9 - 2010

КОМПАС-3D для развития инженерии отечественного производства

Олег Мельниченко (Канд. техн. наук, доцент кафедры электроподвижного состава, Иркутский государственный университет путей сообщения)
Егор Чупраков (Заведующий лабораторией кафедры электроподвижного состава, Иркутский государственный университет путей сообщения)

Слесарь локомотивного депо А.К. Пупкин так отозвался о технических нововведениях: «Нужно оно нам, как собаке пятая нога…» Эта точка зрения во многом отражает настроение большинства работников, сталкивающихся с инновациями. Подобная картина характерна не только для предприятий железнодорожного транспорта, но и для всей российской экономики в целом; эта ниточка тянется еще со времен «железного занавеса». Хотя именно в сфере производства существуют все стимулы для внедрения новаций, любовь к которым у будущих специалистов закладывается еще в образовательном процессе.

Ускорение научно-технического прогресса, основанное на пора-зительном росте вычислительной мощности компьютеров и широком внедрении на производстве станков с ЧПУ, технологий трехмерного прототипирования (3D-принтеры), гибких автоматизированных систем, поставило перед современной педагогической наукой важную задачу: подготовить инженерных специалистов, способных активно включиться в качественно новый этап развития современного общества, быть конкурентоспособными и востребованными в различных отраслях машиностроения. Образовательные программы должны научить применять полученные знания для решения конкретных инженерных задач. Обоснованные решения могут существенным образом сократить материальные и денежные затраты на производстве, а также повысить качество продукции.

В настоящее время из всего многообразия способов педагогического применения новых средств информационных технологий особо следует выделить использование систем автоматизированного проектирования (САПР) в связи с их возрастающей потребностью в производстве. Современные САПР — это совокупность трех автоматизированных технологий: проектирования (CAD), производства (CAM) и инженерного анализа (CAE).

Изучение основ САПР в вузах происходит не только на занятиях по прикладным дисциплинам (начертательная геометрия, инженерная графика, САПР). Как показывает практика, дальнейшее изучение будущими специалистами потенциальных возможностей данных систем вызывает необходимость применять их в других дисциплинах. Для этого требуется своевременно знакомить преподавателей с последними новшествами САПР, так как только они, наставники, на первом этапе могут создать прочный фундамент для развития студентов. Применяя полученные знания в разработках новых технических решений, студенты раскрывают для себя новые горизонты высококлассной специализации, в результате чего формируется новая команда молодых предпринимателей и инженеров­новаторов в научно-технической сфере, обладающая высокой адаптивностью к новым технологиям. К тому же у работников производства, получающих знания из первых рук, снимается барьер отторжения инноваций, развивается желание собственного новаторского движения.

Потребность в системе КОМПАС-3D в железнодорожной отрасли велика — в отсутствие баз унифицированных 3D-моделей основных узлов и аппаратов подвижного состава, раскрывающих их устройство, назначение и принцип работы. Порой именно этой информации не хватает для того, чтобы вертикально изучить проблему и определить причину ее возникновения. Поэтому многие молодые ученые и специалисты идут по ложному пути, теряя драгоценное время и силы, а некоторые решения продолжают бороться со следствием, а не с самой причиной.

Преподавание САПР в высших учебных заведений пора выводить на более высокий научный уровень, интегрировать знания по предметам, а студентам прививать ощущение того, что они являются активными участниками процесса, должны получать новые навыки, опыт, анализировать, сопоставлять и находиться в постоянном поиске.

Два года назад перед кафедрой электроподвижного состава ИрГУПС встал сложный вопрос о выборе САПР для обучения студентов специальности «Электрический транспорт железных дорог» на занятиях по прикладной дисциплине «САПР локомотивов». Был сделан широкий обзор и анализ существующих систем САПР, и выбор пал на КОМПАС-3D, разработчиком которого является российская компания АСКОН.

