Автоматизированное проектирование оборудования и технологий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2886 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования

С.М. Горбатюк 
М.Г. Наумова 
А.Ю. Зарапин 

Автоматизированное
проектирование оборудования 
и технологий 

 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2015 

УДК 621.8 
 
Г67 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович 

Горбатюк С.М. 
Г67  
Автоматизированное проектирование оборудования и технологий : курс лекций / С.М. Горбатюк, М.Г. Наумова, А.Ю. Зарапин. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 62 с. 
ISBN 978-5-87623-961-7 

Автоматизированное проектирование оборудования и технологий представляет собой общий курс, дающий необходимый набор систематизированных фундаментальных сведений о системах автоматизированного проектирования (САПР), позволяет формулировать постановку задач, разрабатывать 
САПР как цельную систему, выбирать САПР в соответствии с задачами конкретного предприятия или проекта. 
В курсе лекций рассматриваются основополагающие принципы САПР, 
их классификация, методы формализации процесса проектирования и конструирования, способы использования информационных технологий для автоматизации проектных, конструкторских и технологических задач. 
Предназначен для студентов, обучающихся по профилям подготовки бакалавров «Инжиниринг технологического оборудования» и «Металлургические машины и оборудование» направления подготовки 150302 «Технологические машины и оборудование». Может быть полезен студентам бакалавриата, обучающимся по другим направлениям подготовки, слушателям курсов подготовки и переподготовки кадров. 

УДК 621.8 

© С.М. Горбатюк, М.Г. Наумова, 
А.Ю. Зарапин, 2015 
ISBN 978-5-87623-961-7 
© НИТУ «МИСиС», 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Введение в САПР .................................................................................4 
Контрольные вопросы..........................................................................8 
2. Системный подход к проектированию. Типовая схема 
проектирования.........................................................................................9 
Контрольные вопросы........................................................................13 
3. Понятие САПР....................................................................................14 
3.1. Системы проектирования ...........................................................15 
3.2. Стадии и этапы проектирования................................................16 
3.3. Этапы жизненного цикла промышленных изделий .................18 
3.4. Цели создания и задачи САПР...................................................21 
Контрольные вопросы........................................................................22 
4. Структура и классификация САПР...................................................23 
4.1. Функциональная структура САПР.............................................23 
4.2. Компоненты и обеспечение........................................................24 
4.3. Классификация САПР.................................................................26 
4.4. Функциональное разделение и характеристики .......................28 
Контрольные вопросы........................................................................32 
5. Обзор современных САПР ................................................................33 
Контрольные вопросы........................................................................42 
6. Проектирование механизмов и машин на основе 
САПР Autodesk Inventor.........................................................................43 
Контрольные вопросы........................................................................47 
7. Разновидности САПР Autodesk Inventor ..........................................48 
7.1. Autodesk Inventor Series...............................................................49 
7.2. Autodesk Inventor Professional.....................................................53 
7.3. AutoCAD Inventor Suite...............................................................53 
Контрольные вопросы........................................................................57 
8. Выбор САПР .......................................................................................58 
Контрольные вопросы........................................................................60 
Библиографический список...................................................................61 
 

1. ВВЕДЕНИЕ В САПР 

Ускорение темпов научно-технического прогресса является решающим условием повышения качества продукции. Высокие темпы 
научно-технического прогресса должны обеспечиваться разработкой, 
производством и массовым применением высокоэффективных машин, оборудования, приборов и технологических процессов. Объективным препятствием повышению качества проектов и сокращению 
сроков их разработки является несоответствие между сложностью 
объектов строительства и устаревшими методами и средствами их 
проектирования. Применение математических методов и ЭВМ при 
проектировании способствует повышению технического уровня и качества проектируемых объектов, сокращению сроков разработки и 
освоения их в производстве. Автоматизация проектирования особенно 
эффективна, когда от автоматизации выполнения отдельных инженерных расчетов переходят к комплексной автоматизации, создавая для 
этой цели системы автоматизированного проектирования (САПР). 
При создании САПР различают два существенно разных подхода: 
с одной стороны – создание САПР в крупных, ведущих проектных и 
конструкторских организациях, а с другой – широкое распространение типовых расчетов, алгоритмов и программ в средних и заводских 
проектно-конструкторских организациях.  
Возможность широко распространять в проектных организациях 
наиболее прогрессивные, а также типовые и стандартные методы 
расчетов, различные нормативные и справочные данные предопределяют высокую эффективность САПР. Даже небольшая проектная 
организация получает возможность применять самые современные и 
эффективные методы инженерных расчетов, заимствуя их у организаций-разработчиков САПР. 
Как и другие типы автоматизированных систем, САПР является 
развивающейся системой. Технический прогресс в соответствующей 
отрасли должен сопровождаться непрерывным обновлением в САПР 
математических моделей, нормативов, данных о материалах комплектующих изделий. 
САПР создается и функционирует в проектной организации как 
самостоятельная система. Она может быть связана с подсистемами и 
банками данных других автоматизированных систем. Системы автоматизированного проектирования имеют свои специфические особенности, принципы создания и развития. 

