Программные средства для проектной деятельности в инженерном образовании на примере разработки станка конвейерного типа с ЧПУ для производства термопластичной нити методом экструзии

показателей при использовании нанотех-нологий в производстве фосфорных удобрений. / Сб. материалов Всероссийской конференции «Наноматериалы и Нанотех-нологий: проблемы и перспективы». - М.: МГОУ. - 2012, с. 56-59.

6. Кочетков СП., Баринов А.Н. Экологический аспект использования нанотехно-логий для извлечения и утилизации попутных фтористых соединений в производстве минеральных удобрений. / Мат. Международного научно-практического семинара «Переработка и утилизация попутных фтористых соединений и извлечение РЗМ в производстве минеральных удобрений». -М.: НИУИФ, - 2011, с. 49-53.

7. Хамизов Р.Х., Крачак А.Н., Груздева А.Н., Хамизов С.Х., и др. Сорбционное концентрирование и выделение РЗЭ из ЭФК. / Мат. Международного научно-практического семинара «Переработка и утилизация попутных фтористых соединений и извлечение РЗМ в производстве минеральных удобрений». - М.: НИУИФ, - 2011, с. 180-198.

8. Локшин Э.П., Калинников В.Т. Извлечение РЗЭ из отходов и пром-продуктов сернокислотной переработки хибинского апатитового концентрата. / Мат. Международного научно-практического семинара «Переработка и утилизация попутных фтористых соединений и извлечение РЗМ в производстве минеральных удобрений». - М.: НИУИФ. -2011, с. 125-142.

УДК 004.94 Т.Н. Горбунова, к.т.н., Московский

государственный машиностроительный университет (МАМИ), кафедра «Информационные системы и технологии»,

e-mail: tngorbunova@yandex.ru И.Д. Чалмов, студент 5 курса МАМИ, e-mail: unifilters@mail.ru

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ИНЖЕНЕРНОМ ОБРАЗОВАНИИ НА ПРИМЕРЕ РАЗРАБОТКИ СТАНКА КОНВЕЙЕРНОГО ТИПА С ЧПУ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕРМОПЛАСТИЧНОЙ НИТИ МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ

В данной статье рассмотрены популярные комплексы для реализации проектной деятельности в инженерном образовании. В том числе подробно рассмотрен проект реализации в программном комплексе Solid Works станка для производства термопла-

стичной нити методом экструзии, которая необходима для работы 3d принтеров с технологией FDM (Fused deposition modeling).

Ключевые слова: проектная деятельность, MATLAB, Excel, CAD-системы, SolidWorks, экструзия.

This article describes the popular systems for the implementation of project activities in engineering education. Including discussed in detail the project implementation in the software package Solid Works machine for the production of thermoplastic filaments by extrusion, which is necessary to work with 3d printers FDM technology (Fused deposition modeling). Keywords: project activity, MATLAB, Excel, CAD-systems, SolidWorks, extrusion.

Программные средства в инженерном образовании

Современные информационные технологии предоставляют различные средства для обработки больших объемов данных. В процессе обучения студентов такая форма организации образовательного процесса как проектная деятельность позволяет выполнить всю последовательность действий: от постановки задачи, выбора модели до получения результатов, проведение их анализа с дальнейшим представлением результатов. Эта форма деятельности наилучшим образом способствует реализации уже ставшей классической формулы, которая реализована в международном проекте «CDIO Initiative» (Conceive - Design - Implement - Operate, то есть Замысел - Разработка - Внедрение -Использование) по оптимизации инженерного образования.

Эффективным средством для представления результата является отображение информации в графическом виде, что позволяет быстро

получить целостную информацию о поведении изучаемых данных. Именно графическая информация чаще всего и используется в презентациях для представления результатов работы и, в том числе, является основанием для выработки того или иного решения.

На всех этих этапах работы с информацией используются не только технические, аппаратные средства, но и математические, в том числе алгоритмические конструкции. Но наиболее наукоемким, максимально ориентированным на математический арсенал является этап обработки (переработки) информации. Целенаправленную переработку информации об объекте отождествляют с процедурой формирования и «испытания» его математической модели, или с математическим моделированием.