В настоящее время КОМПАС-3D — это мощная, динамично развивающаяся инженерная система автоматизированного проектирования, с помощью которой можно создавать самые разнообразные объекты — от простейших деталей и узлов до сложных машиностроительных изделий. Преимуществом данной системы является русскоязычный интерфейс, удобная справочная система, поддержка российских стандартов ГОСТ, необходимых при оформлении технической документации. При этом система обладает относительно низкими требованиями к аппаратной части персональных компьютеров, которые соответствуют минимальным системным требованиям операционной системы Windows XP. В результате этого становится возможным проведение лабораторных работ по изучению КОМПАС-3D в классах со слабым уровнем вычислительной техники. Дополнительным плюсом является и то, что облегченная версия КОМПАС-3D LT входит в состав базового пакета программного обеспечения для школ России в рамках приоритетного национального проекта «Образование». Таким образом, школьники получают первые навыки работы в КОМПАС-3D еще до поступления в вуз.

Наш опыт внедрения системы КОМПАС-3D в учебный процесс оказался весьма успешным и превзошел все ожидания: студенты легко освоили особенности трехмерного моделирования, благополучно выполнили все лабораторные работы и успешно сдали зачет. Наиболее увлеченным и успешным было предложено участвовать в международном конкурсе «Будущие АСы КОМПьютерного 3D-моделирования». Студенты после полугода изучения КОМПАС-3D приступили к работе над проектом «Колесная пара электровоза» (рис. 1).

Рис. 1. Колесная пара электровоза. Авторы модели — студенты 3-го курса Илья Ермаков, Виктор Ерофеев и Александр Стешенко

Рис. 1. Колесная пара электровоза. Авторы модели — студенты 3-го курса Илья Ермаков, Виктор Ерофеев и Александр Стешенко

Рис. 1. Колесная пара электровоза. Авторы модели — студенты 3-го курса Илья Ермаков, Виктор Ерофеев и Александр Стешенко

Детали модели создавались по заводским чертежам и являются точной копией физического прототипа. И результат не заставил себя долго ждать: наш проект стал победителем конкурса среди моделей, содержащих от 200 до 1000 деталей в сборке. Всего в конкурсе участвовало 147 работ из 74 учебных заведений. Данный успех вывел Иркутский государственный университет путей сообщения на одну ступень с лидирующими высшими учебными заведениями России, придавая силу и уверенность в открытии новых возможностей для свершений и побед.

Еще на стадии создания трехмерной сборки колесной пары электровоза было подмечено, что проект востребован в качестве наглядного учебного пособия для студентов младших и старших курсов дневного обучения.

Несмотря на первоначальные недоверие и страх перед трехмерным моделированием, после определенной практики уже не представляешь, как можно работать иначе. Процесс строится на интуитивных, простых и понятных терминах (основание, отверстие, ребро жесткости и т.д.), и буквально воспроизводится технология изготовления будущего изделия. Для студентов конструкция узлов предстает в новом виде — это помогает вникнуть в физическую сущность и принцип действия проектируемых деталей подвижного состава.

3D-модель, которая хотя и существует в виде цепочки битов и байтов в памяти компьютера, тем не менее обладает вполне реальными физическими характеристиками — объемом, плотностью, массой, центром тяжести, моментами инерции. Ее можно рассмотреть с разных сторон, разобрать, собрать и даже заглянуть внутрь (рис. 2). Трехмерное моделирование позволяет глубоко изучить конструкцию узлов подвижного состава путем изучения поведения узла для выявления недостатков существующей конструкции и внесения предложений по ее усовершенствованию и оптимизации — вот он путь к прогрессу!

Вышеназванные преимущества использования САПР представляют трехмерные модели в качестве совершенных технических средств, которые можно задействовать для решения широкого спектра учебных и научно-технических задач.

Рис. 2. Разборка буксового узла колесной пары электровоза

Рис. 2. Разборка буксового узла колесной пары электровоза

Рис. 2. Разборка буксового узла колесной пары электровоза

В настоящее время в Иркутском государственном университете путей сообщения разрабатывается системный подход к применению средств САПР компании АСКОН, который бы обеспечивал эффективную взаимосвязь производства, науки и образования в соответствии с целевыми направлениями развития компании ОАО «РЖД». Он заключается в интеграции взаимодействия Восточно­сибирской железной дороги и ИрГУПС в области инновационной и научно-образовательной деятельности в единый инновационно-технологический центр. Он должен стать важным звеном в подготовке специалистов креативной формации, способных к нестандартному решению сложных задач крупномасштабного производства для обеспечения целостности, неразрывности и непрерывности инновационного развития железнодорожной отрасли.

