CC BY
51
УДК 004.42 Дата подачи статьи: 28.09.15
Б01: 10.15827/0236-235Х.114.179-184
УЧЕБНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Д.В. Валько, к.э.н., зав. лабораторией, [email protected] (Южно-Уральский институт управления и экономики, ул. Комаровского, 9а, г. Челябинск, 454052, Россия; Южно-Уральский многопрофильный колледж, ул. Хмельницкого, 12, г. Челябинск,, 454031, Россия)
Одной из важных проблем в профессионально-техническом образовании является отсутствие по значительной части специальностей современных проблемно-ориентированных учебно-исследовательских комплексов, сопряженное с недоступностью для образовательных организаций специализированного отраслевого ПО и с отсутствием его бесплатных учебных аналогов. Целью данной работы являются 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 металлургической промышленности. Сформулированы критерии и требования к программным решениям в обучении технологическим процессам обработки металлов давлением, проанализированы наиболее пригодные программные продукты, в том числе системы 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. Штернова, А.И. Целикова, который может быть рекомендован для эффективного обучения студентов основам настройки и функционирования сортовых прокатных станов и выполнения соответствующих расчетов. 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. Он 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 осуществляются с использованием практических данных о работе прокатных станов Челябинского металлургического комбината в Южно-Уральском многопрофильном колледже (г. Челябинск).
Ключевые слова: технологические процессы, обработка металлов давлением, моделирование, программирование расчетов, среднее профессиональное образование.
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 имеет ряд 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» ведется обучение 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 ПО.
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, и прежде всего следующих:
- расчет показателей и коэффициентов деформации обработки металлов давлением (ПК 3.4);
- расчет калибровки рабочего инструмента и формоизменения выпускаемой продукции (ПК 3.5);
- осуществление технологического процесса в плановом режиме, в том числе используя ПО, компьютерные и телекоммуникационные средства (ПК 3.7);
- применение типовых методик расчета параметров обработки металлов давлением (ПК 3.9).
В этой связи очевидно, что при реализации подобных компетенций не обойтись без современных вычислительных программных продуктов, в том числе сугубо отраслевого назначения. Таким образом, можно сформулировать ряд требований к программным решениям такого уровня [1]:
- моделирование технологических процессов с учетом основных характеристик оборудования;
- возможность выполнения технологических построений и расчетов в условиях, приближенных к реальной производственной деятельности;
- удобный интерфейс, предоставляющий возможность сфокусироваться на решаемой профессиональной задаче;
- 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 [2].
Во время 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 [3].
В рамках настоящего исследования выполнен анализ наиболее известных программных продуктов, в том числе САПР и моделирования, применяемых и при обработке металлов давлением (см. таблицу). Специализированные современные САПР в области проектирования технологических процессов обработки металлов давлением находятся, как показано в [4, 5], на стадии разработки и апробации, то есть не могут быть адаптированы к требованиям образовательного процесса в настоящее время. В этой связи были проанализированы следующие основные программные пакеты, в той или иной мере используемые как на производстве, так и в образовательной деятельности (см. таблицу).
Анализ программных пакетов
Software package analysis
Программный продукт Мод те5 хар: обо елирование лических 1ктеристик рудования Моделирование технологического процесса Возможность проведения учебных экспериментов Возможность интеграции в учебный процесс
О Г) Схематическое В виде расчетов О Г) Схематическое В виде расчетов Возможность конструирования прокатного оборудования Эргономика и простота использования для неспециалиста Работа с другими программными пакетами, экспорт/импорт из широко-применяемых форматов Возможность применения в проф. деятельности
АРМ WinMachine + + + + + + + +
КОМПАСА + + + + + + + +
SolidWorks + + + + + +
AutoCAD + + + + + + + + +
3DS MAX + + +
• АРМ Winmachine - САПР, используемая в машиностроении, включающая последние достижения вычислительной математики, математического программирования и экспериментальных решений.
• КОМПАС - САПР, предоставляющая возможность построения трехмерных моделей и оформления документации в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД и СПДС.
• SolidWorks - САПР, позволяющая проектировать инженерные сооружения в трех измерениях.
