CC BY
9МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
ПЕДАГОГИКА
DOI: 10.25586^и.НЕТ.19.02.Р.16 УДК 004.942+378
Т. В. Тимофеева, А. С. Горшков, Е. С. Горшкова, Н. В. Казеннова,
Российский университет дружбы народов
Прототипирование как метод обучения студентов машиностроительных направлений и специальностей работе с профессионально ориентированными компьютерными программами
Инженерная академия Российского университета дружбы народов
При обучении студентов машиностроительных направлений и специальностей работе с расчет-но-графическими пакетами в настоящее время совершенно недостаточно ограничиваться овладением обучающимися навыками создания моделей деталей и сборок, изготовления чертежей и спецификаций. Необходимо выходить за рамки дисциплины «Инженерная и компьютерная графика», в объеме которой, как правило, происходит изучение этих расчетно-графических пакетов. Обучающиеся должны приобре-
сти умения компьютерного инженерного анализа моделей деталей, узлов и изделия в целом, позволяющие изучать их поведение в процессе работы. Тем более что и сами студенты, которые нередко занимаются прототипировани-ем со школы, с большим интересом относятся к расчетным возможностям профессиональных программ.
Решение проблемы использования различных типов программного обеспечения для 3D-модели-рования и расчета предлагается системами CAD с дополнитель-
ными, интегрированными модулями для вычисления. Такой процесс проектирования, когда геометрическая модель, являющаяся виртуальным прототипом изделия, позволяет смоделировать его статические, динамические и тепловые характеристики, называется быстрым прототипированием [9, 10] и является наиболее прогрессивным и эффективным способом проектирования изделия и проверки его функциональных качеств.
Межпредметные связи компьютерной графики с другими дисциплинами обеспечивают преемственность полученных знаний, умений и навыков, повышают эффективность учебного процесса. Необходимость формирования междисциплинарных компетенций для дальнейшего развития и модернизации курса инженерной и компьютерной графики обоснована в работах ряда авторов [2, 5]. О важности установления междисциплинарных связей при обучении инженеров-механиков в условиях развертывающейся четвертой промышленной революции указывается в докладе исследователей [11], которые замечают, что конкретные цифровые навыки использования профессиональных программ должны быть интегрированы с навыками проектиро-
© Тимофеева Т. В., Горшков А. С., Горшкова Е. С., Казеннова Н. В., 2019 16
ТАТЬЯНА
ВЛАДИМИРОВНА
ТИМОФЕЕВА
старший преподаватель департамента архитектуры Инженерной } . академии Российского . - университета дружбы народов. Сфера научных интересов: компьютерное моделирование, инженерная графика и начертательная геометрия. Автор 19 опубликованных научных работ. Электронная почта: timofeeva_tv@pfur.ru
ЕЛЕНА
СТАНИСЛАВОВНА
ГОРШКОВА
старший преподаватель департамента архитектуры Инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: компьютерное моделирование, инженерная графика и начертательная геометрия. Автор 2 опубликованных научных работ. Электронная почта: gorshkova_es@pfur.ru
вания и экспериментирования, с глубоким знанием промышленных стандартов. Междисципли-нарность называют прыжком к эффективности [12], считая, что она существенным образом помогает проектировщикам в решении инновационных задач.
Вопросу автоматизации компьютерного моделирования по-
АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ ГОРШКОВ
ассистент департамента архитектуры Инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: компьютерное моделирование и прототипирование, динамика станков. Автор одной опубликованной научной работы. Электронная почта: gorshkov_as@pfur.ru
НАТАЛЬЯ
ВАЛЕНТИНОВНА
КАЗЕННОВА
старший преподаватель департамента архитектуры Инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: компьютерное моделирование, инженерная графика и начертательная геометрия. Автор 2 опубликованных научных работ. Электронная почта: kazennova_nv@pfur.ru
священо большое количество работ. В публикациях [4, 6, 7, 8] рассматриваются возможности автоматизации графического проектирования в средах Autodesk Inventor, SolidWorks, Компас-^D и AutoCAD. В работе [3] проводится обзор современных CAD-систем, используемых в учебном и промышленном техническом про-
ектировании. Autodesk Inventor Professional - одна из лучших программ для трехмерного проектирования механизмов. С ее помощью можно создавать конструкции и механизмы различной сложности с максимальной точностью и наглядностью, реа-лизовывать анализ и расчет моделей на прочность. При этом, как показывают исследования [1], Autodesk Inventor дает результаты расчета, наиболее близкие к теоретическим значениям (менее 1% погрешности) по сравнению с другими CAD-системами - Компас-3D (4,8% погрешности), SolidWorks (6,5% погрешности).
