САПР конструктора машиностроителя

-¬¡ ©¡¡
«¬ª°¡--¤ª©œ§¸©ª¡
ª¬œ£ªžœ©¤¡
-ÁÌÄÛ
ÊÍÉʾ¼É¼
¾

¿ÊÀÏ
Э.М. Берлинер, О.В. Таратынов
САПР
КОНСТРУКТОРА 
МАШИНОСТРОИТЕЛЯ
УЧЕБНИК
Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО 
в качестве учебника для студентов учебных заведений, 
реализующих программу среднего профессионального образования 
по специальностям УГС 15.02.00 «Машиностроение»
Москва                                        202
ИНФРА-М

УДК 621(075.32)
ББК 30.2-5-05я723
 
Б49
Р е ц е н з е н т ы:
Якухин В.Г. — доктор технических наук, профессор;
Босинзон М.А. — доктор технических наук, профессор Московского
государственного открытого университета (МГОУ)
Берлинер Э.М.
Б49 
 
САПР конструктора машиностроителя : учебник / Э.М. Берлинер, 
О.В. Таратынов. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2024. — 288 с. — 
(Среднее профессиональное образование).
ISBN 978-5-00091-558-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014418-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108918-7 (ИНФРА-М, 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, моделированием изделия и процесса его сборки.
Учебник предназначен для студентов образовательных учреждений 
среднего профессионального образования, обучающихся по специальностям УГС 15.02.00 «Машиностроение», также будет полезен студентам 
вузов машиностроительного профиля и инженерно-техническим работникам.
УДК 621(075.32)
ББК 30.2-5-05я723
© Берлинер Э.М., Таратынов О.В., 
2014
ISBN 978-5-00091-558-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014418-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108918-7 (ИНФРА-М, online)
© ФОРУМ, 2014

Введение
В условиях рыночной экономики и активной конкуренции осо+
бую 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, необ+
ходимость повышения качества разработки проектов и сокращения
сроков проектирования заставляют машиностроителей все шире при+
менять системы автоматизированного проектирования (САПР).
С помощью САПР выполняется разработка чертежей, произво+
дится трехмерное моделирование изделия и процесса его сборки, про+
ектируются технологический процесс изготовления деталей, вспомо+
гательная оснастка, например штампы и пресс+формы, составляются
технологическая документация и управляющие программы для стан+
ков с числовым программным управлением, ведется архив, отслежи+
вается жизненный цикл изделия с момента зарождения идеи создания
нового изделия до его проектирования, эксплуатации и утилизации.
САПР позволяет согласовать замысел конструктора с различны+
ми 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 проекти+
рования облегчают коллективную работу над проектом большого чис+
ла исполнителей, которые могут находиться в различных точках зем+
ного шара.
Широкому внедрению САПР способствуют потребность пред+
приятий и организаций по применению систем, обеспечивающих
комплексную автоматизацию всех конструкторских и технологиче+

Введение
ских работ, необходимость сокращения сроков выпуска нового изде+
лия, рост требований к качеству выпускаемых изделий.
Национальный научный фонд США назвал появление систем ав+
томатизированного проектирования самым выдающимся событием с
точки зрения повышения производительности труда со времен изо+
бретения электричества.
Отметим, что доходы промышленности, связанные с применени+
ем 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 исто+
рии 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, воз+
можности, предоставляемые САПР при построении различных типов
поверхностей, объемных моделей, показаны преимущества трехмер+
ного (твердотельного) моделирования. Изложена практика примене+
ния 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 конструк+
торских спецификаций сборочных единиц. Рассмотрены возможно+
сти специальных модулей, позволяющих выполнить анализ сбороч+
ного узла, прогнозировать различные варианты поведения операто+
ров в процессе работы, приведены сведения о применении манекенов
для прогнозирования.
В четвертой главе рассмотрены программы инженерного анализа,
применяемые в САПР. Приведены названия и рассмотрены возмож+
ности наиболее известных программ инженерного анализа много+
компонентных механических систем.

Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О САПР
Применение современных систем автоматизированного проекти+
рования (САПР) совершило революцию в промышленности. САПР
сократили объем ручного труда, повысили точность и качество проек+
тов, уменьшили количество ошибок и увеличили производительность
разработчиков.
Основные направления применения САПР
Современные САПР предоставляют широкие возможности моде+
лирования будущего изделия. Они включают несколько направлений:
• машиностроительные
САПР
(англ.
MCAD
—
Mechanical
СomputerАided Design) применяют в автомобилестроении, судо+
строении, авиакосмической промышленности, производстве
железнодорожного подвижного состава, товаров народного по+
требления. Они обеспечивают разработку деталей и сборок (ме+
ханизмов) с использованием параметрического проектирова+
ния на основе конструктивных элементов, технологий поверх+
ностного и объемного моделирования. MCAD могут содержать
пакеты, представляющие собой отдельные приложения.
С помощью машиностроительных САПР ведется разработка де+
талей и сборок.
• САПР электронных устройств, электрических схем, электро+
снабжения, радиоэлектронных средств, интегральных схем, пе+
чатных 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

