Применение программы NX фирмы Siemens PLM Software в учебном процессе при подготовке студентов машиностроительного направления

Галина Садчикова, к.т.н., доцент кафедры атомной энергетики, Балаковский инженерно-технологический институт — филиал Национального исследовательского ядерного университета Московского инженерно-физического института

В данной статье рассматриваются результаты внедрения системы автоматизированного проектирования NX фирмы Siemens Plm Software в учебный процесс в высшем учебном заведении. Дано обоснование необходимости применения современных информационных технологий при обучении студентов машиностроительного профиля и выбора программного продукта. Автор дает описание этапов изучения модулей программы в привязке к конкретным курсам, рассматривает особенности программы NX, требующие создания баз стандартных и унифицированных изделий. В статье также приведены примеры разработок, выполненных студентами в различных модулях программы.

Введение

Продукция современных машиностроительных предприятий характеризуется высокой сложностью и точностью. Кроме того, для производства конкурентоспособных изделий необходимо обеспечить малые сроки проектирования и внедрения как новых изделий, так и модификаций уже выпускаемых. Подобную задачу невозможно решить без применения современных программных продуктов как для конструкторской и технологической подготовки производства, так и для инженерного анализа, то есть CAD/CAM/CAE­систем.

Такая ситуация в промышленности, а также необходимость повышения качества обучения студентов для их востребованности на современном рынке труда требует соответствующей подготовки выпускников высших учебных заведений по направлениям и специальностям, связанным с машиностроением.

В Балаковском инженерно­технологическом институте — филиале Национального исследовательского ядерного университета МИФИ (БИТИ НИЯУ МИФИ) с 2007 года ведется обучение студентов по направлению «Конструкторско­технологическая подготовка машиностроительных производств» (КТОП) и специальности «Технология машиностроения» (ТМС) в системе автоматизированного проектирования NX фирмы Siemens PLM Software.

Программа NX наряду с программами СATIA и Pro/E относится к «тяжелым» системам автоматизированного проектирования и характеризуется большими функциональными возможностями, высокой производительностью и стабильностью работы. Программа NX поддерживает разработку и изготовление изделия на всех этапах жизненного цикла — от создания трехмерных моделей деталей, сборок и чертежей до формирования программы для изготовления детали на станке с ЧПУ и проектирования цехов. Кроме того, программа использует графическое ядро Parasolid (собственная разработка), которое является стандартом для многих систем автоматизированного проектирования различного уровня, что обеспечивает возможность обмена данными между этими системами и программой NX.

Фирма Siemens PLM Software предоставляет высшим учебным заведениям полнофункциональные бесплатные университетские лицензии, что очень важно для бюджетного учреждения. Это во многом и определило выбор данной программы для изучения в нашем институте.

Этапы изучения NX

До внедрения NX в учебный процесс преподаватели кафедры машиноведения прошли обучение на базе представительств фирмы Siemens в Москве и Нижнем Новгороде. Обучение проведено по модулям «Моделирование», «Сборка» и «Обработка». По результатам обучения получены сертификаты. Следует отметить, что обучение по модулю «Моделирование» (базовый курс) проведено в Московском представительстве компании для преподавателей вузов, работающих с данной программой, бесплатно, на остальные курсы даны значительные скидки.

Студенты начинают изучать NX на третьем курсе в рамках дисциплины «Интегрированные компьютерные технологии проектирования и производства (CAD/CAM­системы)», которая рассчитана на два семестра. В первом семестре на обзорных лекциях студенты знакомятся с существующими системами автоматизированного проектирования, применяемыми в машиностроении, — от простейших до полнофункциональных. Затем подробно рассматриваются структура, функциональные возможности и особенности работы в программе NX. На практических занятиях изучение программы начинается с базовых понятий, таких как настройка интерфейса, системы координат, работа со слоями, методы закраски, масштабирование, просмотр изображения.

Важным этапом изучения программы является работа в разделе «Эскиз». На этом этапе студенты разрабатывают эскизы моделей с учетом размеров, ограничений и других инструментов раздела. Далее на базе эскизов и средств раздела «Моделирование» разрабатываются трехмерные модели — сначала по готовым примерам, затем по производственным чертежам.

