Основы автоматизированного проектирования

УДК 004.92(075.32)
ББК 32.973.26-02я723
 
А20

Ре ц е н з е н т ы: цикловая комиссия «Информатика и информационные 
технологии» учреждения образования «Минский государственный автомеханический колледж» (И.Е. Ванькевич); доцент кафедры «Автомобили» Белорусского национального технического университета кандидат технических 
наук, доцент  Г.А. Дыко

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги 
или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства

Выпуск издания осуществляется при финансовой поддержке Министерства образования Республики Беларусь

ISBN 978-985-06-2316-4 
© Авлукова Ю.Ф., 2013
 
© Оформление. УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2013

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Дисциплина «Основы автоматизированного проектирования» предусматривает изучение систем автоматизированного 
проектирования (САПР), используемых в конструкторско-технологической деятельности специалистов различных отраслей производственной сферы, ознакомление с их классификацией и тенденциями развития, выработку системного подхода 
к процессу проектирования, построение трехмерных моделей 
и чертежей объектов в графических средах AutoCAD 
и КОМПАС-3D. 
Цель изучения дисциплины – приобрести обобщенные 
знания по автоматизированному проектированию и компьютерному моделированию объектов, выработать умение создавать и редактировать трехмерные модели и чертежи в графических средах AutoCAD и КОМПАС-3D.
Задачи дисциплины:
 
■ изучение организации проектных работ, их характера 
и специфики, методологии проектирования новой техники;
 
■ практическое освоение методов и средств автоматизации 
проектных работ;
 
■ ознакомление с задачами и проблемами автоматизации 
проектирования, перспективами развития и совершенствования САПР.
Результатом изучения дисциплины должны стать:
 
■ знание современных средств и направлений развития 
САПР, назначения и структуры САПР, методики работы с программным информационным обеспечением САПР, методов 
создания и редактирования чертежей и трехмерных моделей 
объектов;
 
■ умение создавать и редактировать чертежи и трехмерные модели в графическом редакторе, заполнять документацию с применением САПР, применять программы САПР для 
разработки отраслевых чертежей, групповых чертежей деталей с использованием средств параметризации, технологической документации, создавать модели деталей и сборок в соответствии с нормами оформления и хранения документации 
на различных носителях.
Дисциплина «Основы автоматизированного проектирования» основывается на знаниях, полученных при изучении 

дисциплин «Информатика», «Основы программирования», 
«Математика», «Инженерная графика», формирует знания 
и умения, необходимые при изучении дисциплин «Информационные технологии», спецдисциплин, связанных с конструированием и производством отраслевого оборудования, а также 
для выполнения курсового и дипломного проектирования.
Современное производство предъявляет все более жесткие 
требования к срокам и стоимости создания промышленных 
изделий. Условно можно выделить два этапа создания изделия: этап проектирования, когда формируется модель объекта, 
и этап воплощения его в материальную форму. Система автоматизированного проектирования охватывает весь спектр 
 проблем, связанных с проектной деятельностью (графических, 
аналитических, экономических, эргономических, эстетических).
Автоматизация проектирования является синтетической 
дисциплиной, включающей в свой состав другие современные информационные технологии. Например, техническое 
обеспечение систем автоматизированного проектирования основано на знании и использовании вычислительных 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.
Знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому 
специалисту-разработчику. Предприятия, ведущие разработки 
без применения 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.

ÂÂÅÄÅÍÈÅ.  ÈÑÒÎÐÈß ÐÀÇÂÈÒÈß ÑÀÏÐ

Средства вычислительной техники начали использоваться 
для решения задач проектирования в 30-х гг. ХХ в. для автоматизации проектирования электронных схем.
В конце 1950-х гг. А. Сазерлендом, предложившим использовать дисплей в качестве электронного кульмана, что позволило многократно изменять содержимое чертежа, был введен 
термин «Система автоматизированного проектирования» 
(САПР, англ. CAD). В то же время Д.Т. Росс начал работать 
над одноименным проектом в Массачусетском технологическом институте (MIT).
Появление первых программ для автоматизации проектирования в СССР относится к началу 1960-х гг. Это 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. 
Первые CAD-системы появились десять лет спустя.
В 1970-е гг. были получены отдельные результаты, показавшие, что область проектирования в принципе поддается 
компьютеризации. В этот период основное внимание уделялось системам автоматизированного черчения. Началом нового этапа послужило создание фирмой Computer Vision платформы и соответствующего программного обеспечения (ПО), 
что стало предпосылкой массового внедрения САПР.
В 1980-е гг. появляются массовые системы и базовые программные продукты для них. Для этого периода характерно 
использование различного программного обеспечения подразделениями одного предприятия (период основной автоматизации). Наряду с 2D-черчением появились системы 3D-моделирования, возникло понятие твердотельного моделирования.
В это время на территории Советского Союза была разработана (на базе АРМ СМ-4) первая САПР для легкой промышленности совместно специалистами отдела математиче

