Сквозное
проектирование как цикл дисциплин машиностроительных специальностей вуза: из
опыта работы
Ю.К. Завалишин,
зав. каф.
машиностр., д.т.н., проф.,
Н.А. Денисова,
доц. каф. машиностр., к.п.н,
СарФТИ НИЯУ МИФИ, г. Саров
Особую
роль в современных преобразованиях промышленных предприятий играет
информатизация и автоматизация, характеризующаяся как «сквозная». В статье
обосновывается необходимость построения системы опережающего обучения студентов
с целью подготовки в вузе бакалавров/специалистов инженерного профиля в области
сквозного проектирования в машиностроении. С целью методической разработки
системы как инновационной образовательной технологии предлагается создание
цикла образовательных дисциплин в области сквозного проектирования в
машиностроении. Базовой составляющей цикла является обоснование логического
перехода от бумажной конструкторской и технологической документации к
электронной модели производства. В качестве основы для формирования электронной
модели видится использование принципов CALS-технологий, в соответствии с которыми весь объем
информации об изделии производства делится по этапам его жизненного цикла.
Ключевые
слова: сквозное проектирование, жизненный цикл изделия, электронная модель
производства, профессиональные компетенции, знания, умения, навыки студентов
Computerization and
automation, characterized as end-to-end, play an important role in the modern
transformation of industrial enterprises. The article discusses the necessity
of building a system of lead education of students aimed at training bachelors
and specialists majoring in end-to-end mechanical engineering design. In order
to develop an innovative educational technological system it is suggested that
it should be based on the series of educational disciplines in the field of
end-to-end mechanical engineering design. The basic component of the series is
the reasoning of passing from paper design and technological documentation to
the electronic model of manufacturing. CALS technology is proposed as the basic
for creation of the electronic model, in accordance with which all the
production volume is divided into its product life stages.
Key words: end-to-end design,
product life, electronic model of manufacture, professional competencies,
students’ knowledge, abilities and skills
В
современной промышленности подход к проектированию и производству продукции
отличается от традиционной чисто технической задачи. Главной целью его
становится конкурентоспособность продукции, определяемая качеством и затратами
на достижение заданного качества, а успех дела зависит от системы управления
качеством на всех стадиях жизненного цикла продукции. Исходя из этого очевидно,
что особую роль в современных преобразованиях промышленных предприятий играет
информатизация и автоматизация, характеризующаяся как «сквозная». Вся
информация об изделии, оборудовании, инструменте, технологии его производства
должна быть сосредоточена в единой системе, непротиворечива и доступна, легко
подвергаться коррекции и модификации в «сквозном» режиме: изменения в одном
процессном документе предполагает последовательные логические изменения во всей
документации на проектирование, изготовление и эксплуатацию изделия. Поэтому
прогрессивные руководители и специалисты машиностроительных предприятий
настоятельно рекомендуют вузам вводить в учебные планы подготовки специалистов
дисциплины по направлению сквозного проектирования.
Таким образом, на кафедре машиностроения СарФТИ выявлена проблема: у
предприятий в современных условиях преобразований в соответствии со стандартами
ISO нет времени на 2-3-летнюю «доводку» молодых
специалистов до нужных компетенций, знаний и умений. Ожидается, что они должны
быть проводниками технологических и инновационных преобразований на
предприятии, которые способны «с ходу» эффективно решать текущие проблемы.
Значит, в рамках проводимого исследования возникает необходимость построения
системы опережающего обучения студентов с целью подготовки в вузе
бакалавров/специалистов инженерного профиля в области сквозного проектирования
в машиностроении.
При
обработке результатов анкетирования, проведенного в структурных подразделениях
базового предприятия осенью
- с применением средств автоматизации при проведении
научных и инженерных расчетов;
- с применением современного программного обеспечения
(ПО);
- с применением средств автоматизации в процессах
обработки конструкций изделий и испытаний;
- с применением в ПО современных методов и алгоритмов обработки опытной
информации с использованием автоматизации сбора, хранения и обработки данных.
Поэтому
можно сделать вывод, что необходимо создание образовательного цикла, где бы обеспечивались
явные междисциплинарные связи по данному направлению. Базой такого цикла является обоснование логического перехода от
бумажной конструкторской и технологической документации к электронной модели
производства. Под электронной моделью производства мы понимаем совокупность
информационных объектов, включающих конструкторскую, технологическую и иную
информацию об изделии от всех участников его проектирования и производства,
информацию о методах, правилах, участниках производства, а также экономическую
информацию об этих процессах.
