ОТ 3D ЭЛЕКТРОННОЙ МОДЕЛИ СБОРОЧНОЙ ЕДИНИЦЫ К РАБОЧЕЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ДЕТАЛИ

Описывается опыт выполнения индивидуального задания по деталированию ЭМСЕ с активизацией геометрического и функционального анализа детали; задание выполнялось на фоне типовой семестровой рабочей программы в учебной группе

Давно утвердившаяся в проектно - конструкторской практике методология, опирающаяся на 3D моделирование, активно “проецируется ” и утверждается в разных формах в практике геометро - графической подготовки [напр. 1-6 и многие другие работы, в том числе на КГП2016]. Тем не менее, точки зрения на баланс отдельных направлений модернизации, особенно в её базовой части, еще неоднозначны. Представляется, однако, что технология электронной имитации традиционного черчения и ручной графики постепенно перестает требовать образовательной поддержки. И учебное время, затраченное на это, без одновременного обогащения содержания, будет использоваться не достаточно эффективно. Как можно было предвидеть [7], все больше студентов при желании, без особых затруднений, методом проб и ошибок, при минимальной преподавательской поддержке, практически самостоятельно, осваивает технологию электронной реализации фрагментов и разделов (модулей) рабочих программ на базе 2D – моделей. Надо ожидать, что и технологии ЗD – моделирования (в их основе) скоро перестанут быть экзотикой для студентов. Экстраполируя эти тенденции, учитывая направление методических дискуссий последних лет можно предположить следующее. Целевые установки на обучение технологии построения собственно 3D моделей, как таковых, сместятся в направлении их использования как “исходного материала” для реализации новых, интересных в методическом отношении сюжетов ГГП [например [6]. При этом расширятся возможности обеспечения межпредметных связей дисциплины, одной из проблем инженерной подготовки вообще, а не только ГГП. Рядом авторов уже отмечалось и это надо подчеркнуть, что роль 3D – моделей вышла за рамки задач учебных курсов ГГП и они занимают важное место в общетехнических и специальных дисциплинах. Эти емкие и “гибкие” модели позволяют углубить и обогатить содержание методических сценариев базовой ГГП, аналогичных фрагментам проектного процесса. Фронтальный переход к новым возможностям требует, конечно, предварительной подготовки, преодоления инерции при перестройке привычных и консервативных подходов к ГГП, но удобных, поскольку не создающих никому новых методических, организационных и других проблем. Авторы представляют далее, наряду с многочисленным и интересным опытом коллег, реализацию одного типового фрагмента программы 2-го семестра на базе 3D - моделей.

Заданная электронная модель (ЭМСЕ), представленная рис.1, – выступает в данном сюжете как прототип или как бы итог проектной стадии разработки изделия. Это может быть ЭМСЕ проектного фрагмента или специально подготовленная для учебных целей модель. Авторы считают, что, в принципе, нет особых препятствий начинать обучение работе в каком либо САD пакете с анализа готовой ЭМСЕ. Их, этих препятствий, по крайней мере, не больше, чем при традиционном начале с обучения технологии синтеза геометрической модели. Знание студентами общих принципов организации интерфейсов, команд и операций позволяет, начинать с декомпозиции ЭМСЕ, и последующего анализа геометрии её деталей как источникам геометрических элементов для их дальнейшего графо - геометрического и аналитического описания [9]. Поэтому и в рамках данного сюжета может быть “дан старт” обучению работе в САD .

Исходная 3D – модель (рис1). и последующее было выполнено соавтором статьи - сегодня уже студентом 2-курса Козыревым А.Д. (МЭИ, гр. ТФ-4-14) в рамках 2-го семестра обучения 2014/2015 учебного года в режиме обычных семестровых занятий в группе и домашней работы. Источником для построения исходной ЭМСЕ было одно из старых добротных типовых заданий на деталирование на основе чертежа ВО. Но в “идеале” сегодня подобная 3D - модель - задание должна бы быть носителем признаков современных потребительских функций (назначения) и новых конструктивно - технологических тенденций в данной области техники, эффективных инновационных технологий формообразования, современных материалов.

Затраты времени на выполнение 3D модели СЕ, по исходному 2D чертежу ВО составили 3 часа. Эта работа в данном случае была подготовительной. А собственно фрагмент рабочей программы 2-го семестра, описанный ниже, - потребовал на выполнение аналитической и творческой составляющей задания, а так же последующих файлов 2 часа. Дальнейшее иллюстрируем примером выполнения рабочей документации лишь одной из деталей. В полном объеме данного сюжета были выполнены ЭМ четырех деталей.

