CC BY
71
2. Деформационное тепловыделение в очаге деформации рабочей клети прокатного стана / С.М. Жучков, А.П. Лохматов, Л.В. Кулаков, Э.В. Сивак // Известия вузов. Черная металлургия. 2001. № 5. С. 23-29.
3. Особенности автоматизированного проектирования режимов прокатки на ШСГП при решении задачи обеспечения стабильности контрольных параметров процесса и полосы / М.И. Румянцев, И.Г. Шубин, А.О. Попов, В.И. Шурыгин // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. № 4 (40). С. 42-45.
4. Румянцев М.И., Шубин И.Г., Митасов B.C., Насонов В.В. Сравнение методов прогнозирования деформационного упрочнения металла при автоматизированном проектировании режимов холодной прокатки // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. № 2 (38). С. 39-42.
5. Шубин И.Г., Румянцев М.И., Некрасов С В., Шубина Н И., Попов А О. К вопросу оценки влияния технологических факторов процесса прокатки на стане 170 ОАО «ММК» на показатели качества канатной катанки // Обработка сплошных и слоистых материалов. Вып. 36: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. М.В. Чукина. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. С. 7-14.
6. Шубин И.Г., Румянцев М.И., Бородина E.H. Оценка результативности и стабильности производства грузоподъемных канатов // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. № 6. С. 46-48.
7. Выдрин В.Н., Федосиенко A.C., Крайнов В.И. Процесс непрерывной прокатки. М.: Металлургия, 1970. 456 с.
УДК 004.42:669
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ УЧЕБНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НОВЫХ СТАНДАРТОВ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ»
Валько Д.В.
Южно-Уральский институт управления и экономики, г. Челябинск, Россия Южно-Уральский многопрофильный колледж, г. Челябинск, Россия
Постановка проблемы
Одной из важных проблем в области профессионально-технического образования является отсутствие по значительной части технических специальностей современных проблемно-ориентированных учебно-исследовательских комплексов сопряженное с недоступностью для образовательных организаций специализированного отраслевого программного обеспечения, в том числе отсутствием его бесплатных учебных аналогов. Целью работы является анализ требований и разработка программного продукта, ориентированного на использование студентами среднего профессионального образования по специальности 22.02.05 «Обработка металлов давлением» для приобретения ими профессиональных компетенций, необходимых работнику сферы металлургической промышленности.
Результаты
Сформулированы критерии и требования к программным решениям в области обучения технологическим процессам обработки металлов давлением, выполнен анализ наиболее пригодных программных продуктов, в том числе систем автоматизированного проектирования и моделирования, отмечены их достоинства и недостатки. Разработан программный продукт для моделирования технологических процессов обработки металлов давлением в части
расчета калибровочных систем по ходу прокатки по методике Б.П. Бахтинова, М.М. Штер-иова, А.И. Целикова, который может быть рекомендован для эффективного обучения студентов основам настройки и функционирования сортовых прокатных станов и выполнения соответствующих расчетов.
Практическая значимость
Разработанный программный продукт отличается от аналогов простым пошаговым интерфейсом и возможностью интеграции в образовательный процесс по специальности 22.02.05 «Обработка металлов давлением» среднего профессионального образования. Позволяет выполнять технологические расчеты по системам калибровки: ящичные калибры; ромб-квадрат; овал-квадрат; шестиугольник-квадрат; овал-круг; овал-ребровый овал. Предусматривает возможность редактирования и корректировки данных в процессе вычислений, построения таблиц результатов вычислений с возможностью редактирования и сохранения. Строит диаграммы основных технологических параметров (температура, абсолютное обжатие и др.). Апробация и внедрение программного продукта осуществляется с использованием практических данных о работе прокатных станов ОАО «ЧМК» в ГБПОУ «Южно-Уральский многопрофильный колледж», г. Челябинск.
Основная часть
На современном этапе развития информационных технологий применение в обучении программных комплексов дает возможность студентам наглядно представить результат своих действий, определить этап в решении задачи, на котором сделана ошибка, и исправить ее. Вместе с тем обучение специальностям технического профиля, в соответствии с современными стандартами, обладает рядом особенностей, которые обусловливают насущную необходимость применения информационных технологий и программных комплексов, касающихся профессиональной деятельности.
В частности, основные профессиональные компетенции фиксируют необходимость не только поверхностного ознакомления студентов с оборудованием, но и участия в проектировании, контроле и исследовании сложных технологических систем, оборудования и процессов.