На первом этапе предлагается внедрение трехмерных моделей, созданных в КОМПАС-3D, в качестве наглядных технических средств при изучении специальных дисциплин. Представление информации в электронном виде значительно повышает мотивацию обучения и способствует активному внедрению современных педагогических технологий.

Далее 3D-модели основных узлов конструкции подвижного состава выступают в качестве наглядного учебного пособия при изучении конструкции подвижного состава на занятиях по прикладным дисциплинам, например по вводной в специальность дисциплине «Электрические железные дороги». На лабораторной работе сборочная 3D-модель «Колесная пара электровоза» уже используется в качестве наглядного пособия. Данный узел можно рассмотреть под любым углом, сделать интерактивную разборку и увидеть каждую деталь в отдельности, при необходимости скрыть мешающую деталь (например, корпус буксы и наружное кольцо подшипника) или произвести разрез. При защите лабораторной работы тот же самый узел выступает уже в качестве интерактивного задания, при выполнении которого студент производит самостоятельную сборку колесной пары и рассказывает преподавателю назначение основных ее узлов и принцип действия, а также высказывает свои предложения по усовершенствованию этого узла. В результате данное взаимодействие способствует интегрированному подходу специальных и прикладных дисциплин, продуктивному обучению и творческому развитию студентов.

При изучении специальных дисциплин, например «Динамика электроподвижного состава» и «Механическая часть» на старших курсах будет осуществляться более конкретная работа по модернизации типовых узлов и проектированию принципиально новых конструкций. И здесь нет ограничений, ошибок или неверных путей. Любые решения, даже самые фантастические на первый взгляд, приветствуются преподавателем. А что еще нужно студенту? Только мотивация!

Рис. 3. Тележка грузового вагона: а — типовая; б — модернизированная. Авторы моделей — студенты Виктор Деревцов, Алена Левкевич,  
Любовь Попова, Николай Панфилов, Евгений Сосновский

Рис. 3. Тележка грузового вагона: а — типовая; б — модернизированная. Авторы моделей — студенты Виктор Деревцов, Алена Левкевич,  
Любовь Попова, Николай Панфилов, Евгений Сосновский

Рис. 3. Тележка грузового вагона: а — типовая; б — модернизированная. Авторы моделей — студенты Виктор Деревцов, Алена Левкевич, Любовь Попова, Николай Панфилов, Евгений Сосновский

В зависимости от формы организации работы на практических занятиях КОМПАС-3D может применяться как инструментарий при выполнении самостоятельных практических и расчетно-графических работ, а также курсовых проектов (рис. 3, 4). Исходными данными служат трехмерные модели, которые хранят информацию о реальном объекте в виде определения геометрии и свойств конструкционных материалов его деталей. Детали объединены в одну конструкцию. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач, таких как разработка конструкторской документации, проведение инженерных расчетов, презентация конструкции, анимация движения, определение средств и материалов, необходимых для изготовления.

Рис. 4. Экипажная часть электровоза ВЛ85. Авторы модели — студенты Илья Ермаков, Александр Стешенко, Алина Трофимова, Максим Лоншаков

Рис. 4. Экипажная часть электровоза ВЛ85. Авторы модели — студенты Илья Ермаков, Александр Стешенко, Алина Трофимова, Максим Лоншаков

Рис. 4. Экипажная часть электровоза ВЛ85. Авторы модели — студенты Илья Ермаков, Александр Стешенко, Алина Трофимова, Максим Лоншаков

На данный момент на кафедре электроподвижного состава ИрГУПС уже проводятся отдельные лабораторные, расчетно-графические и курсовые работы с применением системы КОМПАС-3D.

Выполняя творческие и научные работы, а также технические проекты, студенты получают навыки самообразования, способность к которому является необходимым качеством специалистов высокого класса. Именно эти умения реализуются у учащихся при работе в системах автоматизированного проектирования. Учеба дает радость открытий, а преподаватель становится организатором процесса получения знаний, способствуя самореализации будущего инженера.

Очень надеемся, что при таком механизме инновационный прорыв состоится в ближайшем будущем и собаке пятая нога будет не просто нужна, а крайне необходима.

САПР и графика 9`2010