… Как и при “ручной” технологии (или даже с помощью электронного кульмана) при проектировании и конструировании, 2D чертеж общего вида (ВО) изделия, так и ЭМСЕ, реализованная в САПР, как известно, не содержат исчерпывающей геометрии деталей сборочной единицы. При традиционной методологии проектирования на этапе фиксации варианта ВО изделия (СЕ) в этом, как правило, нет необходимости. При компьютерном проектировании и конструировании на основе 3D – моделей такая начальная неполнота формы деталей в ЭМСЕ обусловлена еще одним обстоятельством. В процессе формировании геометрии детали и её параметров есть возможность непрерывного диалога между САD и САЕ составляющими для оценки и коррекции параметров геометрии с учетом нагрузок и других факторов, определяющих её работоспособность. Поэтому, несмотря на весьма широкие возможности компьютерного моделирования, модели геометрии для оценки работоспособности деталей в общем случае проще их полной “рабочей” геометрии. Они не учитывают ряд геометрических элементов, отвечая на ряд допущений, принимаемых в собственно расчетных моделях типовых элементов конструкций, моделях их нагружения, оценки напряжений, деформаций и других величин. Поэтому в данном сюжете условно принимается, что параметры базовой геометрии детали, проверены соответствующими расчетам в модуле САЕ.

Заметим еще раз, что “ проверенные временем ” учебные чертежи ВО СЕ ( один из которых мы использовали) несут отпечаток технологий проектирования, конструирования и технологий “тех времен”, с расчетными моделями и методами контроля более низкой, чем сегодня, точности. Они опирались на характеристики материалов того времени, когда, например, о композитах (кроме фанеры!) не было и речи. Эти прототипы предполагали уже уходящие в прошлое методы расчета, технологии формообразования, испытания и контроля готовых изделий. Поэтому некоторые фрагменты таких конструкций, к тому же подвергнутые адаптации к учебному процессу, даже на глаз выглядят, как минимум, “тяжеловато”. Нельзя недооценивать, что геометрический образ таких конструкций, так или иначе, остается в памяти обучаемых, формируя не всегда правильное представление о геометрических пропорциях даже типовых деталей. Базы данных учебных СЕ, как представляется, с этих позиций требуют постоянного анализа и коррекции.

В данном сюжете, цель которого, как обычно при деталировании, получение уточненной за счет типовых конструктивно технологических элементов, геометрической формы рабочих ЭМД и 2-D чертежей деталей на основе ассоциативных видов. При декомпозиции ЭМСЕ акцент делается на геометрический и функциональный анализ деталей в их базовых формах. Студент в рамках ГГП не должен воспринимать геометрию детали безликой. Форма детали носитель “следов” влияния многих факторов, определивших данную геометрию детали как таковую (отражает их). И навыки геометрического (точнее геометро-функционального) анализа, направленные на выявление этих факторов, важны с позиций формирования у студентов элементов “проектно – конструкторского менталитета”. В этом, в какой - то мере, и реализуются так необходимые элементы межпредметных связей ГГП. А доступный уровень такого анализа можно обеспечить на основе упрощенного подхода. В данном сюжете анализ направлен на выявление функций отдельных поверхностей детали, сознательное дополнение модели детали необходимой, но отсутствующей в первичной ЭМСЕ, конструктивно - технологической геометрией, в общем - то типовым, действиям. На основе такого анализа более сознательна и обоснована простановка параметров формы отдельных поверхностей деталей, их взаимного положения ,предельных отклонений размеров и указания параметров микрогеометрии поверхности – шероховатостей. Привитие навыков геометрического и функционального анализа заданий прототипов и окружающих студента объектов техники ( “систематизированной любознательности” ), кроме того, один из основных элементов, формирующих “инновационный и импортозамещающий” подход к учебным проектным задачам.

…Вначале анализа идентифицируются поверхности, образующие основную форму детали, характер сопряжения этих поверхностей между собой, их взаимодействие с поверхностями других деталей и внешней средой, как показано на рис.2 для одной из деталей СЕ - клапана. Эта фаза опирается на элементы программы 1-го семестра. Характер взаимного положения поверхностей деталей, на основании ЭМСЕ классифицирует их на свободные, привалочные и сопряженные ( охватывающие и охватываемые) и они обозначены на том же рис.2 соответствующими буквенными символами. Эти характеристики определяет последующую градацию предельных отклонений формы поверхностей их размеров и взаимного положения, а также уровень шероховатости. Результаты анализа поверхностей детали позволяет обсуждать возможную технологию их физического образования, облегчает чтение и прогноз необходимых видов в системе 2D изображений (чертеже, если она необходима), параметров формы поверхностей, определителей и параметров взаимного положения [8]. Анализ перехода от одной поверхности детали к другой и их взаимодействие при сборке определяют, как правило, необходимость дополнения первичной формы типовыми “вторичными” геометрическими элементами конструктивно-технологического характера.

