Роль объёмного моделирования в подготовке специалистов для инновационного машиностроения

УДК 004.94

РОЛЬ ОБЪЁМНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПОДГОТОВКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ ДЛЯ ИННОВАЦИОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

© 2012 А. И. Ермаков, Л. А. Чемпинский

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

В статье рассмотрены проблемы графогеометрической подготовки специалистов для инновационного машиностроения и пути их решения на основе опыта использования вновь созданных баз параметрических моделей базовых элементов формы, стандартных и типовых деталей, повышения качества освоения учебного материала студентами в условиях постоянного снижения уровня довузовской подготовки, достижения компетенций, соответствующих требованиям современного производства.

Учебный процесс, объёмное моделирование, базы параметрических ЗБ-моделей, решение задач.

Современный уровень проектирования процессов конструкторско-технологической подготовки производства предполагает широкое использование информационных технологий. При этом технологи используют объёмные (ЗБ) модели изделий, узлов, деталей, оборудования, средств технологического оснащения и инструмента, т.к. они являются основой при проектировании оптимальных технологических процессов изготовления деталей, заготовок, формообразующей оснастки на современном высокопроизводительном оборудовании, позволяют осуществить инженерный анализ сопутствующих преобразованию заготовки в готовую деталь процессов силового, теплового поведения технологических систем, контролировать геометрические параметры сложнофасонных деталей с использованием современных контрольно-измерительных машин, реализовать автоматизированный выпуск необходимой технологической документации и пр.

С целью сокращения времени ЗБ-моделирования конструкторы повсеместно используют параметрические ЗО-модели типовых деталей. Использование 30-параметрических моделей позволяет технологам реализовать сквозное проектирование процессов изготовления типовых деталей, что особенно актуально в условиях многономенклатурного производства.

Реализация компетентностных требований государственных образовательных стандартов (ФГОСов) в дисциплинах графогеометрического цикла на факультете двига-

телей летательных аппаратов осуществляется на основе использования возможностей отечественной лицензионной, свободно распространяемой для выполнения некоммерческих проектов С АО/САМ/САРР системы АОЕМ у.8.1.

Каждый студент факультета с самого начала процесса обучения в течение четырёх семестров последовательно приобретает опыт работы с новым для него инструментом, несмотря на изначальное отсутствие у большинства опыта черчения. Такая подготовка является базовой: реализация последующих конструкторско-технологических проектов, связанных с созданием ЗБ- и 2Б-моделей (документации в виде электронных документов) осуществляется на этой основе.

В частности, в первом семестре студенты, постепенно знакомясь с возможностями САО-модуля системы АОЕМ у.8.1, последовательно осваивают работу с вновь созданной базой ЗО-параметрических моделей базовых элементов формы (БЭФ), включающей, в частности, объёмные модели таких объектов, как сфера, цилиндр, конус, параллелепипед, призма, тор. По заданным ими геометрическим параметрам автоматически отображают на плоском экране монитора различные формы объёмных представлений этих объектов, например, различные цвета БЭФ и их граней, осваивают возможности аффинных преобразований БЭФ (перенос, поворот, масштабирование), по выданным заданиям создают пространственные композиции (рис. 1, 2, 3).

! Открыть файл

Папка: І ^ ПРМ Модели БЭФ Имя

Имя Файла: |ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕД ПРМ

Тип Файлов: | Файлы каталога Г.саЛ)

