Использование программных инструментов технолога в учебном процессе

Сергей Айвазов,
генеральный директор ООО «НТЦ ГеММа»

В статье описаны отдельные проблемы, возникающие при использовании станков и другого оборудования с ЧПУ в учебном процессе институтов, колледжей, школ и других технически направленных учебных заведений. Приведен современный, в духе концепции «Индустрия 4.0», подход к решению описанных задач, основанный на переходе от использования в учебном процессе реальных учебных станков к применению Цифровых двойников современных станков любой сложности.

Введение

За последние 10­15 лет отечественные предприятия массово закупали и внедряли современные станки с ЧПУ. В отсутствие сколь­нибудь заметной политики подготовки соответствующего количества специалистов, необходимого для их эффективного использования, на рынке труда образовался заметный дефицит технологов­программистов и операторов станков с ЧПУ. Вместе с тем доступность простых «настольных» станков с ЧПУ и их относительная дешевизна привели к массовому оснащению институтов, колледжей, школ, внешкольных учреждений (фаблабы, центры молодежного инновационного творчества — ЦМИТы, кванториумы и всевозможные кружки) таким оборудованием, наряду с бытовыми 3D­принтерами и лазерно­гравировальными станками. Однако эффективному использованию станков с ЧПУ в учебном процессе препятствует ряд проблем. По факту наметилась следующая тенденция: учебные курсы по 3D­моделированию, программированию, конструированию внедряются и более­менее продолжительно функционируют, 3D­принтеры и «лазерные» станки применяются в учебном процессе в связке с учебными курсами на достаточно регулярной основе. Со «сложными» станками с ЧПУ — токарными и фрезерными — ситуация гораздо печальнее. В большинстве своем спустя очень короткий период времени станки с ЧПУ становятся памятниками неэффективно потраченных бюджетных средств, а точнее — не очень продуманному планированию их использования в учебном процессе. В этой короткой статье мы постараемся проанализировать проблему и дать рекомендации по улучшению ситуации.

Проблематика — различие в свойствах оборудования

Стандартный эффективный учебный процесс построен по простой схеме: общие теоретические занятия — практические работы — самостоятельная работа. По окончании этой триады или отдельно по окончании двух последних этапов процесса обучения (практические работы и самостоятельная работа) преподаватель принимает и проверяет рабочие задания учащихся.

Рассмотрим каждый элемент учебного процесса в разрезе преподавательские кадры/необходимые ресурсы — как материальные, так и временные для обеспечения курсов, связанных с современным цифровым оборудованием.

Таблица 1. Характерное время выполнения отдельных учебных элементов на различном оборудовании

Первый элемент — теоретические занятия — требует преподавателя, наличия универсального учебного компьютерного класса, оснащенного соответствующим назначению курса программным обеспечением. При этом на начальных уровнях (вводные курсы, факультативные занятия в школах, платные и бесплатные курсы во внешкольных учебных заведениях) дефицит соответствующих преподавателей легко перекрывается контингентом студентов технических вузов и колледжей. Вышеперечисленное оборудование при проведении теоретических занятий может быть использовано для непродолжительных демонстраций. Заранее подготовленную демонстрацию проводит или сам преподаватель, или «техник­лаборант», обслуживающий данную единицу оборудования. Уже на этом этапе можно обратить внимание на различие по времени, необходимого для демонстрации отдельных учебных элементов на разном оборудовании.

Второй элемент — практические работы — также требует преподавателя, наличия универсального учебного компьютерного класса, оснащенного соответствующим назначению курса программным обеспечением. Характерное время одного занятия — один­два академических часа — позволяет преподавателю и учащимся эффективно освоить текущий учебный материал и приобрести элементарные практические навыки. Стоить отметить, что в зависимости от сложности оборудования, на которое опирается конкретный курс, при проведении практических работ возникает ограничение на размер учебной группы. В отличие от теоретических занятий, где размер учебной группы может быть до 25­30 учащихся, один преподаватель может эффективно работать с группой из 6­12 учащихся. Специализированные курсы, например, по изучению конкретной станочной системы управления, могут потребовать дополнительно специальных программно­аппаратных симуляторов станочных стоек. Это существенно увеличит расходы на данный учебный курс.

Третий элемент — самостоятельная работа — существенно усложняет учебную ситуацию. Проанализируем ее для каждой группы оборудования отдельно.

3D­принтеры

При невысокой стоимости простых бытовых принтеров традиционно их закупают в количестве 4­10 штук на учебное заведение. Без учета различий в устройствах, на одного­двух учащихся приходится один принтер. Это позволяет им самостоятельно работать на оборудовании и выполнять законченные задания. Работа преподавателя по оценке навыков учащихся заключается в визуальном анализе напечатанных ими заданий, разборе характерных ошибок. Существенно длительное время, необходимое для выполнения сложных заданий, и определенная «капризность» процесса печати не оставляют учащемуся шансов на выполнение нескольких попыток в случае возникновения проблем с печатью изделия или проблем, связанных с плохой настройкой оборудования. Здесь стоит отметить, что поддержание парка 3D­принтеров в рабочем состоянии — задача, которая поддается далеко не всем. Зачастую такой класс в школе при отсутствии выделенного «техника­энтузиаста» относительно быстро «погибает». Отсутствие материальных ресурсов — ставок для этого техника, бюджета на ремонт и замену изнашиваемых частей (сопла и т.д.), бюджета на расходный материал — также играет против. Относительный плюс данного оборудования — его сравнительная безопасность, что позволяет допускать учащихся к самостоятельной работе.

