Основы автоматизированного проектирования

Москва

ИНФРА-М

202ОСНОВЫ 

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УЧЕБНИК

Под редакцией А.П. Карпенко

Допущено Учебно-методическим объединением 

вузов по университетскому политехническому образованию

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению подготовки 09.03.01

«Информатика и вычислительная техника»

(квалификация (степень) «бакалавр»)

ISBN 978-5-16-010213-9 (print)
ISBN 978-5-16-101683-1 (online) 
© Коллектив авторов, 2015

О 75

УДК 681.5(075.8)
ББК 30.2я73

О 75

Основы автоматизированного проектирования : учебник / под ред. 

А.П. Карпенко. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 329 с., [16] с. цв. ил. — 
(Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/8526.

ISBN 978-5-16-010213-9 (print)
ISBN 978-5-16-101683-1 (online)

Учебник ориентирован на базовую подготовку студентов различных инже-

нерных специальностей в области САПР. В нем рассматриваются конструктор-
ское проектирование и создание геометрических моделей изделий, т.е. системы 
конст рукторского проектирования, называемые системами CAD (Computer Aided 
Design). Представлены также системы для расчетов и инженерного анализа САЕ 
(Computer Aided Engineering); системы автоматизации технологической подго-
товки производства САМ (Computer Aided Manufacturing); системы управления 
проектными данными PDM (Product Data Management), предназначенные для 
координации работы систем CAD, CAE, CAM. Значительное место занимают 
основные виды обеспечения САПР — техническое, математическое, програм-
мное, лингвистическое и информационное. 

Для студентов высших технических учебных заведений. Может быть поле-

зен аспирантам и работникам промышленности, использующим методы и сред-
ства САПР. 

УДК 681.5(075.8)

ББК 30.2я73

Р е ц е н з е н т:

Г.С. Иванова, д-р техн. наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана

А в т о р ы:

А.Н. Божко, Т.М. Волосатова, С.В. Грошев, Д.М. Жук, А.П. Карпенко, 

В.Б. Маничев, В.А. Мартынюк, И.П. Норенков, Н.В. Пивоварова, В.А. Тру-
доношин

Предисловие

Перед человечеством в настоящее время стоит ряд сложных проблем, 

связанных с экологией, поиском новых источников энергии, материалов, 
технологий, соответствующих постиндустриальному обществу. Определя-
ющая роль в решении этих проблем принадлежит информационным тех-
нологиям.

Среди информационных технологий автоматизация проектирования 

занимает особое место. Во-первых, автоматизация проектирования — син-
тетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие 
современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение 
систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на ис-
пользовании ЭВМ (от персональных компьютеров до мейнфреймов и су-
перЭВМ), разного рода устройств ввода и вывода данных, вычислительных 
сетей и телекоммуникационных технологий. Математическое обеспечение 
САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вы-
числительной математики, математической статистики, математического 
программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. 
Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных со-
временных программных систем, основанных на операционных системах 
Unix, Windows, языках программирования С, C++, Java, современных CASE-
технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управ-
ления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена дан-
ными в компьютерных средах.

Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение ра-

ботать со средствами САПР требуются в настоящее время практически 
любому специалисту-разработчику. Компьютерами насыщены проектные 
подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за 
обычным кульманом становится анахронизмом. Предприятия, ведущие 
разработки без использования САПР, оказываются неконкурентоспособ-
ными вследствие как больших материальных и временных затрат на про-
ектирование, так и невысокого качества проектов.

Появление первых программ для автоматизации проектирования за ру-

бежом и в нашей стране относится к началу 60-х годов прошлого века. Тогда 
были созданы программы для решения задач строительной механики, ана-
лиза электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее разви-
тие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств ком-
пьютерной графики, повышения вычислительной эффективности программ 
моделирования и анализа объектов проектирования, расширения областей 
применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения 
в САПР элементов искусственного интеллекта. Одной из главных тенденций 
развития стала информационная интеграция САПР с другими промышлен-
ными автоматизированными системами в рамках CALS-технологий.

