11 - 2002

Организация учебного процесса по дисциплинам САПР в вузе с использованием системы T-FLEX CAD

Павел Петров

На современном машиностроительном производстве широкое применение получили CAD/CAM/CAE-системы, поэтому одним из требований, предъявляемым к молодым специалистам, является владение основами работы в современных системах автоматизированного проектирования и подготовки производства. Таким образом, перед вузом ставится задача научить студента — будущего специалиста — работе с подобными системами. В статье рассмотрен опыт внедрения в учебный процесс вуза современной российской системы параметрического автоматизированного проектирования и твердотельного моделирования T-FLEX CAD.

Система успешно используется в учебном процессе Московского государственного технического университета «МАМИ» на кафедре кузовостроения и обработки давлением с 2000 года.

Введение изучения T-FLEX CAD на этой кафедре было обусловлено обновлением стандартов на преподавание дисциплин по специальности 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением». Это привело к пересмотру содержания рабочих программ дисциплин специализаций и, в частности, таких дисциплин, как «Основы автоматизированного проектирования» и «САПР технологии и оборудования».

Указанные дисциплины напрямую связаны как с теоретическими основами создания и построения систем автоматизированного проектирования, так и с вопросами создания прикладных САПР оборудования и технологического процесса для нужд кузнечно-штамповочного производства. По данным дисциплинам предусмотрено проведение не только лекций, но и лабораторных занятий. Основные проблемы возникли с обновлением курса лабораторных занятий, поскольку необходимо было обеспечить решение обеих упомянутых задач: обучение студентов современным САПР общего назначения, применяемым в машиностроении, и обучение созданию на их основе прикладных программ для нужд кузнечно-штамповочного производства. Иными словами, необходимо было определиться с программным обеспечением лабораторного курса по дисциплинам «Основы автоматизированного проектирования» и «САПР технологии и оборудования». Обязательным условием было использование лицензионного программного обеспечения, поскольку это обеспечивает возможность получения технической поддержки у разработчиков и льготного обновления версий.

При выборе ПО САПР мы руководствовались критериями, которые подробно рассмотрены в статье «Опыт применения программных комплексов САПР T-FLEX в учебном процессе» (см. «САПР и графика» № 11’2000). Приведем их краткий перечень. Система должна отвечать следующим требованиям:

  • предоставлять студенту возможность создания в соответствии с ЕСКД параметрических машиностроительных чертежей, 3D-моделей и сборок;
  • быть русифицированной, полнофункциональной, доступной по цене в расчете на оборудование компьютерного класса на 10 рабочих мест;
  • быть открытой для пользователя, то есть пользователь должен иметь возможность написания собственных прикладных программ для решения практических задач, в нашем случае — в области кузнечно-штамповочного производства;
  • предоставлять возможность интеграции САПР с CAM/CAE-системами, что необходимо, в частности, для компьютерного моделирования технологий штамповки.

Перечисленным требованиям в полной мере отвечает российская система T-FLEX CAD, разработанная фирмой АО «Топ Системы» (www.topsystems.ru). К моменту начала поиска подходящей CAD-системы в лаборатории кафедры кузовостроения и обработки давлением был оборудован компьютерный класс с современными персональными компьютерами, и мы приобрели сетевую лицензию на пять полнофункциональных рабочих мест T-FLEX CAD 3D со значительной скидкой. Надо отметить, что особенностью системы T-FLEX CAD 3D является возможность создания общепринятых машиностроительных чертежей, то есть возможно как 2D-проектирование, так и черчение.

CAD-система была куплена и установлена в компьютерном классе, оставалось внедрить данную систему в учебный процесс.

Обучение студентов работе с T-FLEX CAD разделено на два уровня в соответствии с вышеуказанными дисциплинами, связанными с САПР.

На первом уровне, в лабораторном курсе по дисциплине «Основы автоматизированного проектирования», большое внимание уделяется изучению двумерного проектирования с помощью системы T-FLEX CAD и созданию как параметрических машиностроительных чертежей, оформленных в соответствии с требованиями ЕСКД, так и параметрических сборок.

На втором уровне, в курсе «САПР технологии и оборудования», осуществляется изучение основ трехмерного проектирования в системе T-FLEX CAD, способов построения расчетных схем технологических процессов штамповки для последующего компьютерного моделирования и создания 3D-моделей штампового инструмента и основ разработки собственных прикладных программ на базе возможностей, заложенных в T-FLEX CAD.

В лабораторный курс по дисциплине «САПР технологии и оборудования» вынесено только изучение трехмерного проектирования в T-FLEX CAD 3D и построение расчетных схем штамповки и 3D-моделей инструмента для компьютерного моделирования технологических процессов обработки металлов давлением. Разработка прикладных программ на базе T-FLEX CAD, по нашему мнению, выходит за рамки данного лабораторного курса. Поэтому подобные задания выдаются индивидуально, наиболее способным и талантливым студентам и магистрам, при выполнении ими квалификационных работ, то есть в качестве заданий на дипломное проектирование и выполнение магистерских работ.