В качестве основы для формирования электронной
модели видится использование принципов CALS-технологий, в соответствии
с которыми весь объем информации об изделии производства делится по этапам его
жизненного цикла. Мы считаем, что изучение студентами CALS-технологий необходимо в
качестве освоения процессного подхода, так как здесь обеспечивается
интегрированная логистическая поддержка изделия. А
знание этого вопроса важно специалисту во взаимосвязи с системой менеджмента качества
(СМК) предприятия. СМК активно разрабатывается и внедряется на современных
предприятиях в соответствии со стандартом
ISO 9001:2000. Она опирается на принципы процессного
подхода в обеспечении жизненного цикла изделия и утверждает, что управление предприятием
на основе выявленных, описанных, разложенных на процедуры, согласованных между
собой процессов является залогом эффективной работы по организации производства
и повышению качества взаимодействия компании с контрагентами как на "входе"
процесса (с поставщиками), так и на "выходе" (с покупателями и
заказчиками).
Исходя из описанных умозаключений можно утверждать, что заявленная методическая проблема является
инновацией и необходима к разработке для повышения результативности подготовки
в техническом вузе компетентных специалистов в области сквозного проектирования
в машиностроении.
Руководство
кафедры в течение года вело переговоры со специалистами структурного
подразделения базового предприятия, ведущего работу по внедрению сквозного
проектирования на предприятии. Специалистам подразделения была предложена
лекционная деятельность по направлению. Может быть, мы не так понимаем суть
инновации, может быть, исследования на базовом предприятии ведутся в глобальном
масштабе, которому не соответствует подготовленность студентов к восприятию
предлагаемой информации, но кафедра получила отказ в методической и
образовательной помощи.
Таким
образом, разработка цикла должна быть проведена кафедрой самостоятельно.
Поэтому
для исследования проблемы подготовки компетентных специалистов в области
сквозного проектирования на кафедре машиностроения создана студенческая группа
для проведения учебно-исследовательской работы (УИРС).
Цель работы группы: разработать учебно-методический комплекс на
дисциплины, входящие в цикл «Сквозное проектирование в машиностроении».
Задачи:
·
провести
информационно-литературное исследование и обобщить ситуацию гибкого
автоматизированного производства (ГАП);
·
выявить
возможности сквозного проектирования в системе ГАП;
·
определить
перечень учебных дисциплин в образовательном цикле «Сквозное проектирование в
машиностроении»;
·
разработать
рабочие программы с кратким описанием лекционных, практических, семинарских,
лабораторных занятий;
·
составить
учебно-методические комплексы дисциплин (УМКД);
·
составить научный
отчет по проведенному информационно-литературному исследованию и его
результатам.
Промежуточные
результаты исследований
По
результатам студенческих исследований в процессе выполнения
учебно-исследовательских работ выявлено, что в данный момент времени на заводе
базового предприятия сложилась следующая ситуация:
1. Документы (чертежи) от разработчиков приходят в
бумажном виде. Технологам приходится по этим чертежам строить 3D-модели для
составления управляющих программ, разработки технологических процессов,
оснастки инструмента, на что уходит значительное время.
2. За эту модель не несет ответственность технолог и
поэтому она в дальнейшем не используется. Каждой последующей службе
(контролеры) приходится проектировать эту модель заново по чертежам, выпущенным
разработчиком.
3. Плановая документация и сопроводительные документы
поступают так же в бумажном виде. Плановые службы и производственные участки
ведут журналы и пользуются простейшими базами данных для отслеживания сроков и
этапов изготовления изделия.
4. Персонал плохо знает вычислительную технику и не
умеет обращаться с ЭВМ.
Внедрение
сквозных технологий должно значительно сократить время на подготовку
производства и планирования, но при этом прохождение бумажных документов не
должно полностью исчезнуть. Они должны дублировать электронные документы для их
сохранности.
Был
изучен опыт ведения подобных дисциплин в некоторых Российских вузах. Общие
выводы таковы: нет единого подхода к образовательной платформе – они разные во
всех вузах и выбираются в зависимости от предпочтений преподавателей или
разрабатываются авторские (например, «ТЕМП» в СТАНКИНе);
везде преподавание ведется на экспериментальном уровне, поэтому нет однозначных
методических рекомендаций. Кроме того, для СарФТИ
программное обеспечение определено базовым предприятием – АСКОН.
