ПРИМЕНЕНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЗНАНИЙ ПРИ РЕШЕНИИ КОНКРЕТНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ ПРОБЛЕМ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Масягин В.Б. (ОмГТУ, г. Омск, РФ)
The task of formation of deep understanding by the students of importance of fundamental sciences is formulated with the decision of specific tasks of technology of mechanical engineering. The uniform approach to a statement of the contents of the decisions of separate tasks is offered. The example of association of models is given within the framework of uniform CAE-system of the engineering analysis.
Одним из путей повышения качества обучения является фундаментализация образования, предполагающая формирование у студентов глубоких знаний и хороших навыков владения знаниями в области математики, физики, информационной технологии и других фундаментальных наук. Более глубокому пониманию студентами значения фундаментальных наук способствует выявление связи этих наук с реальными результатами применения их положений в технике и технологии при решении различных проектных, производственных, исследовательских задач.
При преподавании дисциплин «Основы выбора и принятия технологического решения» «Информационная технология» и «Математическое моделирование процессов в машиностроении» в рамках специальности 151001 «Технология машиностроения», возникли проблемы увязки курсов математики, программирования и технологии машиностроения при решении конкретных технологических задач. К таким задачам относятся: моделирование конструкции детали, моделирование технологического маршрута обработки деталей типа тел вращения, формирование комплексной детали типа тела вращения, поиск детали-аналога типа тела вращения, моделирование технологического процесса сборки, моделирование линейных и диаметральных технологических размеров, оптимизация расстановки инструментов на станке с ЧПУ, моделирование точности обработки деталей типа тела вращения, моделирование работы системы из двух танков, оптимизация последовательности обработки отверстий на станке с ЧПУ, экспертная система оценки рациональности применения ГПС при обработке корпусной детали, задача планирования производства на основе линейного программирования, задачи расчета тепловых и силовых деформаций методом конечных элементов, формирование эскиза детали, сборочной единицы, технологического маршрута сборки и механической обработки на экране дисплея, моделирование формирования регулярного микрорельефа при вибровыглаживании и обкатывании.
Опыт преподавания выявил рациональность следующего единого подхода к изложению содержания решений отдельных задач в преподаваемых дисциплинах: ознакомление с реальными объектами и методикой анализа содержащейся в них информации [1]; ознакомление с методикой синтеза геометрических моделей объектов [1,2,3,4]; ознакомление с методикой построения структурных моделей объектов в виде графов [1,4]; ознакомление с методикой перехода к матричной форме представления графов и с формулировкой вычислительных задач обработки матриц [6]; ознакомление с методикой построения алгоритма [6] и его представлением в виде блок-схем; ознакомление с программой для ЭВМ, написанной на языке высокого уровня и реализующей процесс решения задачи; ознакомление с работой программы путем решения задачи на компьютере; интерпретация результатов работы программы; анализ полученного решения.
Данная последовательность ознакомления с применением математических моделей по отношению к конкретной задаче или объекту может быть скорректирована в зависимости от информационной структуры моделируемого объекта и глубины проработки задачи.
В качестве примера объединения нескольких моделей в рамках единой системы может быть предложена САЕ-система инженерного синтеза, анализа, моделирования и оптимизации проектных решений [7], связанная с решением задач в рамках прикладной науки технологии машиностроения.
В настоящее время научные основы технологии машиностроения содержат полный комплекс методов решения задач проектирования технологии механической обработки (МО) и сборки [8,12]. Разработаны формализованные методы для решения отдельных задач, например, использование формализованного языка, систем кодирования, теории графов, математической логики и других моделей [8,9,10]. В области автоматизации проектирования на всех этапах жизненного цикла изделий используются разнообразные автоматизированные системы (САЕ, CAD, CAM, PDM, SCM, ERP и др.) [11].