Довольно часто в различных областях человеческой деятельности характерным представлением числовой информации являются таблицы. В настоящее время наиболее мощными и популярными электронными

таблицами является программа Microsoft Excel, которая входит в пакет Microsoft Office. Excel - популярная программа для обработки массивов числовой информации в различных сферах: при решении экономических задач, проведение инженерных расчетов в строительстве, анализ прочностных характеристик материалов, в том числе бетона и т.д.

Популярность программы, безусловно обусловлена адаптацией к табличной форме представления информации, а также обширными возможностями по графическому отображению информации в виде различных графиков, а также активно наращиваемым средствам по анализу информации через условное форматирование.

Среди популярных комплексов можно отметить систему MATLAB. В настоящее время MATLAB далеко вышла за пределы специализированной матричной системы (Matrix Laboratory) и стала одной из наиболее мощных универсальных интегрированных систем компьютерной математики (СКМ). В целом MATLAB -это уникальная коллекция реализаций современных численных методов компьютерной математики. Она вобрала в себя и опыт, правила и методы математических вычислений, накопленные за тысячи лет развития математики. Это сочетается с мощными средствами графи-

ческой визуализации и даже анимационной графики.

Эти средства можно использовать не только для отображения результатов в графическом виде, но и для анализа эффективности разрабатываемых и используемых алгоритмов.

Так, например, для реализации метода Гаусса решения системы п уравнений с п неизвестными требуется

N ~ Сп3

арифметических операций, где С-некоторая константа.

Используя возможности системы МЛТЪЛВ, можно наглядно показать зависимость количества операций, которые в среднем совершает процессор при решении системы линейных алгебраических уравнений сгенерированной случайным образом от порядка системы. Вычисляя вре-

fe^Figure 1 гапзп Щ

1 File Edit View Insert Tools Desktop Window Help

| о a a & k ni

10"6

Ю-7 Зз @ -ю-8 1 и 1 а я ю-9 ___m 'ч

11) ™ 0 300 400 000 ею 1000 1200 1400 1600 1800 2000 п

Рис. 1. Зависимость предстепенной константы

мя работы центрального процессора time(n) на решение системы линейных уравнений порядка n, и, отобразив на графике (рис. 1) зависимость time(n)/n3 от n при n ^<х>, видно, что эта зависимость стремится к некоторой константе.

Проектная деятельность

Все этапы деятельности CDIO Initiative были реализованы на примере работы по разработке 3D принтера.

В настоящее время широкое распространения получают 3D принтеры, являющиеся, по сути, станками с ЧПУ. Они используют различные полимеры для создания многослойных объектов применяемых в различных сферах народного хозяйства для решения важнейших задач: создание прогрессивных конструкций машин и аппаратов, повышение качества и расширение ассортимента продукции технического и бытового назначения, существенное усовершенствование строительной техники, интенсификацию сельскохозяйственного производства и ряда других производств.

Сам метод производства изделий и полуфабрикатов нужной формы, осуществляемый путем продавли-вания расплава полимерного материала через формующий инструмент (головку), получил название экструзии.

Описание станка для производства термопластичной нити методом экструзии.

Экструзионная линия представляет собой комплекс оборудования для экструзии, предназначенного для выпуска готовой продукции из полимеров, включает в себя: устройство экструдеры, калибровочное устройство, вытяжное устройство, направляющее и наматывающее устройства.

Экструдер - это главный элемент экструзионной линии по переработке полимерных материалов. Производство различных видов изделий методом экструзии осуществляется путем подготовки расплава в экстру-дере и придания экструдеру той или иной формы посредством продавли-вания его через формующие головки соответствующей конструкции с последующим охлаждением, калиброванием и т. д.

Одношнековый экструдер

Наиболее простым оборудованием для экструзии является одношнековый (одночервячный) экструдер без зоны дегазации. Такие экструдеры широко применяются для производства пленок, листов, труб, профилей, в качестве одной из составных частей линий-грануляторов и т.д.

