CC BY
85
№6(12) 2007
П.Г. Мазеин, А.А. Савельев, С.С. Панов
Информационные технологии в обеспечении качества образования по мехатронике и робототехнике
Привлечь молодежь и одновременно повысить качество профессиональной подготовки можно в настоящее время лишь применением современных информационных технологий, позволяющих за счет визуализации и имитации технологических процессов и функционирования оборудования решать дидактические задачи обучения для всех образовательных уровней.
Для целого ряда машиностроительных специальностей особенно эффективно применение оборудования с компьютерными системами управления. Этапы учебного процесса в этом случае выглядят следующим образом: теоретическое изучение процессов и оборудования на лекциях и самостоятельно с использованием статических и динамических 3й-моделей станков, роботов, станочных комплексов; практические занятия с использованием компьютерных имитаторов оборудования (виртуальных станков, роботов и станочных комплексов), обеспечивающих выработку умений и профессиональных навыков; занятия на настольном учебном оборудовании (станках с компьютерными системами управления) (рис. 1-24); адаптация к производственному оборудованию.
Учебное оборудование создавалось в НПИ Южно-Уральского государственного университета и областном Центре новых информационных технологий как альтернатива дорогому, дидактически неэффективному производственному оборудованию. Апробация в 1996 году опытных образцов оборудования позволила перейти к мелкосерийному производству станков и станочных систем со следящими приводами перемещений, которые управлялись от персональных компьютеров.
Предлагаемое оборудование, оснастка
и программно-методическое обеспечение 22
позволяют выполнять изучение станков с числовым программным управлением (ЧПУ), оснастки и инструмента, формировать умения и навыки по наладке и программированию оборудования с ЧПУ, в том числе, с использование САй/САМ-технологий.
Компьютерные имитаторы токарного и сверлильно-фрезерного станков с ЧПУ, позволяют выполнять наладку, программирование и обработку виртуальных деталей, обеспечивают выработку умений и тренаж навыков технологов-программистов, наладчиков и операторов станков с ЧПУ.
Поддерживается стандарт !80-7ЬК, обеспечивается линейная, круговая и сплайно-вая интерполяция, визуализируется 3й-тра-ектория обработки. Созданы также система технологического диагностирования управляющих программ и устройств ЧПУ, постпроцессор для САй/САМ-системы, система тестирования знаний, учебные пособия, компьютерные имитаторы пультов устройств ЧПУ NC, Fanuc, Sinumerik (рис. 12), компьютерные имитаторы устройств автоматизированной смены инструментов (рис. 23), 3й-модели узлов станков (рис. 24), упрощенный имитатор токарного станка с ЧПУ, электронные лекции по оборудованию автоматизированных производств, база данных по станкам с ЧПУ и комплект видеороликов по станкам с ЧПУ.
Первый этап обучения заканчивается тестированием знаний по станкам с ЧПУ, их
№6(12) 2007
Рис. 1. Компьютерный имитатор токарного станка с компьютерным управлением
Рис. 2. Минифрезерный станок с компьютерным управлением
Рис. 3. Компьютерная модель фрезерного станка с компьютерным управлением
23
Рис. 4. Обработка детали на фрезерном станке с компьютерным управлением
Рис. 5. Обработка детали на компьютерном имитаторе
I
£
I &
I
0 С
1
а
со
о
«
мэ о
I
0 со
I!
1
I
0 §
1
Рис. 6. Сверлильно-фрезерный станок с компьютерным управлением
Рис. 7. Обработка детали на компьютерном имитаторе
Рис. 8. Настольный токарный станок с компьютерным управлением
24
№6(12) 2007
наладке и программированию. На втором этапе осваивается система управления, наладка оборудования и программирование управляющих программ для обработки деталей, выполняется технологическое диагностирования системы управления и управляющей программы. В результате изготавливается заданная виртуальная деталь. На третьем этапе выполняется обработка реальной детали. На этом этапе возможна реализация полного сквозного цикла применения САй/САМ^МБ-систем: сканирование на фрезерном станке поверхности детали, получение в САй-модуле по заданному «облаку» точек компьютерной модели поверхности, разработка в САМ-модуле управляющей программы для обработки данной поверхности (рис. 9, 10), воспроиз-
е ^
со
ео <и
I? £
£
<5
С с:
Рис. 10. Моделирование поверхности в CAD/CAM-системе ADEM
1 Пуск] .у ^ -МАМШ(С:)_| 0 151. ИиЬЬе«ЯВ>пи... | ^аООI_|[Ч*««ЭЕРНЫЙг5ТЕРР„ .81) Диуивп! -ИииоИ.., | (7г17
Рис. 9. «Облако» сканированных точек поверхности детали «полусфера»
25
Нв6(12) 2007
I
£
I &
I
0 С
1
а
со
о
«
а
мэ о
I
0 со
I!