В Инженерной академии Российского университета дружбы народов после обсуждения с выпускающими кафедрами студентам предлагается изучение Autodesk Inventor по методике, направленной на формирование межпредметных связей компьютерной графики с дисциплинами, изучаемыми студентами на следующих курсах обучения. У каждой дисциплины есть свои собственные законы и правила, часто между различными техническими областями нет никаких совместных действий, в такой ситуации платформой для междис-циплинарности может стать применение расчетно-графических программ.
Для проектирования предлагается учебное задание, предусматривающее подготовку проектов 4-5 деталей средней сложности и стандартных крепежных изделий. Работа выполняется в несколько этапов, включая:
1) анализ технических характеристик, назначения и принципа работы изделия;
2) выполнение 3D-моделей деталей, входящих в состав изделия;
3) сборку деталей в единый механизм, создание анимации для демонстрации порядка сборки;
4) моделирование расчета напряженно-деформированного состояния, задание нескольких ва-
Отмечается, что практически все технические вузы включают в образовательные программы изучение профессиональных графических пакетов в соответствующей профессиональной области. Указывается на то, что содержание этих программ, как правило, ограничивается образовательными задачами инженерной графики, тогда как вопросы анализа и прочностного расчета изделия остаются за рамками обучения. В связи с этим предлагается использование прототипирования как метода изучения программного расчетно-графического комплекса Autodesk Inventor Professional студентами машиностроительных направлений и специальностей технических вузов. Показано, что основной задачей метода является формирование межпредметных связей дисциплины «компьютерная графика» со смежными дисциплинами. Предлагается отвечающая этому методу структура учебного задания, позволяющая не только создавать зD-модели деталей и сборки, получать ассоциативные чертежи и спецификации, но и проводить анализ их напряженно-деформированного состояния.
Ключевые слова: междисциплинарные связи, Autodesk Inventor, компьютерная графика, машиностроительное черчение, зD-моделирование, прототипирование, расчет моделей.
The initial knowledge of programs is usually limited by the educational objectives of engineering graphics; the issues of analysis and product strength calculation remain being out of training program. This article presents the methodology principles of studying Autodesk Inventor Professional software and graphics complex by students of mechanical engineering specialties of technical universities, these principles are created to form interdisciplinary connections of the computer graphics discipline with disciplines studied in adjacent departments. The research elements integrated into the learning process make it possible to further apply and develop the acquired skills under new conditions, beyond the scope of computer graphics discipline.
Key words: interdisciplinary connections, Autodesk Inventor, computer graphic, engineering drawing, solid modeling, prototyping, model calculation.
риантов исходящих условий (например, материал изделия, модель резца) и анализ полученных результатов;
5) выполнение комплекта рабочих чертежей и сборочного чертежа со спецификацией.
Такой объем работы охватывает практически все возможности программы, студенты получают знания по всему курсу машиностроительного черчения. Для регулярной проверки работ, выполненных на компьютере, и консультации по ним используются технологии облачных ресурсов А360 и Configurator360, встроенных в Autodesk Inventor.
¡tío
I__DJ56_
Рис. 1. Четырехпозиционный резцедержатель
Цифрами обозначены:
1-коническая оправка, 2 - резцовая головка,
3 - затяжная (поворотная) головка,
4 - полукольцо (2 шт.), 5 - рукоятка,
6 - болты крепежные, 7 - винты специальные, 8 - подшипник, 9 - шайба, 10 - штифт
Для различных этапов проектирования в Autodesk Inventor созданы модули со своими шаблонами - файлами, имеющими свои расширения. В качестве примера покажем последовательность создания четырехпозиционного резцедержателя, который представляет собой устройство для закрепления инструмента на токарном станке и предназначен для одновременного размещения
и быстрой смены четырех резцов различного типа. Состав изделия представлен на сборочном чертеже (рис. 1).