Для проведения лабораторных работ по 2D- и 3D-проектированию в T-FLEX CAD разработаны индивидуальные задания для студентов. Задания для каждой лабораторной работы подготавливались таким образом, чтобы можно было рассмотреть и проработать со студентами во время одной работы определенные команды и операции T-FLEX.

Например, на рис. 1 приведено типовое задание к лабораторной работе, связанной с построением сборочных чертежей с использованием фрагментов и библиотек стандартных элементов.

На рис. 2 приводится типовое задание по трехмерному проектированию. Особенность данного задания состоит в том, что для создания модели достаточно использовать только операцию выталкивания и булеву операцию.

Компьютерное моделирование технологических процессов обработки металлов давлением на кафедре кузовостроения и обработки давлением МГТУ «МАМИ» осуществляется с помощью конечно-элементной системы QFORM-2D российской компании «Квантор-Софт». Данная версия системы позволяет моделировать плоское и осесимметричное течение металла, то есть решать задачи обработки металлов давлением в двумерной постановке.

Подготовка расчетной схемы моделируемого технологического процесса штамповки осуществляется в T-FLEX CAD, которая позволяет экспортировать данные в формат DXF, понятный для QFORM. Расчетная схема включает геометрическое представление об инструментах и форме заготовки.

Конечно, расчетную схему штамповки можно задавать и в AutoCAD, так как формат DXF является стандартом данного программного пакета. Однако при этом мы теряем возможность создавать параметрический чертеж. Это необходимо в том случае, если по результатам компьютерного моделирования штамповки необходимо изменить первоначальную геометрию инструмента, то есть расчетную схему, в максимально короткие сроки. Например, требуется изменить значение радиуса закругления или штамповочного уклона на матрице. В T-FLEX CAD для этого достаточно изменить значение параметра, определяющего нужную величину (радиус закругления или штамповочный уклон) и расчетная схема адекватным образом перестроится. В системе AutoCAD для получения этого же результата тратится гораздо больше времени.

В качестве примера на рис. 3 представлена расчетная схема для моделирования горячей объемной штамповки осесимметричной детали с тонкими стенками и большим фланцем, созданная в T-FLEX CAD. На рис. 4 показана геометрическая модель данной расчетной схемы, обработанная в графическом редакторе системы QFORM. И наконец, на рис. 5 приведена конечно-элементная модель для расчета технологического процесса штамповки в QFORM.

Задача создания математической модели штампового инструмента является более сложной по сравнению с построением 3D-моделей конкретных деталей. В этом случае требуется тщательный анализ формы детали, правильный выбор плоскостей разъемов инструмента и последовательности разделения детали на части, которые будут относиться к различным инструментам (пуансону и матрице). Однако студенты к моменту изучения способов построения 3D-моделей штампового инструмента уже владеют навыками работы с 3D-операциями. Поэтому данная задача им по силам. На рис. 6 показана последовательность перехода от 3D-модели детали к модели штамповой оснастки. Решение подобной задачи характерно при реализации сквозного конструкторско-технологического проектирования в заводских условиях. Кроме того, полученную 3D-модель штамповой оснастки можно использовать для моделирования объемного течения материала в инструменте при штамповке. Для моделирования могут быть использованы специализированные системы, такие как DEFORM-3D (Scientific Forming Technologies Corporation, USA), FORGE-3 (Transvalor S.A., France), SUPERFORGE (MacNeal Schwendler Corporation, USA) или QFORM-2D/3D («Квантор-Софт», Россия).

Последний вопрос, который включен в учебный процесс по дисциплине «САПР технологии и оборудования», связан, как мы уже говорили, с разработкой прикладных программ, основанных на T-FLEX. Эти программы позволяют автоматизировать кузнечно-штамповочное производство и, в частности, проектирование технологического процесса штамповки и штамповой оснастки. Так, в рамках магистерской работы, выполняемой на кафедре кузовостроения и обработки давлением магистрантом Д.Флотским разработана прикладная программа раскроя листового материала на заготовки. На рис. 7 приводится интерфейс данной программы и результаты расчетов по ней.

После введения в учебный процесс T-FLEX графическая часть многих дипломных проектов стала выполняться в этой системе. На рис. 8 показан один из листов дипломного проекта, тематикой которого является разработка технологии горячей объемной штамповки. На этом листе представлен сборочный чертеж штампа, построенный в T-FLEX CAD. Очевидна сложность сборочного чертежа, так же как и высокий уровень его исполнения.

В заключение отметим, что в перспективе мы предполагаем приобрести систему T-FLEX/ШТАМПЫ, предназначенную для автоматизации процесса проектирования штампов для холодной листовой штамповки. Мы хотим научить студентов работать с современными CAD/CAM-системами, применяемыми на производстве. Система T-FLEX/ШТАМПЫ ориентирована на совмещенное проектирование основного объекта и технологической оснастки для его изготовления и, по нашему мнению, позволит улучшить подготовку студентов в этой области.

«САПР и графика» 11'2002