САПР создаются в проектных, конструкторских, технологических 
организациях в целях: 
– повышения качества и технико-экономического уровня проектируемой и выпускаемой продукции; 
– повышения эффективности и надежности объектов проектирования, уменьшения затрат на их создание и эксплуатацию; 
– сокращения сроков, уменьшения трудоемкости проектирования 
и повышения качества проектной документации. 
Достижение целей создания САПР обеспечивается путем:  
– совершенствования систематизации и унификации процессов 
проектирования на основе применения математических методов и 
средств вычислительной техники; 
– комплексной автоматизации проектных работ в проектной организации с необходимой перестройкой ее структуры и кадрового состава; 
– повышения качества управления проектированием; 
– применения эффективных математических моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов; 
– использования методов многовариантного проектирования и оптимизации; 
– автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ; 
– замены натурных испытаний и макетирования математическим 
моделированием. 
При создании и развитии САПР рекомендуется применять следующие общесистемные принципы: 
– включения; 
– системного единства; 
– развития; 
– комплексности; 
– информативного единства; 
– совместимости; 
– инвариантности. 
Принцип включения предполагает, что требования к созданию, 
функционированию и развитию САПР определяются более сложными системами проектирования. 
Принцип системного единства состоит в том, что на всех стадиях создания, функционирования и развития САПР целостность системы должна обеспечиваться связями между подсистемами САПР, а 
также функционированием подсистемы управления САПР. 

Принцип развития требует, чтобы САПР разрабатывалась и 
функционировала как развивающаяся система. Для этого в САПР 
должно предусматриваться наращивание и совершенствование компонентов и связей между ними, как в любой системе с переменной 
структурой.  
Принцип комплексности требует, чтобы в САПР обеспечивалась связность проектирования отдельных элементов и всего объекта 
в целом на всех стадиях проектирования. Для этого в подсистемах 
должны предусматриваться компоненты САПР, осуществляющие 
комплексное согласование и контроль характеристик элементов и 
объекта в целом. 
Принцип информационного единства состоит в том, что в подсистемах, средствах обеспечения и компонентах САПР должны использоваться термины, символы, условные обозначения, проблемноориентированные языки программирования и способы представления информации, установленные в отраслях соответствующими нормативными документами.  
Принцип совместимости состоит в том, что языки, символы, коды, информационные и технические характеристики структурных 
связей между подсистемами, средствами обеспечения и компонентами САПР должны быть согласованы так, чтобы обеспечивалось совместное функционирование всех подсистем и сохранилась открытая 
структура системы в целом.  
Принцип инвариантности предопределяет, что подсистемы и 
компоненты САПР должны быть по возможности универсальными 
или типовыми, т.е. инвариантными к проектируемым объектам и отраслевой специфике.  
Применение указанных принципов в разработках конкретных 
САПР должно быть логически непротиворечивым, не допускающим 
возникновения абсурдных локальных решений, ведущих к сбоям и 
распаду системы в целом.  
С развитием САПР существенно улучшается качество проектов, 
проектировщик получает возможность использовать эффективные 
математические модели, методы моделирования и оптимизации на 
всех основных стадиях проектирования.  
Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий. Во-первых, автоматизация проектирования – синтетическая дисциплина, ее составными частями являются 
многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение САПР основано на использовании вычисли

тельных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции. 
Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, 
статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР 
относятся к числу наиболее сложных современных программных 
систем, основанных на операционных системах Unix, Windows 95/NT, 
языках программирования С, С++, Java и других, современных 
CASE-технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах. 
Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение 
работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру-разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или 
оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом. 
Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как 
из-за больших материальных и временных затрат на проектирование, 
так и из-за невысокого качества проектов. Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР относится к началу 1960-х годов. 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 машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения 
областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта. 
К настоящему времени создано большое число программнометодических комплексов для САПР с различными степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате автоматизация 
проектирования стала необходимой составной частью подготовки 
инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом. 
 Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР 
включает базовую и специальную компоненты. Наиболее общие по

ложения, модели и методики автоматизированного проектирования 
входят в программу курса, посвященного основам САПР. Более детальное изучение тех методов и программ, которые специфичны для 
конкретных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах. 

Контрольные вопросы 

1. Расшифруйте аббревиатуру САПР. 
2. Какие принципы рекомендуется применять при создании и развитии САПР? 
3. Расскажите про принцип инвариантности. 
4. В чем состоит смысл принципа информационного единства? 
5. Расскажите про принцип комплексности. 
 