Разработка
модулей цикла «Сквозное проектирование в машиностроении»
Предлагается
следующая тематическая раскладка цикла разрабатываемых дисциплин:
-
изучение
современных средств автоматизации;
-
применение средств
автоматизации при проведении конструкторских работ;
-
применение
средств автоматизации в технологической подготовке производства при
изготовлении опытных образцов;
-
современное
оборудование и инструментообеспечение производства при использовании возможностей
сквозного проектирования;
-
применение в ПО современных методов и
алгоритмов обработки опытной информации с использованием автоматизации сбора,
хранения и обработки данных;
-
жизненный цикл
технического объекта;
-
инженерный
консалтинг, процессный и системный подход к анализу производственной
деятельности.
Выявлена
суть сквозного проектирования. Сквозное проектирование – это проектирование,
смысл которого состоит в эффективности передачи данных и результатов
конкретного текущего этапа проектирования сразу на все последующие этапы. Оно
базируется на модульном построении САПР, на использовании общих базовых данных
и базовых знаний, и характеризуется широкими возможностями моделирования и
контроля на всех этапах проектирования.
1. Сквозной цикл состоит из решения следующих
инженерных задач конструкторско-технологического проектирования: концептуальное
проектирование; конструирование; инженерный анализ; проектирование
технологической оснастки и разработка управляющих программ для оборудования с
ЧПУ.
2. В концептуальное проектирование входит:
проектирование изделий со сложной поверхностной геометрией; расширенные
возможности создания фотореалистичных изображений; проектирование дизайна
изделия в программах.
3. В конструкторское проектирование входит:
проектирование твердотельных моделей; создание графических 3D-моделей; проверка
геометрии моделей на корректность и соответствие моделей и чертежей стандартам
предприятия.
4. В инженерный анализ входит: базовые расчёты
конструкций на прочность и тепловые расчёты; анализ динамики механизмов;
размерный анализ конструкций.
5. В проектирование технологической оснастки и
разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ входит: проектирование
пресс-форм, литейных форм и вытяжных штампов; разработка управляющих программ
для фрезерных, токарных и электроэрозионных станков с ЧПУ и их проверка.
В
результате предложены следующие модули
дисциплин цикла «Сквозное проектирование в машиностроении»:
Модуль 1. Программное обеспечение для концептуального
проектирования.
· Тема №1. Программы для проектирования дизайна изделий.
· Тема №2. Проектирование твердотельных моделей.
· Тема №3. Создание 3D-чертежей.
Модуль
2. ИПИ/CALS -технологии
информационной поддержки изделий
· Тема №1. Основные понятия и определения ИПИ/CALS. Использование 3D-моделей на различных этапах
жизненного цикла изделий (ЖЦИ).
· Тема №2. Функции и возможности PLM-решений (Product Life-cycle Management) в проектировании и подготовке производства. ИПИ-технологии в управлении производством.
Модуль 3. САПР технологических процессов.
· Тема №1. Основы технологической подготовки
производства (ТПП) применительно к сквозным
3D-технологиям.
· Тема №2. Применение программ-верификаторов при
отработке управляющих программ (УП) для оборудования с ЧПУ.
· Тема №3. Сквозной цикл в решении задач
конструкторско-технологического проектирования.
Для реализации тем модулей предлагается следующий
перечень дисциплин (табл.1):
Таблица
1
Дисциплины цикла «Сквозное проектирование в машиностроении»
|
Модули |
Дисциплины* |
|
Модуль 1.
