87234

Применение реально-виртуальных учебных комплексов с компьютерными системами ЧПУ в учебном процессе

Научная статья

Информатика, кибернетика и программирование

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

Русский

2015-04-17

2.88 MB

2 чел.


УДК 519.7

ПРИМЕНЕНИЕ Реально-виртуальныХ УЧЕБНЫХ комплексов с компьютерными системами ЧПУ в УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

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

канд. техн. наук Смирнов В.А.

Южно-Уральский государственный университет

Россия, г. Челябинск, тел. (3512) 67-92-43;

e-mail: mpg@susu.ac.ru

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.

 

Рисунок 1– Имитатор токарного Рисунок 2– Имитатор сверлильно

станка с ЧПУ  -фрезерного станка с ЧПУ

Рисунок 3 – Имитатор  Рисунок 4– Имитатор устройства

кривошипного пресса  автоматизированной смены

  инструмента

Рисунок 5 – Учебный сверлильно- Рисунок 6 – Модель узла

фрезерный станок с ЧПУ  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.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13520. Браузеры 23.5 KB
  Браузеры Браузерами называются программы которые считывают данные документы страницы с удаленных далеко расположенных компьютеровсерверов а затем демонстрируют их на компьютерахклиентах. Термин браузер происходит от английского слова browse означающего про...
13521. Поисковые системы и каталоги 23 KB
  Поисковые системы и каталоги Объем хранящейся в Интернете информации чрезвычайно велик. На серверах сети хранится более 2 миллиардов Webстраниц. Пользователи разыскивают в Интернете не только текстовые документы новости но и фото аудио видеоматериалы товары услу...
13522. Основные понятия Web-дизайна 23.5 KB
  Основные понятия Webдизайна Термин Webдизайн состоит из двух частей. Первая часть Web это сокращенное написание слов World Wide Web Всемирная Паутина. Вторая часть термина слово дизайн происходит от английского слова design что означает: проектировать конструировать пла
13523. Исследование QR-кода 1.06 MB
  Методические указания к проведению лабораторной работы Исследование QRкода Введение Современные телекоммуникационные технологии стремительно внедряются в нашу повседневную жизнь. Удивительные возможности помехоустойчивого кодирования можно рассмот...
13524. Методы сжатия информации 654 KB
  Методические указания к проведению лабораторной работы Методы сжатия информации Введение Сжатие информации проблема имеющая достаточно давнюю историю. Методы сжатия информации разрабатывались одновременно с разработкой новых методов помехоустойчивог
13525. Синтез и анализ комбинационных цифровых устройств 178 KB
  Лабораторная работа 13 Синтез и анализ комбинационных цифровых устройств Подготовка к работе По указанной литературе изучить порядок работы с программой Electronics Workbench EWB ответить на контрольные вопросы. Контрольные вопросы Оха
13526. Симметричные шифры 155 KB
  Симметричные шифры Подготовка к работе Изучить криптографические методы преобразования информации. Ответить на контрольные вопросы. Контрольные вопросы Как осуществляли шифрование с помощью скиталы Какова основная идея ши
13527. Моделирование криптосистем с помощью программы Multisim 554.5 KB
  Моделирование криптосистем с помощью программы Multisim 1. Подготовка к работе По указанной литературе и Приложению к данным методическим указаниям изучить работу пакета Electronics Wokbench Multisim принцип гаммирования ответить на контрольные вопросы. 2. Контрольные воп...
13528. Сокрытие информации в текстовых и графических файлах 795 KB
  Сокрытие информации в текстовых и графических файлах 1. Подготовка к работе Изучить порядок работы с программой StegoMagic 1.0. Ответить на контрольные вопросы. 2. Контрольные вопросы 2.1. В чем состоит основная идея стеганографии 2.2. Для чего предназначена програ