Глава 1. Общие сведения о САПР
CAAD — ComputerAided Architectural Design) используют для про+
ектирования зданий, промышленных объектов, дорог и мостов,
планирование территорий под строительство;
• САПР ГИС (географических информационных систем) вклю+
чает программное обеспечение, с помощью которого можно
хранить информацию о каком+либо географическом участке.
Геоинформационные системы могут использовать графические
данные совершенно разных форматов. Так, при создании ГИС+
моделей используется растровая и векторная графика.
Самостоятельную
ветвь
представляют
специализированные
САПР. Примерами таких систем являются САПР летательных аппа+
ратов, САПР электрических машин, САПР больших интегральных
схем (БИС), САПР постройки и модернизации корабля и т. п.
Предлагаемые пользователю пакеты САПР могут иметь дополни+
тельные конфигурации, например, наряду с машиностроительной —
строительную и приборостроительную (КОМПАС+3D Home).
Поставщики САПР на протяжении многих лет добавляют отрас+
левые 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 ре+
шение на базе систем CATIA и Enovia, пользующееся сейчас попу+
лярностью. Проникновению французской компании в этот сегмент
способствуют тесные связи, которые корпорация IBM (стратегиче+
ский партнер Dassault) имеет с ведущими судостроителями США.
История применения САПР в машиностроении
Машиностроительные системы автоматизации проектирования
(САПР) имеют пятидесятилетнюю историю. Первые системы, авто+
матизирующие выполнение графических работ в машиностроении,
появились в 60—70+х гг. ХХ в. Компьютерное черчение на базе компь+
ютерной модели «блокнота для рисования» (Sketchpad) предложил в
1963 г. Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland), студент Массачусетского
технологического института (MIT). В качестве инструмента он ис+
пользовал световое перо. В это же время были созданы средства для
изображения линий, окружностей и кривых на экране монитора с по+
мощью макрокоманд и интерфейсов прикладного программирования.

История применения САПР в машиностроении
7
Патрик Хэнретти (Patrick J. Hanratty) довел до коммерческой реа+
лизации методы каркасного и поверхностного моделирования. Базо+
вые идеи были разработаны им в 1961—1964 гг. в процессе выполне+
ния проекта DAC (Design Augmented by Computer) для General Motors.
Он основал компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS).
CAD/CAM+система 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 ком+
панией, послужили основой для разработки современных САПР.
Первые САПР представляли собой электронные кульманы и за+
меняли конструктору чертежную доску и карандаш. Они появились в
70+х годах ХХ в. В 1979 г. был разработан формат IGES (Initial Graphic
Exchange Standard). Он широко применяется для передачи информа+
ции о сложных поверхностях, таких как NURBS.
Дальнейшее развитие системы автоматизированного проектиро+
вания относится к 80+м гг. ХХ в., когда получил широкое распростра+
нение персональный компьютер. В это время появились системы
проектирования обработки деталей на станках с числовым программ+
ным управлением CAM (Computer Aided Manufacturing), расчетные
системы CAE (Computer Aided Engineering), предназначенные для ин+
женерного анализа сложных конструкций, и многие другие специа+
лизированные 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 систе+
мы CherryCAD (Сherry — аббревиатура слов чертить, рисовать), глав+
ным отличием которой был иконный интерфейс, устранявший необ+
ходимость длительной подготовки пользователей. Система оказалась
настолько удачной, что стала лидером по продажам в СССР среди
всех отечественных и зарубежных CAD+систем.
Двумерное проектирование активно развивалось до середины
1990+х гг. Системы двумерного проектирования обзавелись большим
количеством приложений, библиотек, надстроек, позволивших мак+
симально автоматизировать и упростить большинство чертежных за+

Глава 1. Общие сведения о САПР
дач: простановку размеров, шероховатостей и отклонений формы,
разработку спецификаций, написание технических требований, соз+
дание штампов и рамок, определяющих габаритные размеры чертеж+
ного листа. Работу пользователя облегчили инструментальные пане+
ли, положение и состав которых он могут изменять по своему усмот+
рению.
Многооконный графический пользовательский интерфейс с ши+
роким использованием пиктограмм позволил одновременно редакти+
ровать несколько чертежей, быстро осуществлять обмен данными
между ними.
Появление электронных кульманов упростило и расширило по+
тенциал для создания библиотек. Возможность иметь общие и собст+
венные архивы, отсутствие ограничений на копирование, автоматиза+
ция некоторых рутинных процессов (штрихование, масштабирова+
ние, 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
(Computer+Aided Three+Dimensional Interactive Application).
В начале 1980+х гг. произошло расслоение рынка CAD+систем на
специализированные секторы. Электрический и механический сег+
менты CAD+систем 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, избе+
жать ошибок, возникающих в двумерном черчении. 3D+модели
значительно сокращают сроки работы над проектом;
• применение эффективной технологии параметрического моде+
лирования.
В 80+х годах XX в. персональные компьютеры были 16+разрядны+
ми, и их мощности хватало лишь для двумерных построений — черче+
ния и создания эскизов. В последние годы широкое распространение
получили 64+разрядные системы черчения. По сравнению с 32+раз+
рядными процессорами они могут оперировать большими значения+
ми чисел и делать вычисления с большей точностью.
Конкуренция 80+х гг. ХХ в. способствовала совершенствованию
программных продуктов, увеличению их функциональных возможно+