• AutoCad - САПР, содержащая необходимые элементы черчения и 3D-моделирования.
• Autodesk 3ds Max - полнофункциональная программная система для создания и редактирования трехмерной графики и анимации.
Для объективной оценки программных пакетов предлагается следующий набор критериев:
- возможность учета и моделирования технических характеристик оборудования;
- возможность моделирования технологического процесса;
- возможность конструирования оборудования;
- эргономика и простота использования для неспециалиста;
- возможность проведения учебных экспериментов;
- возможность интеграции в учебный процесс;
- взаимодействие с другими программными пакетами;
- применение в профессиональной деятельности.
Проанализированные программные решения в основном являются пакетами для автоматизированного проектирования. В этой связи можно сказать, что все программные продукты предоставляют возможность 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 возможны лишь фрагментарное моделирование и анимация отдельных элементов и сборок.
В основном программные продукты являются дорогостоящими, требовательными к комплектации компьютера, а также весьма сложными, то есть 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 моде-
лирования 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 «Сорт-про» и «Тренажер настройки сортовых прокатных станов».
«Сорт-про» - программный комплекс для проектирования и анализа технологии сортовой прокатки [6], разработанный НПО «Доникс», г. Донецк. Данный программный продукт предназначен для оперативного моделирования, проектирования и анализа основных технологических параметров процесса прокатки в интерактивном режиме. Апробация его была осуществлена в условиях производства на стане 150 Макеевского металлургического завода.
Структурно программа реализована 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.
Достоинствами данного программного продукта с точки зрения заявленных выше критериев являются 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 рассматриваемый программный продукт на сегодняшний день недоступен широкому пользователю.
«Тренажер настройки сортовых прокатных станов» - программный продукт, предназначенный для изучения основ настройки прокатных валков станов, прокатки простых сортовых профилей.
Программа разработана на базе Южно-Уральского государственного университета 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 [7]. К сожалению, в открытой печати нет сведений об апробации программного продукта, однако последняя версия продукта интегрирована в учебный комплекс [8], включающий анимиро-ванные и интерактивные образовательные модули. В программе допускается выбор типа стана, количества клетей, схем прокатки, исходных температурных и скоростных параметров, характеристики приводов клетей и др.
К недостаткам данной реализации программного продукта следует отнести непрозрачность методики расчета, возможность работы с ограниченным числом простых калибров (ящичные и овальные), невозможность импорта/экспорта расчетных данных и графиков. Можно также упомянуть сравнительное неудобство 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 учетных данных). Для функционирования программного продукта необходим .NET Framework 4.5 и от 850 до 2000 Мб доступного пространства на жестком диске.
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 программный продукт Са1сЯо11 [9] предназначен для моделирования технологических процессов обработки металлов давлением в части расчета калибровочных систем по ходу про-
Рис. 1. Окно модуля проектирования калибровки «Сорт-про» Fig. 1. The window of "Sort-pro " calibration design module
Рис. 2. Рабочая область программы «Тренажер настройки сортовых прокатных
станов»
Fig. 2. The client area of the program "A layout simulator of a section mill"
катки по методике Б.П. Бахтинова, М.М. Штер-нова, А.И. Целикова и может быть рекомендован для эффективного обучения студентов основам настройки и функционирования сортовых прокатных станов и выполнения соответствующих расчетов.
От аналогов он отличается простым пошаговым интерфейсом и возможностью интеграции в образовательный процесс по специальности 22.02.05 «Обработка металлов давлением» среднего профессионального образования. CalcRoll позволяет выполнять технологические расчеты заданного числа проходов по системам калибровки: ящичные калибры, ромб-квадрат, овал-квадрат, шестиугольник-квадрат, овал-круг, овал-ребровый овал. Он 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 осуществлять интерактивную функцию в графическом интерфейсе программы, представляющем собой последовательно сменяющие друг друга диалоговые окна для выполнения определенной задачи, которую можно разбить на этапы (шаги). На сегодняшний день «мастера» стали неотъемлемой частью многих популярных графических сред и приложений. Подобный способ организации диалога с пользователем стали использовать и некоторые веб-приложения.
