Использование CAD - систем при подготовке специалистов для наукоемких отраслей промышленности в технических вузах

УДК 378.147

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ CAD - СИСТЕМ ПРИ ПОДГОТОВКЕ

СПЕЦИАЛИСТОВ ДЛЯ НАУКОЕМКИХ ОТРАСЛЕЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ В ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗАХ

Г.П. Соколова, А.А. Маханько

Аннотация. Особенности проектирования изделий наукоемкого машиностроения в таких отраслях как: самолетостроение, двигателестроение, энергомашиностроение, автомобилестроение, вакуумная техника, гидравлические системы требуют качественной подготовки специалистов, владеющих современными информационными технологиями. В статье рассматриваются методы организации учебного процесса с использованием компьютерных технологий и обосновывается необходимость применения CAD - систем с целью повышения качества подготовки специалистов технических вузов.

Ключевые слова: CAD-системы, трехмерное, моделирование, наукоемкие, чертежи, стандарты, конструкторская документация, проектирование, изделие.

USING THE CAD-SYSTEMS IN THE TRAINING OF SPECIALISTS

FOR HIGH-TECH INDUSTRIES IN TECHNICAL UNIVERSITIES

G. Sokolova, A. Makhanko

Abstract. Features of high-tech product design engineering, in industries such as aircraft building, engine, powerplant engineering, automotive, vacuum equipment, hydraulic systems require high-quality training of specialists possessing modern information technology. The article discusses the methods of the educational process with the use of computer technology and justified the need for CAD - systems to improve the quality of training in technical universities.

Keywords: CAD-systems, three-dimensional modeling, high technology, drawings, standards, design documentation, design, product.

Современные инженерные разработки требуют такого объёма расчетов и конструкторской документации, что без использования компьютерных технологий обойтись практически невозможно. И, в первую очередь, это относится к CAD/CAM/CAE системам, которые позволяют осуществлять математическое моделирование форм и свойств отдельных деталей и конструкции изделия в полном объеме. Пользователи таких систем должны иметь основательную компьютерную геометрическую и графическую подготовку, фундамент которой закладывается в рамках соответствующих учебных дисциплин вуза. Понимая важность изучения студентами вопросов автоматизации подготовки

конструкторских документов и решения задач геометрического моделирования, тем не менее, аудиторного времени на изучение этих сравнительно новых вопросов пока отводится очень мало. Возникло явное противоречие между трудоемкостью изучения отдельных тем, потребностью вывода графической подготовки на современный уровень, с одной стороны, и реально утвержденными объемами аудиторных занятий - с другой. Разрешить это противоречие возможно внедрением в учебный процесс

информационных технологий (3D

моделирование). Уже доказано, что при использовании 3D моделирования в качестве инструмента можно повысить

производительность труда и преподавателей, и студентов.

Повышение уровня подготовленности школьников и студентов по работе в средах конечных пользователей операционной системой Windows сделало возможным отказаться от применения на начальных этапах обучения тренинговых упражнений по формированию навыков работы с двумерными графическими редакторами. А появление в образовательных учреждениях и в личном пользовании учащихся средств трехмерного моделирования делает возможным пересмотреть традиционные взгляды на преподавание геометрических и графических дисциплин [2].

Внедрение информационных технологий (в том числе 3D моделирования) в обучение позволяет достаточно быстро разрабатывать и предлагать учащимся многообразие вариантов индивидуальных заданий по большому количеству тем с учетом уровня начальной геометрической, графической и компьютерной подготовленности обучаемых. Уровень

сложности индивидуальных заданий должен быть таким, чтобы вызвать у студента потребность до начала работы на компьютере проанализировать и оптимизировать отдельные этапы решения поставленной задачи.

Внедрение 3D моделирования в обучение должно учитывать и устойчивую тенденцию к распространению персональных компьютеров, находящихся в личном пользовании у студентов. Методические разработки, позволяющие наиболее эффективно использовать эти средства, помогают выполнять часть обучения в форме дистанционного, понимаемого до сих пор как заочное обучение с применением компьютерных технологий. Использование в электронной форме разработанных учебных заданий способствует совмещению элементов традиционного и дистанционного обучения. Это позволяет учащимся выполнять учебные задания в более удобное для них время и зачастую на более совершенной технике, а также снижает напряженность, связанную с перегруженностью компьютерных классов, когда студентов вдвое больше, чем компьютеров [4,5].

