11 - 2008

В ногу со временем

Александр Вылегжанин

Основными тенденциями в современном машиностроении являются увеличение рабочих параметров машин и конструкций и снижение их материало- и энергоемкости. При этом важное значение имеют сроки разработок, их качество и стоимость. Чтобы соответствовать требованиям нынешнего дня, процесс автоматизации проектирования необходимо рассматривать в комплексе, как систему взаимосвязанных конструкторских, расчетных и технологических программных инструментов на всех стадиях проекта.

Современные требования ломают стереотипы в обучении. Знание теоретического материала без практики, без осознания происходящих в оборудовании процессов и влияния на них природных явлений сводится к нулю.

Нет необходимости рассматривать сейчас объективные и субъективные причины разобщенности теоретических знаний и практических навыков. Да и постоянно растущая потребность в информационном поле повышает интеллектуальный уровень современного студента. Поэтому изучения лекционного материала и специальной литературы сегодня недостаточно.

В данной статье мы предлагаем рассмотреть один из вариантов подготовки специалистов для решения проблем современного машиностроения.

Системы САПР заняли достойное место в проектировании и технологической цепи производства. Поэтому изучение общетехнических дисциплин в нашем учебном заведении проходит через призму САПР АРМ WinMachine.

Так, при изучении технической механики студент наглядно видит, что под воздействием всех видов нагрузок на тело в соответствующей рабочей среде по результатам расчета полностью раскрывается внутреннее состояние исследуемого образца. На все исследование уходят секунды, что позволяет студенту, моделируя ситуацию с различными материалами и в разной рабочей среде, глубоко осмыслить происходящие процессы и получить оптимальный вариант механизмов.

Применение системы АРМ WinMachine при проведении лабораторных и практических занятий решает ряд серьезных проблем, таких как потребность в дополнительных площадях для размещения дорогостоящего экспериментального оборудования, приобретение и использование расходных материалов, потребность в промышленных ресурсах.

Курсовое проектирование по деталям машин выполняется полностью в АРМ WinMachine, что дает возможность досконально изучить исследуемую проблему и найти ошибки в теоретических расчетах, проанализировать их и принять правильное решение.

Главное испытание выпускники проходят при подготовке к итоговой государственной аттестации. В своей научно-исследовательской деятельности и при выполнении дипломных работ (проектов) инструментом и исследовательской лабораторией для студента является система САПР CAD/CAM/ CAE АРМ WinMachine с графическими редакторами, модулями по проектированию и расчету, а также набором необходимых баз данных.

За десять лет пользования данным программным продуктом колледж накопил большой опыт его применения при изучении общетехнических дисциплин.

Одним из основных направлений совершенствования системы образования является всесторонняя компьютеризация учебного процесса, развитие новых форм и методов обучения, обеспечивающих повышение уровня подготовки специалистов на основе информационных технологий.

Данным требованиям, на наш взгляд, отвечает русскоязычная инструментально-экспертная система автоматизированного расчета и проектирования в машиностроении и строительстве APM WinMachine — российская разработка научно-технического центра «Автоматизированное проектирование машин» при МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Выбор в ее пользу был сделан прежде всего потому, что данная система представляет собой энциклопедию по машиностроению, включающую инструменты и программы для автоматизированного расчета и проектирования деталей машин, механизмов, элементов конструкций и узлов. APM WinMachine содержит современные эффективные и надежные алгоритмы и программы для расчета энергетических и кинематических параметров, прочности, жесткости и устойчивости, выносливости при постоянной и переменной внешних нагрузках, вероятности, надежности и износостойкости, динамических характеристик.

Кроме того, APM WinMachine образует целый комплекс, состоящий из различных подсистем, например для проектирования передач вращения, расчета неидеальных подшипников качения, расчета и анализа радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в условиях жидкостного и полужидкостного трения, расчета и проектирования кулачковых и мальтийских механизмов с автоматической генерацией чертежей.

