Программирование обработки на оборудовании с ЧПУ. Том 1

Программирование обработки

на оборудовании с ЧПУ

В двух томах 

Под редакцией Г.Б. Евгенева и А.Х. Хараджиева

Том 1

ISBN 978-5-7038-4907-1 (т. 1) 
ISBN 978-5-7038-4906-4 
© Оформление. Издательство  
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

УДК 681.5
ББК 34.5-5
 
П78

Авторы:
Г.Б. Евгенев, А.Х. Хараджиев, А.В. Грошев, С.А. Мальков,  
В.А. Бурков, Н.В. Сергеев, П.С. Шильников

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебника 

Рецензенты: 
Кафедра «Робототехники и мехатроники ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»
(заведующий кафедрой д-р техн. наук, профессор Ю.В. Подураев);
канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана 
В.Б. Пясецкий 

 
 
Программирование обработки на оборудовании с ЧПУ : учебник : в 2 т. / 
[Г. Б. Евгенев и др.] ; под ред. Г. Б. Евгенева и А. Х. Хараджиева. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 
ISBN 978-5-7038-4906-4 
Т. 1. — 325, [3] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-4907-1

Изложены теоретические основы и практические методы программирования 
обработки на станках и роботах с ЧПУ в соответствии с профессиональной деятельностью бакалавров и инженеров по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств». Описаны языки представления знаний и модель 
жизненного цикла изделий машиностроения. Дано описание основных характеристик оборудования с ЧПУ, оснастки, систем ЧПУ и автоматизированного программирования. Приведены физические принципы и методы программирования резки 
и наплавки, являющейся основой аддитивных технологий.
Содержание учебника соответствует курсу лекций, читаемых в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана.
УДК 681.5
ББК 34.5-5 

П78

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие  .................................................................................................. 
5
Список сокращений ....................................................................................... 
7
Введение  ........................................................................................................ 
9

1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ  ............... 14
1.1. Язык функционального моделирования систем IDEF0  .............. 14
1.2. Язык моделирования процессов IDEF3  ....................................... 22
1.3. Унифицированный язык моделирования UML  ........................... 25
1.4. Язык XML  ....................................................................................... 34
1.5. Функциональная модель жизненного цикла изделия  ................. 38
Вопросы для самопроверки  ........................................................................ 44

2. МОДЕЛИ ИЗДЕЛИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ  ......... 46
2.1. Геометрические и топологические модели изделий  .................... 46
2.2. Стандарт представления геометрических моделей 
изделий IGES  ................................................................................. 56
2.3. Стандарт представления объектных моделей изделий STEP  ...... 62
2.4. Компьютерные модели технологических процессов  ................... 83
2.5. Автоматизация проектирования технологических процессов 
для оборудования с ЧПУ  ............................................................... 96
Вопросы для самопроверки  ........................................................................ 100

3. ОБОРУДОВАНИЕ С ЧПУ И ОСНАСТКА  ............................................. 101
3.1. Ретроспектива развития оборудования с ЧПУ ............................. 101
3.2. Цели использования оборудования с ЧПУ  .................................. 105
3.3. Машинные технологические процессы и их фазовые 
пространства  ................................................................................... 109
3.4. Классификация оборудования с ЧПУ  .......................................... 115
3.5. Концептуальные и кинематические модели станков с ЧПУ  ...... 126
3.6. Средства технологического оснащения  ........................................ 131
Вопросы для самопроверки  ........................................................................ 152

4. СИСТЕМЫ ЧПУ  ..................................................................................... 153
4.1. Мехатроника  ................................................................................... 153
4.2. Управляющие программы  .............................................................. 160
4.3. Функциональная структура системы ЧПУ  ................................... 176
4.4. Интерполяторы  .............................................................................. 179
4.5. Пульты управления  ........................................................................ 182