1
I
0 §
1
Рис. 11. Воспроизведение поверхности по «облаку» сканированных точек с применением CAD/CAM-системы ADEM
ведение поверхности на станке с компьютерным управлением (рис. 11).
Диагностирование системы числового программного управления позволяет оценить
возможности системы обеспечить заданную точность расчета траектории перемещения инструмента как для следящих приводов подач станков, так и для шаговых приводов.
А В С 0 Е у
Н 1 J к 1 м
0 Р О щ
V ■у г в
<00®
и и и
и и*, ¡у О О®
Ег" ■ © г
т " > ■ й
-, ттш
п Г} Г. К п п п о ♦
, С о ь ф с
•'С .... ^ **
Рис. 12. Имитатор пульта УЧПУ N^201 26
Рис. 13. Компьютерный имитатор робота УР-П
№6(12) 2007
са §
е
со <и
I? £
<5
С с:
Рис. 14. Компьютерный имитатор робота УР-2
На сборочных стендах с компьютерным управлением (рис. 19-22) можно программировать различные варианты сборки изделий. Вариант учебного сборочного стенда с элементами технического зрения (рис. 21, 22) показывает не только возможности ме-хатроники и роботов третьего (интеллектуального) поколения, но и позволяет освоить их использование на практике. Web-камера считывает находящиеся на сборочном стенде детали, обрабатывает изображение и робот в соответствии с управляющей программой выполняет перемещение сборочных единиц в заданное взаимное расположение без оператора.
Рис. 15. Учебный робот УР-2 Рис. 16. Учебный робот УР-3
Рис. 17.3D-модель робота типа «гексапод»
Рис. 18. Учебная гибкая производственная система с компьютерным управлением (вариант с роботом, работающим в сферической системе координат)
27
Нв6(12) 2007
I
£
I &
I
0 С
1
а
со
о
«
а
мэ о
I
0 со
I!
1
I
0 §
1
Рис. 19. Стенд для автоматизированной сборки
Рис. 20. Имитатор роботизированного сборочного стенда
28
№6(12) 2007
Рис. 21. Интерфейс системы технического зрения
Применение в учебном процессе разработанных станков, станочных и сборочных комплексов с компьютерным управлением, использующих возможности мехатроники, робототехники и современных информационных технологий, позволяет при уменьшении времени на подготовку обеспечить по-
вышение профессиональных умений и навыков работы по оборудованию с ЧПУ, а также выполнять курсовые, дипломные работы, магистерские диссертации по исследованию технологических систем по различным параметрам надежности.
На программное обеспечение имеются свидетельства о государственной регистрации, на станки и станочные комплексы получены сертификаты соответствия и 7 патентов Российской Федерации.
Разработанное программное обеспечение и оборудование с компьютерными системами ЧПУ неоднократно экспонировавшееся на международных выставках и отмеченное наградами эффективно используется более 40 учебными заведениями (лицеи, профессиональные училища, ресурсные центры, колледжи, вузы) России и СНГ.
Дальнейшее развитие учебных стендов идет в направлении как разработки новых учебных стендов на базе новых роботов и транспортно-накопительных систем и их компьютерных имитаторов, так и оснащения базовых вариантов средствами и устройствами, расширяющими их функциональные и дидактические возможности: электронными штурвалами, средствами удаленного доступа в зону обработки, новыми вариантами компоновки станочных систем и сборочных комплексов, 3D-моделями узлов и систем оборудования, видеофильмами, тестами, базами знаний и данных.
Рис. 22. Роботизированная сборочная система с магазинами сборочных элементов, устройствами загрузки-выгрузки, транспортной системой и техническим зрением
е
со <и
I? £
£
<5
С с:
29
Не6(12) 2007
I
£ а
I &
I
0 С
1
а
со
о
«
а
мэ о
I
0 со
I!
1
I
0 §
1
Рис. 23. Компьютерный имитатор устройства автоматизированной смены инструмента
многооперационного станка
Рис. 24. Компьютерная модель многооперационного станка (фрагмент видеоролика)
30