К настоящему времени создано большое число программно-методи-

ческих комплексов для САПР с различной степенью специализации и при-

кладной ориентации. В результате автоматизация проектирования стала 
необходимой составной частью подготовки специалистов различных пред-
метных областей. В настоящее время инженер, не умеющий работать 
в САПР и не владеющий соответствующими знаниями, не может считать-
ся полноценным специалистом.

Подготовка специалистов в области САПР включает базовую и специ-

альную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики 
автоматизированного проектирования входят в программу курса, посвя-
щенного основам САПР. Детальное изучение методов и программ, которые 
специфичны для конкретных предметных областей, предусматривается 
в профильных дисциплинах.

Данный учебник ориентирован на базовую подготовку студентов раз-

личных инженерных специальностей в области САПР.

Глава 1 является вводной. В этой главе даны начальные сведения о про-

цессе проектирования технических объектов, представлены структура 
САПР и ее место в ряду других промышленных автоматизированных сис-
тем.

Глава 2 посвящена конструкторскому проектированию и созданию гео-

метрических моделей изделий, т.е. системам конструкторского проекти-
рования, называемым системами CAD (Computer Aided Design).

В главе 3 представлены системы для расчетов и инженерного анализа 

САЕ (Computer Aided Engineering). Рассматриваются модели и методы, ис-
пользуемые для анализа проектных решений на различных иерархических 
уровнях, а также методы параметрического и структурного синтеза про-
ектных решений.

В главе 4 рассмотрены системы автоматизации технологической подго-

товки производства — системы САМ (Computer Aided Manufacturing).

Глава 5 посвящена системам управления проектными данными PDM 

(Product Data Management), предназначенным для координации работы 
систем CAD, CAE, CAM. 

В главе 6 представлены основные виды обеспечения САПР — техниче-

ское, математическое, программное, лингвистическое и информационное. 

Работа над учебником была распределена следующим образом: глава 1 — 

Норенков И.П.(пп. 1.1, 1.2), Жук Д.М. (п. 1.3); глава 2 — Божко А.Н., Мар-
тынюк В.А. (п. 2.1), Мартынюк В.А. (пп. 2.2–2.4); глава 3 — Трудоношин В.А. 
(пп. 3.1–3.4), Карпенко А.П. (п. 3.5); глава 4 — Божко А.Н.; глава 5 — Мар-
тынюк В.А.; глава 6 — Жук Д.М. (п. 6.1); Маничев В.Б. (п. 6.2); Волосато-
ва Т.М., Грошев С.В. (п. 6.3); Волосатова Т.М. (п. 6.4); Пивоварова Н.В. 
(п. 6.5); Грошев С.В., Волосатова Т.М. (п. 6.6).

Глава 1. 
введение в автоматизированное 
Проектирование

1.1. 
системный Подход к Проектированию

Понятие инженерного проектирования
Проектированием называют деятельность по созданию проекта. 

Понятие проект до недавнего времени обозначало технический про-
ект (design) — представление в некоторой принятой форме прототипа 
или прообраза проектируемого технического объекта, системы или 
процесса, а также комплект документации, предназначенной для со-
здания объекта, его эксплуатации, ремонта и ликвидации. В настоя-
щее время в связи с широким внедрением информационных техно-
логий во все области деятельности человека, например в биологию 
и медицину, понятие проекта существенно расширено. Приведенное 
определение проекта следует отличать от понятия проекта (project), 
используемого при планировании, организации и управлении ресур-
сами для достижения определенных целей. 

Проектирование начинается с разработки технического предложения и (или) технического задания и представления их в виде проектной 
документации, необходимой и достаточной для последующей мате-
риальной реализации объекта проектирования в виде изделия, сис-
темы или процесса. Техническое задание — это исходное (первичное) 
описание объекта проектирования. Обязательным документом тех-
нического задания на техническое изделие является спецификация — 
конструкторский документ, определяющий состав этого изделия. 
В спецификации содержится подробное перечисление деталей и узлов, 
входящих в состав изделия.