и

Дата изменен

ФКОНУС ПРМ 15.07,201212=

| ^ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕД ПРМ 29.07 2012 19:1

(РПИРАМИДА 6 ПРМ 16.072012 7:23

#ПИРАМИДА_бПРМ 29.07201215:2

фПЛОСКОСТЬ ПРМ 17.07 201210:С

#ПРИЗМА6ПРМ 16.07 2012 5:5С

(НЕПРЯМАЯ ПРМ 16.07 2012 8:2С

ф СФЕРА ПРМ 15.07 2012 8:4£

рТОР ПРМ 15.07 2012 Ш

НЮТОЧКА ПРМ 16.07 2012 8:0£

(^ПИЛИНЛР ПРМ < | ггг 1 Ч.П7 ?П1 ? 7)Л

1^ Просмотр

Рис. 1. База параметрических ЗБ-моделей БЭФ

Рис. 3 Пространственные композиции ЗБ-моделей

На следующем этапе, используя возможности САО-модуля системы АОЕМ у.8.1 по выполнению булевых операций между объектами и базу параметрических моделей БЭФ, решают метрические и позиционные задачи (определяют расстояния между элементами пространственных объектов, вид и геометрию пространственных линий пересечения гранных поверхностей и поверхностей вращения при пересекающихся и скрещивающихся осях). В автоматизированном ре-

жиме строят точные модели разверток, в то время как реализация требований ФГОСа средствами традиционного курса начертательной геометрии путём, в частности, алгоритмического решения метрических и позиционных задач на плоскости, определения линий взаимного пересечения поверхностей позволяет дать лишь качественные, неточные решения, которые не могут быть использованы в реальном производстве (рис.4,

5, 6).

Рис. 2. Формы представлений ЗБ-моделей

Свойство Значение

Е СТАТУС ...

Рассто... 34 422806

- ХП абс

Точка 1...

Х1 0.076562

V I = 19885156

п = 0.000000

Точка 2...

х: - 0.076562

У2 = -12.865491

гг = 10 598332

Рассто...

[* = 0.000000

32 750648

Рг = 10.598332

± Х^от

Измерения ]

Точка-Точка Точка-Лин ия Точка-Грань Точка-Тело

Линия-Линия

Линия-Грань

Линия-Тело

Грань-Грань

Грань-Тело

Тело-Тело

Пересечение

Кривизна

Гладкость

Отверстия

Габариты фра г

Рис. 4. Пример решения метрической задачи

Рис. 6. Построение разверток

На основе полученных линий пересечения конуса плоскостью, расположенной под разными углами к его оси (конических

сечений), строят ЗО-модели параболоидов, гиперболоидов, эллипсоидов (рис. 7).

— ^

Рис. 7. Конические сечения и ЗБ-модели тел, полученных на их основе

На следующем этапе обучения студент осваивает возможности системы по автоматическому созданию 20-моделей (ортогональных и аксонометрической проекций на плоскости) по созданным им ЗО-моделям, приобретает опыт работы с 20-моделями (путем выполнения аффинных, булевых, не-

конформных преобразований на плоскости) для освоения правил, условностей и упрощений ГОСТов ЕСКД. Решает обратные задачи: создаёт ЗО-модели по ортогональным проекциям и по плоским контурам в рамках возможностей системы (рис.8).

Рис. 8. Пример решение прямой и обратной задач

На основе приобретённых знаний и ные задачи геометрического и проекционно-

навыков в той же среде автоматизированно- го черчения (рис. 9).

го проектирования выполняет традицион-

Рис. 9. ЗБ-модель и чертёж детали, созданный на её основе

363

'.35.823

Таким образом, одновременно решается ряд задач: постепенное (с нуля) ознакомление с возможностями и последовательное приобретение навыков работы в среде современной интегрированной системы; оптимальное решение задач предметной области начертательной геометрии, в частности, развитие пространственного воображения, точное решение метрических и позиционных задач; достижение нового уровня графической подготовки за счёт освоения приёмов выполнения ЗО-моделей деталей с использованием параметрических моделей БЭФ, автоматизированное моделирование чертежей на плоскости с соблюдением правил ГОСтов ЕСКД и вывод их на печать, что значительно

сокращает долю рутинной работы при создании технической документации.

Благодаря такой подготовке традиционные работы курса инженерной графики: "Соединение деталей и их изображение на чертежах" и " Эскизирование и построение рабочих чертежей деталей" выполняются студентами во втором семестре теперь быстрее и проще на основе использования базы параметрических 30- и 20-моделей деталей крепежа и вновь созданной базы ЗБ-параметрических моделей деталей редуктора (валов, зубчатых колёс и их элементов, которыми являются зубья эвольвентного профиля, шлицы и пазы), когда чертежи (рабочие и сборочные) создаются по 30-моделям деталей и их сборок (рис. 10, 11).