ского моделирования и оптимального проектирования Института проблем машиностроения АН Украины и Проектно-конструкторского бюро автоматизированных систем управления 
текстильной и легкой промышленности в Москве. Специалисты института предложили программное обеспечение проектирования раскладок САПР, а специалисты ПКБ – автоматизированную раскройную установку (АРУ) для раскроя лазерным лучом. В 1988 г. система демонстрировалась на ВДНХ 
СССР, была отмечена золотой медалью, поскольку реализованная программа автоматического проектирования раскладок 
превосходила все известные в мире программы.
В 1972 г. в Институте проблем машиностроения АН Украины создан отдел математического моделирования и оптимального проектирования, который возглавил ученик академика В.Л. Рвачева профессор Ю.Г. Стоян. Под его руководством разработаны теория и математические методы геометрического проектирования, в 1977 г. создана программа 
автоматического построения секционных раскладок для раскроя трикотажных полотен, построены средствами ПЭВМ 
и вычерчены в натуральную величину на плоттере оптимальные раскладки. Использование специальных математических 
методов отличало САПР «Грация» от остальных систем. 
В 1991–1993 гг. разработаны и установлены системы на предприятиях Киева, Бердичева, Коростеня, Чернигова, Архангельска, Воронежа, Калуги. С 1994 г. «Грация» заменила работавшие на предприятиях зарубежные САПР.
Периодом совершенствования существующего программного обеспечения можно назвать 1990-е гг. В это время были 
убраны барьеры несовместимости между системами от конвертации данных из системы в систему сторонними фирмами 
до предоставления возможности импорта и экспорта данных 
самими производителями ПО.
С начала нового тысячелетия CAD-системы как системы 
геометрического моделирования были значительно усовершенствованы: качественно изменились средства 3D-поверхностного и твердотельного моделирования, параметрического 
конструирования, улучшен интерфейс. В нынешнем десятилетии самыми актуальными стали вопросы, связанные с интеграцией разнообразных возможностей, позволяющей автоматизировать не отдельные элементы процесса, а полностью 
весь процесс проектирования, в частности конструирования.

В настоящее время термином «САПР» обозначают процесс 
проектирования с использованием сложных средств компьютерной графики, поддерживаемых пакетами программного 
обеспечения для решения средствами вычислительной техники аналитических, квалификационных, экономических и эргономических проблем, связанных с проектной деятельностью.
На современном этапе развития САПР прослеживаются 
три основные тенденции:
 
■ повышение сложности и ресурсоемкости изделия ввиду 
усложнения структуры изделий и развития технологий производства;
 
■ повышение конкуренции среди производителей изделий;
 
■ углубление кооперации между участниками жизненного 
цикла изделия, создание виртуальных предприятий, состоящих из нескольких юридически независимых организацийпроизводителей и заказчиков, объединившихся для выполнения проекта и предоставивших в распоряжение созданной 
структуры необходимую часть своих ресурсов в целях совместного использования.
Использование программных продуктов САПР уменьшает 
сроки выпуска новых изделий на рынок, улучшает качество 
продукции, сокращает затраты на проектирование и производство, повышая конкурентоспособность проектируемых изделий. 
Таким образом, в настоящее время существует множество 
программно-методических комплексов САПР с различной 
степенью специализации и прикладной ориентацией, а учебная дисциплина «Автоматизация проектирования» является 
необходимой составной частью подготовки специалистов 
практически всех отраслей производства и требует обязательного соблюдения соответствующих мер безопасности.

