CAD/CAM/CAE - технологии в учебном процессе

и научных исследованиях

Т.С. Москалёва,

зав. каф. «Инженерная графика», к.т.н., доц.,

И.В. Емельянова,

каф. «Инженерная графика», к.т.н., доц.,

Н.В. Емельянов,

аспир. каф. «Автомобили и станочные комплексы»,

   Самарский государственный технический университет,  eg@samgtu.ruг.Самара

 

Аннотация

В работе изложена методика обучения инженеров, магистров и бакалавров на основе CAD/CAM/CAE-технологий в учебном процессе и научных исследованиях

 

Abstract

The following paper introduces the methods of  teaching students for Bachelor’s Degree, Master’s Degree and Engineering Specialties on the basis of CAD/ CAM/CAE/ technologies during the teaching process and scientific research

 

Современные машиностроительные и станкостроительные предприятия, производящие сложную наукоемкую продукцию применяют информационные технологии - один из инструментов повышения эффективности процесса проектирования и производства продукции.

Жизненный цикл изделия — совокупность взаимосвязанных процессов (стадий) создания и последовательного изменения состояния от обработки сырья для его изготовления до эксплуатации и утилизации продукта, предполагает применение программных продуктов CAD/CAM/CAE/GIS/PDM/PLM - технологий.

В процессе конструкторской и технологической подготовки производства используют системы автоматизированного проектирования (САПР). В зарубежной технической литературе они известны как CAD/САМ/САЕ – технологии [1].

Новые технологии конструирования реализованы в универсальных графических системах проектирования типа Компас, ACAD и их приложениях.

Как известно, комплексы CAD делятся на легкие (CADAM, VersaCAD), средние (Solid Designer, Inventor, Mechanical Desktop) и тяжелые (интегрированные системы Pro/ENGINEER, Unigraphics, CATIA, I-DEAS, I/EMS, EUCLID).

Самыми известными из них в ВУЗе (на начальных курсах обучения) являются AutoCAD и его приложения; КОМПАС – 3D, ArchiCAD, Solid Edge, CADdy и др. [1,2,3].

 

Персональный компьютер ПК является современным (прогрессивным) техническим средством обучения, позволяющим в наиболее полной мере использовать  преимущества активных методов обучения:

развитие творческого мышления, выработка практических навыков при изучении того или иного предмета и др.

Традиционные методы формируют, как правило, лишь информационную базу (в случае преобладания пассивной позиции студента в ходе учебного процесса).

Современные задачи высшей школы могут быть достигнуты посредством программированного обучения при организации  непрерывной компьютерной подготовки инженеров, бакалавров и магистров, начиная с общеобразовательных и технических дисциплин I-го курса и заканчивая дипломным проектом по специальности на специализированных кафедрах.

При подготовке инженеров технических специальностей, магистров и бакалавров изучаются в первую очередь «Машиностроительное черчение, Компьютерная графика, Начертательная геометрия», а в дальнейшем на базе полученных знаний - специальные дисциплины проектирования, технологии, эксплуатации и ремонта с широким использованием вычислительной техники.

Для успешного проведения обучения  необходимо:

Создать нужное количество рабочих мест, провести подготовку компьютеров, настройку аппаратного, программного обеспечения и иметь в наличии достаточный объем учебно-методического материала.

Непременным условием при этом является наличие отдельного рабочего места для каждого учащегося. Если студент оказывается в роли простого зрителя, то он просто теряет время, не приобретая необходимых практических навыков.

Как показывает практика, для освоения программного продукта в объеме курса, необходимо предоставление ПК и времени для самостоятельной работы.

Средством решения проблемы большого объема изучаемого материала является методика его изложения, заключающаяся в том, что пользователь начинает работать с компьютером, а необходимый минимум теоретической информации приводится непосредственно в ходе занятий. Это обеспечивается заранее подготовленными методическими материалами, комплект которых выдается каждому учащемуся на лабораторной работе или практическом занятии. В комплект входят рисунки с описанием элементов интерфейса, систем координат, списки наиболее часто используемых клавиатурных команд, основные термины и определения, таблицы параметров объектов чертежа и так далее.

Лабораторные и практические занятия построены таким образом, что пользователь учится не просто построению абстрактных отрезков, окружностей, прямоугольников и так далее, а именно решению конкретных задач, которые встречаются на практике.

Графическая часть задания обычно состоит из двух частей. Одна из них приведена как Образец, на котором изображено то, что пользователь должен получить в результате выполнения задания. На второй -  студент выполняет все построения.

Порядок выполнения задания дается в виде последовательных шагов (алгоритма решения). Следуя указаниям преподавателя, учащийся выполняет предлагаемое задание. Поскольку при выполнении чертежей одно и то же построение можно выполнить несколькими способами и предлагаемый порядок действий является далеко не единственным, то в разных заданиях по возможности используются различные приемы выполнения типовых действий. При этом пользователь постепенно учится самостоятельно определять наиболее оптимальный из них. Такой порядок изложения материала упрощает и ускоряет его усвоение.

Из-за большого объема изучаемого материала невозможно полностью познакомить студента со всеми возможностями изучаемой системы. Поэтому важно привить  навыки самостоятельной работы, чтобы он смог в дальнейшем самостоятельно продолжить изучение и позднее постепенно разобраться с материалом, не вошедшим в учебный курс; научиться использованию системы для решения конкретных задач на последующих курсах.

На заключительном этапе обучения студентами 1-го курса выполняются типовые (машиностроительные) чертежи деталей, сборочные чертежи, спецификации, схемы и др., с выполнением требований ЕСКД.