Оглавление

4.6. Архитектура систем ЧПУ  ............................................................... 187
4.7. Приводы оборудования с ЧПУ  ..................................................... 188
Вопросы для самопроверки  ........................................................................ 196
5. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ
ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ С ЧПУ  ................................................................. 198
5.1. Функциональная схема автоматизированного программирования для оборудования с ЧПУ  ................................................ 198
5.2. Подготовка геометрической модели  ............................................. 200
5.3. Среда двумерных геометрических построений  ............................ 210
5.4. Создание технологии на базе конструкторско-технологических 
элементов  ........................................................................................ 212
5.5. Концептуальная модель процессора системы программирования обработки на оборудовании с ЧПУ  ............................... 222
5.6. Язык CLDATA  ................................................................................ 230
5.7. Постпроцессоры системы автоматизированного программирования для оборудования с ЧПУ  ................................................ 236
Вопросы для самопроверки  ........................................................................ 285

6. ПРОГРАММИРОВАНИЕ РЕЗКИ И НАПЛАВКИ  ............................... 286
6.1. Электрофизические методы обработки  ........................................ 286
6.2. Программирование резки по двум координатам  ......................... 295
6.3. Программирование электроэрозионной обработки  .................... 301
6.4. Резка ножом  ................................................................................... 318
6.5. Программирование наплавки  ........................................................ 320
Вопросы для самопроверки  ........................................................................ 326
Литература  .................................................................................................... 327

ПРЕДИСЛОВИЕ

Повышение производительности труда за счет модернизации экономики обеспечивает повышение уровня жизни и надежную безопасность России 
в мире. Удвоение производительности труда — одна из стратегических целей российской экономики. Одним из важнейших средств достижения этой 
цели является автоматизация технологических процессов и производств на 
основе оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ).
Автоматизация технологических процессов представляет собой совокупность методов и средств, позволяющих осуществлять управление технологическим процессом без непосредственного участия в нем человека либо 
при принятии им наиболее ответственных решений.
Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет создать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.
Изобретение числового программного управления технологическим 
оборудованием относится к наиболее значительным достижениям человечества в ХХ в. Впервые стало возможным превращать информационные модели изделий, созданные с помощью систем автоматизированного конструирования, посредством соединенных с ними систем автоматизированного 
программирования обработки и станков с ЧПУ в материальные объекты. 
Информационные технологии стали важным компонентом автоматизации 
материальных технологий.

ботах с ЧПУ, были разработаны новые передовые технологии, в частности 
технологии удаления или вычитания (Subtraction Technology) и технологии 
послойного выращивания физических объектов по 3D-моделям — технология добавления или сложения (Addition Technology), описание которых приведено в этом учебнике. 
Предлагаемое учебное пособие сформировано в соответствии с двух
уровневой подготовкой кадров по направлению 220700 «Автоматизация 
технологических процессов и производств» и Государственными образовательными стандартами. Усвоение приведенного материала не требует дополнительных знаний в области информатики. Содержание учебника соответствует курсу лекций, читаемых в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре 
«Компьютерные системы автоматизации производства». 
Т. 1 содержит материалы, относящиеся к метаонтологии и предметной 
онтологии. Изложение материала ведется в соответствии с онтологической 
методологией. 