Первые шаги в использовании программного продукта APM WinMachine в учебном процессе, направленном на изучение технической механики, были проверены участием работ студентов колледжа во всероссийском конкурсе на лучшую студенческую работу «Система автоматизированного проектирования APM WinMachine в образовании 2001». К участию в конкурсе допускались курсовые и дипломные работы, а также научно-исследовательские работы студентов вузов и техникумов из России и стран СНГ, выполненные с применением графического и расчетных модулей системы APM WinMachine. Организатором конкурса стал научно-технический центр «Автоматизированное проектирование машин» (г. Королев) при участии Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана. Работам студентов А.М.Важинского и А.Н.Веретенникова были присуждены третьи премии.

Первые успехи на таком уровне окрылили и вселили веру в правильность выбранного метода обучения. Рабочие программы по технической механике и деталям машин претерпели корректировки в соответствии со стандартами, и в тематические планы были внесены дополнения. Каждая тема по общетехническим дисциплинам сейчас изучается с помощью соответствующего модуля системы APM WinMachine.

Потребовалась разработка методических пособий и руководств как для изучения системы APM WinMachine, так и для выполнения лабораторных и практических работ одновременно традиционным путем и в модулях системы APM WinMachine.

Программное обеспечение APM WinMachine колледж приобрел в 1999 году. Этот год ушел на изучение данного программного продукта.

В 2000-м группа преподавателей прошла обучение пользованию системой APM WinMachine на базе научно-технического центра «Автоматизированное проектирование машин» в г.Королеве Московской области.

На научных форумах «Современные компьютерные технологии проектирования механического оборудования и конструкций в среде APM WinMachine», организуемых и проводимых НТЦ АПМ при участии Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана, Королевского института управления, экономики и социологии, а также администрации наукограда Королева, не раз поднимался вопрос, как пользоваться системой APM WinMachine в учебном процессе, если стандарты не предусматривают изучение программных продуктов в виде отдельного предмета. Ответ на него был найден в результате практического использования APM WinMachine при решении задач и выполнении лабораторных работ по технической механике.

Система APM WinMachineэто инструмент, не только пришедший на смену мелу, карандашу и т.д., но и позволяющий выполнять расчетно-проектировочные задачи с возможностью моделирования виртуальной рабочей среды для детали, изделия, конструкции.

Теоретические знания с традиционными формами и методами расчета пополнились инструментально-экспертной системой автоматизированного расчета и проектирования.

С этого момента все практические задания проверяются в модулях APM WinMachine. Необходимо отметить, что возрос интерес студентов не только к общетехническим дисциплинам, но и к специальности в целом.

Успешное участие студенческих работ колледжа во всероссийском и стран СНГ конкурсе «Инструменты НТЦ АПМ в образовании 2001» позволило систематизировать обучение студентов колледжа по общетехническим дисциплинам с использованием системы APM WinMachine. После корректировки рабочих программ по всем ОТД и разработки методических пособий в 2001 году началось плановое обучение студентов по специальности 150411 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования» общетехническим дисциплинам с помощью системы APM WinMachine.

Доктор технических наук, профессор МГТУ им. Н.Э.Баумана, генеральный директор НТЦ АПМ Владимир Васильевич Шелофаст в статье «Программные продукты фирмы НТЦ АПМ как инструмент формирования инженерных кадров» («САПР и графика» № 2’2002) отметил эффективность метода изучения общетехнических дисциплин через призму системы APM WinMachine в ГОУ СПО «Бутурлиновский механико-технологический колледж».

Участие во всероссийском и стран СНГ конкурсе «Инструменты НТЦ АПМ в образовании 2002» (где студенческой работе Н.Н.Сошко была присуждена вторая премия) открыло пути перехода курсового проектирования по дисциплине «Детали машин» от традиционного метода обучения к электронному варианту.