Трехмерное моделирование имеет огромные преимущества. Трехмерные системы позволяют смоделировать изделие с последующим созданием чертежей. Модель можно изучать с любой точки, меняя масштаб изображения. При этом можно найти ошибки в проекте, а также выполнить проверку изделия на собираемость, что необходимо для последующего изготовления. Трехмерные модели являются основой для инженерных расчетов, анализа изделий на функциональность, прочность, долговечность, устойчивость к нагрузкам. По трехмерным моделям рассчитываются масс­инерционные характеристики, объем и другие важные физические параметры деталей и сборок. По трехмерным моделям автоматически формируются программы для станков с ЧПУ.

Единожды разработанную трехмерную модель можно многократно использовать для создания семейства аналогичных объектов. Очень важно, что наглядность при трехмерном моделировании повышает интерес студентов к процессу проектирования.

Следует отметить хорошую методическую поддержку со стороны разработчика. На сайте Siemens в свободном доступе находятся учебники по разделам конструкторской подготовки, технологической подготовки и инженерному анализу. Также можно пользоваться готовыми файлами­заготовками, работа с которыми описана в учебниках [1], [2], [3].

На производственной практике после третьего курса студенты закрепляют полученные знания. Конечно, студенты работают на предприятиях не только с программой NX, но освоение других программ проходит быстрее, так как разработчики систем автоматизированного проектирования стремятся к унификации интерфейса. Многие студенты на производственной и преддипломной практике работают в программе Сatia, и, по их мнению, изучение NX облегчает освоение этой программы.

Во втором семестре четвертого курса студенты изучают модуль «Обработка», в котором составляют программы для токарной, сверлильной и фрезерной обработки деталей.

Без систем автоматизированного проектирования далеко не всегда студенты могут опробовать разработанную программу на выбранном станке, так как станочный парк института ограничен. Модуль «Обработка» позволяет на базе трехмерной модели детали, инструмента, который выбран из базы инструментов или создан пользователем, и определенной стратегии обработки разработать программу для станка с ЧПУ, просмотреть траекторию перемещения инструмента и визуализировать процесс обработки. При этом выявляются ошибки, которые можно устранить уже на стадии проектирования. Программа NX содержит обширную базу моделей станков и постпроцессоров, что позволяет перенести готовую программу на выбранный станок. В случае если разработано приспособление для обработки деталей, то получается полноценная цифровая модель обработки с возможностью визуализации и оптимизации.

В рамках дисциплины «Системы автоматизированного проектирования технологических процессов», изучаемой во втором семестре четвертого курса, в модуле программы NX «Сборка» студенты разрабатывают приспособления для закрепления деталей при обработке на металлорежущих станках, а также в модуле «Обработка» разрабатывают программы для обработки деталей на станках с ЧПУ в сборе с приспособлениями.

Традиционно выделяют два метода работы со сборками: «снизу вверх» и «сверху вниз». При использовании концепции построения сборки «снизу вверх» детали и подсборки создаются как независимые компоненты и позиционируются либо в зависимости от положения ранее добавленных компонентов, либо относительно выбранной системы координат. Концепция работы «сверху вниз» подразумевает создание сборки верхнего уровня и последующее движение вниз по иерархии, с добавлением новых компонентов и подсборок. При разработке приспособлений применялась концепция «снизу вверх» с использованием сопряжений. В этом случае добавление в сборку компонентов происходит независимо друг от друга.

Метод работы с применением сопряжений является наиболее распространенным и зачастую наиболее эффективным при разработке устройств и агрегатов. Особенно данный метод актуален в случаях, когда необходимо произвести кинематический анализ созданной конструкции, рассчитать размерные цепи, а также в случаях, когда используется множество стандартных и заимствованных компонентов.

Модуль «Сборка» обеспечивает создание моделей сборок методом как «сверху вниз», так и «снизу вверх». Функционал модуля позволяет создавать, редактировать и управлять структурой сборки, накладывать сопряжения между компонентами, управлять гибкими деформируемыми компонентами в сборке (например, шланги или несколько одинаковых гидроцилиндров при различных положениях штока). Разработанное в модуле «Сборка» приспособление можно проверить на пересечение, провести кинематический анализ, работу изделия в динамике.