На основе информационных технологий, реализуемых на станках и ро

Предисловие

Описаны языки представления знаний и модель жизненного цикла изделий машиностроения. Представлены цифровые модели изделий и технологических процессов. Дано описание основных характеристик оборудования 
с ЧПУ, оснастки, систем ЧПУ и автоматизированного программирования. 
Приведены физические принципы и методы программирования резки и наплавки, являющиеся основой аддитивных технологий.
В т. 2 приведены физические принципы и методы программирования 
токарной, фрезерной, сверлильно-точильной и токарно-фрезерной обработок. Дано описание теории и практики программирования многокоординатной обработки и промышленных роботов, а также контрольно-измерительных машин.
В учебнике отражены достижения отечественной теории и практики по 
данной дисциплине. Рассмотрен практический опыт отечественной системы программирования технологических процессов обработки изделий на 
оборудовании с ЧПУ SprutCAM — одной из лучших в мире. Эта система 
широко применяется в российской промышленности и за рубежом. По состоянию на 2015 г. продано иностранным компаниям более 7000 лицензий, 
включая такие фирмы, как Apple Inc., AEROSPACE, NASA, HITACHI, GE, 
hp, intel, PHILIPS, SAMSUNG, BMW, TOYOTA и др. 
Учебное пособие подготовлено коллективом авторов под общей редакцией доктора технических наук профессора Г.Б. Евгенева и А.Х. Хараджиева. Материалы глав и разделов учебного пособия разделены между авторами 
следующим образом: Г.Б. Евгенев — т. 1: гл. 1–4, разд. 2.2, 2.4, 5.1, 5.5, 5.6, 
6.1 и т. 2: гл. 11, 12, разд. 7.1, 8.1, 10.1; А.В. Грошев — т. 1: гл. 9, разд. 2.1, 5.2, 
6.4 и т. 2: разд. 8.2, 8.3, 10.2–10.4, 10.12; Н.В. Сергеев — т. 1: разд. 5.3 и т. 2: 
разд. 7.2; В.А. Бурков — т. 1: разд. 5.4 и т. 2: гл. 9, разд. 8.2, 8.3, 10.5–10.9, 
10.11; С.А. Мальков — т. 1: разд. 5.7, 6.2, 6.3, 6.5 и т. 2: разд. 7.3, 8.2, 8.3, 
10.10; Н.А. Романов — т. 2: приложения; П.С. Шильников — т. 1: разд. 2.3. 
Коллектив авторов выражает благодарность разработчикам мета
инструментальной среды СПРУТ и прикладных систем SprutCAM, СПРУТТП и СПРУТ-ОКП, техническая документация которых использована при 
написании учебного пособия. Особо следует отметить А.Х. Хараджиева, 
Н.В. Сергеева (ЗАО «СПРУТ-Технология»), Б.В. Кузьмина, Г.В. Серегина, 
А.А. Кокорева, А.Г. Стисеса, С.С. Крюкова и Н.С. Гришина (ООО «Центр 
СПРУТ-Т»). 
Авторы будут благодарны за замечания и пожелания читателей по содержанию учебника. 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АСУ 
— автоматизированная система управления
АСУП 
— автоматизированная система управления предприятием
АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки 
производства
АТСС 
— автоматизированная транспортно-складская система
БД 
— база данных
ГАЛ 
— гибкая автоматизированная линия
ГАУ 
— гибкий автоматизированный участок
ГАЦ 
— гибкий автоматизированный цех
ГПМ 
— гибкий производственный модуль
ГПС 
— гибкая производственная система
ГПЯ 
— гибкая производственная ячейка
ЕСКД 
— единая система конструкторской документации
ЕСТД 
— единая система технологической документации
ЖЦИ 
— жизненный цикл изделия
КИД 
— компьютеризация инженерной деятельности
КИМ 
— контрольно-измерительная машина
ЛСК 
— локальная система координат 
НИОКР — научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы
ООП 
— объектно-ориентированный подход
ПМК 
— программно-методический комплекс
ПР 
— промышленный робот
РТК 
— роботизированный технический комплекс
САП 
— система автоматизации программирования
САПР 
— система автоматизированного проектирования
СВТ 
— средства вычислительной техники
СРП 
— сборно-разборное приспособление 
СУБД 
— система управления базами данных
ТЗ 
— техническое задание
ТП 
— технологический процесс
ТПП 
— технологическая подготовка производства
УБП 
— универсально-безналадочное приспособление
УНП 
— универсально-наладочное приспособление
УП 
— управляющая программа
УСП 
— универсально-сборное приспособление
ЧПУ 
— числовое программное управление

Список сокращений

ШД 
— шаговый двигатель 
ЭВМ 
— электронная вычислительная машина
B-Rep 
— Boundary Representation
CAD 
— Computer Aided Design 
CAE 
— Computer Aided Engineering
CALS 
— Computer Aided Life-cycle System
CAM 
— Computer Aided Manufacturing
CAPP 
— Computer Aided Process Planning
CASE 
— Computer Aided Software Engineering
CIM 
— Computer Integrated Manufacturing
CLDATA — Cutter Location DATA
CRM 
— Customer Relationship Management
ER 
— Entity-Relationship
ERP 
— Enterprise Resource Planning system
ICAM 
— Integrated Computer-Aided Manufacturing
IGES 
— Initial Graphics Exchange Specification
IDEF 
— Integrated DEFinition
IDEF0 
— Function Modeling
IDEF1X 
— IDEF1 Extended Data Modeling
IDEF3 
— Integrated DEFinition for Process Description Capture Method 
ISO  
— International Standard Organization
HTML 
— Hypertext Markup Language 
MES 
— Manufacturing Enterprise Solutions
NURBS 
— Non-uniform rational b-spline
PDES 
— Product Data Exchange Specification
PDM 
— Product Data Management
PFDD 
— Process Flow Description Diagrams
RAD 
— Rapid Application Development
RBS 
— Resource Breakdown Structure
SADT 
— Structured Analysis and Design Technique
SGML 
— Structured Generalized Language
SRM 
— Supplier Relationship Management
STEP 
— Standard for Exchange of Product model data
STL 
— Standard Template Library
UML 
— Unified Modeling Language
UOB 
— Unit of Behavior
WBS 
— Work Breakdown Structure
XML 
— Extensible Markup Language

