Использование CAD-систем
в учебных курсах инженерной подготовки студентов НИЯУ МИФИ
В.И.
Сурин,
к.т.н.,
доц. каф. №18, visconst@rambler.ru,
А.П.
Бирюков,
студ.,
bir.sasha@rambler.ru
Б.А. Дубков,
студ.,
НИЯУ МИФИ, г. Москва
Кафедра «Конструирования приборов и установок» НИЯУ
МИФИ обеспечивает общеинженерную подготовку студентов физических факультетов
НИЯУ МИФИ по курсам, связанным с разработкой современных измерительных
технологий, проектированием информационно-измерительных систем, приборов и
установок. В докладе освещены методические аспекты инженерной подготовки
студентов средних и старших курсов НИЯУ МИФИ с использованием различных систем
проектирования, а также вопросы, связанные с обучением школьников, проходящих
профориентационную подготовку на кафедре. Представлены некоторые результаты
курсовых и научно-исследовательских работ студентов, магистров и аспирантов.
Department
of Design and Engineering of High-tech Systems provides all-engineering
education for students, studying at physical faculties of National Research
Nuclear University «MEPhI» that includes development and design of modern
information measuring technologies and devices. There are methodical aspects of
engineering education for students of averages and older years, using
computer-aided design systems, and main points, connected with education of
school students, which professional orientation training at Department, in this
article. Some results of research and technical development of master and
graduate students are also included.
В настоящее время инженерную подготовку студента
технического вуза невозможно представить без обязательного изучения
минимального набора CAD-систем. Данная необходимость объясняется условием
«разносторонности» образования специалиста, ценность которого во многом
определяется степенью владения им самыми различными инструментами,
обеспечивающими эффективность и производительность труда, и в частности – умением
активно использовать системы автоматизированного компьютерного проектирования.
Кафедра «Конструирования приборов и установок» НИЯУ
МИФИ обеспечивает общеинженерную подготовку студентов физических факультетов
НИЯУ МИФИ по курсам, связанным с разработкой современных измерительных
технологий, проектированием информационно-измерительных систем, приборов и
установок.
1. Расчётные комплексы MathCAD, MathLAB
«Расчёты являются сердцем
инжиниринга, управляющим критическими решениями, которые определяют
преимущество конкурентоспособности».
Крис Рандлерс, председатель, президент и исполняющий директор MathSoft
Несомненно, одним из важнейших навыков технического
специалиста является умение вести инженерный расчет. При этом в дополнение к
стандартному требованию точности расчета на сегодняшний момент от инженера
требуется наглядность результата: «сухие» цифры воспринимаются значительно
хуже, чем качественный график. В связи с данным фактом, при защитах работ
студентами для оформления результатов используются встроенные в расчетные
комплексы функции для отображения данных в виде диаграмм и графиков. Следует
отметить сентенцию, что во всем мире при подготовке инженеров сегодня
осуществляется радикальный переход от «школы памяти» к институту, в котором
студента учат работать с собственным мышлением. Превращение системы инженерного
образования в сферу освоения способов познавательной и инженерной деятельности,
коммуникативной и инженерной культуры меняет коренным образом представление о
вузе с его традиционным учебно-воспитательным процессом.
На рисунке 1 приведен пример обработки экспериментальных
данных в среде MathCAD. В таблице слева
представлены экспериментальные значения контактной разности потенциалов (КРП)
при испытаниях образцов из сплава ПОС-76 на сжатие, а справа графические
результаты, построенные в среде MathCAD [1,4].
Такие расчетные комплексы как MathCAD и MathLAB являются мощным инструментом,
обеспечивающим поддержку на всех уровнях подготовки студента:
· статистическая обработка
результатов лабораторных работ (студенты младших и средних курсов);
· математическое
моделирование физических процессов в рамках научно-исследовательских работ
(студенты средних и старших курсов);
· расчёт конструкций на
прочность, долговечность и т.п. в рамках курсовых работ по курсу «Основы
конструирования приборов и установок».
Большой функционал MathCADа и простота его
использования для решения различных задач являются основными факторами его
большой популярности среди студентов, а программный пакет MathLAB является одним из наиболее
частых используемых инструментов для решения задач таких курсов, как «Системы
автоматического управления» и «Техника и методы физического эксперимента и
физических расчётов».
рис.
1 Экспериментальные данные контактной
разности потенциалов (КРП) образца, испытанного на сжатие (слева) и графики
зависимостей деформации, внутреннего напряжения и КРП от времени
На рисунке 2 показан пример результата
статистической обработки экспериментальных данных. Сопоставление распределения
случайной величины КРП, полученной в ходе эксперимента, с нормальным
распределением. Соответствующие кривые нормального распределения на рисунке
выделены черным цветом. Распределение КРП, представленное на рис.2 (б),
получено после того, как из детектированного сигнала алгебраически был вычтен
тренд с помощью программы, разработанной в среде MathCAD.