В рамках специальности 22.02.05 «Обработка металлов давлением» обучают студентов для работы в металлургической промышленности. Современные прокатные цехи оснащены большим количеством сложных машин, механизмов, агрегатов, транспортных средств, участвующих в непрерывных и бесконечных процессах производства.
Для обеспечения непрерывности процесса и получения высококачественной продукции на прокатных станах и других агрегатах установлены системы автоматического контроля и управления. Разумеется, студенты должны иметь представление о данном оборудовании и программном обеспечении.
Поскольку технологическое оборудование обработки металлов давлением является весьма сложным, дорогостоящим и опасным, проблема соответствия требованиям стандартов образования может быть разрешена путем создания и внедрения в образовательный процесс программных комплексов моделирующих такое оборудование и технологические процессы.
Разрабатываемый программный комплекс должен быть ориентирован на использование студентами среднего профессионального образования по специальности 22.02.05 «Обработка металлов давлением» для приобретения ими профессиональных компетенций, необходимых работнику сферы металлургической промышленности, прежде всего, таких как [1]:
-рассчитывать показатели и коэффициенты деформации обработки металлов давлением (ПК 3.4);
-рассчитывать калибровку рабочего инструмента и формоизменение выпускаемой продукции (ПК 3.5);
-осуществлять технологический процесс в плановом режиме, в том числе используя программное обеспечение, компьютерные и телекоммуникационные средства (ПК 3.7);
-применять типовые методики расчета параметров обработки металлов давлением (ПК
3.9).
В этой связи, очевидно, что реализация подобных компетенций, не обходится без применения современных вычислительных программных продуктов, в том числе сугубо отраслевого назначения. Таки образом, можно сформулировать ряд требований к программным решениям такого уровня [2]:
1) моделирование технологических процессов с учетом основных характеристик оборудования;
2) возможность выполнения технологических построений и расчетов в условиях приближенных к реальной производственной деятельности;
3) удобный интерфейс, предоставляющий возможность студенту сфокусироваться на решаемой профессиональной задаче;
4) интеграция моделей и расчетов в образовательные и программные системы образовательного учреждения.
Использование промышленных программных комплексов при обучении, как правило, сводится к изучению непосредственно самих программных комплексов, а не той технологии, для автоматизации которой они предназначены. Очевидно, что обучение проектируемому процессу, а не системе проектирования должно осуществляться в «облегченной» версии промышленного варианта.
Успешное освоение основ настройки прокатных станов, как основного элемента специальности 22.02.05 «Обработка металлов давлением», невозможно без применения моделирующих программ, имеющих высокую точность описания параметров технологических процессов и позволяющих, без значительных материальных и временных затрат, производить исследование этих процессов [3].
В процессе обучения перед студентами ставится задача по разработке технологии получения готового профиля в жестко заданных рамках (состав и расположение оборудования с известными паспортными характеристиками, параметрами заготовки и др.). В данном случае студенту следует произвести необходимые расчеты и сделать выводы о возможности реализации поставленной задачи в условиях реального производства.
Одной из основных задач, возникающих при разработке и проектировании технологии, является расчет калибровки технологического инструмента. Использование для решения данной задачи рабочих программ и расчетных алгоритмов имеет практическую ценность для инженерно-технического персонала и является одним из элементов автоматизации инженерного труда [4].
В рамках настоящего исследования нами выполнен анализ наиболее известных программных продуктов, в том числе систем автоматизированного проектирования (САПР) и моделирования, применяемых, в том числе и в области обработки металлов давлением (см. таблицу). Как таковые, специализированные современные САПР в области проектирования технологических процессов обработки металлов давлением находятся, как убедительно показано в [5, 6], на стадии разработки и апробации, то есть не могут быть адаптированы к требованиям образовательного процесса в настоящее время. В этой связи, нами были проанализированы следующие основные программные пакеты, в той или иной мере используемые, как на производстве, так и в образовательной деятельности (см. таблицу):
1) АРМ Winmachine - САПР, используемая в машиностроении, включающая последние достижения вычислительной математики, математического программирования и экспериментальных решений;
2) КОМПАС - САПР, предоставляющая возможность построения трехмерных моделей и оформления документации в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД и СПДС;
3) SolidWorks - САПР, позволяющая проектировать инженерные сооружения в трех измерениях;
4) AutoCad - САПР, которая содержит в себе необходимые элементы черчения и 3D моделирования;
5) Autodesk 3ds Max - полнофункциональная программная система для создания и редактирования трехмерной графики и анимации.