Современные CAD системы содержат мощные средства параметрического

твердотельного и поверхностного

проектирования деталей и узлов, создания плоских чертежей по пространственной модели, средства просмотра и анализа конструкций, оформления чертежей, создания спецификаций в ручном и полуавтоматическом режимах, различных схем и других конструкторских документов. Поэтому, безусловно, является положительным фактом то, что в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева (КАИ) для специальностей, в учебные планы которых входят графические дисциплины, компьютерная графика введена либо отдельной дисциплиной, либо самостоятельным разделом. При этом для изучения включены, в частности, такие темы: назначение и характеристики САПР; получение изображения на экране компьютера; получение трехмерных моделей в CAD системах; параметрическое представление объектов в компьютерной графике.

А лабораторный практикум включает изучение, в том числе, следующих вопросов: построение простейших чертежей и эскизов; построение двухмерного чертежа детали с простановкой размеров, шероховатостей поверхностей, технических требований и оформлением в соответствии с требованиями ЕСКД; построение трёхмерных моделей деталей различными способами и оформление чертежей по ним; составление трёхмерных моделей

сборочных единиц из построенных ранее моделей деталей, оформление спецификаций и сборочных чертежей; выполнение различных схем (электрических, гидравлических и др.).

Не случайно этот курс получил одобрение и поддержку кафедр, выпускники которых в той или иной степени будут связаны с разработкой конструкторской и другой документации. Это говорит о понимании того, что приобретенные студентами уже на первом и втором курсах обучения знания и умения пользоваться современными CAD системами будут способствовать не только более качественному выполнению ими курсовых и дипломного проектов, но и улучшению качества обучения в целом. Что, в свою очередь, будет способствовать более мягкой адаптации в их профессиональной деятельности. Следовательно, обучение студентов решению задач автоматизации подготовки конструкторских документов и геометрического моделирования в графических средах CAD систем является убедительным примером реализации деятельностного подхода к инженерному образованию.

Следует отметить, что принцип работы современных CAD - систем (Solid works, Компас-3D, Pro/ENGINEER, NX и др.) основан на применении одинаковых приемов создания 3-х мерных моделей и получения чертежей. Это дает возможность, организовать обучение студентов, особенно на младших курсах, на базе одного пакета, и при этом небезосновательно полагать, что они смогут работать и с другими аналогичными пакетами. Поэтому очень важно при выборе базовых CAD - систем учитывать распространенность этих систем и использование в них стандартов и других нормативных документов, применяемых в отечественной промышленности. Это обусловливает подготовку студентов в нашем университете на базе системы «Компас - 3D».

Безусловно, что компьютерное представление исследуемых моделей оказывает большую помощь в части развития пространственного воображения студентов. Но следует помнить, что построение изображений на компьютере может оказать как положительное, так и отрицательное влияние на сознание человека. Положительная роль заключается в том, что компьютер может наглядно продемонстрировать объект, в понимании которого возникли затруднения. Отрицательная - в том, что когда человек полностью полагается на решение, построенное вычислительной машиной, то тогда вместо развития пространственного воображения можно получить его подавление.

Для современных наукоёмких отраслей промышленности характерно широкое применение интенсивно развивающихся компьютерных технологий и интеграция отдельных этапов производств в единый целостный процесс. В основе этого процесса лежит трехмерная геометрическая модель изделия в электронном виде. Качественная подготовка специалистов, владеющих современными информационными технологиями (3D моделированием), особенно важна при проектировании изделий наукоемкого машиностроения, например, в таких отраслях как: самолетостроение, двигателестроение,

энергомашиностроение, автомобилестроение, вакуумная техника, гидравлические системы и т.д. Особое значение такая подготовка имеет при проектировании комплексных многопрофильных изделий. Например, вакуумная техника включает в себя не только насосы, создающие разрежение, но и целые комплексы: напылительные установки, системы вакууммирования упаковки или заправочные системы космических ракет. При проектировании таких изделий необходимы специалисты, способные анализировать конструкцию, газогидродинамику и

электрооборудование установки.