Базы стандартных и унифицированных деталей

При работе с программой NX выяснилось, что нет готовых баз данных стандартных крепежных деталей, которые поставляются вместе с программой. Для восполнения этого пробела студентами с использованием опции «Семейство деталей» [4] создана база трехмерных моделей крепежных изделий, которая содержит следующие детали: шайбы, винты, болты, шпильки, гайки и шурупы стандартных типоразмеров. База деталей формируется с использованием встроенного доступа к табличному процессору Excel на базе детали­образца с созданием таблицы типовых размеров, содержащей все семейство деталей. Благодаря опции «Семейство деталей» возможно получение новых моделей деталей на основе унифицированной детали, при изменении только необходимых параметров (в данном случае размеров) унифицированной детали. Алгоритм формирования базы данных стандартных крепежных деталей следующий [5]:

1. Разработка модели детали­прототипа.
2. Определение параметров, которые изменяются при формировании членов семейства деталей.
3. Создание и сохранение таблицы параметров, в которой заданы значения параметров для всех членов семейства. Назначение параметров деталей проводится в таблице Excel путем занесения значения этих параметров в соответствующую строку.

На рис. 1 показан пример формирования базы стандартных крепежных изделий в программе NX.

Рис. 1. Формирование базы стандартных крепежных изделий в программе NX

Опция «Семейство деталей» также использована для создания базы моделей типовых элементов приспособлений для закрепления заготовки при обработке на металлорежущем станке. Создание базы данных типовых элементов приспособлений в программе NX сокращает время проектирования приспособлений, что в производственных условиях ведет к уменьшению себестоимости разработки приспособлений, а следовательно, и себестоимости продукции.

В базу типовых элементов приспособлений вошли следующие детали:

• прихват — приспособление, предназначенное для закрепления детали на столе станка при ее обработке;
• пружина — упругий элемент, предназначенный для накопления и поглощения механической энергии;
• цилиндрический палец — предназначен для определенной ориентации заготовки в приспособлении;
• ромбический палец — для фиксации определенной ориентации заготовки;
• основание — плита с отверстиями, предназначенная для установки самого приспособления с деталью на станок;
• ребро — деталь, необходимая для увеличения жесткости и надежности конструкции.

Результаты внедрения программного продукта

Рассмотрим некоторые результаты работы студентов в программе NX.

Построение трехмерных моделей

Следует отметить, что студенты направления КТОП и специальности ТМС проходят практику на машиностроительных предприятиях, где знакомятся с конструкторской и технологической подготовкой производства. Одной из задач при работе на предприятии является создание трехмерных моделей деталей по чертежам. При этом студенты могут ознакомиться с технологией изготовления детали и увидеть ее «вживую» в виде заготовки и в обработанном виде. Пример такой заготовки и группы деталей, построенной на базе детали­представителя, показан на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Заготовка детали

Рис. 3. Группа деталей

В рамках дипломного проектирования студенты разрабатывают более сложные детали, которые требуют достаточно глубоких знаний программы NX. При этом следует отметить, что применение информационных технологий в образовательном процессе повышает заинтересованность студентов при изучении дисциплин. Однако знаний, полученных при изучении программы в пределах отведенного для этого учебного времени, не всегда хватает, поэтому часть функционала программы студенты стремятся изучить самостоятельно или на дополнительных консультациях у преподавателя.

Кроме того, как было указано выше, большое количество учебной информации можно найти на сайте Siemens PLM Software, который предоставляет свободный доступ к учебникам по всем разделам программы NX с файлами­заготовками и примерами выполнения заданий.

Примеры деталей, технологический процесс изготовления которых разработан студентами в рамках дипломного проектирования, представлены на рис. 4 и 5.

Особенностью модели, представленной на рис. 4, является сопряжение сечений различной формы, на рис. 5 показано фотореалистичное изображение детали.

Рис. 4. Корпус

Рис. 5. Коленчатый вал

Создание управляющих программ для станков с ЧПУ

На рис. 6 приведен результат формирования траектории перемещения инструмента при фрезеровании детали, технология изготовления которой была разработана в рамках дипломного проектирования. Следует отметить, что в программе запоминается последовательность обработки и смена инструмента. Очень удобно то, что при изменении параметров трехмерной модели, на базе которой формируется программа для обработки, автоматически пересчитывается траектория перемещения инструмента.

Рис. 6. Траектория перемещения инструмента при фрезерной обработке

При верификации процесса обработки можно выявить такие проблемы, как зарезы, столкновения, контакт с материалом на ускоренной подаче, чрезмерный припуск на обработку, необработанные поверхности и т.д. При этом разработчик отслеживает перемещение трехмерной модели инструмента относительно детали при обработке (рис. 7). Процесс можно прервать в любой момент, внести исправления и дополнения. На рис. 8 показан процесс верификации фрезерной обработки детали типа «букса» в двухместном приспособлении.