Для объективной оценки программных пакетов нами предложен следующий набор критериев:
-возможность учета и моделирования технических характеристик оборудования;
-возможность моделирования технологического процесса;
-возможность конструирования оборудования;
-эргономика и простота использования для не специалиста;
-возможность проведения учебных экспериментов;
-возможность интеграции в учебный процесс;
-взаимодействие с другими программными пакетами;
-применение в профессиональной деятельности.
Анализ программных пакетов
Наименование программного продукта
Моделирование технических характеристик оборудования
Q
m
<u О
и о
<Ц
13
<Ц
U
и
о н
<Ц
о й Л
<D
Ч К 14
м
Моделирование технологического процесса
Q
m
<u О
и о
<Ц
13
<Ц
U
и
о н
<Ц
о
сз &
<D
Ч К 14
м
Возможность проведения учебных экспериментов
л н о о
Я
%
о
со О
PQ
« S
S « а ° 5 ^ Й ^
а о
S о Л о
о
я £
и о а я
Возможность интеграции в учебный процесс
й н о н
о к о S
s g
<й СО
и л
S ^
5 О
С О К
О
я о
сз I
а о ^ и о со а , S
S
(н . .
а С
к S
X и
о о
О S3
а з
к Й
й л
53 л
IS *
^ 3
& я
у ill С
Л s
АРМ WinMachine
+
+
+
+
+
+
+
+
KOMnAC-3D
+
+
+
+
+
+
+
+
SolidWorks
+
+
+
+
+
+
AutoCAD
+
+
+
+
+
+
+
+
+
3DS MAX
+
+
+
Проанализированные программные решения в основном являются пакетами для автоматизированного проектирования. В этой связи можно сказать, что все программные продукты предоставляют возможности построения трехмерных моделей оборудования в целом или его компонентов, а также позволяют выполнять проектные расчеты в соответствии со стандартами.
Однако возможности проектирования не охватывают комплексы оборудования и не позволяют моделировать непосредственно технологический процесс обработки металлов давлением, что является одним из ключевых критериев. В результате, становится возможным лишь фрагментарное моделирование и анимация отдельных элементов и сборок.
В основном программные продукты являются дорогостоящими, требовательными к комплектации компьютера, а также весьма сложными, т.е. требуют специальных знаний. Кроме того, использование данных программ в учебной и профессиональной деятельности связано с необходимостью разработки множества проектных шаблонов.
Таким образом, можно сказать, что данные программные пакеты могут применяться для целей моделирования оборудования, однако, практически не подходят для выполнения комплекса расчетов и моделирования самого технологического процесса обработки металлов давлением. Это приводит к необходимости разработки специального программного продукта решающего данные задачи.
В числе основных задач, которые должен решать такой продукт, можно выделить, прежде всего, возможность проведения учебных экспериментов и интеграции в учебный процесс, удобную работу с другими программными пакетами, достаточную приближенность к профессиональной деятельности при простоте интерфейса.
Прямыми аналогами такого рода программного продукта являются:
1. «Сорт-про» - программный комплекс для проектирования и анализа технологии сортовой прокатки [7], разработанный НПО «Доникс», г. Донецк. Данный программный продукт предназначен для оперативного моделирования, проектирования и анализа основных технологических параметров процесса прокатки в интерактивном режиме. Авторами осуществлена апробация в условиях производства на стане 150 ЗАО «ММЗ».
Структурно программа выполнена в виде модулей, каждый из которых выполняет определенную функцию. Программный продукт содержит модули для генерации модели стана, определения начальных параметров, проектирования калибровки (рис. 1), проектирования монтажей калибров, расчета параметров и вывода результатов.
<Г Copi-npo - Demo.mdf
Файл Расчет Установки Помощь
& н I ш я ь
-jnllxi
Прол Клеть | | Калибр | Зазор Н 3 <Н dB Плсщ. Кв/Кр | Запели | К.еыг _К л
Загог Square 151,9 151,9 22730 151,9
1 Г600.1 ВХ-001 37 105 187,9 46,9 16 1S734 33,8 590 1,358 0,
2 0&00_2 ВО-001 21 130 123 47.9 19 13077 9X2 590 1.28 ■
3 < ;l | Г440_3 0V-0G1 42 84,5 132,2 4Г.8 12,2 9440 94.4 430 0, V >
Клеть | В600_2
j Диам. валков, мм [590 ▼ j Расст. до клети, м! 0
Метериал валков | Сталь
Время паузы, с [о [7 Согласованный режим
Г" Реверс раската Угол кантовки. Ад,4 [ЭО
Кол. ниток |1 _»] Разд. |0 Об. двиг. об/мин ¡559,9
Определение уширения (* Расчет Г Задеть
Данные о калибре Код калибра |В0-001
Ширина, h
Зазор, мм |21
Г Несимметричное залолн Расст. от левой границы профиля, мм
Редакт. калибр |
[123
Г
Расчет
Сохр. Форму раската
Исходите данные режим 1 Графики
123
Рис. 1. Окно модуля проектирования калибровки «Сорт-про»
Достоинствами данного программного продукта, с точки зрения заявленных выше критериев, является ориентация на проектировщиков прокатных станов, разработчиков технологии прокатки, технологов прокатных цехов и калибровщиков, а также возможность построения и экспорта графиков, в том числе сохранения расчетных данных в формате Microsoft Excel.