Комплексный подход к проектированию требуется при разработке гидравлических и электрогидравлических устройств, когда необходимо рассматривать взаимосвязь конструкции клапана, течение жидкости по каналам и электромагнитных процессов в управляющем устройстве [1]. При разработке электрогидравлических распределителей особое значение приобретает предварительный расчет и математическое моделирование работы будущего устройства, что позволяет заметно сэкономить время и средства, т.к. переделка клапанов и их повторные испытания приводят к существенным затратам. Кроме того, математическое моделирование позволяет проанализировать применимость тех или иных клапанов для конкретных задач, так, например, математическое моделирование позволило специалистам КНИТУ - КАИ им. А.Н. Туполева убедиться в неприменимости клапанов управления расходом

для управления трансмиссией тяжелых промышленных тракторов и разработать клапаны, обеспечивающие безударное включение ступеней трансмиссии [3].

Но наиболее сложной на сегодняшний день задачей является разработка авиационно-космической техники, т.к. она требует комплексных познаний физики, динамики, механики, аэродинамики, гидравлики, электротехники, электроники, программирования и других смежных дисциплин. Все эти дисциплины, так или иначе, требуют разработки технической документации, подготовки моделей и математического моделирования, что, в свою очередь, требует обширных знаний начертательной геометрии, машиностроительного черчения и компьютерной графики.

Следовательно, становится очевидным, что проектирование изделий наукоемкого машиностроения требует качественной подготовки специалистов, владеющих средствами современного пространственного моделирования.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Для повышения качества образования высшая техническая школа должна расширять обучение практическим приложениям вычислительной техники; для технических вузов это в первую очередь 3D моделирование, так как оно напрямую связано с проектированием сложных устройств и систем.

2. При подборе учебного материала и технической базы для курсов, использующих компьютерные технологии, необходимо учитывать потребности и особенности организации промышленности, в области 3D моделирования, это, в первую очередь, CAD системы «Компас-3D», «Solid Works», «Pro/ENGINEER».

3. Планирование дистанционного обучения с использованием систем компьютерной графики способствует повышению его эффективности по сравнению с обычными системами заочного образования и охватить процессом обучения большое количество учащихся, что позволит поставить обучение «на поток».

Литература:

1. Алпаров А.У., Благов А.Е., Дегтярев Г.Л., Маханько А.В., Маханько А.А., Руденко С.А., Харитонов А.Ю. Микропроцессорная система управления самоходной моделью тримарана / А.У. Алпаров, А.Е. Благов, Г.Л. Дегтярев, А.В. Маханько, А.А. Маханько, С.А. Руденко, А.Ю. Харитонов //

Вестник казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - Казань. - 2014. - № 3.

2. Большаков В.П., Тозик В.Т., Чагина А.В. Инженерная и компьютерная графика / В.П. Большаков, В.Т. Тозик, А.В. Чагина. - СПб.: БХВ-Петербург, 2013.

3. Дегтярёв Г.Л., Маханько А.А. Опыт применения микропроцессорных систем управления на тяжёлых транспортных машинах / Г.Л. Дегтярев, А.А. Маханько // Вестник казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. -Казань. - 2007. - № 1(45).

4. Морозов С.А., Соколова Г.П. Особенности создания системы дистанционного обучения / С.А.

Морозов, Г.П. Соколова // Математические методы в технике и технологиях. - ММТТ. - 2013. - № 9-1(59).

5. Грузкова С.Ю., Камалеева А.Р., Левина Е.Ю. Реализация модульно-компетентностного подхода при проектировании учебных модулей естественнонаучных и профессиональных дисциплин / С.Ю. Грузкова, А.Р. Камалеева, Е.Ю. Левина // Инновации в образовании. - 2016. - № 3. - С. 62-73.

Сведения об авторе:

Соколова Галина Павловна (г. Казань, Россия), кандидат педагогических наук, доцент, доцент кафедры машиноведения и инженерной графики, Казанский национальный исследовательский технический университет, КНИУ-КАИ им. А.Н. Туполева, e-mail: glnsokolova@mail.ru

Маханько Андрей Анатольевич (г. Казань, Россия), кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и управления, Казанский национальный исследовательский технический университет, КНИУ-КАИ им. А.Н. Туполева, e-mail: andmahanko@mail.ru

Data about the author:

G. Sokolova (Kazan, Russia), Ph.D., Associate Professor, Department of Mechanical Engineering and Engineering Graphics, Kazan National Research Technical University, KNRTU-KAI, e-mail: glnsokolova@mail.ru

A. Makhanko (Kazan, Russia), Ph.D., Associate Professor of the Department of Automation and Control, Kazan National Research Technical University, KNRTU-KAI, e-mail: andmahanko@mail.ru