По аналогии с существующими САЕ-системами предлагаются следующие принципы построения САЕ-системы технологии механической обработки и сборки: цель создания системы – синтез, анализ, моделирование и оптимизация проектных решений; объектами являются абстрактные модели, а не реальные изделия, детали и техпроцессы; САЕ-система не является системой проектирования для конкретного изделия, для конкретной детали по конкретному чертежу и для разработки технологической документации, а служит для работы с моделями анализа, синтеза, моделирования и оптимизации, поэтому объектами являются модели, которые сохраняют не все, а только основные свойства детали, необходимые для решения поставленной задачи – упрощенную геометрическую форму, размерные (в том числе точность), качество поверхности; информационная связь моделей изделия, детали, заготовки, техпроцесса, размерного анализа, визуализации и других моделей; все модели должны быть взаимно превращаемыми, преобразовываемыми; хранение информации в виде текстовых файлов, графических файлов, баз данных; открытость системы для обеспечения возможности использования результатов ее работы системами CAD/CAM и другими системами; возможность наращивания расчетными, аналитическими и другими моделями и программными модулями; преемственность применяемых моделей и программных модулей при их уточнении и совершенствовании.
Структура данных и программного обеспечения САЕ-системы в минимальном объеме, достаточном для построения системы: полная модель детали, полная модель заготовки и техпроцесса механической обработки, модель изделия, модель технологии сборки; модели детали, заготовки и техпроцесса (ТП) на проблемно-ориентированном языке (ПОЯ), необходимые для анализа и моделирования технологического процесса механической обработки; модель изделия, детали, заготовки, технологического процесса механической обработки и сборки для расчета линейных и диаметральных технологических и сборочных размеров и решения других задач размерного анализа; модель изделия, детали, заготовки и техпроцесса механической обработки и сборки для визуализации.
Модули программного обеспечения: модули моделирования технологических процессов механической обработки и сборки; модули формирования комплексной детали и поиска детали-аналога; модули размерного анализа конструкции изделия и технологии механической обработки; модуль визуализации изделия, детали, заготовки, техпроцесса.
Составные элементы САЕ-системы – модели объектов и модули программного обеспечения – представлены на рис. 1.
Рисунок 1 – Структура САЕ-системы в технологии машиностроения
Функционирование САЕ-системы технологии механической обработки и сборки осуществляется в следующем порядке.
Первый этап – подготовка исходных данных: формирование модели детали; формирование модели заготовки и технологического процесса механической обработки по технологической документации или построение данной модели при помощи модуля моделирования технологического процесса механической обработки; формирование моделей всех деталей и модели изделия по чертежу; формирование технологического процесса сборки по технологической документации или построение данной модели при помощи модуля моделирования технологического процесса сборки.
Второй этап – визуализация исходных данных с целью проверки адекватности построенных моделей.
Третий этап – формирование специализированных моделей – для дальнейшего анализа, моделирования – формируются автоматически по исходным полным моделям: модель на проблемно-ориентированном языке для моделирования ТП, формирования комплексной детали и поиска детали-аналога; модели для размерного анализа; модели для визуализации результатов.
Четвертый этап – синтез, анализ, моделирование, оптимизация проектных решений: формирование комплексной детали, поиск детали-аналога; моделирование технологических процессов механической обработки и сборки; размерный анализ конструкций и технологических процессов.
Результаты визуализируются с помощью модуля визуализации.
Возможные направления совершенствования САЕ-системы по применению в учебном процессе, в научных исследованиях, на производстве: метрологический анализ конструкторской и технологической документации; моделирование выбора заготовки; анализ режимов обработки; анализ норм времени; анализ настроечных размеров; определение разряда работы; оптимизация допусков и припусков; отработка на технологичность; анализ экономических показателей; моделирование выбора баз; размерный анализ отклонений расположения; анализ дифференциации и концентрации операций; визуализация технологических размеров и схем; анализ точности обработки; формирование модулей связи с CAD/CAM и другими системами САПР; моделирование технологической операции; анализ технических требований к приспособлениям; формирование связи с моделированием технологии сборки; моделирование и анализ работы цеха.