Основными элементами одношне-кового экструдера являются обогреваемый цилиндр, шнек (с охлаждением или без него), сетки, размещаемые

на решетке, и формующая головка (рис. 2). В зависимости от природы полимера, технологических режимов переработки применяются шнеки различного профиля, в частности с различным характером изменения глубины Ь нарезки по длине шнека.

Рис. 2. Схема одношнекового экструдера:

1 - бункер; 2 - шнек; 3 - цилиндр;

4 - полость для циркуляции воды;

5 - нагреватель; 6 - решетка с

сетками; 7 - формующая головка;

I, II, III- технологические зоны

Технология разработки станка для производства термопластичной нити

1. Для моделирования различных деталей, узлов и механизмов использовался программный комплекс SolidWoгks, с помощью которого

• поэтапно моделировались все компоненты станка,

• производилась компоновка всех деталей в единую сборку,

• выводились чертежи, необходимые для производства станка.

2. Затем созданные чертежи передавались в производство, где использовались такие станки с ЧПУ как фрезерный, токарный, сверлильный и лазерный резак для изготовления

деталей, узлов и механизмов разрабатываемого станка. Перед тем как приступать к окончательной сборке станка, все детали проверялись на наличие дефектов, проходили проверку качества на соответствие с чертежами.

3. Параллельно с моделированием производилась разработка контроллера станка, всех его электронных компонентов (датчиков, преобразователей, драйверов).

4. Разработка программного обеспечения для контроллера станка и управляющей программы для оператора, для связи со станком происходила с помощью Microsoft Visual Studio.

5. Далее производилась сборка реального станка, его настройка, проверка работоспособности всех агрегатов (двигателей, нагревателей, датчиков), калибровка.

6. Запуск в работу.

Поэтапное создание модели в Solid Works

1 этап. Для создания модели сборки необходимо создать модели всех компонентов этой сборки.

Алгоритм создания модели в среде Solid Works:

1. Выбор плоскости для создания эскиза - может быть выбрана как одна из базовых плоскостей (сверху, справа и спереди) так и плоскость на детали.

2. На выбранной плоскости создается эскиз.

3. В эскизе создается контур из простейших геометрических элементов (окружности, многогранники, линии, точки).

4. Далее созданный контур либо вытягивается, и получается 3х мерный элемент

2 этап. После создания модели компонентов, собирается сборка. Алгоритм создания сборки:

1. Выбираем необходимые для создания конечной сборки компоненты из ранее созданных моделей.

2. Создаем условные сопряжения (перпендикулярность, параллельность, совпадение, расстояние между выбранными плоскостями, кромками или точками).

Разработка компонентов.

1. Шаговый двигатель. Для вращения шнека, который будет позже смоделирован, а затем изготовлен в соответствии с моделью, необходим электропривод. В качестве электродвигателя был выбран один из самых мощных шаговых электродвигателей -Nema 42. Для того чтобы правильно скомпоновать и сделать крепежные пластины необходимо смоделировать его в Solid Works по заданным параметрам.

2. Редуктор планетарного типа.

Редуктор необходим для того чтобы уменьшить нагрузку на элек-

тродвигатель и уменьшить частоту вращаемого элемента. Конструкция передачи со многими сателлитами обеспечивает зацепление большего числа зубцов и потому меньшую нагрузку на каждый зубец. Это позволяет достичь меньших размеров и массы по сравнению с обычной передачей при той же передаваемой мощности. Соосность ведущих и ведомых валов облегчает компоновку машин и каскадных механизмов. Сбалансированность сил в передаче приводит к меньшему уровню шума. Конструкция передачи позволяет достичь больших передаточных отношений при малом числе колёс.

3. Создание модели шнека. Шнек (от нем. Schnecke, буквально — улитка, червяк) используется в экстру-зионных установках, которые также ещё называют шнековым прессом или шприцмашиной. В экструдерах шнек является основным элементом, который совместно с материальным цилиндром уплотняет, расплавляет и гомогенизирует полимерную массу, а затем выдавливает её сквозь выходное отверстие формующей головки.