Каждая деталь выполняется в своем файле формата ipt в следующей последовательности: разбиение модели на базовые элементы, выбор плоскости для создания эскиза, вычерчивание эскиза, наложение геометрических и размерных зависимостей, создание базового элемента инструментом «выдавливание» или «вращение», реализация операций для выполнения отверстий, резьбы, фасок и сопряжений (рис. 2). Для последующего расчета и сравнения выполняются резцы двух типов. Крепежные детали и другие стандартные изделия (болты, штифты, шайбы, подшипник) выбираются из прилагаемой к программе библиотеки элементов.
Рис. 2. Модели резцовой головки, конической оправки, затяжной головки, полукольца, упрощенные модели резцов
При создании исследуемой сборки (рис. 3) используется метод «снизу-вверх», когда в файле сборки формата iam все детали вставляются как внешние ссылки. Для формирования связи между ними применяют зависимости вставки или команды соединения, которые автоматически выбирают тип соединения исходя из геометрии соединяемых компонентов и условий их работы (жесткий, с поворотом, ползун, цилиндрический, плоский, шаровой).
Следующим этапом создания изделия является анализ его напряженно-деформированного состояния, который выполняет-
Рис. 3. Последовательность выполнения сборки: резцовая головка устанавливается на коническую оправку, вставляются упорный подшипник, который обеспечивает жесткую посадку, шайба, полукольца с закреплением болтами; закрепляется затяжная головка со вставленной рукояткой; устанавливаются и затягиваются винты, закрепляющие резец с необходимым вылетом
ся в том же модуле моделирования - файле сборки формата iam. В Autodesk Inventor студенты рассчитывают напряжение и деформацию, определяют частоту естественного резонанса изделия и др. Трехмерные напряжения и нагрузки преобразуются в эквивалентное напряжение, называемое напряжением по Мизесу. Датчики, в которых планируется рассчитать усилия, устанавливаются в характерных точках резца (рис. 4). Для сравнения моделируются варианты испытаний, в которых изменяются: величина приложенной к резцу силы (1500 и 2500 Н), вынос резца, материал (сталь углеродистая и сталь легированная) и два типа модели резца.
Рис. 4. Деформации и напряжение по Мизесу в указанных точках
Результаты представляются в табличной или более наглядной
графической форме. На рис. 5 представлены графики величин деформации резца (мкм), рассчитанных в точках-«датчиках», равномерно расположенных на свободном конце - вылете.
Рис. 5. Графики деформаций резца модели 1, вылет 25 мм, сила F = 1500 Н, а - деформации резца, изготовленного из углеродистой стали, б - деформации резца, изготовленного из легированной стали
В завершение работы в файлах формата idw студентами выполняются сборочный чертеж, спецификация к нему и рабочие чертежи деталей в соответствии с требованиями ЕСКД. Чертежи генерируются из 3D-моделей, но имеют возможность редактирования на уровне отдельных линий или элементов, включая видимость, создание местных разрезов и выносных элементов. На сборочных чертежах студенты настраивают тип и масштаб штриховки в разрезах, показы-
вают стандартные детали неразрезанными, назначают позиции, создают спецификации. Сборочный чертеж четырехпозиционно-го резцедержателя представлен на рис. 1. Чертежи и спецификации создаются ассоциативно, изменение и доработка ЗО-моделей отражаются во всем комплекте связанных файлов.
Изучение профессиональной программы по описанной методике позволяет студентам познакомиться с особенностями проектирования машиностроительного изделия, процессом прототипирования. Кроме базовых знаний, необходимых для построения моделей деталей и сборок, выполнения рабочих и сборочных чертежей, студенты получают также навыки моделирования математического расчета устройства. Курс изучения рас-четно-графического комплекса не ставит задачу научного исследования напряженно-деформированного состояния изделия, на первых курсах студенты еще не обладают для этого достаточными знаниями, сечения резцов и нагрузки назначаются в задании без предварительного расчета.
