Стремительная автоматизация производственных процессов в приборостроении, машиностроении, строительстве требует совершенствования существующих подходов к проектированию и конструированию. Высокотехнологические отрасли уже не могут существовать без повсеместного использования станков с числовым программным управлением (ЧПУ), робототехники и прочего оборудования, связанного между собой программными алгоритмами. Очевидно, что любое производство начинается с проекта. Использование современных, продвинутых с точки зрения автоматизации, методов при проектировании изделия является основой для успешной реализации любой задачи.

При проектировании нового изделия первичной стадией является создание чертежа общего вида, по которому разрабатывается проектно-конструкторская документация: для деталей – рабочие чертежи; для сборочных единиц – сборочные чертежи и спецификации. В связи с развитием новых технологий, а именно 3D технологии построения чертежа целесообразно использовать трехмерные модели: для изготовления по ним деталей; для разработки рабочих чертежей деталей, а также использовать для сборки изделия. Сборочная единица состоит из моделей и дает наиболее полную и наглядную информацию о деталях, входящих в изделие, способах их соединения и последовательности сборки.

Представление изделия в виде 3D сборки, состоящей из моделей деталей, позволяют:

– конструировать и изменять форму деталей на различных стадиях разработки;

– устанавливать способы соединения деталей;

– изменять элементы детали в связи со способами соединения;

– моделировать движение и взаимодействие деталей;

– проследить последовательность сборки и разборки изделия;

– производить прочностные, теплотехнические расчёты всего изделия в целом и процессов, воздействующих на него.

Иногда при проектировании требуется изменить форму или какой-либо элемент детали, входящей в сборочную единицу. Для этого применяется моделирование непосредственно «по месту», где можно использовать геометрию уже имеющихся объектов в качестве опорных. Кроме того, между деталями образуется ассоциативная связь, которая означает, что при изменении геометрии одной детали остальные, связанные с ней, меняют форму и размеры. Все эти задачи позволяют решать программные комплексы автоматизированного проектирования, такие как AutoCAD, Компас, Solid Edge, Solid Works, Revit, ANSYS и т.д.

Обращаясь к вопросу подготовки кадров для работы в проектно-конструкторских организациях с использованием приведенных программных пакетов, необходимо отметить, что любой высококлассный специалист получает базовые технические знания в высшем учебном заведении, поэтому подготовка студентов на достойном уровне в настоящее время немыслима без внедрения новых технологий в учебный процесс [1–3]. В Тюменском нефтегазовом университете активно внедряются современные компьютерные технологии, в учебный процесс включены такие дисциплины, как «Компьютерная графика», «Инженерная и компьютерная графика», «Автоматизация графических работ». Основной целью курса является формирование у студентов эстетических и функциональных качеств предметной графической среды с использованием технических и программных средств компьютерной графики [4].

Одной из форм повышения эффективности компьютерной графической подготовки студентов являются олимпиады [6]. С 1998 года студенты ТюмГНГУ успешно принимают участие вовсероссийских и международных олимпиадах по графическим информационным технологиям. В Тюменском государственном нефтегазовом университете ежегодно проводится внутренний тур студенческой олимпиады по направлению «Инженерная компьютерная графика». В апреле каждого года проводится региональный тур олимпиады «Интеллект».

В качестве программного продукта используются лицензионные версии пакета AutoCAD, Компас 3D. Участникам олимпиады предлагается задание: по чертежу общего вида выполнить твердотельные модели указанных деталей (обязательно корпус), входящих в изделие, и рабочие чертежи этих же деталей, иногда кроме рабочего чертежа предлагается выполнить сборку изделия используя банк блоков (трехмерных моделей). Таким образом, задание основывается на знании курса компьютерной графики (трехмерного геометрического моделирования) и инженерной графики (проекционного и технического черчения). Подготовка олимпиадного задания осуществляется сторонним вузом по поручению оргкомитета олимпиады. Подготовка задания по компьютерной графике подразумевает разработку подробных критериев оценки работ студентов в баллах по каждому пункту, так как в отличие от олимпиад по другим номинациям здесь должно учитываться не только владение теоретическими знаниями моделирования визуальных объектов, но и владение навыками быстрой работы с программными средствами компьютерной графики, а также творческий подход к выполнению заданий.