Числовые данные о диаметре (D) и соотношении длины к диаметру (L/D) - это величины, по которым может быть дана оценка производительности экструдера. Крутящий момент шнека и его диаметр являются также параметрами, характеризующими конструкцию экструде-

ра. Таким образом, экструдеры четко классифицируются по производительности и изготавливаются только со шнеками определенного диаметра.

4. Экструзионная головка (фильера). Фильера необходима для выравнивания давлений, создаваемых на выходе экструдера и формирования профиля требуемого материала. Проще изготовить фильеру из алюминиевых пластин, имеющих специфичный профиль, нарезанных лазером. Конструкция имеет 4 сквозных отверстия под крепеж к экструдеру, одно глухое отверстие под подшипник шнека и каналы для выхода расплавленного материала и преобразования его в нить диаметром 1.75мм.

5. Крепления двигателя и экстру-дера. Крепления электродвигателя и экструдера будут изготовлены посредством лазерной резки из стали 8мм толщиной.

Сборка. Производим сборку ранее созданных компонентов в единую модель (рисунок 3).

Рис. 3. Собранная модель

Разработка управляющей программы для управления станком.

Управляющая программа написана на C# с разработкой пользовательского интерфейса в среде Microsoft Visual Studio.

Пользовательский интерфейс программы представляет собой оболочку, которая позволяет управлять всеми средствами и настройками станка с компьютера. Для удобства пользователя были сделаны различные кнопки для запуска, аварийной остановки, регулировок скоростей, включение\выключение различных компонентов, графические элементы для наглядности работы.

Рис. 4. Главное окно программы

Пользовательский интерфейс состоит из нескольких блоков:

Motor#1

О Enabled Мах 300 Microstepping 1000 A

О Direction Min 1 Prescaler [ï 7 ' w

-9-

-20 -10 -5 -1 +1 +5 +10 *20

Рис. 5. Блок управления главным двигателем

1. Блок управления главным двигателем

В данном блоке находятся все элементы для настройки режима работы электродвигателя и управления его параметрами:

Enabled - Флаг включения/выключения двигателя.

Direction - флаг направления вращения двигателя: по часовой стрелке (при сбросе флага) или против часовой при установке.

Max - предельно максимальные обороты двигателя.

Min - предельно минимальные обороты двигателя.

Microstepping - установка режима работы драйвера двигателя. Данная настройка позволяет изменить количество шагов, производимых двигателем на 1 полный оборот. Возможные варианты выбора: 200, 400, 800, 1000, 1600, 2000, 3200, 4000, 5000, 6400, 8000, 10000, 12800, 20000, 25600, 40000 (шагов на оборот).

Prescaler - настройка режима работы ШИМ таймера на контроллере станка. Данная настройка позволяет изменять режим синхронизации таймера относительно тактовой частоты микропроцессора. Возможные варианты выбора: 1, 8, 64, 1024.

Кнопки управления скоростью (-20, -10, -5, -1, +1, +5, +10, +20) необходимы для быстрого изменения скорости шагового двигателя. При нажатии на клавишу изменяется скорость двигателя на величину указанную на клавише в об\мин. Заданная скорость отображается слева блока, указана в об\мин. При передвижении ползунка, находящегося над кнопками управления скоростью,

происходит также изменение скорости шагового двигателя в пределах от Min до Max.

2. Блок управления двигателем протяжки имеет те же самые настройки и тот же интерфейс что и блок управления главным двигателем.

PORT Ü0M1 т О

Baudrate 5GC[J

Рис. 6. Настройки порта 3. Блок управления связью с платой

Изменение настроек сот-порта необходимо для установки стабильной связи с контроллером станка (рис. 6). Блок управления связью имеет следующие элементы:

PORT - Выбор порта из подключенных к компьютеру

Baudrate - скорость передачи данных в бит\сек

Connect - кнопка для установки соединения

Disconnect - кнопка разрыва связи с контроллером

- кнопка обновления подключенных к компьютеру устройств и как следствие обновления списка в поле PORT.

4. Блок пуска и аварийной остановки

Рис. 7. Блок пуска и остановки программы

Для удобства управления были созданы кнопки аварийной остановки, плавного пуска и ускорения двигателей станка.