I 1 I 2 |_____3^ 4 5

7 8.500 15.000 2.500 0.800 0.800 сії Є

8 9.500 17.000 3.000 0.800 0.800 (118

1 1 1 2 I 3 4 5

т т т 2 17.000 18.700 9.400 8.000 5.000 3 19.000 20.900 10.500 10.000 Б. 000 4 24.000 26.500 13.200 13.000 8.000

Ну зіі

з- 6 36.000 40.100 19.800 19.000 12.000 1* Вставить без размеров

% Щ

э %

а в

♦а £>

в

Л

а у

Рис. 10. ЗБ-моделъ болтового соединения и чертеж, созданный на её основе

Содержание графических работ третьего и четвёртого семестров может варьироваться в зависимости от выбранной студентом специализации. Например, будущие технологи осваивают конструкции приспособлений: по заданным чертежам и аксонометрическому изображению создают последовательно ЗБ-модели деталей приспособлений и ЗБ-сборку, по ней создают и оформляют сборочный чертеж и спецификацию. Затем по созданным на кафедре механической обработки материалов в ходе выполнения лабораторных работ эскизам строят 30-модели

режущего инструмента (резцов, свёрл, фрез), тем самым пополняя базу ЗБ-моделей инструмента. База режущего инструмента затем используется при моделировании в САЕ среде АМБУБ поведения технологической системы при изучении процессов механической обработки резанием в пятом семестре. Для этого в четвёртом семестре будущие технологи, в частности, создают ЗБ-модели технологической системы (рис. 12), а также совершенствуются в ЗО-моделировании сложных (ажурных) деталей, используемых в авиационном двигателестроении (рис. 13).

/>*ам*тр вала под подшипники

крышка 1

крышка 4

крышка 5

д*|*пь. а»1 МЧИ*. X дчаиь ШЛ

ДНМНИ>Г

Рис. 11. ЗО-параметрические модели

Рис. 12. ЗБ-модели элементов технологической системы

Рис. 13. ЗБ-модели деталей ГТД

Приобретя знания основ современного геометрического моделирования и освоив работу в среде САБ-модуля профессиональной системы среднего уровня, какой является АОЕМ 8.1, студенты, в частности буду-

щие конструкторы, способны реализовать полученные знания в курсовом проектировании по "Деталям машин", где с использованием базы 3Б-параметрических моделей последовательно конструируют детали верто-

лётного редуктора, создают их ЗО-модели, газированном режиме (как прежде) создают

ЗБ-модели узлов (входного, промежуточно- необходимую документацию: сборочный

го, выходного валов вместе с планетарной чертёж и спецификацию, а также рабочие

ступенью и корпусов) и ЗБ-модель сборки чертежи деталей (рис. 14, 15, 16).

конструкции в целом, по которой в автома-

Рис. 14. 30- и 20-модели входного (вверху) и ЗБ-модели промежуточного и выходного валов с планетарной передачей редуктора