Лазерно­гравировальный станок

Их количество в учебном заведении стандартно не превышает единицы. Однако простота освоения, относительная безопасность использования, а главное, высокая скорость выполнения резки­гравировки (по фанере 3 мм) позволяет максимально эффективно использовать такое оборудование в учебном процессе. Из минусов отметим необходимость постоянной закупки расходного материала (фанеры), необходимость периодического технического обслуживания квалифицированным специалистом. Также определенным минусом является тот факт, что большинство моделей на рынке поддерживаются специализированным программным обеспечением, которое трудно встроить в общий учебный процесс, то есть, по сути, освоение специализированного программатора для лазерного­гравировального станка — некий отдельный «тупичок» в учебном процессе. Геометрическая сложность технологических задач, которые решаются на подобном оборудовании, — 2D­раскрой и плоская векторная гравировка — позволяет легко освоить само устройство и его специализированный программатор, закрыть потребности по индивидуальной работе группы учащихся (до 5­10 человек/академический час).

Фрезерный и токарный станки с ЧПУ

Станки этой группы гораздо дороже лазерно­гравировальных, их эксплуатация требует постоянного бюджета на техническое обслуживание и оснащение расходниками (оснастка, инструмент, заготовки). Освоение станка среднестатистическим преподавателем — сомнительно. Специалисты, обладающие необходимой квалификацией даже для станков начального уровня (ремонт, настройка электрической, электронной и механической составляющей станка, наладка инструмента и машинной программы), требуют в разы больше расходов относительно зарплаты преподавателей. При этом класс опасности станочного оборудования не позволяет допускать учащихся к самостоятельной работе на станках. Относительно медленная скорость обработки на станках токарно­фрезерной группы приводит к необходимости индивидуальной работы с каждым учащимся, что удлиняет данный этап учебной триады. Эти факторы и приводят к описанному выше финалу —
«…памятники неэффективно потраченных бюджетов». При самом благоприятном раскладе говорить об эффективном освоении учащимся элементарных навыков практической работы не предоставляется возможным. Кроме того, отсутствие возможности у учащегося выполнить на реальном оборудовании несколько последовательных попыток в процессе обучения не сформирует в его восприятии целостной картины сложного процесса по созданию технологии обработки детали на станке и собственно реализации этой технологии на практике.

А есть ли выход?

Безусловно, есть! Выход диктуется самим временем — четвертая промышленная революция (Индустрия 4.0) предполагает новый подход к производству, основанный на массовом внедрении информационных технологий в промышленность, масштабной автоматизации бизнес­процессов и распространении искусственного интеллекта. Использование недорогих современных программных средств симуляции работы станочного оборудования — верификаторов машинных программ — позволяет перевести этап самостоятельной работы от реального станка в компьютерный класс на Цифровой двойник реального (любого по цене и сложности!) станка.

Такая замена не только снимает описанные ограничения по применению станочного оборудования в учебном процессе, но и дает массу дополнительных преимуществ:

• можно использовать Цифровой двойник любого реального современного станка (стоимость создания Цифрового двойника ничтожно мала по сравнению со стоимостью любого станка, а при самостоятельном, силами преподавателя и учащихся, создании двойника бюджет равен нулю);
• можно внедрить в учебный процесс любое необходимое количество типов оборудования;
• в процессе обучения инструмент и оснастка не расходуются, а происходит увеличение базы доступных для применения Цифровых двойников оснастки, сборок инструмента;
• дополнительно в процессе симуляции обработки учащийся приобретает навыки по планированию технологического процесса обработки, подбору оснастки, инструмента, по их «размещению» в зоне обработки;
• дополнительно учащийся приобретает теоретический опыт по планированию необходимых для обработки детали установов заготовки и частично обработанной детали на столе станка;
• количество «подходов­попыток» в процессе самостоятельной работы увеличивается кратно;
• индивидуальные работы учащихся становятся доступными для освоения другими учащимися и по факту пополняют базу готовых учебных проектов.

Реальное станочное оборудование при таком подходе по­прежнему используется для общих демонстраций. Также на этапе практической работы отлаженные на верификаторах работы отдельных учащихся могут быть выполнены в виде заранее подготовленных техническим специалистом демонстраций для всей группы одновременно.

Таблица 2. Примерные затраты на оснащение учебного процесса программными продуктами компании «НТЦ ГеММа»

Типовое оснащение учебного процесса программными продуктами компании «НТЦ ГеММа»

Компания «НТЦ ГеММа» предлагает для учебных заведений полнофункциональные версии САМ­системы ГеММа­3D и системы верификации ГеММа­3D.Верификатор. В силу модульного построения нашего программного обеспечения оно может легко сопрягаться с любыми современными системами CAD/САМ/САЕ, что позволяет компоновать цепочки сопряженных курсов. Например, курс конструирования, базированный на российской CAD­системе КОМПАС/вводный курс фрезерной обработки на базе САМ­системы ГеММа­3D/стартовый курс по работе на станке с ЧПУ на базе системы ГеММа­3D.Верификатор.

Специальная ценовая политика компании позволяет при относительно небольших затратах оснастить компьютерный класс учебного заведения программными средствами для построения различных обучающих курсов для всего спектра оборудования с ЧПУ, включая роботов­манипуляторов, и для автоматизированных линий.

Примерные затраты на оснащение приведены в табл. 2 (в расчете на класс в 16 учащихся).