SolidWorks как основа для проектирования

Дмитрий Кузьминский, Сергей Порхунов

Внедрение информационных технологий в учебный процесс инженерных вузов сопровождается существенными изменениями в методологии преподавания графических дисциплин. В соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов выпускники технических вузов должны не только владеть набором профессиональных знаний,  умений, навыков и компетенций, но и быть готовыми к освоению новых знаний, обеспечивающих профессиональную конкурентоспособность.  Активное внедрение информационных технологий привело к росту потребности в высококвалифицированных инженерных кадрах, владеющих навыками работы в системах автоматизированного проектирования. Уровень профессиональной квалификации современного выпускника технического вуза характеризуется его способностью творчески решать поставленные задачи в условиях компьютеризации и развивающейся рыночной экономики.

На наш взгляд, эта задача может быть успешно решена благодаря использованию в учебном процессе информационных технологий, связанных с инженерным анализом и твердотельным моделированием.  Сегодня назрела необходимость в создании новых эффективных технологий вузовского обучения основам инженерного проектирования и конструирования с профессиональным применением САПР.

В МГТУ «МАМИ» преподавание ведется с использованием современного компьютерного и демонстрационного оборудования. Активно внедряются в учебный процесс пакеты специализированных программных продуктов для решения инженерных задач САПР. Освоение современных программных средств для решения задач автоматизации трехмерного проектирования и конструкторско­технологической подготовки производства любой сложности в различных отраслях промышленности позволяет выпускникам быть конкурентоспособными в профессиональном плане на рынке труда.

Кафедра «Автоматизированные станочные системы и инструменты» МГТУ «МАМИ» выполняет разработку научных основ и методического обеспечения по созданию компьютеризованных интегрированных производственных систем и технологий, занимается решением проблемы создания интенсивных ресурсосберегающих методов обработки для автомобильного, тракторного и общего машиностроения, разработки оснастки, оборудования, систем САПР и диагностики. Особое внимание кафедра уделяет внедрению в учебный процесс CAD/CAM/CAE/PDM/PLM­систем, которые открывают возможности построения принципиально новой схемы конструкторско­технологической подготовки производства конструкций. Данная схема позволяет проводить конструирование, доводку и оптимизацию конструкции на математической модели без создания физических моделей и их реальных испытаний на стадии доводки конструкции, что существенно снижает материальные затраты на разработку изделия.

При кафедре работает компьютерный центр, который за время своего существования прошел долгий путь развития: от нескольких компьютеров с AutoCAD 14 и КОМПАС до мощного, хорошо оснащенного центра с лицензионным программным обеспечением, квалифицированным преподавательским и инженерным составом и, конечно, со студентами, выполняющими сложные расчетно­проектировочные работы. На кафедре создана эффективная методика преподавания дисциплин САПР, разработаны десятки лабораторных работ, ведется научно­исследовательская деятельность. В настоящий момент на кафедре осуществляется обучение таким программным продуктам, как SolidWorks, Altair, CAMWorks и EULER.

Внедрение программного комплекса SolidWorks в учебный процесс началось в 2007 году, когда перед кафедрой была поставлена задача определиться с программным обеспечением и найти возможность перейти на его лицензионные версии для обеспечения учебного процесса. Нас сразу же заинтересовала программа содействия высшим учебным заведениям, реализованная компанией SolidWorks Russia в виде проекта «SWR­Академия».

В рамках программы «SWR­Академия» в компьютерный центр при кафедре «АССИ» на специальных льготных условиях были поставлены САПР SolidWorks и целый ряд специализированных модулей, решающих задачи в областях CAD/CAM/CAE/PDM. Кроме того, компанией SolidWorks Russia было проведено обучение преподавателей кафедры эффективным методам работы с программой. В ходе внедрения программного комплекса в учебный процесс специалисты компании SolidWorks Russia оказывали квалифицированную и оперативную техническую поддержку и предоставили большое количество информационных материалов, учебных и методических пособий.

