VIRTUÁLNÍ PROTOTYPY VE VÝUCE STROJÍRENSKÝCH PŘEDMĚTŮ

VIRTUÁLNÍ PROTOTYPY VE VÝUCE STROJÍRENSKÝCH PŘEDMĚTŮ Karel Dvořák Univerzita Hradec Králové, Pedagogická fakulta 603 319 305, [email protected] Katedra technické a informační výchovy 5.mezinárodní konference Nové technologie ve výuce PedF MU Brno 2011

Resumé. Příspěvek představuje moţnosti počítačové podpory výuky odborných strojírenských předmětů na SPŠ a VOŠ prostřednictvím CAx / PLM nástrojů. Je uvedena problematika zavedení CAx nástroje do výuky a potenciál vyuţití při práci na školních projektech. Postupy jsou zaloţené na komplexním vyuţití CAD, CAE a CAM nástrojů pro tvorbu projektů virtuálních prototypů. Studie uvádí moţnost nasazení PLM nástroje pro správu digitálních dat projektů a pro podporu distanční i prezenční výuky. Koncepce vychází ze zkušeností a průběţných výsledků výzkumu probíhajícího ve školním prostředí a v průmyslové praxi. Klíčová slova: Virtuální prototyp, výuka na projektech, strojírenská praxe, 3D CAD model.

CAE - Computer Aided Engineering, provádění simulací a analýz na konstrukčním návrhu vytvořeném v CAD.

1. ÚVOD Postupy uplatňované v současné průmyslové strojírenské praxi kladou stále nové poţadavky na znalosti a dovednosti absolventů technických škol, spojené s výrazným podílem vyuţití CAx technologií (CAD, CAE, CAM) pro řešení konstrukčních a technologických úloh. S aktuální situací souvisí optimální nasazení uvedených aplikací ve výuce na technicky orientovaných školách. Počítačem podporované inţenýrské činnosti přinášejí nové přístupy k tvorbě a analýze návrhů, nebo generování postupů výroby a montáţe. Velké mnoţství datových souborů, sloţitost postupů a potřeba sdílení informací na různých místech planety při dostatečné kontrole a bezpečnosti si vyţádalo nasazení systémů řízení dat a procesů. Vlastnosti CAx nástrojů v průmyslové praxi i ve školním sektoru jsou známé a byly jiţ zmíněny v celé řadě publikací. V tomto textu je vedle specifik nasazení CAx technologií představen také PLM Product Lifecycle Management systém jako nástroj pro organizaci dat a podporu prezenční i distanční výuky na projektech virtuálních prototypů.

CAM - Computer Aided Manufacturing, tvorba a verifikace technologie s vyuţítím 2D, nebo 3D modelu, vytvořeného v CAD. Virtuálním prototypem je CAD model, na kterém lze provádět CAE simulace a analýzy k ověření vlastností a chování pří plnění své funkce v reálném provozu. Samostatnou skupinu představují aplikace PLM. Product Lifecycle Management lze povaţovat za určitou zobecněnou filozofii přístupu k řízení dat a informací souvisejících s produkcí výrobku [2]. PLM systém jiţ představuje software, který zahrnuje integraci vývojových a výrobních dat, zajišťuje sdílení těchto dat mezi zúčastněnými uţivateli a umoţňuje definování procesů, nebo informačních toků. Jde o rozšíření a do jisté míry "oţivení" tzv. PDM (Product Data Management) systémů, které představují spíše databáze příslušných dat a řídí jejich zpřístupnění. Uvedené systémy mají vedle průmyslového vyuţití také didaktický potenciál pro podporu výuky, jejímţ cílem je dosaţení technickou praxí poţadovaných znalostí a dovedností absolventů strojírenských oborů středních a vyšších odborných škol.

2. CAX/PLM TECHNOLOGIE Konstrukční návrh produktu a technická příprava výroby jsou v praxi realizovány za počítačové podpory vyuţitím CAx/PLM technologií. Skupiny CAx technologií lze rozdělit na specificky zaměřené aplikace, které mohou být vyuţívány samostatně, nebo prostřednictvím modulů komplexního CA nástroje. Představení tří základních podskupin sleduje nasazení nástrojů v rámci procesu návrhu a výroby produktu a s tím spojené postupy ve školní výuce. Bliţší popis lze nalézt např. v [1] str. 233.

3. PŘEDPOKLADY NASAZENÍ CAX / PLM Pro dosaţení odpovídající úrovně odborných kompetencí absolventů strojírenských oborů bylo ještě donedávna nezbytné nasazení minimálně 2D a později 3D CAD aplikace ve výuce. Cílem bylo seznámení s nástroji pro tvorbu převáţně výkresové technické dokumentace. Současný stav vyţaduje vedle schopnosti pracovat s konkrétní aplikací také dovednosti řešit rozsáhlejší komplexní úlohy s podporou výše uvedených nástrojů. Výkresová technická dokumentace je pouze jedním z produktů vyuţití popisovaných technologií. Efektivní cestou můţe být výuka na komplexních projektech virtuálních prototypů. Specifika takto koncipované výuky

CAD - Computer Aided Design, počítačová podpora konstruování, tvorba 3D datových modelů a 2D výkresové dokumentace.