В процессе обучения студенты при выполнении самостоятельной работы, курсовых проектов, УИРС и др., сталкиваются с рядом задач, решение которых существенно упрощается с использованием компьютерных технологий.

В этом большую помощь могут оказать учебно-методические пособия кафедр, ориентированные на выполнение конкретных прикладных задач.

Особенностью технических специальностей является необходимость работы с большим объемом графического материала в виде сложных машиностроительных чертежей, необходимостью оценки многовариантности предлагаемых проектных и конструкторских решений, широкого использования расчетных численных и оптимизационных методов.

В связи с этим реализация процесса обучения по этим специальностям требует не эпизодического использования компьютерной техники, а планомерной работы в рамках непрерывной компьютерной подготовки.

С этой целью на общеинженерных и специализированных кафедрах разработаны программы практического использования ПК при проведении лабораторных работ, курсовых проектов, самостоятельной работы по изучаемым дисциплинам и дипломном проектировании.

Занятия на ПК проводятся согласно учебного плана с использованием такого программного обеспечения как: «Компас», ANSYS, Word, Exel, ACAD, MathCAD, и др., обеспечивая преемственность обучения (работы с данными пакетами) на первом и последующих курсах на кафедрах родственных специальностей.

При этом для углубленного изучения указанных программных продуктов широко используются мультимедийные средства обучения в частности, в виде CD-ROM дисков типа «32 урока по изучению КОМПАС» и др.

Эффективность непрерывной компьютерной подготовки может быть существенно усилена при организации использования компьютеров в учебном процессе в разнообразных формах в зависимости от конкретных решаемых задач:

·         демонстрационная. Компьютер используется как средство для сопровождения объяснения педагога. В этом случае незаменим мультимедийный проектор, позволяющий передать информацию с дисплея на большой экран.

·         синхронная. Студенты одновременно выполняют за компьютером одни и те же действия (набирают одни и те же команды, наблюдают одинаковые результаты). Целью такой работы является либо освоение программных пакетов, либо демонстрация решения какой-либо задачи;

·         индивидуальная. За каждым компьютером работает один студент. Это форма используется при проведении тестового контроля по различным дисциплинам. Индивидуально студенты работают при выполнении разделов курсового и дипломного проектирования. В индивидуальном режиме проходят практические (лабораторные) занятия по информатике, численным методам, компьютерной графике, расчету и конструированию станков, основам автоматизированного проектирования станочного оборудования, конструированию и моделированию технологических систем и др.;

·         совместная, коллективная. Когда каждая группа выполняет свою часть задачи с последующим анализом полученных конкретных результатов и разработкой мероприятий, направленных на повышение технических показателей решаемой задачи.

В рамках УНИРС осуществляется расширенное изучение «КОМПАС» и ряда программных продуктов типа Pspise, Design Lab, MicroCAP, VisSim - комплекс программного обеспечения, применяемого в электронике и электротехнике.

В сочетании с другими приложениями типа ACAD, T-Flex, системами конечно-элементного анализа САЕ (Nastran, Cosmos, ANSYS, MathCAD и др.) выполняются инженерные расчеты и аналитические исследования проектируемых объектов.

Их более глубокое изучение проводится на инженерных и профилирующих кафедрах, а также при обучении в аспирантуре.

В ряде случаев создание модели 3D при ее последующем расчете методом конечных элементов МКЭ средствами САЕ технологий (ANSYS; WinMachine и др.) является, как правило, более трудоемкой операцией, чем создание данной модели средствами CAD (КОМПАС, ACAD, LMC Virtual Lab и т.д.) с последующей передачей в расчетную программу [3].

Например, система трехмерного твердотельного моделирования КОМПАС-3D, предназначенная для создания трехмерных параметрических моделей деталей и сборочных единиц, содержащих как типичные, так и нестандартные конструктивные элементы, позволяет решить данную задачу применительно к ПО WinMachine следующим образом.

Возможными путями передачи модели 3D в WinMachine являются:

1) передача из КОМПАС-3D, используя стандартный метод подключения библиотек;

2) непосредственно в модуль АРМ Studio (если модель открыта в КОМПАС-3D);

3) из АРМ Studio в результате импорта (если модель была ранее сохранена в формате КОМПАС-3D).

В первом случае импорт STEP модели для последующего расчета  производится в последовательности согласно рис.1.

рис. 1. Импорт Step модели

Дальнейшими этапами расчета являются: задание силовых нагрузок, начальных и граничных условий; разбиение на объемные КЭ твердотельной модели с последующим получением результатов расчета упругих деформаций.

По данной методике, в частности, были проведены расчеты корпусных деталей привода подачи токарного станка с ЧПУ (рис.2), с целью выявления степени влияния пространственных деформаций на величину зоны нечувствительности при реверсе ЗНПР, являющейся одной из важнейших эксплуатационных характеристик при обработке деталей сложного контура [4].

 

рис.2. Пространственная деформация корпуса опоры  шарикового винта привода

продольной подачи  токарного станка с ЧПУ

рис.3. Жёсткость привода продольной подачи станка мод. 1716ПФ3

Литература

1.     Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). – СПб.: Питер, 2004. -560 с.

2.     Кидрук М.И. КОМПАС-3D V9. – СПб.: Питер, 2007. –496с.

3.     Басов К.А. ANSYS и Virtual Lab. Геометрическое моделирование.- М.: ДМК Пресс, 2006. – 240 с.

4.     Емельянова И.В., Емельянов Н.В. CAD-CAE технологии при проектировании автоматизированных станочных систем /Компьютерные технологии в науке, практике и образовании. Труды Всерос. межвуз. научн.-практ. конф. Самара, СамГТУ. 2005. – 139-143 с.