Рис. 7. Верификация процесса обработки при фрезеровании

Рис. 8. Обработка детали в приспособлении

Разработка приспособлений для обработки деталей на станках

Разработка приспособлений является достаточно трудоемким процессом. Однако современные системы автоматизированного проектирования позволяют снизить трудоемкость процесса проектирования за счет применения унифицированных элементов приспособлений и модификации уже разработанных приспособлений. В первое время освоения программы NX разрабатывались простейшие приспособления (рис. 9), которые, тем не менее, помогали студентам понять, как устанавливается и закрепляется деталь в приспособлении, как устанавливать приспособление на станок, как ведется обработка детали в приспособлении и возможна ли обработка при разработанной конструкции приспособления. Чертежи, конечно, не могут дать такого понимания, и не всегда у студента есть возможность увидеть на производстве подобное приспособление. В этом случае налицо преимущество современных информационных технологий, применяемых при конструкторско­технологической подготовке производства. Когда студент собирает приспособление подетально и устанавливает в него деталь, то знает приспособление не хуже, чем опытный инженер или мастер на предприятии. Наглядность всех деталей и собранного изделия облегчает понимание принципа его работы.

Рис. 9. Приспособление для фрезерной обработки

По мере приобретения опыта проектирования в программе NX разрабатываемые приспособления усложнялись и наряду с механическими приспособлениями (рис. 10) в настоящее время проектируются приспособления с гидравлическим приводом для фиксации деталей в процессе обработки (рис. 11).

Рис. 10. Приспособление с механической фиксацией детали типа «корпус»

Рис. 11. Приспособление с автоматизированной фиксацией детали типа «корпус»

Преддипломная практика и дипломное проектирование

При прохождении преддипломной практики студенты знакомятся с технологией изготовления выбранной детали, изучают маршрутную и операционную технологию, вносят свои предложения по модернизации технологического процесса, предлагают более современные варианты получения заготовки детали и обработку детали с использованием станков с ЧПУ.

В рамках дипломного проектирования студенты разрабатывают трехмерную модель детали, программу для обработки детали на станке с ЧПУ, сборочную модель приспособления для установки детали на станке при обработке, проектируют участок цеха, на котором будет изготовлена деталь.

При проектировании участка цеха дипломники применяют студенческую версию программы Plant Simulation, которая находится в свободном доступе на сайте Siemens. В программе ведется расчет загрузки оборудования, а кроме того, возможна оптимизация загрузки. Отметим, что студенты изучают программу самостоятельно и ее применение в дипломном проектировании не является обязательным. Несмотря на это часть дипломников использует эту программу, что подтверждает заинтересованность студентов в информационных технологиях.

Самостоятельная работа студентов

В учебных планах, по которым проходит обучение студентов, больше половины времени, отведенного для изучения дисциплин, приходится на самостоятельную работу. Это обусловлено тем, что в условиях глобализации рынка труда квалификации специалиста, понимаемой как совокупность знаний, умений и навыков, становится недостаточно для решения задач, которые возникают при работе выпускника на реальном производстве. Будущий специалист должен быть готовым к решению нестандартных профессиональных задач, а следовательно, обладать способностью приобретать и развивать необходимые профессиональные компетенции в течение всей трудовой деятельности. Студент, который стремится к профессиональному росту и получению интересной, высокооплачиваемой работы по окончании института, должен быть готов к самостоятельному приобретению и совершенствованию знаний.

В рамках самостоятельной работы студентов при изучении дисциплины «Интегрированные компьютерные технологии проектирования и производства (CAD/CAM­системы)», на которую в рабочем учебном плане подготовки бакалавров по направлению 5.03.05 «Конструкторско­технологическое обеспечение машиностроительных производств» отводится 130 академических часов из 288, предлагается разработка трехмерных моделей приспособлений и других устройств на основе изделий, которые применяются в лабораториях института в качестве наглядных пособий или действующих макетов.

Студенты разбирают изделия на отдельные детали, измеряют их, определяют, как работают изделия в динамике, и разрабатывают цифровые модели этих изделий.