Прототипирование помогает студентам при создании первых же моделей получить представление о том, какие воздействия
испытывают детали и изделие в целом во время работы, а навыки использования профессиональных программ перерастают в навыки проектирования и экспериментирования. Знание всех возможностей профессиональной программы обеспечит ее сквозное использование в дальнейшем на более высоком уровне (оптимизация параметров механизма, моделирование по заданным условиям, решение других проектных задач) при изучении смежных дисциплин и курсов, прежде всего теории резания металлов, теории машин и механизмов.
В ходе учебных занятий преподавателю необходимо показывать студентам преимущества программного обеспечения Autodesk Inventor, обеспечивающего интеграцию многих инструментов, привлекать облачные технологии А360 и Configurator360, использование которых повышает эффективность работы в команде, а впоследствии - работы с заказчиками, внедрения изделий в производство, а также их продажи. Предложенная методика способствует усвоению обучающимися межпредметных связей, необходимых для целостности профессионального мышления будущего специалиста.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бружас В. В., Лопатин Б. А. Оценка напряженно-деформированного состояния зубчатых колес // Наука ЮУрГУ: материалы 66-й научной конференции. Секции технических наук. Челябинск. 2014. С. 1424-1429. URL: http:// dspace.susu.ru/xmLui/bitstream/handLe/0001.74/4241/1.pdf.
2. Горнов А. О., Кондратьев В. В., Усанова Е. В. Междисциплинарный подход к инженерной подготовке на основе естественной деятельностной логики // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. 2017. № 1. С. 25.
3. Оселедец В. А, Острицов И. В., Кадеров Х. К. и др. Оптимальный подбор CAD-системы для создания компоновочной схемы редуктора станка-качалки в режиме параметризации // Точная наука. 2017. № 10. С. 116-120.
4. Рогов В. А, Горбани С. Выбор рациональной конструкции державки сборного токарного резца со вставками из композиционных материалов компьютерным моделированием // Вестник машиностроения. 2014. № 2. С. 81-82.
5. Свичкарева Г. Н. Организация графической подготовки студентов технических вузов на основе междисциплинарного подхода // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2012. № 27. С. 145-149.
6. Сенченкова Л. С., Палий Н. В. Методика проведения и содержание занятий по компьютерной графике в среде Autodesk Inventor // Инженерный вестник. 2014. № 10. С. 1023-1026.
7. Тимофеева Т. В., Казеннова Н. В., Горшкова Е. С. Использование принципа параметрического моделирования для выполнения сборочных чертежей // Успехи современной науки. 2016. Т. 2, вып. 10. С. 98-102.
8. Харах М. М., Козлова И. А., Славин Б. М. Конструирование сборочного чертежа изделия методом bD-моделирования как завершающий этап изучения инженерной и компьютерной графики // Геометрия и графика. 2014. Т. 2, вып. 3. С. 36-40. DOI: 10.12737/5588.
9. LukaszewiczK. Use of CAD Software in the Process of Virtual Prototyping of Machinery // 7th International Conference on Engineering, Project, and Production Management (EPPM). Bialystok, Poland. Sep. 21-23, 2016 // Procedia Engineering. 2017. V. 182. P. 425-433. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.03.127.
10. Matta A. K., Raju D. R., Suman K. N. S. The integration of CAD/CAM and Rapid Prototyping in Product Development: A review // 4th International Conference on Materials Processing and Characterzation (ICMPC). Hyderabad, India // Materials Today-Proceedings. 2015. V. 2. № 4-5. P. 3438-3445. DOI: 10.1016/j.matpr.2015.07.319. URL: https://www. sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785315005647?via%3Dihub.
11. Motyl B., Baronio G, Speranza D. et al. How will change the future engineers' skills in the Industry 4.0 framework? A questionnaire survey // 27th International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing (FAIM). Modena, Italy.Publ. Procedia Manufacturing. V. 11. 2017. P. 1501-1509. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.07.282. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2351978917304900.