В 2003 году очередной успех на всероссийском и стран СНГ конкурсе «Инструменты НТЦ АПМ в образовании 2003» (работа студента Д.Г.Вышкварка была отмечена второй премией) позволил полностью перейти на электронный вариант курсового проектирования для специальности 150411 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования».

Интерес к успехам студентов ГОУ СПО «Бутурлиновский механико-технологический колледж» вырос настолько, что во время своей осенней поездки по вузам Воронежа генеральный директор НТЦ АПМ В.В.Шелофаст посетил и Бутурлиновский колледж. Здесь в своем выступлении он отметил, что не один вуз страны позавидовал бы техническому оснащению нашего учебного заведения и стремлению преподавательского состава к инновационным технологиям в обучении.

Интерес к электронному варианту курсового проектирования проявили и доктор технических наук, профессор Московского государственного университета технологии и управления Д.В.Чернилевский и доктор технических наук, зав. кафедрой физмата Рязанского военного автомобильного института Ю.А.Заяц, также посетившие наш колледж.

Новые технологии обучения общетехническим дисциплинам на базе APM WinMachine и в 2004 году подтвердили актуальность выбранной методики подготовки специалистов. На конкурсе лучших студенческих работ в учебных заведениях России и стран СНГ «Система автоматизированного проектирования APM WinMachine в образовании 2004» работа студента В.И.Прокофьева была отмечена третьей премией.

В 2005 году система APM WinMachine начала применяться при выполнении дипломных работ. Результаты превзошли все ожидания. Виртуальная модель исследуемой конструкции позволяет принять оптимальное решение и выполнять проекты на заказ даже в стенах колледжа. Дипломный проект студента — выпускника 2005 года С.И.Бойченко, выполненный по заказу коммерческой организации ООО «Союз», на конкурсе лучших студенческих работ в учебных заведениях России и стран СНГ «Система автоматизированного проектирования APM WinMachine в образовании 2005» был удостоен второй премии.

С этого же года при выполнении практических работ практикуется выдача заданий в виде демо-версий. То есть студент вместе с индивидуальным заданием получает демо-версию на выполнение данного задания в соответствующем модуле APM WinMachine по изучаемой теме. В демо-версии наглядно прослеживается последовательность выполнения работы, необходимые подсказки и получение конечных результатов. Данная практика по выполнению практических работ сопряжена с компьютерными играми, а также позволяет студенту использовать одновременно несколько программ и получать практический опыт работы на компьютере.

В 2006 году на очередном конкурсе третьей премией был отмечен выпускник Бутурлиновского механико-технологического колледжа Сергей Гриднев за исследование прочностных параметров рамной конструкции станины мини-мельницы (директор колледжа — А.В.Крячко, руководитель — зав. лабораторией автоматизированного проектирования А.К.Вылегжанин). В настоящее время, после перехода от жесткой плановой экономики к рыночной, существенно возрос спрос на строительство малых мельниц и крупяных заводов. Задачей данного проекта стала разработка базового варианта конструкции станины мини-мельницы, на которой может размещаться все ее оборудование. В работе вначале был выполнен комплексный анализ станины действующей мини-мельницы, а затем предложена реконструкция станины под оборудование, предлагаемое к установке. С помощью модуля АРМ Structure3D было разработано и просчитано несколько вариантов конструкции станины и найден оптимальный вариант повышения производительности мельницы — с 1500 до 3500 кг/ч. Для него были определены допускаемые напряжения конструкции, ее устойчивость и максимальные перемещения в узлах. Разработана рабочая документация проекта и полностью оформлена конструкторская документация (в модуле АРМ Gгарh).

Рис. 1. Стержнево-пластинчатая модель станины мельницы

Рис. 1. Стержнево-пластинчатая модель станины мельницы

В модуле АРМ Studio студенты создают всевозможные оболочечные и твердотельные модели деталей машин, виртуально погружают их в рабочую среду и всесторонне исследуют прочностные параметры. Это дает студентам возможность приобрести практические навыки в эксплуатации и ремонте рабочих машин и механизмов, а также в их проектировании и проверочном расчете с целью реконструкции и повышения качества и производительности с минимальными затратами.