Недостатком программного продукта, с точки зрения применения в среднем профессиональном образовании, можно признать сложность работы, обусловленную множеством параметров и необходимостью проектирования технологии с нуля, а также отсутствие в явном виде поддержки базовых калибровочных систем, которые изучаются на втором курсе обучения. В числе косвенных недостатков также можно упомянуть непрозрачность методик расчета, платность программного продукта при отсутствии демо-версии поставки. К сожалению, при всех достоинствах, на сегодняшний день, рассматриваемый программный продукт недоступен широкому пользователю.
2. «Тренажер настройки сортовых прокатных станов» - Данный программный продукт предназначен для изучения основ настройки прокатных валков станов, прокатки простых сортовых профилей. Программа разработана на базе ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ) и ориентирована на технологов сортовых прокатных станов. Кроме того, данная программа является современным аналогом более ранних разработок в области моделирования и проектирования технологических процессов прокатки того же коллектива авторов [8]. К сожалению, не опубликованы в открытой печати сведения об апробации программного продукта, однако последняя версия продукта интегрирована в учебный комплекс [9], включающий анимированные и интерактивные образовательные модули. В программе допускается выбор типа стана, количества клетей, схем прокатки, исходных температурных и скоростных параметров, характеристики приводов клетей и др.
В числе недостатков данной реализации программного продукта, следует обозначить непрозрачность методики расчета, возможность работы с ограниченным числом простых калибров (ящичные и овальные), невозможность импорта/экспорта расчетных данных и графиков. Можно также упомянуть сравнительное не удобство интерфейса (рис. 2) при высокой стоимости программного продукта, а также необходимость обеспечения функционирования и сохранности ключа защиты для каждого пользователя (а в составе учебного комплекса -сохранности учётных данных). Для функционирования программного продукта необходим .NET Framework 4.5 и от 850 до 2000 Мб доступного пространства на жестком диске.
Рис. 2. Рабочая область программы «Тренажер настройки сортовых прокатных станов»
Таким образом, анализ существующих решений предопределил необходимость разработки нового программного продукта, для применения, в образовательном процессе среднего профессионального образования начиная со второго курса обучения.
Разработанный нами программный продукт «CalcRoll» [10] предназначен для моделирования технологических процессов обработки металлов давлением в части расчета калибровочных систем по ходу прокатки по методике Б.П. Бахтинова, М.М. Штернова, А.И. Цели-кова и может быть рекомендован для эффективного обучения студентов основам настройки и функционирования сортовых прокатных станов и выполнения соответствующих расчетов.
Отличается от аналогов простым пошаговым интерфейсом и возможностью интеграции в образовательный процесс по специальности 22.02.05 «Обработка металлов давлением» среднего профессионального образования. Позволяет выполнять технологические расчеты заданного числа проходов по системам калибровки: ящичные калибры; ромб-квадрат; овал-квадрат; шестиугольник-квадрат; овал-круг; овал-ребровый овал. Предусматривает возможность редактирования и корректировки данных в процессе вычислений, построения таблицы результатов вычислений с возможностью редактирования и сохранения. Строит диаграммы основных технологических параметров (температура, абсолютное обжатие и др.).
В основу разработанного программного продукта положен принцип «Мастер» (англ. wizard, «волшебный помощник») — это инструмент повышения автоматизации выполнения пошаговых операций, помогающий пользователю быстро и наглядно осуществить интерактивную функцию в графическом интерфейсе программы, которая представляет собой последовательно сменяющие друг друга диалоговые окна для выполнения определённой задачи, которую можно разбить на этапы (шаги). На сегодняшний день, «мастера» стали неотъемлемой частью многих популярных графических сред и приложений. Также и некоторые веб-приложения стали использовать подобный способ организации диалога с пользователем.
В нашем случае технология «Мастер» позволяет объединить множество расчетных параметров моделирования технологического процесса в единую цепочку шагов. Алгоритм расчета программы выполняется на основании введенных данных пользователем, либо загруженных ранее данных. Основные интерфейсные окна содержат автодополнение и контроль ввода данных пользователем (рис. 3).