ВВЕДЕНИЕ

Совокупность требований, обязательных при реализации основных 
образовательных программ по направлению подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» квалификации «бакалавр», определяет Федеральный государственный стандарт (ГОС) высшего 
профессионального образования, утвержденный приказом Министерства 
образования и науки РФ № 2520 от 25 октября 2011 г. Стандарт устанавливает следующие виды профессиональной деятельности бакалавра: проектно-конструкторская, производственно-технологическая, организационно-управленческая, 
научно-исследовательская, 
научно-педагогическая, 
сервисно-эксплуатационная и специальные. 
Приведенные в учебнике материалы относятся к направлению производственно-технологической деятельности, материалы по смежным направлениям деятельности изложены в той мере, в которой они обеспечивают эту 
деятельность или являются ее результатом. 
Материалы, связанные с проектно-конструкторской деятельностью 
бакалавра, изложены в гл. 1 и 2, средства для проведения производственно-технологической деятельности — в гл. 3–5. 
Технологические процессы, реализуемые на оборудовании с ЧПУ, 
с описанием физических принципов их реализации и методов программирования, описаны в т. 1 (гл. 6) и в т. 2 (гл. 7–12). 
ГОС определяет требования к результатам освоения основных образовательных программ и профессиональных компетенций бакалавриата. Учебник отражает соответствие содержания профессиональных компетенций 
выпускников требованиям ГОС (табл. В1). 

Таблица В1

Соответствие требованиям ГОС

Код ПК
Содержание профессиональной компетенции
Том 
(глава) 

ПК-1
Сбор (синтез) и анализ исходных информационных данных 
для проектирования технологических процессов изготовления продукции, средств и систем автоматизации, контроля, технологического оснащения, диагностики, испытаний, 
управления процессами, жизненным циклом продукции и ее 
качеством

1 (1–5)

Введение

Код ПК
Содержание профессиональной компетенции
Том 
(глава) 

ПК-2
Использование основных закономерностей, действующих 
в процессе изготовления продукции, использование их для 
производства изделий требуемого качества, заданного количества при наименьших затратах общественного труда

1 (6)
2 (7–12)

ПК-3
Выбор основных и вспомогательных материалов для изготовления изделий, способов реализации основных технологических процессов, аналитических и численных методов при 
разработке их математических моделей

ПК-4
Применение прикладных программных средств при решении 
практических задач профессиональной деятельности, методов стандартных испытаний по определению физико-механических свойств и технологических показателей материалов 
и готовых изделий, стандартных методов их проектирования, 
прогрессивных методов эксплуатации изделий

1 (1, 2, 
4, 5)

ПК-7
Участие в разработке обобщенных вариантов решения проблем, связанных с автоматизацией производств, выбором на 
основе анализа вариантов оптимального, прогнозированием 
последствий решения

1 (1–5)

ПК-8
Участие в разработке проектов изделий с учетом технологических, конструкторских, эксплуатационных, эстетических, 
экономических и управленческих параметров

ПК-9
Участие в разработке проектов модернизации действующих 
производств, создании новых
2 (7–12)

ПК-10
Применение современных информационных технологий при 
проектировании изделий, производств
1 (1–5)

ПК-11
Выбор средств автоматизации технологических процессов и 
производств

ПК-12
Разработка (на основе действующих стандартов) технической 
документации (в электронном виде) для регламентного эксплуатационного обслуживания средств и систем производств

1 (2) 

ПК-13
Разработка проектной и рабочей технической документации в 
области автоматизации технологических процессов и производств, управление жизненным циклом продукции и ее качеством, оформление законченных проектно-конструкторских 
работ 