В данном 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 данных, полученных при расчете программой, в файл типа CSV, что обеспечивает интеграцию и экспорт/импорт в Microsoft Excel, Access и любые другие СУБД и САПР. Полученные в ходе работы с программой графики и диаграммы (рис. 4) 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
Рис. 3. Пошаговый ввод данных Fig. 3. Step-by-step data input
Рис. 4. Диаграмма абсолютной вытяжки Fig. 4. Diagram of total drawing-out
Visual Studio 2012 C++, поддерживает всю линейку операционных систем Windows, комплектуется руководством пользователя и для образовательных целей распространяется бесплатно.
Апробация и внедрение программного продукта осуществляются с использованием практических данных о работе станов Челябинского металлургического комбината в Южно-Уральском многопрофильном колледже (г. Челябинск) на базе корпоративной автоматизированной системы управления ProCollege.
Литература
1. Валько Д.В., Москвина В.И. Применение современных систем автоматизированного проектирования для решения задач моделирования технологических процессов обработки металлов давлением // Актуальные проблемы современной науки: взгляд молодых: сб. тр. III Всерос. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Челябинск: Полиграф-Мастер, 2014. С. 86-89.
2. Валько Д.В. Проблема реализации профессиональных исследовательских компетенций в условиях стандартов нового поколения для среднего профессионального образования технического профиля // Сб. матер. регион. науч.-практич. семинара. Челябинск: Полиграф-мастер, 2013. С. 100-105.
3. Яковлева К.Ю. Использование системы варьируемых коэффициентов при расчете калибровки технологического инструмента станов холодной прокатки труб // Вестн. ЮжноУральского гос. ун-та: Сер. Металлургия. 2012. № 39. С. 160-162.
4. Коновалов А.В. Концепция управления процессом проектирования в САПР технологических процессов ковки // Программные продукты и системы. 2014. № 3. С. 126-131.
5. Исаев А.А., Бурдо Г.Б., Семенов Н.А. Интеллектуальные процедуры проектирования технологических процессов в интегрированных САПР // Программные продукты и системы. 2014. № 1. С. 60-64.
6. Солод В.С., Бенецкий А.Г., Мамаев А.Н. Программный комплекс для проектирования и анализа технологии сортовой прокатки. URL: http://yurii.ru/ref10/particle-394880.html (дата обращения: 15.09.2015).
7. Дубинский Ф.С., Выдрин А.В., Мальцев П.А., Сосед-кова М.А. Моделирование и проектирование технологических процессов прокатки // Вестн. Южно-Уральского гос. ун-та: Сер. Металлургия. 2007. № 13. С. 24-27.
8. Дубинский Ф.С., Соседкова М.А., Мальцев П.А. и др. Учебно-исследовательский тренажер-имитатор процессов сортовой прокатки // Вестн. Южно-Уральского гос. ун-та: Сер. Металлургия. 2015. №> 2. С. 120-125.
9. Валько Д.В., Москвина В.И. Программа для расчета калибровочных систем по ходу прокатки: пат. 2015618937 Рос. Федерация. №> 2015615981; заявл. 02.07.15; опубл. 20.09.15, Бюл. №> 9. 1 с.
