Основы автоматизированного проектирования

Москва
ИНФРА-М
2021

ОСНОВЫ 
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УЧЕБНИК

Под редакцией А.П. Карпенко

Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО 
в качестве учебника для студентов учебных заведений, 
реализующих программу среднего профессионального 
образования по специальностям укрупненной группы 
специальностей 09.02.00 «Информатика 
и вычислительная техника»

ISBN 978-5-16-014441-2 (print)
ISBN 978-5-16-106970-7 (online) 
© Коллектив авторов, 2015

О75

УДК 681.5(075.32)
ББК 30.2я723
О75

Основы автоматизированного проектирования : учебник / под ред. 
А.П. Карпенко. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 329 с., [16] с. цв. ил. — 
(Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-16-014441-2 (print)
ISBN 978-5-16-106970-7 (online)

Учебник ориентирован на базовую подготовку студентов различных инженерных специальностей в области САПР. В нем рассматриваются конструкторское 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 подготовки 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, программное, лингвистическое и информационное. 
Для студентов учреждений среднего профессионального образования, студентов вузов, а также работников промышленности, использующих методы 
и средства САПР. 
УДК 681.5(075.32)
ББК 30.2я723

Р е ц е н з е н т:
Г.С. Иванова, доктор технических наук, профессор Московского государственного технического университета имени 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. Трудоношин

Предисловие

Перед человечеством в настоящее время стоит ряд сложных проблем, 

связанных с экологией, поиском новых источников энергии, материалов, 
технологий, соответствующих постиндустриальному обществу. Определяющая роль в решении этих проблем принадлежит информационным технологиям.

Среди информационных технологий автоматизация проектирования 

занимает особое место. Во-первых, автоматизация проектирования — синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие 
современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение 
систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании ЭВМ (от персональных компьютеров до мейнфреймов и суперЭВМ), разного рода устройств ввода ивывода данных, вычислительных 
сетей ителекоммуникационных технологий. Математическое обеспечение 
САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, математической статистики, математического 
программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. 
Программные комплексы САПР относятся кчислу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах 
Unix, Windows, языках программирования С, C++, Java, современных CASEтехнологиях, реляционных иобъектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными 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 неконкурентоспособными вследствие как больших материальных и временных затрат на проектирование, 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, анализа электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств компьютерной графики, повышения вычислительной эффективности программ 
моделирования и анализа объектов проектирования, расширения областей 
применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения 
вСАПР элементов искусственного интеллекта. Одной из главных тенденций 
развития стала информационная интеграция САПР сдругими промышленными автоматизированными системами в рамках CALS-технологий.

К настоящему времени создано большое число программно-методи
ческих комплексов для САПР сразличной степенью специализации ипри

кладной ориентации. В результате автоматизация проектирования стала 
необходимой составной частью подготовки специалистов различных предметных областей. В настоящее время инженер, не умеющий работать 
в САПР и не владеющий соответствующими знаниями, не может считаться 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, посвященного 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. Вэтой главе даны начальные сведения опро
цессе проектирования технических объектов, представлены структура 
САПР и ее место в ряду других промышленных автоматизированных систем.

Глава 2 посвящена конструкторскому проектированию и созданию гео
метрических моделей изделий, т.е. системам конструкторского проектирования, называемым системами CAD (Computer Aided Design).

В главе 3 представлены системы для расчетов и инженерного анализа 

САЕ (Computer Aided Engineering). Рассматриваются модели и методы, используемые для анализа проектных решений на различных иерархических 
уровнях, а также методы параметрического и структурного синтеза проектных 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: глава1— 

Норенков И.П.(пп. 1.1, 1.2), Жук Д.М. (п. 1.3); глава 2 — Божко А.Н., Мартынюк В.А. (п. 2.1), Мартынюк В.А. (пп. 2.2–2.4); глава 3— ТрудоношинВ.А. 
(пп. 3.1–3.4), Карпенко А.П. (п. 3.5); глава 4 — Божко А.Н.; глава 5 — Мартынюк В.А.; глава 6 — Жук Д.М. (п. 6.1); Маничев В.Б. (п. 6.2); Волосатова 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 проект (design) — представление в некоторой принятой форме прототипа 
или прообраза проектируемого технического объекта, системы или 
процесса, а также комплект документации, предназначенной для создания объекта, его эксплуатации, ремонта и ликвидации. В настоящее время в связи с широким внедрением информационных технологий 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 иуправлении ресурсами для достижения определенных целей. 

Проектирование начинается сразработки технического предложения и(или) технического задания ипредставления их в виде проектной 
документации, необходимой и достаточной для последующей материальной реализации объекта проектирования в виде изделия, системы или процесса. Техническое задание— это исходное (первичное) 
описание объекта проектирования. Обязательным документом технического задания на техническое изделие является спецификация — 
конструкторский документ, определяющий состав этого изделия. 
Вспецификации содержится подробное перечисление деталей иузлов, 
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 реализации объекта или процесса на данном предприятии. Можно сказать, что проектирование — это процесс получения и преобразования 
исходного описания объекта или процесса в окончательное описание 
на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного 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 может, 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 предметную область, на которую ориентирована эта система. Так, различают 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, землепользования, землеустройства и проектирования городской инфраструктуры; AEC (Architecture, Engineering, Construction) — для проектирования зданий, сооружений, дорог и др.; PDS (Plant Design System) — поддерживающие проектирование процессориентированных 
производств (химические, энергетические, нефте- и газодобыча и переработка); CAS (Computer Aided (Assisted) Surgery) — медицинские системы 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 проектирования сложных объектов и систем. Суть системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы сучетом 
их связей и взаимодействия. Системный подход предполагает выявление структуры системы, типизацию связей в ней, определение атрибутов элементов системы, анализ влияния внешней среды.

