Применение реально-виртуальных учебных комплексов с компьютерными системами численного программного управления (ЧПУ) в учебном процессе

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Южно-Уральский государственный университет Россия, г. Челябинск

Применение реально-виртуальных учебных комплексов с компьютерными системами численного программного управления (ЧПУ) в учебном процессе

директор ЧелОблЦНИТ, д-р техн. наук, проф. Мазеин П.Г.,

канд. техн. наук Смирнов В.А.

В лабораториях учебных заведений России и СНГ в подавляющем большинстве использовалось оборудование (в том числе, с ЧПУ) производственного назначения, занимающее большие площади, требующее больших энергозатрат и затрат на обслуживание, не отвечающее дидактическим требованиям современных обучающих технологий и не обеспечивающее должного уровня решения учебно-методических задач. Проблема усугубляется физическим и значительным моральным износом оборудования, практически не подлежащим в настоящее время ремонту и восстановлению из-за прекращения выпуска элементов аппаратной части устройств ЧПУ (УЧПУ).

Эффективным средством решения возникших проблем являются настольные учебные станки с компьютерными системами ЧПУ, требующие малых затрат энергии, гибко реализующие все требующиеся функции устройств ЧПУ, позволяющие значительно повысить эффективность управления и учебного процесса. Станки содержат механическую часть (редукторы, винтовые передачи, подвижные и неподвижные соединения, валы, оси, подшипники и другие детали); электрооборудование и электронику (электродвигатели, усилители, трансформаторы, транзисторные преобразователи, конечные выключатели, реле, реальные и виртуальные измерительные приборы, платы стыковки станка и компьютера и др.); систему управления следящими приводами (датчики обратной связи, программные регуляторы, интерполяторы, программы формирования управляющих сигналов, программы работы электроавтоматики, программы диагностирования и адаптивного управления, программы имитаторов станка и УЧПУ, учебно-методические программы и др.).

Вышеперечисленное дает возможность многофункционального дидактического использования разработанных комплексов “Станки с ЧПУ” как для различных специальностей и дисциплин, так и для различных образовательных уровней (профориентация, начальная профессиональная подготовка в профучилищах, а также подготовка и переподготовка в колледжах, вузах). Многофункциональность комплексов обеспечивается также возможностью их использования при чтении лекций, для практических и лабораторных работ, для самостоятельных работ учебного, учебно- и научно-исследовательского характера, при подготовке будущими бакалаврами, дипломированными специалистами дипломных проектов и магистрами при выполнении диссертаций по различным специальностям

Роль учебных компьютеризированных комплексов в учебном процессе проявляется на всех этапах их создания: при разработке проектов, при изготовлении комплексов, при их отладке, при эксплуатации, при разработке перспективных вариантов, при представлении на конференциях, выставках, при подготовке публикаций.

При разработке комплексов студенты участвуют в предварительной проработке вариантов приводов станков, компоновок узлов; выполняют кинематические, силовые и прочностные расчеты; обосновывают назначение станков, их технические характеристики; выполняют различные варианты конструкций узлов станков; разработку электроприводов, электроники, программного обеспечения; анализируют и сравнивают различные варианты; осуществляют поиск аналогов и комплектующих в INTERNET, поиск поставщиков более качественных и дешевых комплектующих; вникают в возможности стыковки и согласования характеристик комплектующих; обеспечивают выполнение стандартов, нормы безопасности, принципов дидактики и выбирают необходимые средства информационных обучающих технологии и мультимедиа; создают и используют САПР, разрабатывают варианты обучающих и контрольных тестов.

В проектах студентами решаются вопросы проектирования механической части станков, подиумов, проектирования электроприводов, расчета динамики приводов, проектирования СЧПУ, разработки программного управления, разработки программной видеографики, компьютерных имитаторов, бизнес-планов производства станков, выполняются технологические и конструкторские исследования.

При реализации созданных проектов студенты участвуют в технологической подготовке производства и разработке и обосновании технологических процессов; размерном анализе, в создании и диагностировании управляющих программ для станков с ЧПУ; изготовлении деталей, сборке и регулировке узлов; сборке узлов станков, регулировке и отладке механической части станков; в монтаже электронных плат, испытаниях, создании программного обеспечения; разработке тестирующих и диагностирующих алгоритмов и программ, в разработке Web-страниц и сайтов учебных программ удаленного доступа в INTERNET.