12. Wits W. W.,. Bakker H. M, Chechurin L. S. Towards multidisciplinary support tools for innovation tasks // 1st CIRP Global Web Conference: Interdisciplinary Research in Production Engineering // Procedia CIRP. 2012. V. 2. P. 16-21. URL: https://doi.org/10.1016/j.procir.2012.05.032.
LITERATURA
1. Bruzhas V. V, Lopatin B. A. Ocenka napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya zubchaty'x koles // Nauka YuUrGU: materialy' 66-j nauchnoj konferencii. Sekcii texnicheskix nauk. Chelyabinsk. 2014. S. 1424-1429. URL: http://dspace. susu.ru/xmlui/bitstream/handle/0001.74/4241/1.pdf.
2. GornovA. O, KondratevV. V, Usanova E. V. Mezhdisciplinarny'j podxod k inzhenernoj podgotovke na osnove estestvennoj deyatel'nostnoj logiki // Avtomobil'. Doroga. Infrastruktura. 2017. № 1. S. 25.
3. Oseledecz V. A, Ostriczov I. V, KaderovX. K. i dr. Optimal'ny'j podbor CAD-sistemy' dlya sozdaniya komponovochnoj sxemy' reduktora stanka-kachalki v rezhime parametrizacii // Tochnaya nauka. 2017. № 10. S. 116-120.
4. Rogov V. A., Gorbani S. Vy'bor racional'noj konstrukcii derzhavki sbornogo tokarnogo rezcza so vstavkami iz kompozicionny'x materialov komp'yuterny'm modelirovaniem // Vestnik mashinostroeniya. 2014. № 2. S. 81-82.
5. Svichkareva G. N. Organizaciya graficheskoj podgotovki studentov texnicheskix vuzov na osnove mezhdisciplinarnogo podxoda // Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshheniya. 2012. № 27. S. 145-149.
6. Senchenkova L. S., Palij N. V. Metodika provedeniya i soderzhanie zanyatij po komp'yuternoj grafike v srede Autodesk Inventor // Inzhenerny'j vestnik. 2014. № 10. S. 1023-1026.
7. Timofeeva T. V, Kazennova N. V, Gorshkova E. S. Ispol'zovanie principa parametricheskogo modelirovaniya dlya vy'polneniya sborochny'x chertezhej // Uspexi sovremennoj nauki. 2016. T. 2, vy'p.10. S. 98-102.
8. Xarax M. M, Kozlova I. A, Slavin B. M. Konstruirovanie sborochnogo chertezha izdeliya metodom 3D-modelirovaniya kak zavershayushhij e'tap izucheniya inzhenernoj i komp'yuternoj grafiki // Geometriya i grafika. 2014. T. 2, vy*p. 3. S. 36-40. DOI: 10.12737/5588.
9. LukaszewiczK. Use of CAD Software in the Process of Virtual Prototyping of Machinery // 7th International Conference on Engineering, Project, and Production Management (EPPM). Bialystok, Poland. Sep. 21-23, 2016 // Procedia Engineering. 2017. V. 182. P. 425-433. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.03.127.
10. Matta A. K., Raju D. R., Suman K. N. S. The integration of CAD/CAM and Rapid Prototyping in Product Development: A review // 4th International Conference on Materials Processing and Characterzation (ICMPC). Hyderabad, India.// Materials Today-Proceedings. 2015. V. 2. № 4-5. P. 3438-3445. DOI: 10.1016/j.matpr.2015.07.319. URL: https://www. sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785315005647?via%3Dihub.
11. Motyl B., Baronio G., Speranza D. et al. How will change the future engineers' skills in the Industry 4.0 framework? A questionnaire survey // 27th International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing (FAIM). Modena, Italy.Publ. Procedia Manufacturing. V. 11. 2017. P. 1501-1509. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.07.282. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2351978917304900.
12. Wits W. W.,. Bakker H. M, Chechurin L. S. Towards multidisciplinary support tools for innovation tasks // 1st CIRP Global Web Conference: Interdisciplinary Research in Production Engineering // Procedia CIRP. 2012. V. 2. P. 16-21. URL:https://doi.org/10.1016/j.procir.2012.05.032.