Системный подход является основой таких дисциплин, как «Теория 

систем» и «Системный анализ». Теория систем ориентирована на исследование и проектирование сложных, как правило, слабоструктурированных экономических, социальных и технических систем, характерным примером которых являются производственные системы.

Системный анализ— дисциплина по изучению структурных связей 

между переменными или элементами исследуемой системы. Дисциплина опирается на комплекс естественно-научных, статистических 
и математических методов. При проектировании систем цели проектирования достигаются вмногошаговых процессах принятия решений. 
Теория принятия решений представляет собой важный раздел системного анализа.

Приложением теории систем к исследованию и проектированию 

сложных технических систем является системная инженерия. Предмет 
системной инженерии — организация процесса создания, использования и развития технических систем, атакже методы и принципы их 

проектирования и исследования. САПР относятся к числу наиболее 
сложных современных искусственных систем. Проектирование и сопровождение этих систем невозможно без использования системного подхода. Поэтому концепции, методики и методы системной инженерии входят составной частью в дисциплины, посвященные проектированию и применению современных САПР.

В контексте проектирования важной составной частью системной 

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

Для всех подходов кпроектированию сложных систем характерны 

следующие особенности:
• структуризация процесса проектирования. Структуризация явля
ется сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию 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 дальнейшему разделению.

Сложная система — система, состоящая из большого числа эле
ментов, которые имеют большое число связей между собой. Современные автоматизированные информационные системы и, в частности, САПР относятся к классу сложных систем. 

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

Надсистема— система, по отношению ккоторой 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 эле
мента 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 ивыходные, 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 поведения системы во времени при заданных воздействиях и начальных 
условиях.

Состояние системы — совокупность значений ее переменных со
стояния, зафиксированных в одной временной точке процесса функционирования 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 систему 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 представление системы, отражающее только самые общие ее черты и особенности. 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 проектиро
вания 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 представляют 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 проектирование (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 инисходящего проектирования. В большинстве случаев для сложных систем предпочтение отдается нисходящему проектированию. 
При наличии заранее спроектированных составных элементов про

ектируемой системы (что является типичным для современной практики 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 проектирование 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: приходится прогнозировать недостающие данные с последующим их 
уточнением в процессе последовательного приближения к окончательному 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, информационный, структурный и поведенческий (процессный) аспекты. 

Функциональное описание ориентировано на описание функций 

системы и обычно представляется ее функциональными схемами. 

Информационное— включает всебя основные понятия предметной 

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

Структурное — определяет морфологию проектируемой системы, 

характеризует ее составные части иих взаимосвязи. Данное описание 
может быть представлено структурными схемами, а также различного рода конструкторской документацией. 

Поведенческое описание характеризует процессы функциониро
вания (алгоритмы) системы и (или) технологические процессы создания системы. 

В общем случае выделение аспектов неоднозначно. Так, в маши
ностроении наряду с указанными аспектами целесообразно выделение конструкторского (определение форм и пространственного расположения компонентов изделия), алгоритмического (разработка 
алгоритмов и программного обеспечения) и технологического (разработка 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

становки продукции на производство. Продукция производственнотехнического назначения»». В общем случае выделяют следующие 
стадии проектирования: 
• научно-исследовательские работы (НИР) — формирование тех
нического задания;

• формирование технического предложения;
• эскизное проектирование и (при необходимости) опытно-конст
рукторские работы;

• разработка технического проекта;
• разработка рабочего проекта;
• испытания опытных образцов или опытных партий. 

По мере перехода от стадии к стадии степень детальности прора
ботки проекта возрастает, так что рабочий проект должен быть достаточным для изготовления опытных или серийных образцов. 

Близким копределению стадии, но менее четким является понятие 

этапа проектирования.

Стадии (этапы) проектирования разделяют на составные части, 

называемые проектными процедурами. Примерами проектных процедур являются подготовка деталировочных чертежей, анализ кинематики изделия или его части, моделирование переходного процесса, 
оптимизация параметров и т.д. Таким образом, процесс проектирования представляет собой выполнение некоторых последовательностей проектных процедур — маршрутов проектирования.

Проектные процедуры расчленяют на более мелкие составляющие— 

проектные операции. При анализе прочности детали сеточными методами, например, можно выделить следующие операции: построение 
сетки, выбор или расчет внешних воздействий, собственно моделирование полей напряжений идеформаций, представление результатов 
моделирования в графической и текстовой формах. 

На стадии формулирования технического задания выполняют НИР, входе 

которых на основании информации, поступающей от заказчика, уточняют 
назначение разрабатываемого объекта, определяют его технические и тактико-технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, стадии создания документации и ее состав, специальные требования к изделию. Техническое задание на проектирование 
объекта должно включать в себя, по меньшей мере, следующие данные:

1) назначение объекта на естественном языке;
2) условия эксплуатации, представленные качественными харак
теристиками в вербальной форме и числовыми величинами 
(внешними параметрами) вместе с областями их допустимых 
значений. Условия эксплуатации могут быть заданы, например, в виде диапазонов температур окружающей среды, внешних сил, электрических напряжений и т.п., в которых должна 
быть обеспечена работоспособность изделия;