При эксплуатации учебных комплексов студенты выполняют лабораторные и практические работы по станкам, автоматизации, технологии, электроприводам, системам управления, САПР, роботам, ГПС и др.; проводят учебно- и научно-исследовательские работы по вышеуказанным и смежным направлениям; выполняют курсовые и дипломные работы, дипломные проекты и магистерские диссертации; разрабатывают методики лабораторных и исследовательских работ; выполняют разработку управляющих программ обрабатки изделия на станках с ЧПУ; привлекают других студентов (для ознакомления, для участия, для использования комплексов в учебных целях и для технического творчества) к работе; знакомят заинтересованных посетителей с функциональными возможностями комплексов.

Неформальное общение при создании и эксплуатации комплексов происходит на нескольких уровнях: студент - преподаватель; студенты младших и старших курсов; студенты разных специальностей; студенты - посетители выставок и презентаций; студенты - заказчики учебного оборудования; студенты - представители фирм, производящих комплектующие для стендов; студенты - с пользователями INTERNET.

Концепция комплексов - обеспечение непрерывности и преемственности образовательного процесса; обеспечение профориентации и технического творчества; соответствие международному научно-техническому уровню, сочетание виртуальности и реальности воспроизведения функций оборудования, многофункциональность, гибкость; компактность, безопасность, питание от сети освещения, малые затраты электроэнергии.

На рис. 1-6 представлены компьютерные имитаторы и оборудование с компьютерным управлением.

станок программный управление компьютерный

Рисунок 1Имитатор токарного станка с ЧПУ

Рисунок 2 Имитатор сверлильно-фрезерного станка с ЧПУ

Рисунок 3 Имитатор кривошипного пресса

Рисунок 4 Имитатор устройства автоматизированной смены инструмента

Рисунок 5 Учебный сверлильно-фрезерный станок с ЧПУ

Рисунок 6 Модель узла токарного станка с ЧПУ

Применение комплексов позволяет: получать представления о возможностях станков и режущих инструментов; изучать схемы и физику процессов резания различных материалов; получать представления о технологии обработки конструкционных материалов; изучить работу резцов, осевых инструментов и фрез; научиться программировать обработку деталей на станках с ЧПУ и др.

Одним из путей эффективного использования в учебном процессе уникального дорогостоящего оборудования является система удаленного доступа. В состав страницы удаленного доступа входят следующие разделы: Кафедра. Стенды. Имитаторы. Моделирование (компьютерное, физическое). Отчеты. Заявки. На начальном этапе предусматривается выполнение заявок, заказов и проведение консультаций, на втором этапе предусмотрен доступ к самостоятельной работе на виртуальных станках с ЧПУ и виртуальных ГПС, затем демонстрация отработки заявок и заказов в режиме реального времени. Самостоятельная работа удаленных пользователей с реальным оборудованием в режиме реального времени предусмотрена на последнем этапе внедрения работы. Наиболее эффективной может быть работа с созданными стендами учебного оборудования в системе Центров коллективного пользования, организация которых крайне необходима.

В настоящее время в задания по самостоятельной работе студентов включены вопросы автоматизированного проектирования изделий, оснастки и управляющих программ для станков с ЧПУ в едином программном комплексе с использованием CAD/CAM-систем на разработанных учебных стендах.

Вышеописанные формы работы не требуют специальных методических приемов и затрат времени преподавателя на контроль, так как оценка ведется по реальному результату работы.

Таким образом, создание учебных комплексов при активном участии на всех этапах студентов способствует интенсификации и повышению качества внеаудиторной самостоятельной работы и тем самым формированию специалиста в полном смысле этого слова.

Первоначальная версия программного обеспечения выполняла управлением реальным токарным станком, имевшем две одновременно управляемых координаты следящих приводов подач, регулируемый привод главного движения и шестипозиционную револьверную головку. Возрастание реализуемых дидактических и функциональных возможностей виртуальных и реальных станков, в том числе, и фрезерного типа, стало возможным лишь с созданием программного обеспечения в операционной системе реального времени.