Изложение метода решения каждой задачи в области применения основ принятия технологического решения, информационной технологии и математического моделирования в технологии машиностроения с применением САЕ-системы является иллюстрацией проблемного исследования [13], проводя которое исследователь отталкивается от конкретной проблемы реального мира и сводит вместе все интеллектуальные возможности, которые могут влиять на ее решение. При этом на каждом этапе продвижения необходимо создавать и определять оригинальные решения проблемы, применять разнообразные теоретические подходы и методы фундаментальных наук, математические модели, программные методы, выходящих за пределы одной дисциплины, поскольку проблемы, возникающие в реальном мире, сложные, и решить их в рамках одной дисциплины невозможно.
Выводы. Сформулирована задача формирования глубокого понимания студентами значения фундаментальных наук при решении конкретных задач технологии машиностроения. Предложен единый подход к изложению содержания решений отдельных задач. Приведен пример объединения моделей в рамках единой САЕ-системы инженерного анализа.
Публикуемая работа связана с выполнением «Аналитической ведомственной целевой программы развития научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)», на 2006-2007 гг. по гранту «Рабочие процессы поршневых пневмодвигателей и пневмодвигатель-компрессорньк агрегатов», руководитель д.т.н., проф. Калекин В.С.
Литература
1. Масягин В.Б. Основы математического моделирования и управления технологическими процессами: Методические указания. -Омск: ОмГТУ, 1996. -35 с.
2. Масягин В.Б. Формализованный язык описания деталей по конструкторским и технологическим признакам //Анализ и синтез механических систем. -Омск. 1998. -С.17-21.
3. Масягин В.Б. Математическое моделирование геометрической формы деталей типа "тел вращения" с учетом погрешностей изготовления //Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках: Матер. I Всеросс. науч. internet-конференции (янв.-февр. 2001 г.). –Тамбов, 2001. -Вып.2. -С.78.
4. Масягин В.Б. Формирование изображений геометрических моделей деталей, эаготовок, операционных эскизов и сборочных единиц с помощью ЭВМ //Механика процессов и машин. –Омск, 2000. -С.192-196.
5. Масягин В.Б. Моделирование конструкции сборочной единицы и технологической схемы сборки при помощи графов //Прикладные задачи механики. -Омск. 1999. -С.130-134.
6. Масягин В.Б. Матричные алгоритмы моделирования конструкции сборочной единицы и технологической схемы сборки //Механика процессов и машин. -Омск. 2000. -С.189-192.
7. Моргунов А.П., Беккер А., Масягин В.Б. Разработка автоматизированной системы инженерного анализа технологии механической обработки деталей типа тел вращения // Омский научный вестник. – 2006. – №3(36). – С. 98-100.
8. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении / В.С. Корсаков, Н.М. Капустин, К.-Х. Темпельгоф, Х. Лихтенберг; Под общ. ред. Н.М. Капустина. – М.: Машиностроение, 1985. – 304 с.
9. Автоматизация проектирования технологии в машиностроении/ Б.Е. Челищев, И.В. Боброва, А. Гонсалес-Сабатер – М.: Машиностроение, 1987. – 264 с.
10. Диалоговые САПР технологических процессов: Учебник для вузов по специальности «Технология машиностроения»; «Металлорежущие станки и инструменты» / В.Г. Митрофанов, Ю.М. Соломенцев, А.Г. Схиртладзе и др.; Под ред. Ю.М. Соломенцева. – М.: Машиностроение, 2000. – 232 с.
11. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов, 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 336 с.
12. Васильев А.С., Дальский А.М., Золотаревский Ю.М., Кондаков А.И. Направленнное формирование свойств изделий машиностроения/ Прд. ред. д-ра техн. ннаук А.И. Кондакова. -М.: Машиностроение, 2005. -352 с.
13. Филлипс Э., Пью Д. Как написать и защитить диссертацию: Практическое руководство. –Челябинск, 1999. -286 с.