5. Блок управления нагревателем.

В данном станке используются 4 керамических нагревателя общей мощностью 2кВт. Каждый из этих нагревателей поддерживает определенную температуру, заданную оператором станка в управляющей программе (рис.8), в своей зоне. Определение температуры в зоне происходит с помощью считывания показаний с термопар.

Рис. 8. Блок управления нагревателями

На рис.7 можно увидеть 4 одинаковых секции управления нагревателями. Для каждой из них задаются свои настройки.

Temperature (C) - поле для выставления значения необходимой температуры, для поддержания в зоне.

Kp, Ki, Kd - коэффициенты ПИД регулятора, с помощью которого происходит автоматическое регулирование мощностью нагревателей, для поддержания температуры установленной в поле Temperature(C).

ON/OFF - кнопка включения/выключения нагревателей

0.0-500.0°С - показания датчика температуры

Процентная шкала внизу (0-100%) - графическое изображение выходной мощности нагревателя. С повышением показаний происходит закрашивание её в зеленый цвет до определенного уровня и вывод цифрового значения в процентах.

6. Блок управления автоматической синхронизацией скоростей

Для калибровки диаметра прутика применен алгоритм ПИД регулирования скорости двигателя вытягивающего устройства. Чем быстрее будет вытягиваться прутик, тем тоньше он будет и наоборот. Для работы 3д принтера необходим постоянный диаметр прутика 1.75 или 3.0 мм с допуском 0.1 мм. В блоке синхронизации скоростей, при нажатии кнопки ON/OFF включается поправка скорости Motor#2 с учетом предыдущих накопленных ошибок. Таким образом, происходит постоянный контроль качества и проверка диаметра производимой пластиковой нити. Блок представлен на рис.9.

Diameter controller

0,00mm

Diarneterimm) 1,75

Kp 2 Ki G Kd 2

Рис. 9. Блок синхронизации скоростей

Diameter (mm) - в данном поле оператором станка задается необходимый диаметр выпускаемого прутка.

Kp, Ki, Kd - коэффициенты ПИД регулятора, с помощью которого происходит автоматическое регулирование скорости моторы вытягивающего устройства.

ON/OFF - кнопка включения/выключения алгоритма автоматической синхронизации.

0.00mm - указатель диаметра в данный момент.

7. Блоки намотчика и укладчика

Рис. 10. Блоки намотчика и укладчика

чтобы при работе в дальнейшем с такой катушкой прутик не запутался. Layer - блок укладчика Microstepping - выбор режима работы контроллера двигателя

Rod length (mm) - установка длинны направляющей укладчика

Steps/mm - настройка количества шагов необходимых двигателю чтобы сдвинуться на 1мм. Spool - блок намотчика Diameter (mm) - установка диаметра катушки

Length (mm) - установка ширины катушки

ON/OFF - кнопка включения двигателей намотчика и укладчика

При активации блока намотчика (рис. 10) программа автоматически рассчитывает, с какой скоростью надо вращать катушку с заданными размерами (диаметр и ширина), чтобы пластиковая леска нормально укладывалась без провисаний и натяжки. При включении укладчика, активируется двигатель укладывающего устройства. Программа автоматически рассчитывает, на какое расстояние необходимо сдвинуть направляющую рейку, чтобы прутик наматывался на катушку по спирали, и каждый виток лежал рядом с другим без зазоров.

Данные устройства необходимы для намотки прутка на катушку и

Заключение

С помощью программного ком-

укладки его на неё без нахлестов, плекса Solid Works была разработа-

на модель станка для производства термопластичной нити, которая необходима для работы 3d принтеров с технологией FDM (Fused deposition modeling) - моделирование методом послойного наплавления. Моделирование станка в данном программном комплексе позволяет учесть все размеры компонентов, входящих в состав станка и сделать все необходимые чертежи для их изготовления. Так же с помощью программного комплекса Microsoft Visual Studio на языке C# была написана управляющая программа для данного станка, которая позволяет оператору управлять всеми компонентами конвейерной линии с компьютера.