Результатом проектирования, как правило, является полный ком-

плект документации, представляющий собой окончательное описание 
объекта или процесса и содержащий достаточные сведения для реа-
лизации объекта или процесса на данном предприятии. Можно ска-
зать, что проектирование — это процесс получения и преобразования 
исходного описания объекта или процесса в окончательное описание 
на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчет-
ного и конструкторского характера.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть 

получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным, в отличие от «ручного» (без использования ЭВМ) или 
автоматического (без участия человека). Автоматическое проектиро-

вание в настоящее время возможно лишь в отдельных, хотя, быть мо-
жет, очень важных частных случаях (например, в микроэлектронике). 

Аппаратно-программную систему, обеспечивающую автоматизи-

рованное проектирование, называют системой автоматизированного 
проектирования (САПР). Часто название САПР включает в себя пред-
метную область, на которую ориентирована эта система. Так, разли-
чают системы ECAD (Electronic Computer Aided Design) для проектных 
работ в электронике, микроэлектронике и вычислительной технике; 
MCAD (Mechanical CAD) — ориентированные на машиностроительные 
отрасли; GIS (Geographic Information System) — для картографии, зем-
лепользования, землеустройства и проектирования городской инфра-
структуры; AEC (Architecture, Engineering, Construction) — для проекти-
рования зданий, сооружений, дорог и др.; PDS (Plant Design System) — поддерживающие проектирование процессориентированных 
производств (химические, энергетические, нефте- и газодобыча и пе-
реработка); CAS (Computer Aided (Assisted) Surgery) — медицинские сис-
темы для проектирования и планирования хирургических операций. 

САПР разделяют также по решаемым ими задачам, поддержива-

емым этапам процесса проектирования и пр. 

Принципы системного подхода
Общим подходом к проектированию является системный подход. 

Идеями этого подхода пронизаны различные методики проектиро-
вания сложных объектов и систем. Суть системного подхода заклю-
чается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом 
их связей и взаимодействия. Системный подход предполагает выяв-
ление структуры системы, типизацию связей в ней, определение ат-
рибутов элементов системы, анализ влияния внешней среды.

Системный подход является основой таких дисциплин, как «Теория 

систем» и «Системный анализ». Теория систем ориентирована на ис-
следование и проектирование сложных, как правило, слабострукту-
рированных экономических, социальных и технических систем, ха-
рактерным примером которых являются производственные системы.

Системный анализ — дисциплина по изучению структурных связей 

между переменными или элементами исследуемой системы. Дисцип-
лина опирается на комплекс естественно-научных, статистических 
и математических методов. При проектировании систем цели проек-
тирования достигаются в многошаговых процессах принятия решений. 
Теория принятия решений представляет собой важный раздел систем-
ного анализа.

Приложением теории систем к исследованию и проектированию 

сложных технических систем является системная инженерия. Предмет 
системной инженерии — организация процесса создания, использо-
вания и развития технических систем, а также методы и принципы их 

проектирования и исследования. САПР относятся к числу наиболее 
сложных современных искусственных систем. Проектирование и со-
провождение этих систем невозможно без использования системно-
го подхода. Поэтому концепции, методики и методы системной ин-
женерии входят составной частью в дисциплины, посвященные про-
ектированию и применению современных САПР.

В контексте проектирования важной составной частью системной 

инженерии является блочно­иерархический подход. Этот подход пред-
полагает декомпозицию сложных объектов и, соответственно, средств 
их создания на иерархические уровни и аспекты, устанавливает связь 
между параметрами подсистем соседних иерархических уровней, вво-
дит понятия восходящего и нисходящего проектирования. 

Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны 

следующие особенности:

 
• структуризация процесса проектирования. Структуризация явля-

ется сущностью блочно-иерархического подхода к проектирова-
нию и заключается в декомпозиции проектных задач, выделении 
стадий, этапов и проектных процедур; 

 
• итерационный характер проектирования;

 
• типизация и унификация проектных решений и средств проекти-

рования.

основные понятия и составные части 
системной инженерии
Базовыми являются следующие понятия системной инженерии.
Система — множество элементов, находящихся в отношениях 

и связях между собой.

Элемент — такая часть системы, представление о которой на дан-

ном уровне проектирования нецелесообразно подвергать дальней-
шему разделению.

Сложная система — система, состоящая из большого числа эле-

ментов, которые имеют большое число связей между собой. Совре-
менные автоматизированные информационные системы и, в частности, 
САПР относятся к классу сложных систем. 

Подсистема — часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), 
которая имеет свойства системы. 

Надсистема — система, по отношению к которой рассматриваемая 

система является подсистемой. 

Структура — представление совокупности элементов системы 

и их взаимосвязей. При описании структуры системы принимают во 
внимание лишь типы элементов и связей между ними без конкретизации 
значений параметров этих элементов и связей.

Параметр — величина, выражающая некоторое свойство элемента 
системы, всей системы или внешней среды, влияющей на 

систему. В моделях систем в качестве параметров рассматривают 
статические величины (не изменяющиеся во времени) и динамические (изменяющиеся во времени). Параметры разделяют на внешние, внутренние и выходные, выражающие свойства внешней среды, 
элементов системы, самой системы соответственно. 

Например, для двигателя внутреннего сгорания подсистемами 

являются механизм газораспределения, поршневая группа, системы 
смазывания и охлаждения. Внешние параметры двигателя — 
характеристики топлива, температура воздуха, нагрузка на выходном 
валу; внутренние параметры — число цилиндров, объем камеры 
сгорания; выходные параметры — мощность двигателя, его КПД, 
расход топлива.

Переменные состояния — минимальная совокупность независимых 

величин, необходимых и достаточных для полного определения по-
ведения системы во времени при заданных воздействиях и начальных 
условиях.

Состояние системы — совокупность значений ее переменных со-

стояния, зафиксированных в одной временной точке процесса функ-
ционирования системы.

Пространство состояний — множество всех возможных значений 

переменных состояния.

Динамика системы — изменение состояния системы в процессе ее 

функционирования.

Динамическая система — система, обладающая состоянием. Ди-

намическая система описывает динамику процесса перехода системы 
из одного состояния в другое. Опуская детали, динамическую систе-
му можно определить как систему, математическая модель которой 
задана в форме ОДУ или ДУЧП.

Фазовые переменные — это переменные, характеризующие энерге-

тическое наполнение элемента или динамической системы.

Составными частями системной инженерии являются: анализ 

и математическое моделирование систем; синтез и оптимизация 
систем.

Анализ — получение совокупности показателей, характеризующих 

функционирование системы, а также изучение причин изменения 
этих показателей, выявление и измерение взаимосвязей между ними.

Математическое моделирование — создание математических мо-

делей систем (modeling) и анализ систем на основе исследования их 
математических моделей (simulation).

Синтез предполагает решение двух следующих задач: синтез 

структуры проектируемой системы (структурный синтез); выбор 
численных значений параметров элементов систем (параметрический синтез).

1.2. 
структура Процессов Проектирования

иерархическая структура проектных спецификаций  
и иерархические уровни проектирования
При использовании блочно­иерархического подхода к проектиро-

ванию проектируемую систему расчленяют на иерархические уровни. 
На верхнем уровне используют наименее детализированное представ-
ление системы, отражающее только самые общие ее черты и особен-
ности. На следующих уровнях иерархии степень детализации описания 
возрастает. Такой подход позволяет на каждом иерархическом 
уровне формулировать задачи, поддающиеся решению с помощью 
имеющихся средств проектирования и, что очень важно, доступные 
для восприятия и осмысления человеком. 