Рис. 15. ЗО-моделъ редуктора в сборе и созданный на её основе сборочный чертёж

Внешний окружной модуль т.- 5.5

Число зудьеб Z 28

Тип зуда - прямой

Исходный контур - ГОСТ 13751,-81

Коэффициент смещения X 0

Угол делительного концса д 28°3‘

Степень точности по ГОСТ 1758-81 - 7-В

Межосебой цгол передачи 1 90°

Средний окружной модуль /77 Ь9

Внешнее конусное расстояние Re 162А

Средний делительный диаметр d 137А

Рис. 16. Рабочий чертёж детали, созданный по ЗБ-модели

Реализация такого подхода при подготовке конструкторов позволяет использовать ЗО-модели конструкций редукторов для инженерного анализа их функционирования в условиях эксплуатации в CAE-среде ANSYS путём моделирования силовых и тепловых нагрузок с целью оптимизации конструкции и назначения обоснованных технических требований к сборке редуктора и изготовления отдельных деталей и затем - на четвёртом курсе - на основе прототипов газотурбинных двигателей в виде созданной базы ЗБ-моделей выполнить восемь курсовых работ каждым студентом по проектированию и конструированию отдельных систем ГТД. Дипломное проектирование в этом случае предполагает решение нестандартных, прорывных задач по оптимизации конструкции, связанных, в частности, с созданием параметрических ЗБ-моделей деталей в различных интегрированных системах, например в Solid Works или SIEMENS NX, учитывающих газодинамические процессы и поведение деталей под действием эксплуатационных нагрузок (силовых, тепловых) путем моделирования их в системах инженерного анализа (САЕ-системах).

Приобретённые знания и навыки работы с ЗБ-моделями будущими технологами позволяют им, как уже было отмечено, в пятом и последующих семестрах при изучении

процессов механической обработки резанием в ходе выполнения лабораторных работ в среде САЕ системы А№У8 последовательно моделировать, анализировать и оптимизировать условия закрепления заготовки в приспособлении, процессы взаимодействия заготовки и инструмента, поведение технологических систем в целом; моделировать формообразующую оснастку для получения заготовок литьём и штамповкой, анализировать и оптимизировать процессы формообразования заготовок (в среде РгоСав! и Бе-Р(ЖМ). Используя возможности САРР модуля системы АОЕМ создавать автоматизированные места технолога путём формирования ЗБ-баз оборудования, режущего, формообразующего и мерительного инструмента, материалов заготовок, режимов обработки и проектировать разнообразные технологические процессы изготовления деталей с использованием, в частности, современного оборудования с ЧПУ, в том числе штамповкой, механической обработкой резанием, электрофизической обработкой на электро-эрозионных станках, лазерной и проволочной резкой с автоматическим выводом комплекта технологической документации на печать. В среде САМ модуля системы АБЕМ проектировать процессы обработки на оборудовании с ЧПУ путём автоматизированного составления управляющих про-

грамм для современных малогабаритных и полноразмерных станков, их симуляции и верификации (в том числе в среде УепСАО и ШКров^; производить контроль деталей в процессе их изготовления на станке и вне станка по 30-модели детали и использованием современных контрольно-измерительных машин. Знания, полученные в ходе выполнения лабораторных работ, позволяют выполнить курсовой проект по проектированию технологических процессов изготовления различных деталей ГТД, в том числе групповых технологических процессов на основе

сквозного использования параметрических ЗБ-моделей типовых деталей, а также реализовать дипломное проектирование под задачи базового предприятия. В частности, разработать и оптимизировать современный технологический процесс, оптимизировать выбор оборудования, инструмента и режимов обработки по экономическому критерию; создать, оптимизировать, отладить управляющие программы и реализовать изготовление новых, необходимых производству деталей на оборудовании с ЧПУ последнего поколения.

ROLE OF VOLUME MODELING IN PREPARATION SPECIALISTS FOR INNOVATIVE

MECHANICAL ENGINEERING

© 2012 A. I. Ermakov, L. A. Chempinsky

Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov

In article there are the problems of graph-geometric training specialists for innovative engineering and solutions based on the experience of the recreated database of parametric models of the basic elements of the form, typal and standard details, improve the development of teaching material students in conditions of constant lowering level in undergraduate preparing

Educational process, volume modeling, parametric database of 3D models, solve the problems.

Информация об авторах

Ермаков Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: fdla@ssau.ru. Область научных интересов: динамика и прочность ГТД.

Чемпинский Леонид Андреевич, кандидат технических наук, профессор кафедры производства двигателей летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: chempinskiy@mail.ru. Область научных интересов: использование

CAD/CAM/CAPP систем при подготовке специалистов.

Ermakov Alexander Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, Professor of construc-struction and design of aircraft engines, Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: fdla@ssau.ru. Area of research: the dynamics and strength of GTE.

Chempinsky Leonid Andreevich, Candidate of Technical Sciences, professor of production of aircraft engines, Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: chempinskiv@mail.ru. Area of research: using of CAD/CAM/CAPP systems for preparing specialists.