Учебное пособие Иваново 2018
 Скачать 3.57 Mb.
|
|
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, 12 называемые внешними параметрами, для которых указаны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей среды, внешние силы, электрические напряжения, нагрузки и т. п. 3. Требования к выходным параметрам, т.е. к величинам, характеризующим свойства объекта, интересующие потребителя. Эти требования выражены в виде условий работоспособности. Примерами условий работоспособности могут быть: расход топлива на 100 км пробега автомобиля <8 л; диапазон рабочего напряжения в сети питания 220-240 В; допустимая температура окружающей среды от +16 °С до +43 °С. Рис. 1.2. Этапы опытно-конструкторских работ 1. Разработка технического задания на ОКР 3. Эскизное проектирование 4. Техническое проектирование 5. Разработка рабочей документации для опытного образца 6. Испытания опытных образцов Проектирование Конструирование 2. Техническое предложение 7. Отработка документации по результатам испытаний 13 Техническое предложение (ТП) является основанием для корректировки ТЗ и выполнения эскизного проекта. В ходе разработки ТП осуществляется выявление дополнительных или уточненных требований к изделию, его техническим характеристикам и показателям качества, которые не могут быть указаны в ТЗ: • проработка результатов НИР; • проработка результатов прогнозирования; • изучение научно-технической информации; • предварительные расчеты и уточнение требований ТЗ. |