Однако внедрение программного комплекса SolidWorks в учебный процесс проходило довольно тяжело. В первое время большинство наших студентов всё равно продолжали изучать AutoCAD и КОМПАС, но максимум, что они освоили, — это сборочные чертежи. Параметризация, 3D­моделирование, анимация кинематических моделей конструкции и их расчет методом конечных элементов были только мечтой — времени на всё это при количестве часов, отводимых на курсовое проектирование и дипломную работу для студентов­машиностроителей, явно не хватало.

В тех же группах, где начали применять комплекс SolidWorks, за один семестр удалось получить такие результаты, каких, честно говоря, не ожидали. Выполнив несколько лабораторных работ, студенты четвертого курса научились делать 2D­чертежи, их параметризацию, 3D­модели, кинематику, анимацию движения и параметризацию размеров и положения, 3D­сборки из нескольких деталей, а также создали 3D­модели инструмента для курсовой работы. В следующем семестре в рамках лабораторных работ по дисциплине «CAD/CAM­системы» группа из десяти студентов работала над сложным проектом. В результате за два месяца, то есть за восемь двухчасовых лабораторных работ, они создали сложную сборку — 3D­модель шпиндельной бабки токарного станка. Совместная работа над проектом, когда студенты зависимы друг от друга, дала им неоценимый опыт, который нельзя получить с помощью иных форм обучения, ведь на предприятии им придется работать именно так — в коллективе.

В 2008 году сотрудниками кафедры «АССИ» был разработан и внедрен в учебный процесс двухсеместровый курс лекций и практических занятий «Основы автоматизированного проектирования (SolidWorks)», который на протяжении последних трех лет читается на кафедре «АССИ» для студентов старших курсов, проходящих обучение по направлению 151000.62 «Конструкторско­технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств» и по специальностям 151002.65 «Металлообрабатывающие станки и комплексы», 151003.65 «Инструментальные системы машиностроительных производств» и 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)».

Специалисты кафедры ведут активную работу с предприятиями по подготовке специалистов, развитию САПР и решению проблем предприятий. Для этих целей на кафедре существует Расчетно­конструкторское бюро (РКБ «МАМИ»). Сотрудниками данного бюро являются высококвалифицированные преподаватели кафедры, посвятившие большую часть своей жизни решению проблем машиностроения, в особенности проектированию металлорежущих станков и новых видов инструмента. Далее будут рассмотрены преимущества применения современных технологий программного комплекса SolidWorks при проектировании и изготовлении машиностроительных конструкций по сравнению с ранее использовавшимися методами.

Проектирование оптимальной конструкции с применением современных подходов является довольно сложной задачей, требующей разнообразного программного обеспечения. Конструкторы разрабатывают изделие в CAD­системе, а затем передают его в расчетный отдел, где специалисты проводят расчеты при помощи CAE­систем; для запуска производства детали поступают к технологам, которые, используя CAM­системы, создают управляющие программы для станков с ЧПУ (рис. 1). Данная схема процесса разработки конструкции может подойти только для идеального предприятия, в реальности же данные на каждом этапе корректируются, курсируя между конструкторами, технологами и расчетным отделом.

Рис. 1. Схема процесса разработки конструкции

Зачастую на российских заводах можно увидеть следующую картину: конструкторы делают разработки в определенной CAD­системе, далее готовая модель передается расчетчикам, работающим в CAE­системе, которая не может получать данные напрямую из CAD­системы. Конструктор вынужден «транслировать» модель в сторонних форматах. В случае необходимости исправить модель на основании расчетов конструктор в ручном режиме вносит в нее коррективы. То же самое происходит при использовании CAM­систем. Таким образом, многократно выполняется одна и та же работа: сначала конструктор создает модель, потом расчетчик и технолог вносят в нее изменения, после этого конструктор вновь в ручном режиме корректирует конструкцию. Данную проблему несостыковки программного обеспечения можно решить при помощи программного комплекса SolidWorks.