Пример такого изделия приведен на рис. 12. В качестве объекта моделирования применяется червячный редуктор, который состоит из следующих основных деталей и стандартных изделий: червячная передача, корпус, подшипники, крепежные детали.

Рис. 12. Червячный редуктор

Студенты должны выполнить следующие действия:

1. Разобрать редуктор на отдельные детали.
2. Измерить детали.
3. В модуле «Моделирование» программы NX разработать трехмерные параметризованные модели отдельных деталей.
4. В модуле «Сборка» программы NX разработать сборочную модель с соответствующими сопряжениями.
5. С помощью команды Анализ зазоров в сборке определить наличие пересечений.
6. В модуле «Симуляция кинематических механизмов» программы NX провести кинематический анализ движущихся деталей изделия и смоделировать процесс работы червячной передачи.

Упрощенная сборочная модель редуктора представлена на рис. 13.

Рис. 13. Упрощенная модель червячной передачи

Рис. 14. Червячная пара с кинематическими связями

На рис. 14 показана червячная пара с кинематическими связями, разработанная в модуле «Симуляция кинематических механизмов» программы NX.

Следует отметить, что студенты с большим интересом относятся к самостоятельной работе, связанной с созданием трехмерных и кинематических моделей реальных изделий.

Выпускники кафедры машиноведения Балаковского инженерно­технологического института востребованы на предприятиях как города Балаково, так и городов Поволжского региона (Саратов, Самара, Сызрань, Вольск, Нижний Новгород), причем не только на предприятиях машиностроительного профиля. Наши выпускники также работают по специальности в Москве, Санкт­Петербурге, в других крупных городах России. При трудоустройстве часто решающую роль играет степень знания и владения информационными технологиями, в частности системами автоматизированного проектирования.

Выводы

1. Необходимость внедрения современных информационных технологий в процесс подготовки будущих инженеров обоснована нарастающей потребностью современного производства в высококвалифицированных кадрах с качественной информационной подготовкой и умением работать в системах автоматизированного проектирования.
2. Востребованность и конкурентоспособность выпускников высшего учебного заведения машиностроительных направлений и специальностей во многом определяется знанием современных прикладных программ для автоматизированного проектирования на этапах конструкторской и технологической подготовки производства.
3. Повышенный интерес современных молодых людей ко всему, что связано с компьютерами, при применении современных информационных технологий в учебном процессе повышает заинтересованность студентов в изучении соответствующих дисциплин — в результате улучшается усвоение учебного материала и успеваемость студентов. Резко увеличивается объем информации, которую может усвоить студент в рамках лекционных занятий, практических и лабораторных работ.
4. При внедрении информационных технологий в учебный процесс есть определенные сложности, так как необходимо обоснованно выбрать соответствующую программу, связаться с разработчиком или продавцом программного продукта, оформить ряд документов, а также организовать предварительное обучение преподавателей. Не всегда в вузах это является системным процессом, зачастую внедрение программ основано на энтузиазме отдельных преподавателей и коллективов кафедр.
5. Информационные технологии позволяют студенту получить большее количество знаний, развить интеллектуальные, творческие способности и умение самостоятельно приобретать новые знания, работать с различными источниками информации, что помогает по окончании высшего учебного заведения быстрее и качественнее внедриться в производственный процесс.
6. Разработчикам систем автоматизированного проектирования необходимо учитывать, что студенты в будущем будут работать на предприятиях и, возможно, на руководящих должностях. На решение вопроса выбора системы автоматизированного проектирования, конечно, повлияет то, в какой программе работали эти люди, учась в институте. Поэтому важно обеспечить льготный режим для вузов как при получении лицензии на программный продукт, так и при дальнейшей технической и информационной поддержке работы в приобретенной программе.

Литература:

1. Ведмидь П.А., Сулинов А.В. Программирование обработки в NX CAM. М.: ДМК Пресс; 2014.
2. Ведмидь П.А. Основы NX CAM. М.: ДМК Пресс; 2012.
3. Артамонов И.А., Гончаров П.С., Денисихин С.В., Сотник Д.Е., Халитов Т.Ф. NX Advanced Simulation. Практическое пособие. М.: ДМК Пресс; 2014.
4. Данилов Ю.В. Практическое использование NX. М.: ДМК Пресс; 2011.
5. Садчикова Г.М. Использование САПР NX в учебном процессе // Молодой ученый. 2015. 21.2.