Блочно-иерархический подход представляет собой пример декомпозиционного подхода, который основан на разбиении сложной задачи 
большой размерности на последовательно решаемые задачи меньшей 
размерности.

Число иерархических уровней, их содержание и наименование 

зависят от предметной области и проектируемой системы. Так, в радиоэлектронике 
выделяют структурный, функционально-логический 
и схемотехнический уровни проектирования; в машиностроении используют 
уровни комплексов, машин, узлов и деталей. В работах 
И.П. Норенкова предложена следующая универсальная структура 
уровней иерархии:

 
• системный уровень — решают наиболее общие задачи проектирования 
систем, машин и процессов. Результаты проектирования 
представляют в виде структурных схем, генеральных планов, схем 
размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т.п.;

 
• макроуровень — предполагает проектирование отдельных устройств, 

узлов машин и приборов. Результаты проектирования представ-
ляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических 
схем, сборочных чертежей и т.п.;

 
• микроуровень — включает в себя проектирование отдельных дета-

лей и элементов машин и приборов.
В зависимости от последовательности решения задач иерархиче-

ских уровней различают нисходящее, восходящее и смешанное про-
ектирование (стили проектирования). Решение задач от нижних 
к верхним уровням иерархии является признаком восходящего проектирования. Обратная последовательность определяет нисходящее проектирование. В смешанном стиле имеются элементы как восходящего, 
так и нисходящего проектирования. В большинстве случаев для слож-
ных систем предпочтение отдается нисходящему проектированию. 
При наличии заранее спроектированных составных элементов про-

ектируемой системы (что является типичным для современной прак-
тики проектирования) имеет место смешанное проектирование.

Неотъемлемой чертой нисходящего проектирования является не-

определенность и нечеткость исходных данных, обусловленная тем, 
что при проектировании на вышестоящем иерархическом уровне еще 
отсутствуют проекты для нижних уровней. Восходящее проектиро-
вание сопряжено с аналогичной проблемой, поскольку техническое 
задание имеется на всю систему, а не на ее части. В результате процесс 
проектирования для всех стилей имеет итерационный характер: при-
ходится прогнозировать недостающие данные с последующим их 
уточнением в процессе последовательного приближения к оконча-
тельному решению.

Наряду с декомпозицией описаний проектируемой системы на 

иерархические уровни используют различные аспекты ее описания.

Аспект описания — описание системы или ее части с некоторой 

оговоренной точки зрения. Различают функциональный, информа-
ционный, структурный и поведенческий (процессный) аспекты. 

Функциональное описание ориентировано на описание функций 

системы и обычно представляется ее функциональными схемами. 

Информационное — включает в себя основные понятия предметной 

области (сущности), словесные пояснения или числовые значения 
характеристик (атрибутов) этих сущностей, а также связи между сущ-
ностями. Информационное описание представляют графически в виде 
графов, диаграмм типа «сущность — отношение», в виде таблиц или 
списков. 

Структурное — определяет морфологию проектируемой системы, 

характеризует ее составные части и их взаимосвязи. Данное описание 
может быть представлено структурными схемами, а также различно-
го рода конструкторской документацией. 

Поведенческое описание характеризует процессы функциониро-

вания (алгоритмы) системы и (или) технологические процессы со-
здания системы. 

В общем случае выделение аспектов неоднозначно. Так, в маши-

ностроении наряду с указанными аспектами целесообразно выделе-
ние конструкторского (определение форм и пространственного рас-
положения компонентов изделия), алгоритмического (разработка 
алгоритмов и программного обеспечения) и технологического (раз-
работка технологических процессов) аспектов. 

стадии проектирования
Стадии проектирования определяют последовательность процесса 

проектирования во времени и регламентируются стандартами 
ГОСТ 2.103-68 «Единая система конструкторской документации. 
Стадии разработки» и ГОСТ Р 15.201-2000 «Система разработки и по-