В программном продукте есть возможность сохранения пользователем введенных данных, а также полученных при расчете программой в файл типа CSV, что обеспечивает интеграцию и экспорт/импорт в Microsoft Excel, Access и любые другие СУБД и САПР. Графики и диаграммы (рис. 4), полученные в ходе работы с программой, могут быть экспортированы в формат JPEG.
Отдельным достоинством данного программного продукта с точки зрения интеграции в образовательный процесс можно признать использование опубликованных технологий, методик расчетов и общепринятых обозначений параметров. Программный продукт выполнен в среде Microsoft Visual Studio 2012 C++, поддерживает всю линейку операционных систем Windows, комплектуется руководством пользователя и для образовательных целей распространяется бесплатно.
Апробация и внедрение программного продукта осуществляется с использованием практических данных о работе станов ОАО «ЧМК» в ГБПОУ «Южно-Уральский многопрофильный колледж», г. Челябинск на базе корпоративной автоматизированной системы управления ProCollege.
Рис. 3. Пошаговый ввод данных
Рис. 4. Диаграмма абсолютной вытяжки
Список литературы
1. Приказ Министерства образования и науки РФ от 21 апреля 2014 г. № 359 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по специальности 22.02.05 Обработка металлов давлением». ГАРАНТ, 2014. www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/70587428/ (дата обращения: 07.10.2015).
2. Применение современных систем автоматизированного проектирования для решения задач моделирования технологических процессов обработки металлов давлением / Д.В. Валько, В.И. Москвина // Актуальные проблемы современной науки: взгляд молодых: сборник трудов III Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Челябинск: Полиграф-Мастер, 2014. 300 с. С. 86-89.
3. Валько Д.В. Проблема реализации профессиональных исследовательских компетенций в условиях стандартов нового поколения для среднего профессионального образования технического профиля / Проблемное обучение с применением информационных технологий в условиях перехода на федеральные государственные образовательные стандарты / Под ред. O.P. Шефер: Сб. материалов регион. науч.-практич. семинара. 30 марта 2013 г. ЧОУ ВПО «Южно-Уральский институт управления и экономики» г. Челябинск. Челябинск: Полиграф-Мастер, 2013. 267 с. С. 100-105.
4. Яковлева К.Ю. Использование системы варьируемых коэффициентов при расчете калибровки технологического инструмента станов холодной прокатки труб // Вестник Южно-Уральского государственного университета. СерияМеталлургия. 2012. № 39. С. 160-162.
5. Коновалов A.B. Концепция управления процессом проектирования в САПР технологических процессов ковки // Программные продукты и системы. 2014. № 3. С. 126-131.
6. Исаев A.A., Бурдо Г.Б., Семенов H.A. Интеллектуальные процедуры проектирования технологических процессов в интегрированных САПР // Программные продукты и системы. 2014. № 1. С. 60-64.
7. Солод B.C., Бенецкий А.Г., Мамаев А.Н. Программный комплекс для проектирования и анализа технологии сортовой прокатки /. http://yurii.ru/ref10/particle-394880.html (дата обращения: 07.07.2015).
8. Моделирование и проектирование технологических процессов прокатки / Ф.С. Ду-бинский, A.B. Выдрин, П.А. Мальцев, М.А. Соседкова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия Металлургия. 2007. № 13. С. 24-27.
9. Дубинский Ф.С., Соседкова М.А., Мальцев П.А. Учебно-исследовательский тренажер-имитатор процессов сортовой прокатки / // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия Металлургия. 2015. № 2. С. 120-125.
10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015618937 от 20 августа 2015 г. «Программа для расчета калибровочных систем по ходу прокатки» / Валько Д.В., Москвина В.И.
УДК 621.778
РЕАЛИЗАЦИЯ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОВОЛОКИ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ*
Харитонов В.А., Усанов М.Ю.
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный техническийуниверситет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия
Проволока находит самое широкое применение во всех отраслях промышленности. Она применяется в виде, как готовых изделий, так и полуфабрикатов для производства целого ряда метизов: стальные канаты, сварные и тканые сетки, гвозди, шурупы, детали машин, проволочно-кабельные изделия и др.
* Работа проведена в рамках реализации госзадания по теме «Разработка технологии получения высокопрочных длинномерных профилей из материалов с ультрамелкозернистой структурой в условиях комбинирования процессов интенсивного пластического деформирования» (Задание № 11.1525.2014К от 18.07.2014).