1 (1–5)

ПК-14
Участие в мероприятиях по контролю соответствия разрабатываемых проектов и технической документации действующим стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам

Продолжение табл. В1

Введение

Код ПК
Содержание профессиональной компетенции
Том 
(глава) 

ПК-15
Проведение предварительного технико-экономического обоснования проектных расчетов
1 (3)

ПК-17
Участие в разработке математических и физических моделей 
процессов и производственных объектов
1 (1–5)

ПК-19
Участие в разработке проектов по автоматизации производственных и технологических процессов, технических средств 
и систем автоматизации, контроля, диагностики, испытаний, 
управления процессами, жизненным циклом продукции и ее 
качеством

1 (1–5), 
2 (12)

ПК-20
Практическое освоение и совершенствование систем автоматизации производственных и технологических процессов, 
контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, 
жизненным циклом продукции и ее качеством 

ПК-21
Выполнение работ по автоматизации технологических процессов и производств, их обеспечению средствами автоматизации и управления, использование современных методов и 
средств автоматизации, контроля, диагностики, испытаний и 
управления процессами, жизненным циклом продукции и ее 
качеством

ПК-22
Определение номенклатуры параметров продукции и технологических процессов ее изготовления, подлежащих контролю и измерению, установление оптимальных норм точности 
продукции, измерений и достоверности контроля, выбор 
технических средств автоматизации, контроля, диагностики, 
испытаний и управления процессами, жизненным циклом 
продукции и ее качеством 

2 (12)

ПК-24
Проведение оценки уровня брака продукции, анализ причин 
его появления, разработка предложений по его предупреждению и устранению, совершенствованию продукции

ПК-26
Освоение средств программного обеспечения автоматизации 
и управления, их сертификации
1 (1–5) 
2 (12)

ПК-28
Разработка планов, программ, методик, связанных с автоматизацией технологических процессов и производств, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством, инструкций по эксплуатации оборудования, средств и 
систем автоматизации и управления, программного обеспечения, других текстовых документов, входящих в конструкторскую и технологическую документацию 

Продолжение табл. В1

Введение

Код ПК
Содержание профессиональной компетенции
Том 
(глава) 

ПК-31
Разработка мероприятий по проектированию процессов разработки, изготовления, контроля и внедрения продукции, 
средств и систем автоматизации, контроля, диагностики, 
управления производством, жизненным циклом продукции и 
ее качеством, их эффективной эксплуатацией 

1 (6)
2 (7–12)

ПК-32
Выбор технологий, инструментальных средств и средств вычислительной техники при организации процессов проектирования, изготовления, контроля и испытания продукции, 
средства и системы автоматизации, контроля, диагностики, 
испытаний, управления производством, жизненным циклом 
продукции и ее качеством

1 (1–5) 
2 (12)

ПК-33
Выполнение работ по организации управления информационными потоками на всех этапах жизненного цикла продукции, ее интегрированной логистической поддержки

1 (1)

ПК-34
Проведение мероприятий по повышению качества продукции, производственных и технологических процессов, техническому и информационному обеспечению их разработки, 
испытаний и эксплуатации, планированию работ по стандартизации и сертификации, систематизации и обновлению применяемой регламентирующей документации

2 (12)

ПК-34
Участие в разработке и практическом освоении средств, систем автоматизации и управления производством продукции, 
ее жизненным циклом и качеством, подготовке планов освоения новой техники, составлении заявок на проведение сертификации

1 (1–5) 
2 (12)

ПК-36
Организация работ по обслуживанию и реинжинирингу бизнес-процессов предприятия в соответствии с требованиями 
высокоэффективных технологий, анализу и оценке производственных и непроизводственных затрат на обеспечение 
требуемого качества продукции, автоматизации производства, 
результатов деятельности производственных подразделений, 
разработке оперативных планов их функционирования

ПК-38
Изучение и анализ необходимой информации, технических 
данных, показателей и результатов работы, их обобщение и 
систематизация, проведение необходимых расчетов с использованием современных технических средств и программного 
обеспечения

ПК-39
Применение научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта в области автоматизации технологических процессов и производств, автоматизированного 
управления жизненным циклом продукции, компьютерных 
систем управления ее качеством

Продолжение табл. В1