирования исходных требований к ней до окончания ее эксплуатации или применения.
Основные этапы жизненного цикла промышленной продукции представлены на рис. 1.1. К ним относятся этапы проектирования, технологической подготовки производства (ТПП), собственно производства, реализации продукции, эксплуатации и, наконец, утилизации. В число этапов жизненного цикла могут также входить маркетинг, закупки материалов и комплектующих, предоставление услуг, упаковка и хранение, монтаж и ввод в эксплуатацию.
Рис. 1.1. Жизненный цикл изделия
Остановимся подробнее на этапе проектирования и предшествующих ему этапах научных и маркетинговых исследований.
1. Научные исследования
2. Маркетинг
3. Проектирование
4. Подготовка производства
5. Закупка материалов и комплектующих
6. Производство
10. Монтаж и наладка
9. Реализация
8. Упаковка и хранение
7. Проверка и испытания
11. Эксплуатация и ремонт
12. Утилизация

9
1.1. Научные исследования
Научные исследования или научно-исследовательские работы (НИР) проводятся для решения следующих задач: разрешение конкретных научных проблем для создания новых изделий; получение рекомендаций, инструкций, расчетно-технических материалов, методик; определение возможности проведения опытно-конструкторских работ (ОКР) по тематике НИР.
Этап НИР начинается с разработки технического задания (ТЗ) на НИР.
При этом используются и обрабатываются следующие виды информации:
• объект исследования;
• описание требований к объекту исследования;
• перечень функций объекта исследования общетехнического характера;
• перечень физических и других эффектов, закономерностей и теорий, которые могут быть основой принципа действия изделия;
• технические решения (в прогнозных исследованиях);
• сведения о научно-техническом потенциале исполнителя НИР;
• сведения о производственных ресурсах (применительно к объекту исследований);
• сведения о материальных ресурсах;
• маркетинговые сведения;
• данные об ожидаемом экономическом эффекте.
На последующих этапах НИР в качестве базы в основном используется уже перечисленная выше информация. Дополнительно используются:
• сведения о новых принципах действия, новых гипотезах, теориях, результатах НИР;
• данные экономической оценки, моделирования основных процессов, оптимизации многокритериальных задач, макетирования, типовых расчетов, ограничений;
• требования к информации, вводимой в информационные системы, и т. д.
По итогам выполнения НИР производятся:
• обобщение результатов предыдущих этапов работ;

10
• оценка полноты решения задач;
• разработка рекомендаций по дальнейшим исследованиям и проведению
ОКР;
• разработка проекта ТЗ на ОКР;
• составление итогового отчета;
• приемка НИР комиссией.
Результатом НИР является достижение научного, научно-технического, экономического и социального эффектов. Научный эффект характеризуется получением новых научных знаний и отражает прирост информации, предназначенной для «внутринаучного» потребления. Научно-технический эффект характеризует возможность использования результатов выполняемых исследований в других НИР и ОКР и обеспечивает получение информации, необходимой для создания новой продукции. Экономический эффект характеризует коммерческий эффект, полученный при использовании результатов прикладных НИР. Социальный эффект проявляется в улучшении условий труда, повышении экономических характеристик, развитии культуры, здравоохранения, науки, образования.
1.2. Маркетинг
На этапе маркетинга анализируют состояние рынка соответствующей машиностроительной продукции, устанавливают наличие текущей или перспективной потребности в изделиях данного функционального назначения, определяют основные требования потребителей к этим изделиям, устанавливают состав и значения основных показателей эксплуатационного качества (мощность, производительность, КПД, показатели надежности и т.д.), разрабатывают общее описание конкурентоспособного изделия. В нем указывают условия эксплуатации и показатели эксплуатационного качества изделия, потребительские предпочтения в отношении эргономических, эстетических и других характеристик продукции, требования к условиям поставки. Ориентировочно определяют предполагаемый объем выпуска

11
изделия (емкость рынка). Этап маркетинга можно рассматривать как экономическую часть НИР.
1.3. Проектирование
Зачастую полный цикл проектирования называют НИОКР (научно- исследовательские и опытно-конструкторские работы, в английском языке передается как Research & Development, R&D) – комплекс мероприятий, включающий в себя как научные (дизайнерские, концептуальные и т. д.) исследования, так и производство опытных и мелкосерийных образцов продукции, предшествующий запуску нового продукта или системы в промышленное производство. Стадию НИР иногда называют предпроектными исследованиями или стадией технического предложения. Предметом приложения САПР являются опытно конструкторские работы (ОКР).
Опытно конструкторские работы – важнейшее звено материализации результатов предыдущих НИР. Их основная задача – создание комплекта конструкторской документации для серийного производства. ОКР, собственно, и является этапом проектирования изделия.
Основные этапы ОКР достаточно четко регламентируются, в частности, на территории Российской Федерации – стандартом ГОСТ 15.001–88 «Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения». Этапы ОКР представлены на рис.
1.2, рассмотрим их подробнее.
Разработка ТЗ на ОКР. Иногда разработку технического задания на ОКР называют внешним проектированием, а реализацию технического задания – внутренним проектированием.
Техническое задание (ТЗ) на проектирование объекта должно содержать, по крайней мере, следующие данные:
1. Назначение объекта.
2. Условия эксплуатации. Наряду с качественными характеристиками
(представленными в вербальной форме) имеются числовые параметры,