Программное обеспечение для концептуального проектирования |
- Компьютерная графика в
машиностроительном черчении - 3D-моделирование в машиностроении - Математическая обработка
экспериментальных данных - Менеджмент и организация
производства |
|
Модуль 2. ИПИ/CALS –технологии
информационной поддержки изделий |
- Методология проектирования - Основы САПР в
машиностроении - CALS-технологии в машиностроении - Основы сквозного
проектирования в машиностроении |
|
Модуль 3. САПР
технологических процессов |
- САПР технологических
процессов - Программирование станков с
ЧПУ - Контроль изделий в
машиностроении - Технологическая оснастка - Проектирование и
производство заготовок |
* - Полужирным курсивом выделены вновь вводимые
дисциплины;
- курсивом
выделены дисциплины, в которых требуется коррекция УМДК
Ожидаемые
образовательные результаты
Студенты, освоившие цикл дисциплин
«Сквозное проектирование в машиностроении», должны:
·
обладать следующими профессиональными компетенциями:
-
способностью
ориентироваться в применении на практике современных информационных технологий
в области технологической подготовки машиностроительного производства (ПК-1);
-
способностью
использовать информационные технологии и прикладное программное обеспечение для
подготовки учебно-методических материалов (ПК-2);
-
способностью
ставить и решать прикладные задачи с использованием современного программного
обеспечения в области машиностроения (ПК-3);
-
способностью
эксплуатировать и настраивать прикладное программное обеспечение на основе
сквозного проектирования в АСУТП (ПК-5);
·
знать:
-
о понятии «Жизненный
цикл изделия» и информационной поддержке его этапов;
-
требования к PLM-решениям;
-
о возможности универсального,
безопасного и управляемого способа доступа и использования информации,
определяющей изделия;
-
о поддержании
целостности информации, определяющей изделие, на протяжении всего жизненного
цикла изделия;
-
об управлении и
поддержки бизнес-процессов, используемых при создании, распределении и
использовании информации;
-
о написании
программ для токарной и фрезерной обработки;
-
методы
проектирования технологической оснастки и разработка управляющих программ для
оборудования с ЧПУ;
·
уметь:
-
использовать 3-D модели на различных этапах ЖЦИ: способы представления 3D-моделей; поверхностное моделирование; роль
компьютерной модели изделия; твердотельное моделирование, гибридное
моделирование, трансформация структуры 3D-моделей в CAD-системах;
негеометрические характеристики объекта изделия; 3D-модели на различных этапах ЖЦИ; проектирование,
технологическая подготовка производства (ТПП); производство, реализация,
эксплуатация, ремонт и обслуживание, утилизация;
-
использовать
программы для базовых расчётов конструкций на прочность и тепловые расчёты;
-
производить
программный анализ динамики механизмов;
-
производить
размерный анализ конструкций.
·
владеть:
-
принципами построения
PLM: система CATIA V5, дерево проекта, платформы,
предметные области, конфигурация, модуль, машиностроительное проектирование, программирование обработки на станках с ЧПУ,
инженерный анализ, системный синтез промышленных изделий, цифровой макет изделия
(DMU), средства работы со знаниями, проблемы, связанные с использованием
имеющихся знаний, проектирование производственных и коммуникационных систем,
система ENOVIA-VPLM;
-
построением баз
данных с использованием PDM-системы;
-
организацией и управлением
жизненным циклом электронного документооборота в PDM-системе;
-
разработкой
технологических маршрутов в PDM-системе;
-
написанием
программ для обработки простейшего контура;
-
написанием и
тестирование программ на конкретных САПР для механической обработки деталей.
Таким
образом, на кафедре машиностроения в рамках УИРС и методической работы
преподавателей выполняется методическая часть разработки: создаются примерные
УМКД, рабочие программы дисциплин, а также планы-конспекты занятий и подбора
основной, дополнительной литературы и Интернет-ресурсов по образовательным
дисциплинам цикла «Сквозное проектирование в машиностроении».
Работы
выполняются в соответствии с Государственным контрактом № П343 от 07 мая
1.
ГОСТ Р ИСО 9001-2008. Системы менеджмента качества. Требования. ISO 9001:2008.
Quality management systems – Requirements (IDT). – Москва, Стандартинформ, 2009. – 68 с.
2.
Бирбраер Р.А., Фльтшулер И.Г. Основы
инженерного консалтинга: Технология, экономика, организация. – М.: Дело, 2007.
– 232 с.
3.
Кондаков, А.И.
САПР технологических процессов : учебник для студ. высш.
учеб. заведений / А.И.
Кондаков. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 272 с.
4.
Конструкторско-технологическое
обеспечение «умного производства» в машиностроении: Каталог предложений. – инженерно-консалтинговая
компания SOLVER,
5.
Лазарева Т.Я.,
Мартемьянов Ю.Ф., Схиртладзе А.Г., Интегрированные
системы проектирования и управления структура и состав: Машиностроение-1, 2006.
6.
Машиностроение –
комплексные решения АСКОН. – АСКОН,
7.
Ямпольский Л.С., Банашак З. Автоматизация проектирования и управления в
гибком производстве. – Киев: Тэхника 1989, Варшава –
Научно техническое издательство 1989, 214 с.
8.
http://cae.ustu.ru/cont/soft/plm.htm.
9.
http://www.sapr.ru/article.aspx.
10. http:// www.solidworks.com.