Программный комплекс SolidWorks идеально подходит для решения задач современного проектирования как оборудования, так и металлоконструкций. Благодаря своей открытой структуре и множеству приложений SolidWorks охватывает весь процесс проектирования — от создания модели конструкции до разработки управляющей программы для станка с ЧПУ. При этом передача данных между CAD­, CAE­ и САМ­системами происходит напрямую, без применения сторонних форматов (рис. 2), что значительно упрощает и ускоряет процесс проектирования и, как следствие, производства в целом.

Примером применения современных технологий программного комплекса SolidWorks может служить работа по проектированию и производству картера двигателя, которая была выполнена на кафедре «Автоматизированные станочные системы и инструменты» МГТУ «МАМИ». Весь процесс проектирования, расчета и написания управляющей программы для станка с ЧПУ выполнялся исключительно в среде SolidWorks.

Рис. 2. Схема передачи данных между CAD-, CAE- и САМ-системами в SolidWorks

На первом этапе был разработан картер для двигателя (рис. 3). Инструменты SolidWorks позволили в полной мере получить необходимый профиль будущей детали. Второй этап заключался в расчете картера и внесении изменений в исходную модель (рис. 4). Уже на данном этапе можно ощутить преимущество применения программного комплекса SolidWorks.

Рис. 3. Разработка модели картера в CAD-системе SolidWorks

Рис. 4. Построение сетки для расчета картера в САЕ-системе SolidWorks

Модель автоматически передается в САЕ­систему для расчета напряжений и теплообмена. Задаются граничные условия, строится сетка конечных элементов, и выполняется расчет, по результатам которого изменения вносятся в модель. Поскольку SolidWorks осуществляет тесную интеграцию продуктов, входящих в состав комплекса, изменения в CAD­системе автоматически передаются в САЕ. Данная функция позволяет автоматически откорректировать ранее созданную расчетную модель, для расчета измененной модели требуется лишь запустить расчет заново.

На последнем этапе с помощью САМ­системы создается управляющая программа для станка с ЧПУ. Как и в случае с САЕ­системой, модель автоматически передается в САМ­систему. Полученная в САМ­системе управляющая программа постоянно поддерживает ассоциативную связь с исходной моделью, что позволяет в случае изменения модели автоматически пересчитать управляющую программу для станка (рис. 5).

Рис. 5. Создание управляющей программы для станка с ЧПУ в САМ-системе

Как видно из приведенного примера, SolidWorks охватывает весь жизненный цикл модели — от проектирования до создания управляющей программы для станка с ЧПУ. Функция, позволяющая в автоматическом режиме после изменения исходной САD­модели корректировать САЕ­ и САМ­модели, незаменима для производств с групповой технологией. Создав одну качественную САD/САЕ/САМ­модель, предприятие в кратчайшие сроки сможет перейти на выпуск новой модификации детали, откорректировав лишь исходную модель (рис. 6). 

Рис. 6. Обработанный картер

Литература

1. Алямовский А.А. и др. /SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб.: БХВ­Петербург, 2008. 1040 с.
2. Михайлов В.А. Моделирование неоднородных технологических систем при композиционном проектировании // Тезисы докладов Международного научного симпозиума, посвященного 135­летию «МГТУ МАМИ». М.: МАМИ, 2000. С.  39­40.
3. Михайлов В.А., Кузьминский Д.Л. Проектирование и моделирование многоскоростного зубчатого привода станков // Известия МГТУ «МАМИ».  № 1 (7). 2009. С. 121­127.
4. Михайлов В.А., Порхунов С.Г. Особенности определения статических и динамических показателей качества корпусных деталей станков // Известия МГТУ «МАМИ». № 1 (7). 2009. С. 127­134.
5. Поротников Е.М., Журенко А.Ю., Бугаев В.Г. SolidWorks — мощный инструмент трехмерного моделирования. Владивосток: ДВГТУ, 2008. 316 с.

САПР и графика 11`2011