История применения САПР в машиностроении
9
стей и производительности, широкому внедрению средств коллектив+
ной работы над проектом конструкторов, технологов, экономистов и
работников других служб. Были разработаны новые технологии, кото+
рые полностью изменили методологический подход к процессу про+
ектирования.
В 1987 г. компания 3D Systems (США) выпустила первые стерео+
литографические машины (Stereo Litographics Apparatus — SLA), по+
зволившие автоматизировать выпуск по чертежам сложных трехмер+
ных объектов, полученных в результате избирательного отверждения
поверхностного слоя фотополимера при освещении ультрафиолето+
вым светом. Полученные на стереолитографических машинах образ+
цы хорошо воспроизводят мелкие детали и имеют достаточно ровную
поверхность. Они изготавливаются с точностью до десятых долей
миллиметра.
Стабильный рост производительности персональных компьюте+
ров в начале 1990+х гг. дал толчок развитию относительно недорогих
приложений для трехмерного моделирования. Появление таких про+
граммных пакетов сделало технологию 3D доступной для простых
пользователей.
В 1995 г. начинающая компания SolidWorks, выпустив пакет
SolidWorks+95 под лозунгом «80 % функционала Pro/Engineer за 20 %
цены», заложила основы массового применения 3D подходов в ма+
шиностроении, вовлекая в этот процесс компании среднего и малого
бизнеса.
Основополагающей частью CAD стало использование трехмер+
ных моделей, которые позволяют создать точную компьютерную мо+
дель проектируемого изделия. 3D+модели значительно сокращают
сроки работы над проектом. К началу 90+х гг. ХХ в. средняя цена ра+
бочего места САПР снизилась до 20 тыс. долл. США, и оно стало дос+
тупнее. Системы обзавелись большим количеством приложений,
библиотек, надстроек, позволивших максимально автоматизировать
и упростить большинство чертежных задач.
В 1993 г. было выпущено программное обеспечение CATIA, кото+
рое обеспечило возможность трехмерного проектирования изделий,
создания их фотореалистичных изображений, позволило провести
инженерный анализ деталей или сборок. По+настоящему массовым
3D+моделирование стало в середине 1990+х гг., когда такие работы
стали выполнять на персональных компьютерах. Параметрические
сборочные чертежи, ассоциативные связи позволили автоматизиро+

Глава 1. Общие сведения о САПР
вать получение рабочих чертежей отдельных деталей при изменении
габаритов узла.
В 1996 г. компания Unigraphics (сейчас Siemens PLM Software) вы+
пустила пакеты, позволяющие контролировать взаимодействие дета+
лей в сборочном узле. В это же время появились специализированные
приложения, основанные на работе с данными, предоставляемыми
CAD+системами:
• инженерных расчетов (англ. CAE — Computer+Aided Enginee+
ring), позволившие конструктору, не имеющему профессио+
нальной подготовки по таким дисциплинам, как математика,
детали машин, сопротивление материалов, теория пластично+
сти, теплофизика, производить анализ поведения разрабаты+
ваемой конструкции в различных условиях и получать наилуч+
шее решение по заданным критериям;
• средства технологической подготовки производства изделий с
применением компьютера (англ. CAM — Сomputer+Аided Ma+
nufacturing).
Итогом широкого внедрения CAD+систем в различные сферы ин+
женерной деятельности явилось то, что около 40 лет назад Нацио+
нальный научный фонд (National Science Foundation, NSF) США на+
звал появление CAD+систем самым выдающимся событием с точки
зрения повышения производительности труда со времен изобретения
электричества.
Параллельно развивались системы управления централизован+
ным архивом информации (PDM — Product Data Management), кото+
рые обеспечивают автоматизацию движения документов между
пользователями. В пакеты САПР стали включать базы данных и базы
знаний.
В конце минувшего тысячелетия IBM разработала новую концеп+
цию — PLM (Product Lifecycle Management), которой повезло значи+
тельно больше, чем CALS+ и CIM+технологиям, и спрос на PLM+про+
дукты стал расти невзирая на спады и кризисы мировой экономики.
Основное назначение PLM+технологий — объединение и эффектив+
ное взаимодействие изолированных участков автоматизации, образо+
вавшихся 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.