DOI: 10.15827/0236-235X.114.179-184 Received 28.09.15
TRAINING SOFTWARE TO PERFORM TECHNOLOGICAL CALCULATIONS Valko D.V., PhD. Econ, Head of Laboratory, [email protected]
(South-Ural Institute of Management and Economics, Komarovskogo St. 9a, 454052, Chelyabinsk, Russian Federation;
South-Ural Versatile College, Khmelnitskogo St. 12, Chelyabinsk, 454031, Russian Federation)
Abstract. One of the important problems in vocational education is the lack of modern problem-oriented teaching and research complexes in a significant part of technical specialties. It is accompanied by inaccessibility of dedicated industry software for educational organizations including the lack of free education equivalents. The aim of the article is to analyze the requirements and to develop software focused on using by the students of secondary vocational education in the specialty 22.02.05 "Metal Forming" in order to acquire professional competencies needed for a steel industry. The article states the criteria and requirements for software solutions in the field of teaching a technology of metal forming. It also analyses the most suitable software products including computer-aided design and modeling systems, their advantages and disadvantages. The developed software product for modeling manufacturing processes of metal forming in terms of calculating calibration systems during rolling by the method of B.P. Bakhtinov, M.M. Shternov, A.I. Tselikov can be recommended for effective teaching students about the basics of setup and operation of high-quality rolling mills and implementation of relevant calculations. The software product differs from its analogues by a simple step-by-step interface and the ability to be integrated into an educational process in the specialty 22.02.05 "Metal Forming" of the secondary vocational education. It allows you performing technological calculations on the calibration systems, such as box pass, diamond-square passes, oval-square passes, hexagon-square passes, oval-round passes, oval-rib oval passes. It provides the ability to edit and correct data while calculating, tabulating the calculations results with the ability to edit and save. The product can build diagrams of basic technological parameters (temperature, absolute reduction, etc.). Testing and introduction of the product is carried out using practical data on the rolling mills of the "Chelyabinsk Metallurgical Plant" in the South-Ural Versatile College, Chelyabinsk.
Keywords: technological processes, metal forming, modeling, programming calculations, secondary vocational education.
References
1. Valko D.V., Moskvina V.I. The Use of Modern CAD Systems to Meet the Challenges of Technological Simulation of Metal Forming Processes. Aktualnye problemy sovremennoy nauki: vzglyad molodykh: sb. tr. III Vseross. nauch.-praktich. konf. studentov, aspirantov i molodykh uchenykh [Important Problems of Modern Science: Look of the Youth: Proc. of the 3rd All-Russian Science and Practice Conf. of Students, Postgraduates and Young Scientists]. Chelyabinsk, Polygraph Master Publ., 2014, pp. 86-89 (in Russ.).
2. Valko D.V. The Implementation Problem of Professional Research Competencies in a New Generation Standards for Secondary Vocational Education with Engineering Profile. Proc. of the Regional Science and Practice Workshop. 2013, O.R. Schaefer (Ed.) Chelyabinsk, Polygraph Expert Publ., 2013, pp. 100-105 (in Russ.).
3. Yakovleva K.Yu. Using the Variable Factors in Calibration Calculation of a Cold Rolling Tube Tool. Vestnik Yuzhno-Uralskogo gos. univ. Ser. Metallurgiya [The Bulletin of the South Ural State Univ. Series Metal Industry]. 2012, no. 39, pp. 160-162 (in Russ.).
4. Konovalov A.V. Control concept for a forging design process in CAD systems. Programmnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 2014, no. 3, pp. 126-131 (in Russ.).
5. Isaev A.A., Burdo G.B., Semenov N.A. Intelligent procedures of technological processes design in integrated CAD systems. Programmnyeprodukty i sistemy [Software & Systems]. 2014, no. 1, pp. 60-64 (in Russ.).
6. Solod V.S., Benetsky A.G., Mamaev A.N. The Software Package for Design and Analysis of a High-Quality Rolling Technology. Available at: http://yurii.ru/ref10/particle-394880.html (accessed September 15, 2015) (in Russ.).
7. Dubinsky F.S., Vydrin A.V., Maltsev P.A., Sosedkova M.A. Processes Rolling Modeling and Design. Vestnik Yuzhno-Uralskogo gos. univ. Ser. Metallurgiya [The Bulletin of the South Ural State Univ. Series Metal Industry]. 2007, no. 13, pp. 24-27 (in Russ.).
8. Dubinsky F.S., Maltsev P.A., Sosedkova M.A. Educational and Research Simulator for Bar Rolling Processes. Vestnik Yuzhno-Uralskogo gos. univ. Ser. Metallurgiya [The Bulletin of the South Ural State Univ. Series Metal Industry]. 2015, no. 2, pp. 120-125 (in Russ.).
9. Valko D.V., Moskvina V.I. Programma dlya rascheta kalibrovochnykh sistem po khodu prokatki [The Program for Calibration System Calculation in Rolling]. State Registration Cert. for a program no. 2015618937, 2015 (in Russ.).