ÐÀÇÄÅË 1

ÒÅÎÐÅÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÎÑÍÎÂÛ 
ÀÂÒÎÌÀÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÎÃÎ ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈß

1.1. Ïîíÿòèå î ñèñòåìå è åå ñâîéñòâàõ

Современный этап социально-экономического развития 
общества требует от проектировщика создания конкурентоспособного изделия, удовлетворяющего потребностям рынка. 
Инженерное проектирование, таким образом, сводится к решению многофакторной научно-технической задачи, рассматриваемой как комплекс социальных, гуманитарных, естественных и технических дисциплин, что позволяет говорить 
о системном подходе к принятию проектного решения.
В силу разнообразия представления систем существует 
по меньшей мере несколько десятков различных определений 
понятия «система», используемых в зависимости от области 
знаний и целей исследования. Наиболее распространенным 
определением понятия системы в литературе по теории систем является следующее: с и с т е м а (от греч. systema – целое, составленное из частей; соединение) – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, 
которое образует определенную целостность, единство. Элемент представляет собой простейшую неделимую часть системы. Э л е м е н т – предел членения системы с точки зрения 
решения конкретной задачи и поставленной цели.
Сложная система может быть раздроблена на ряд более 
простых систем, именуемых подсистемами и обладающих 
свойствами системы (в частности, свойством целостности). 
П о д с и с т е м а – система, являющаяся частью другой системы и способная выполнять относительно независимые функции, имеющая подцели, направленные на достижение общей 
цели системы. В свою очередь объединение подсистем в единую систему определяется понятием «надсистема». Н а д с и с т е м а (с у п е р с и с т е м а ) – более крупная система, частью 
которой является рассматриваемая система. Понятие системы 
является универсальным, практически любой объект может 
быть описан как система.
Системы можно разделить на материальные и абстрактные. Материальные системы представляют собой целост

ные совокупности материальных объектов и могут подразделяться на системы неорганические (физические, геологические, химические и т.д.) и биологические различного уровня 
иерархии (организмы, виды, экосистемы). Особый класс материальных биосистем образуют социальные системы вплоть 
до социально-экономической структуры общества. Абстрактные системы являются продуктом человеческого мышления; 
они также могут быть разделены на множество различных типов, включая понятия, гипотезы, теории, научные знания 
об иных системах (лингвистические, логические и т.д.).
Относительно изменения состояния системы с течением 
времени выделяются статичные и динамичные системы. Состояние статичной системы с течением времени остается 
постоянным, динамичная система изменяет свое состояние 
во времени.
По характеру взаимоотношения системы и среды системы 
могут быть закрытыми (замкнутыми, в них не поступает 
и из них не выделяется вещество, происходит лишь обмен 
энергией) и открытыми (незамкнутыми, в них постоянно 
происходят ввод и вывод энергии и вещества). По второму закону термодинамики каждая закрытая система в конечном 
счете достигает состояния равновесия, при котором остаются 
неизменными все макроскопические величины системы 
и прекращаются все макроскопические процессы (состояние 
максимальной энтропии и минимальной свободной энергии). 
Стационарным состоянием открытой системы является подвижное равновесие, при котором все макроскопические величины остаются неизменными, но непрерывно продолжаются 
макроскопические процессы ввода и вывода вещества. Поведение названных классов систем описывается с помощью 
дифференциальных уравнений, задача построения которых 
решается в математической теории систем.
В самом общем случае понятие «система» характеризуется:
 
■ наличием множества элементов;
 
■ наличием связей между ними;
 
■ целостным характером данного устройства или процесса.
Полной классификации систем в настоящее время не существует, окончательно не разработаны даже ее принципы. 
Разные авторы предлагают разные принципы классификации 
систем, терминология их также отличается. Согласно классификации п о  о б ъ е к т и в н о с т и  с у щ е с т в о в а н и я выделяют две группы: реальные и абстрактные системы (рис. 1.1). 

Реальные системы в зависимости от происхождения подразделяются на естественные и искусственные. Естественные системы существуют в реальности, они могут быть физическими и биологическими (атом, молекула, клетка, организм, общество, вселенная и т.д.). Искусственные системы 
созданы человеком (устройство, предприятие, город, государство и т.д.). Одной из первых искусственных систем можно 
считать систему торговли. Некоторые авторы выделяют смешанные системы, к которым относят эргономические (машина – человек-оператор), автоматизированные, биотехнические, организационные и другие системы.
Абстрактные системы, по сути, являются моделями реальных объектов: это языки, системы счисления, идеи, планы, 
гипотезы и понятия, алгоритмы и компьютерные программы, 
математические модели, системы наук. Среди них иногда выделяют идеальные, или концептуальные, системы, выражающие принципиальную идею или образцовую действительность, предполагаемый вариант имеющейся или проектируемой системы.
Современный этап научно-технического развития способствовал возникновению автоматизированных систем управле
Рис. 1.1. Классификация систем по объективности существования