Рассмотрим общепринятые (как на производстве, так и в процессе обучения) этапы моделирования изделия в программной среде AutoCAD или Компас 3D.

На первом этапе осуществляется формирование 3D модели корпусной детали, т.к. она заключает в себе единство баз: конструкторской, технологической и измерительной. Корпусной детали уделяется очень большое внимание в связи с её функциональным назначением, сложной формой, количеством присоединяемых деталей и т.п.

На втором этапе разрабатывается банк 3D моделей деталей, входящих в изделие. Банк моделей представляет собой набор готовых блоков, как стандартных деталей, так и оригинальных, из которых выполняется дальнейшая сборка изделия в зависимости от способов соединения деталей. В таких системах проектирования, как «Компас 3D», нет необходимости в создании моделей стандартных деталей, т.к. имеются библиотеки.

На третьем этапе осуществляется процесс сборки, где сборочная единица создается с помощью соединения трехмерных моделей деталей, начиная с корпуса, в таком порядке, чтобы каждая последующая деталь имела общие сопрягаемые поверхности с уже вставленными моделями деталей, на которые накладываются сопряжения, ограничивающие степень свободы. Тем самым каждая деталь занимает свое место в изделии. Иногда требуется предварительное объединение нескольких деталей в сборочную единицу с последующим сопряжением с изделием.

Визуализация внутреннего содержания сборочной единицы осуществляется с помощью разреза, где можно увидеть: местоположение деталей, точность соединения, наличие зазоров и т.д., что позволяет проследить правильность выполнения сборки изделия и выявить коллизии, т.е. невозможные наложения элементов, неточности в соединении.

При создании 3D сборки в модуле кинематических связей возможно моделирование движения деталей, способов взаимного перемещения. Таким образом, трехмерное моделирование сборки позволяет проанализировать процесс работы изделия с точки зрения адекватности перемещений подвижных узлов изделия. Моделирование сборочных единиц позволяет исключить ряд ошибок еще на ранних стадиях проектирования, например:

– неверную последовательность соединения деталей;

– несовпадение присоединительных размеров;

– отсутствие зазоров;

– неточность определения точки вставки детали и т.д.

Опыт работы авторов статьи показал, что логическим развитием навыков 3D моделирования является обучение специализированным программам по прочностным, тепловым расчетам и оптимизации формы и функционала изделия. Ярким примером такого подхода являются работы [5, 7–10], в которых авторы решали задачи обеспечения прочности и устойчивости конструкций вертикальных стальных резервуаров для хранения нефти. Так, в данных работах сначала моделировалась 3D геометрическая модель сооружения, а затем с использованием метода конечных элементов (МКЭ), выполнялся расчет на обеспечение условий прочности с учетом действующих эксплуатационных нагрузок, граничных и контактных условий.

На рис. 1–3 представлены разработанные 3D модели корпусных деталей в ходе подготовки к студенческим олимпиадам студентов 2–5 курсов технических специальностей.

Одним из важных результатов проведения олимпиад являются рекомендации экспертной комиссии, состоящей из представителей разных вузов и администрации Тюмени и Тюменской области, по увеличению количества направлений в программах ВПО по компьютерной графике с целью привлечения студентов не только инженерных специальностей, в том числе студентов-дизайнеров.

а б в

г д е

Рис. 1. 3D сборка редуктора

а б

в г

Рис. 2. 3D сборка приспособления для проверки биения торца блока шестерен

Рис. 3. 3D сборка тисков пневматических

Также в актуальных задачах по развитию олимпиадного движения значится расширение направлений и привлечение большего количества студентов за счет кружковой работы:

1) моделирование сборочных единиц, прототипирование изделий, создание прототипа изделия и выполнение модели с соблюдением требований 3D печати;

2) графический компьютерный дизайн с использованием программных средств CorelDraw, Adobe PhotoShop или 3D Studio Max.