рис.
2 Гистограмма сигналов КРП,
детектированных в процессе ползучести сплава ПОС-76: а– построена по
результатам эксперимента; б – построена после вычета из детектированного
сигнала тренда. Профиль кривой нормального распределения выделен черным цветом.
В верхней части рисунка – листинг программы вычисления гистограммы. На рисунке
также приведены некоторые расчетные статистические результаты для указанного
эксперимента
2. Системы автоматизированного проектирования AutoCAD, Solid Edge, T-FLEX
Системы автоматизированного проектирования чаще
всего представляют собой программный пакет, предназначенный для создания
чертежей, конструкторской и/или технологической документации и/или 3D моделей.
На данный момент уверенное использование как минимум одной из существующих
сегодня CAD-систем является обязательным требованием для
студентов всех физических факультетов нашего университета.
Опыт многолетней работы показывает, что наиболее
сильные мотивации и более высокий практический результат возникают тогда, когда
при выполнении задания у студента есть возможность познакомиться с устройством
реального прибора или установки («в живую»), разобрать и собрать конструкцию
или составную часть конструкции своими руками. Задание или задача, предлагаемая
для выполнения курсового проекта или домашнего задания, должны быть связаны с
новейшими конструкторскими разработками для нужд отраслей промышленности, иметь
научную новизну и востребованность. По нашему мнению, следует считать ошибочным
задание, направленное на тиражирование или «повторения в основном» известной
конструкции. Это снижает творческую активность студента, подрывает стремление к
самостоятельной научной деятельности.
На кафедре предполагается создание специальных тем
и заданий для студентов, связанных с решением одной значимой (пусть небольшой)
задачи.
Организация учебного процесса для курса «Основы
конструирования приборов и установок» с использованием трехмерных решений САПР
дает возможность студентам больше времени уделять формированию навыков решения
инженерных задач, самостоятельно обнаруживать и исправлять ошибки,
разрабатывать свои курсовые и дипломные проекты на более высоком уровне. На
рисунке 3 представлена 3D-модель стенда технической
диагностики, разработанного студентом дипломником и выполненная в среде Solid Edge [3].
рис.
3 Конструкция измерительного узла стенда
технической диагностики с помощью электрофизического метода
3. Системы управления, сбора и обработки информации
Завершающим этапом при разработке
информационно-измерительных систем и установок является создание программного
пакета, обеспечивающего автоматизацию научного эксперимента или
технологического процесса. В настоящее время для этих целей широко используется
среда графического программирования LabVIEW [2].
LabVIEW позволяет в единой среде работать с различными
типами интерфейсов, датчиков и приборов: устройствами сбора данных, модульными
приборами, контроллерами управления движения и приводами, системами машинного
зрения, беспроводными датчиками и ПЛИС. Данная среда способна взаимодействовать
со многими разнообразными устройствами и поэтому является одной из лучших для
построения системы на ПК.
В основе платформы LabVIEW лежит концепция графического программирования –
последовательного соединения функциональных блоков на блок-диаграмме. На рисунке
4 представлен разработанный студентом-дипломником блок управления шаговым
двигателем, обеспечивающим позиционирование датчика с необходимой точностью.
рис.
4 Блок-диаграмма для управления шаговым
двигателем
Заключение
В процессе обучения с использованием современных
систем проектирования, наряду с техническими навыками, у студентов развиваются
более широкие профессиональные навыки, касающиеся принятия взвешенных
научно-обоснованных решений, творческого подхода к сложным инженерным задачам,
анализа и оценки экспериментальных данных, необходимых выводов и заключений.
Поэтому на кафедре конструирования приборов и установок НИЯУ МИФИ при
подготовке специалистов и бакалавров целенаправленно используются CAD-системы,
начиная с первого и второго курсов обучения. Начальные знания о системах
автоматизированного проектирования получают и школьники в рамках
профориентационной подготовки.
Литература
1.
Сурин В.И., Евстюхин Н.А., Шубняков А.В. Гармонический анализ формы
электрических сигналов, возникающих при ползучести металлов и сплавов.//
Научная сессия МИФИ-2004. М.: МИФИ, 2004, т.9,с.121–122.
2.
Сурин В.И., Аблеев А.Н., Халфин Т.М., Перов Д.А., Иванов Э.В.
Виртуальные приборы в материаловедческих исследованиях// Научная сессия МИФИ-
3.
Сурин В.И., Зайцев А.А., Коротин А.Ф. Контроль качества поверхностных
покрытий// Сборник трудов международной научно-практической конференции
«Информационные технологии в образовании, науке и производстве», г. Серпухов,
2009, с. 377-379.
4.
Сурин В.И., Барышев Г.К., Бирюков А.П., Грибовский Е.М. Математическая
модель механического контакта датчика ЭНК с поверхностью// Сборник трудов VI Международной
научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в
образовании, науке и производстве», г. Протвино, 2012, с.319-322.