На рис. 2. выделены и обозначены буквенными символами отдельные элементы поверхности детали, характер их взаимодействия с поверхностями других деталей и средой и функциональная обусловленность. На этой же моделях анализируются и линии пересечения поверхностей (здесь из-за и для простоты не показаны). Для такого анализа и рациональна визуализация модели ЭМСЕ как на рис.1

. Желательно, чтобы студент выполнял работу с “открытыми глазами”. И в этом аспекте геометрический и функциональный анализ, формируя элементы проектного мышления, должен стимулировать появлению у студентов важного вопроса: почему форма этой детали именно такая и какая другая возможна? Базовая геометрия определяется рядом функций этой детали в составе СЕ и они необходимо находят отражение в её форме. Чтобы избежать излишней “специализации”, функций, используем деление их на обобщенные группы.

Обобщенные функции, определяющие конструкцию детали в составе любой СЕ такие: инструментальные или рабочие (Р), непосредственно связанные с “потребительской” функцией самой детали в СЕ; прямая рабочая функция клапана препятствовать или обеспечивать ток газа или жидкости в зависимости от взаимного положения с другими деталями; технологические (Т), - обусловленные технологией образования данной поверхности; адаптивные (А) - необходимые для соответствующего сопряжения (взаимодействия) её поверхностями других деталей, человеком и средой при выполнении рабочей функции.

На геометрию детали и её параметры, и это важно подчеркнуть, влияет и ряд факторов нормативного и субъективного характера. Это стандарты и нормали (“стандартизованная” субъективность)., необходимые для унификации отдельных деталей и их элементов, позволяющие повысить эффективность проектирования и производства, кооперацию и эксплуатацию изделий. Влияет на конкретную форму и материальные, временные и другие ресурсы, сугубо субъективные конструкторские традиции, допустимые “конструкторские ошибки” и эстетические факторы. Отдельные элементы формы и их параметры, интегрируя влияние совокупности этих факторов и отображаются в форме и выполняют функцию их “отражения” Поэтому называем их интегральными (И) (в [10] - интегративные). Конечно, в большинстве случаев, данный элемент формы обусловлен совместным функциональным влиянием, но одна из функций является, как правило, “ведущей”. На рис.2 иерархия этих функций показана порядком указания только первых двух из них по степени влияния на данный элемент формы (под полочкой). При таком анализе важно обращать внимание на то, что рассмотренные функции могут быть реализованы на основе другой “геометрической комбинации”. У студента должно появиться ‘ощущение”, что данная геометрическая форма детали не является единственной для выполнения данной “потребительской” функции в составе сборочной единицы. Функциональная компонента такого анализа позволяет развивать сюжет и в направлении поиска альтернативной формы детали и даже конструкции сборочной единицы. Но это “отдельная тема”.

Результаты геометрического анализа базовой формы являются основой для дополнения её конструктивно - геометрическими нюансами. И здесь тоже в учебной практике полезно опереться на проектную методику. Известно, что при проектировании и конструировании активно используется различные, явные или неявные, контрольные списки (базы) не только типовых деталей, но и их элементов. Все это уменьшает количество ошибок как при конструировании, так и в учебных работах. Одна из функций таких списков в ГГП - приобщение студентов к функциональной и проектно- конструкторской терминологии. “Список”- термин исторический и сейчас в приложениях специализированных пакетов это элементы баз типовых, стандартизированных и нормализованных элементов. Возможный фрагмент такого списка показан в таблице 1.

Таблица1.

Примерный список типовых конструктивно – технологических геометрических элементов деталей вращения и их функции

После описанного геометрического и функционального анализа выполнена рабочая ЭМД (рис.3) и соответствующий 2D – электронный чертеж (рис.4) на основе ассоциативных изображений ЭМД

Описанный сюжет был реализован в обычной (с фронтальной программой) учебной группе в порядке индивидуализации задания для студента, имеющего предварительную подготовку. Выполнено четыре ЭМД и соответствующих чертежа. Кроме того, в соответствии с рабочей программой семестра, по отдельным заданиям выполнялись эскизы моделей деталей, фрагменты резьбовых соединений, сборочный чертеж по заданному набору деталей и схеме СЕ и схема энергетическая (Р3) тепловой установки. Заметим, что логика описанного сюжета с акцентированным анализом детали не предполагала её “изучение как таковую”, а естественно присутствовала в процессе выполнения задания.

Подготовку текстовой и иллюстративной части статьи авторы, конечно, выполнили уже за пределами расписания. Такое пролонгированное общение студента и преподавателя может рассматриваться как фрагмент индивидуализации отдельных элементов инженерной подготовки. Для утверждения она, разумеется, требует дополнительного времени и организационной поддержки.