Результаты, полученные в ходе исследования и реконструкции действующих мини-мельниц с помощью системы APM WinMachine, показывают, что затраты на реконструкцию окупятся в течение полугода, а рентабельность повысится в два-три раза. Данная дипломная работа может иметь практическое значение.

На рис. 1 показана твердотельная стержневая пластинчатая модель оптимизированной конструкции станины мини-мельницы, построенная в модуле АРМ Structure3D, а на рис. 2 — карта распределения эквивалентных напряжений в ее элементах. Показ пластин на этом рисунке отключен, чтобы они не заслоняли изображение стержневых элементов конструкции, в которых возникают основные напряжения.

Рис. 2. Распределение напряжений в металлоконструкции каркаса мельницы

Рис. 2. Распределение напряжений в металлоконструкции каркаса мельницы

В 2006 году был подготовлен и издан учебник «Информационные технологии в профессиональной деятельности. Курс лекций и лабораторных работ» для новой дисциплины «Информационные технологии в профессиональной деятельности» для специальности 150411 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования», в котором целый раздел отведен изучению и использованию системы APM WinMachine.

Рис. 3. Принципиальная схема вальцового станка

Рис. 3. Принципиальная схема вальцового станка

В 2007 году в конкурсе «Система автоматизированного проектирования APM WinMachine в образовании 2007» участвовала очередная дипломная работа. Выпускнику Бутурлиновского механико-технологического колледжа Александру Подлужному за дипломный проект по исследованию прочностных параметров вальцов вальцовых станков, применяемых на мукомольном производстве (руководитель — преподаватель А.К.Вылегжанин), была присуждена третья премия.

Целью данной работы являлось проведение исследования прочностных параметров вальцов вальцовых станков и выдача рекомендаций по их усовершенствованию для повышения производительности и продления срока службы.

Принципиальная схема вальцового станка приведена на рис. 3, различные типы рассчитанных вальцов с результатами — на рис. 4. В итоге проведенного в модулях системы APM WinMachine анализа были предложены новые конструкции вальцов, которые обладают повышенной жесткостью и износостойкостью, обеспечивают гораздо больший ресурс службы и тем самым снижают финансовые затраты на эксплуатацию мукомольных станков.

Рис. 4. Сводная таблица по результатам анализа различных типов вальцов

Рис. 4. Сводная таблица по результатам анализа различных типов вальцов

Ежегодный конкурс лучших студенческих работ в учебных заведениях России и стран СНГ «Система автоматизированного проектирования APM WinMachine в образовании» становится все более популярным, а участие в нем — престижным. Приятно также сознавать, что интерес к APM WinMachine растет с каждым годом и уже не ограничивается рамками ближнего зарубежья. Система получила и мировое признание на уровне ведущих систем автоматизированного проектирования и расчета, таких как ANSYS, ACIS, Parasolid, Solid Works и др.

Сегодня рынок программных продуктов богат, и каждый может подобрать себе программу по душе и по потребностям, которая облегчит изучение теоретического материала и позволит наладить контакт с аудиторией, раскрыв всю красоту изучаемого предмета.

В данной статье был показан вариант использования программного обеспечения APM WinMachine в изучении технических дисциплин в Бутурлиновском механико-технологическом колледже. Именно эта система компьютерного проектирования удовлетворяет всем нуждам учебного процесса нашего колледжа.


Александр Вылегжанин

Александр Вылегжанин

В 1978 году окончил Ордж. ВОКУ (Владикавказ), служил в армии, с 1998 года — заведующий лабораторией ФГОУ СПО «Бутурлиновский механико-технологический колледж».

В начало В начало

САПР и графика 11`2008