Разработано новое поколение систем компьютерного управления (класса PRCNC), которое позволило перейти к реализации новой версии программного обеспечения в Windows, обеспечивающей большую гибкость управления и практически неисчерпаемые дидактические возможности для реализации креативных образовательных методик, обеспечивающих как фундаментальность специалистов, так и творческие способности.

Одной из таких возможностей является применение CAD систем для визуализации конструкции и работы узлов станков, исследование в CAE системах напряженно-деформированного состояния деталей несущей системы станков (рис.6), трансляция из CAM систем управляющих программ для обработки деталей на станках с ЧПУ и др.

В настоящее время не существует нормативных документов регламентирующих требования к учебным стендам, комплексам и станкам. Эти требования приходится вырабатывают в процессе создания стендов с компьютерным управлением.

Важнейшими из них являются: системность подхода к обучению, гибкость по формам, способам, методами и образовательным уровням, возможность индивидуального подхода к обучающимся, оптимальное сочетание теоретических и практических форм, открытость системы для дополнений и изменений, возможность выполнения студенческих научно-исследовательских работ, креативность и самостоятельность обучения, активизацию познавательной и творческой деятельности, наличие обратной связи преподавателя и студента, возможность текущего и окончательного контроля представлений, знаний, умений и навыков, модульность конструкции и программного обеспечения, возможность обучения для лиц с физическими недостатками, поощрение успеха учащихся, демонстрацию дружелюбия, корректность критических замечаний, дифференциацию учебного материала по уровням и задачам обучения, сочетание современных форм воздействия, использующих новые информационные технологии, возможность работы в системах удаленного доступа и дистанционного обучения, возможность общения с ведущими специалистами в режиме реального времени или периодических консультаций.

Опыт создания учебных стендов показал, что невозможно отдельными показателями определить и оценить качество (эффективность) учебного оборудования. Определяющим для учебного оборудования должны быть комплексные показатели качества, характеризующие в совокупности учебно-методические свойства и показатели научно-технического уровня, а также свойства безопасности. Оценка качества учебного оборудования должна проводиться на основе экспертных оценок специалистов (ведущими непосредственное обучение в течение не менее трех лет) соответствующих уровней образования, с учетом результатов контроля остаточных знаний, умений и навыков учащихся по данной дисциплине через определенный период времени, а также оценок руководителей предприятий, получающих молодых специалистов. Стенды на базе станков с компьютерным управлением не имеют аналогов в России и СНГ и по своим техническим параметрам не уступают, а по дидактическим возможностям превосходят зарубежные [1,2].

В работе со стендами кроме студентов технических специальностей могут принимать участие студенты других специальностей: экономисты (проработка экономической эффективности вариантов стендов, разработка бизнес-планов на разработку и производство учебного оборудования), юристы (защита прав на созданное оборудование), педагоги (разработка дидактических аспектов применения учебных многофункцональных стендов в системе удаленного доступа), менеджеры, маркетологи, специалисты по стандартизации, метрологии, системам качества и др.

Таким образом, разработанные реально-виртуальные комплексы (стенды) учебного оборудования с компьютерными системами ЧПУ (станки с ЧПУ, роботы, гибкие производственные модули и системы, компьютерные имитаторы и модели станков и их узлов) обеспечивают эффективность процесса обучения, снижают затраты на учебное оборудование и затраты энергии на его эксплуатацию.

В настоящее время продолжается развитие как дидактического, так и научно-технического обеспечения разработанных учебных стендов, на которые в 2003 году получены патенты на полезные модели.

Литература

1. Сверлильно-фрезерный станок с компьютерной СЧПУ/ П.Г. Мазеин, В.С. Столяров, С.В. Шереметьев и др. - Челябинск: ЮУрГУ, 2001. - 80 с.

2. Мазеин П.Г., Лецковска С.А. Многофункциональни учебни комплекси (стендове) на базе стругови и фрезово-пробивни машини // Годишник на БСУ. Юбилейно издание, Т. 1. Бургас: “ИРИТА” ЕООД, 2001. - С. 84-90.

Размещено на Allbest.ru