Умение систематизировать информацию, провести анализ эффективности выбранных методов, представить полученные результаты -это те необходимые навыки, которыми должен обладать специалист. Современные программные средства обладают всеми необходимыми средствами для решения этих задач.

Список литературы:

1. Акимов П.А., Кайтуков Т.Б., Мозга-лева М.Л., Сидоров В.Н. Строительная информатика: учебное пособие // М,: Изд-во АСВ, 2014. 432с.

2. А.А. Алямовский, Е. В. Одинцов Solid Works Компьютерное моделирование в инженерной практике / БВХ-Петербург, С-Петербург, 2008, 780с.

3. Башмакова Е. И. Умный Excel. Экономические расчеты // Учебное пособие : Москва: Изд-во Московского гуманитарного университета, 2014. 176с.

4. Горбунова Т. Н. Визуализация информации в образовательном процессе / / Компьютерные науки и информационные технологии: материалы Междунар. науч. конф. Саратов: Изд-во ИЦ «Наука», 2014. С. 111-112.

5. Горбунова Т. Н., Журавлева Т. Ю Автоматизированный лабораторный практикум по информатике. Освоение работы в MS Excel 2007 // Электронные текстовые данные. Саратов: Вузовское образование, 2014. 77 c. URL: http://www.iprbookshop. ru/20699. -ЭБС «IPRbooks».

6. Т.Н. Горбунова, И.Д. Чалмов, СИ. Черных Проектная деятельность в инженерном образовании / Материалы III Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы развития вертикальной интеграции системы образования, науки и бизнеса: экономические, правовые и социальные аспекты. АНОО ВПО «Воронежский экономико-правовой институт», Воронеж 2015 С 86-90

7. Т.Н. Горбунова, И.Д. Чалмов, С.И. Черных Ручной и автоматизированный подход при изучении информационных технологий / В сборнике: Наука, образование, общество: актуальные вопросы и перспективы развития Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 мая 2015 г.: в 3 частях. ООО «АР-Консалт». Москва, 2015. С. 22-23

8. Журавлева Т. Ю Практикум по дисциплине «Бизнес-анализ с помощью Microsoft Excel»: автоматизированный практикум / / Электронные текстовые данные. Саратов: Вузовское образование, 2014. 44 c. URL: http://www.iprbookshop. ru/20693. -ЭБС «IPRbooks».

9. И.И. Колтунов. Разработка управляющих программ для систем ЧПУ. Учебное пособие. МГТУ «МАМИ»,М. -2011.,81 с.

10. Мсхалая Ж. И., Осипов Ю. В., Павлов А.Б. Основы современных информационных технологий. Часть 2. Excel // Учебное пособие под ред. А.Б. Павлова. Москва: Изд-во МГСУ, 2008. 94с.

11. лохотников К.Э. Вычислительные методы. Теория и практика в среде

MATLAB: курс лекций. Учебное пособие для вузов. // М.: Горячая линия - Телеком, 2013. 496 с.

12. Усов Б.А., Горбунова Т.Н. Ячеистые бетоны с химическими добавками и реди-спергаторами / / Системные технологии. Махачкала : Изд-во: Учреждение высшего образования «Институт системных технологий», 2015. С. 115-126

13. CDIO [Электронный ресурс]. URL: http://www.cdio.org/

14. http: / / www.classeng.com / catalog / parts/113/ Шнековые элементы

15. MATLAB [Электронный ресурс]. URL: http://www.mathworks.com/

16. http://seemecnc.com/

М.Я. Якобсон, к.т.н., НИИЖБ им. A.A. Гвоздева В.В. Тропин, инж., ОЦКС Росатом А.Р. Зейфер, инж., ЧЗЖБИ-1 И.И. Починкин, инж., ООО Штрих

ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ ИЗ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО-НАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

В статье описана проектно-компонуемая технология производства и применения предварительно-напряженных железобетонных конструкций. Производство сборных железобетонных изделий в гидравлически трансформируемой опалубке и монтаж изделий без сварных швов позволяют значительно повысить эффективность производства конструкций и возведения сооружений.