2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ. 
ТИПОВАЯ СХЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в системном подходе. Для специалиста в области системотехники они являются очевидными и естественными, однако их соблюдение и реализация зачастую сопряжены с определенными трудностями, обусловливаемыми особенностями проектирования. Как и 
большинство взрослых образованных людей, правильно использующих родной язык без привлечения правил грамматики, инженеры 
применяют системный подход без обращения к пособиям по системному анализу. Однако интуитивный подход без применения правил 
системного анализа может оказаться недостаточным для решения все 
более усложняющихся задач инженерной деятельности. 
Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает в себя выявление структуры 
системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния 
внешней среды. Системный подход рассматривают как направление 
научного познания и социальной политики. Он является базой для 
обобщающей дисциплины «Теория систем» (другое используемое название – «Системный анализ»). Теория систем – дисциплина, в которой 
конкретизируются положения системного подхода; она посвящена исследованию и проектированию сложных экономических, социальных, 
технических систем, чаще всего слабоструктурировaнных. Характерными примерами таких систем являются производственные системы. При 
проектировании систем цели достигаются в многошаговых процессах 
принятия решений. Методы принятия решений часто выделяют в самостоятельную дисциплину, называемую «Теория принятия решений». 
В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, их проектирование и которая аналогична теории систем, чаще называют системотехникой. Предметом системотехники 
являются, во-первых, организация процесса создания, использования 
и развития технических систем, вo-вторых, методы и принципы их 
проектирования и исследования. В системотехнике важно уметь 
сформулировать цели системы и организовать ее рассмотрение с позиций поставленных целей. Тогда можно отбросить малозначимые 
части при проектировании и моделировании, перейти к постановке 
оптимизационных задач. 

Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее сложных современных искусственных систем. 
Их проектирование и сопровождение невозможны без системноro 
подхода. Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью в дисциплины, посвященные изучению современных автоматизированных систем и технологий их применения. 
Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют место 
в ряде известных подходов с другими названиями, которые также 
можно paccматривать как компоненты системотехники. Таковы структурный, блочно-иерархический, объектно-ориентированный подходы. 
При структурном подходе, как разновидности системного, требуется синтезировать вариaнты системы из компонентов (блоков) и 
оценивать вapианты при их частичном переборе с предварительным 
npoгнозированием xapaктepистик компонентов. 
Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи 
декомпозиции сложных описаний объектов и соответственно средств 
их создания на иерархические уровни и acneкты, вводит понятие 
стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает 
связь между параметрами coceдних иерархических уровней. 
Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке информационных систем и прежде всего их программного 
обеспечения (ПО), выражен в объектно-ориентированном подходе к 
проектированию. Такой подход имеет ряд преимуществ в решении 
проблем управления сложностью и интеграции ПО. 
1. Вносит в модели приложений большую структурную определенность, распределяя представленные данные и процедуры между 
классами объектов. 
2. Сокращает объем спецификаций благодаря внедрению в описания иерархии объектов и отношений наследования между свойствами объектов разных уровней иерархии. 
3. Уменьшает вероятность искажения дaнных вследствие ошибочных действий за счет ограничения дocтyпа к определенным категориям данных в объектах. Описание в каждом классе объектов допустимых обращений к ним и принятыx форматов сообщений облегчает согласование и интеграцию ПО. 
Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны также следующие особенности: 
– структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, эта

пов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью 
блочно-иерархического подхода к проектированию; 
– итерационный характер проектирования; 
– типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.  
При использовании блочно-иерархического подхода к проектированию представления о проектируемой системе расчленяют на иерархические уровни. На верхнем уровне используют наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и 
особенности проектируемой системы. На следующих уровнях степень подробности описания возрастает, при этом рассматривают уже 
отдельные блоки системы, но с учетом воздействий на каждый из 
них его соседей. Такой подход позволяет на каждом иерархическом 
уровне формулировать задачи приемлемой сложности, поддающиеся 
решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разбиение 
на уровни должно быть таким, чтобы документация на блок любого 
уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком. 
Другими словами, блочно-иерархический подход есть декомпозиционный подход (его можно назвать также диакоптическим), который основан на разбиении сложной задачи большой размерности на 
последовательно и (или) параллельно решаемые группы задач малой 
размерности, что существенно сокращает требования к используемым вычислительным ресурсам или время решения задач. 
Можно говорить об иерархических уровнях не только спецификаций, но и проектирования, понимая под каждым из них совокупность 
спецификаций некоторого иерархического уровня совместно с постановками задач, методами получения описаний и решения возникающих проектных задач.  
Список иерархических уровней в каждом приложении может быть 
специфичным, но для большинства характерно следующее наиболее 
крупное выделение уровней: 
– системный уровень, на котором 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, на котором проектируют отдельные устройства, 
узлы машин и приборов; результаты представляют в виде функциональных пршщипиальных и кинематических схем, сборочных чертежей и т.п.;