Список литературы

1.Лепаров М.Н. Состояние и тенденции геометро - графической подготовки как компанент инженерного образования в Болгарии /  М.Н. Лепаров, М.Х. Попов //  Сборник материалов IV-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации ». Пермь-2014. С. 61-76

2. Абросимов С.Н. Проектно – конструкторское обучение инженерной графике: вчера, сегодня, завтра / C.Н. Абросимов, Д.Е. Тихонов – Бугров // Геометрия и графика. – 2016.- Т.3-№3- С.47-57

3.Иващенко В.И. Задачи кафедры инженерной графики СГАУ в контексте реинжниринга учебных планов / В.И.Иващенко, А.И.Ермаков, Л.А. Чемпинский / Материалы и доклады Всероссийского совещания заведующих кафедрами инженерно – графических дисциплин технических вузов ( 26.05-28.05 2015г), Ростов на Дону, - 2013.С.56-63

4. Варушкин В.П. Использование  САПР для курсового проектирования / В.П. Варушкин //  Сборник материалов IV-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации ». Пермь-2015. С. 152-160

5.  Корнилкова Е.В.  Курсовое проектирование в курсе  “Инженерная  графикиа “ /  Е.В.  Корнилкова, А.Б. Шахова //  Сборник материалов V-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации ». Пермь-2015. С. 268-278

6.Абросимов С.Н. Скицирование и восстановление геометрической информации в образовательном процессе/ C.Н. Абросимов, Б.И.Рыбин //  Сборник материалов 5-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации ». Пермь-2015,  С. 522-529

7. Горнов А.О. ГГП - состояние, тенденции, прогнозы/ А.О.Горнов, Е.В.Усанова, Л.А. Шацилло //Сборник материалов 3-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе в условиях перехода на образовательные стандарты нового поколения». Пермь-2013,  С.39-47

8. Горнов A.О. Основание для алгоритмизации простановки размеров / А.О.Горнов,  А.Ю. Губарев, Л.В. Захарова //Cборник трудов  МНТК Информационные средства и технологи . М.;- 2010. С.56-62

9. Горнов А.О. Новые информационные технологии и междисциплинарные связи./ А.О. Горнов. В.Н Кауркин // Труды МНМК  “Информатизация инженерного образования “ – М.; Издательский дом МЭИ,  2012 , C.27-28 .

10.Методика художественного конструирования. Дизайн-программа./ Коллектив авторов под ред. Л.А. Кузьмичева, В.Ф. Сидоренко, Д.Н. Щелкунова. М: ВНИИТЭ. -1987, С.172

Рисунки к докладу

Исходная 3D-модель (ЭМСЕ)

Фрагмент  геометро - функционального анализа клапана

ЭМ  детали  “клапан”

Чертеж клапана на основе ассоциативного изображения

Рукавишников Виктор Алексеевич (10 марта 2016 г. 13:00)	Добрый день Александр Олегович! Месяц назад к нам перевелся студент из вашего университета после первого курса. Ему нужно было досдать вариативную дисциплину «Компьютерное моделирование». Он утверждал, что он и все другие студенты на ваше кафедре выполняли все графические работы только вручную (без компьютера) в соответствии с программой и что у Вас есть платные курсы по AutoCAD, на которых только отдельные студенты могут ознакомиться с компьютерными технологиями. Так ли это? Обучался ли Ваш соавтор на таких курсах? Что должны сделать Ваши студенты на компьютере и без него во втором семестре? Они у Вас выполняют графические работы на компьютере только в аудитории или также дома? Какой программный продукт использовался? На сайте вашей кафедры выставлены учебные пособия 1980х годов, а современные есть? Спасибо.
Горнов Александр Олегович (10 марта 2016 г. 23:31)	Виктор  Алексеевич,  добрый  вечер! Делю  Ваши вопросы и, соответственно, ответы  на  две группы – 1) по статье и 2) риторические, по крайней мере, для Вас . Соавтор  работал в Компасе и это ясно из материалов  статьи (см. резюме авторов и  указание в тексте) Вторые    вопросы  вне  моей  компетенции  уже почти десять лет (см. опять же резюме) и это Вам хорошо  известно.  Более того,  концептуальные, целевые и подцелевые, программные, методические,   статусные, кадровые , рекламные  и  т.п.  вопросы, связанные с   основными  и  дополнительными   курсами  и программами  подготовки на кафедре находятся в прямой компетенции  её руководства . Поэтому,   если  Вы хотите освежить эту и  ту  информацию, которую комментировали в статье  на  НМК  ИСТ  в  2012г, то лучше  обратиться  к зав.кафедрой , чьи координаты  есть на сайте , который, Вы , судя по всему , посещали.                                                  С  уважением, А.О.