1

jsou uvedena např. v [3], obecnější popis lze nalézt v [4], nebo [5]. Pro realizaci výuky na projektech, podporovaných CAx / PLM nástroji je však nezbytné splnění základních poţadavků. Výchozí kompetence posluchačů před realizací CAX / PLM podporované výuky by měly být následující:

ukazují na nedostatek relevantních studijních materiálů a výukových opor, např. v [6]. Potvrzuje to i šetření mezi posluchači v průběhu výuky a práce na projektech. Prostřednictvím PLM nástroje lze distribuovat vzorové CAD řešení, textové, nebo obrázkové prezentace a videosekvence s komentovanými postupy. Výhodou nasazení PLM nástroje vedle standardních LMS je seznámení posluchačů s aplikací, vyuţívanou v průmyslové praxi a získání praktických zkušeností s filozofií a postupy, uplatňovanými při práci v oboru po absolvování studia.

Základní obecné znalosti práce s ICT. Znalosti pravidel pro tvorbu technické dokumentace klasickou metodou bez podpory počítače. Schopnost orientovat se v technických normách. Teoretické znalosti strojírenské problematiky, vycházející z jednotlivých odborných předmětů.

5. ŽÁKOVSKÉ PROJEKTY VIRTUÁLNÍCH PROTOTYPŮ

Dalším důleţitým prvkem pro realizaci výuky na komplexních projektech virtuálních prototypů je kvalifikace a motivace pedagogů. Lze uvést např.: Dovednosti a zkušenosti s pouţitým CAx nástrojem. Znalost pouţitého PLM systému. Vazba na průmyslovou praxi. Nezbytným faktorem je také technologická báze, představující hardwarové a softwarové vybavení školy. Zde lze uvést zejména: Vybavení alespoň jedné učebny dostatečně výkonnými stanicemi. Disponování dostatečným CAx / PLM instalace.

mnoţstvím

licencí

Stabilní síťové připojení a školní server. Určitým úskalím by mohlo být vlastnictví licencí. CAx nástroje jsou obecně velmi nákladné. Existují však akademické licence za symbolické náklady. Řešením můţe být i zapůjčení licence na určité období.

4. PLM V ROLI VÝUKOVÉHO LMS Specifickým případem je vyuţití PLM nástroje v roli LMS Learning Management systému. PLM systém lze vyuţít pro organizaci veškeré dokumentace, příslušné k projektům. Lze tak získat rychlý přístup nejen k CAD datům, ale také k textovým a jiným grafickým souborům, které mají souvislost s řešeným projektem. CAD data a dokumenty mohou být prohlíţeny určenými uţivateli PLM systému, mají však definované vlastnictví a práva editace. Posluchači mohou při práci v týmu pracovat na různých místech, tedy i z domova. V rámci systému si lze předávat informace a veškeré aktivity mohou být sledovány pedagogem konzultantem projektu. K souboru dat projektu, lze přidávat pokyny, nebo průběţné i finální hodnocení, které pak lze uplatnit při klasifikaci jednotlivých posluchačů. Další moţností systému je distribuce výukových materiálů. Data mohou být k dispozici například v podobě uceleného výukového kurzu, nebo nelineární formou prostřednictvím dílčích vzorových úloh. Průběţné výsledky výzkumů, prováděných v souvislosti s výukou CAD technologií,

Obr. 1 Semestrální projekt větrné turbíny Efektivní metodou výuky, jejímţ cílem je upevnění mezipředmětových vztahů odborných předmětů, je výuka na komplexních projektech. Ve výuce jsou vyuţívány jiţ získané znalosti z předmětů např. technologie oboru, strojnictví, strojírenská technologie, technická mechanika, tvorba technické dokumentace, informační a komunikační technologie a další oborově zaměřené předměty, vyučované v niţších ročnících středních škol. Přechod na projektovou výuku podporovanou vyuţitím CAx / PLM technologií je postupný a ve vyšších ročnících jiţ převaţuje komplexní práce na projektech. Výuka na VOŠ je od počátku orientována na projektovou výuku pro upevnění vazeb dosud získaných znalostí a dovedností studovaného oboru.

2

Uvedená koncepce je v souladu s cílem uspořádat struktury vědomostí posluchačů a dostatečně je motivovat pro další studium strojírenské problematiky [7]. Následující přehled představuje výsledky vybraných projektů, řešených posluchači druhého a třetího ročníku oboru Informační technologie ve strojírenství na SPŠ a VOŠ ve Ţďáru nad Sázavou. Výstupy projektů ukazují na potenciál nasazení popisované koncepce ve výuce. Projekty byly řešené v předmětech CAD, CAE a ICT ve strojírenství. Cílem zadávaných úloh je vyuţití teoretických znalostí a dovedností, získaných výukou v maturitních oborech SŠ a v teoretických předmětech na VOŠ. Projekty jsou obvykle řešeny v průběhu jednoho semestru a rozsahem jsou navrhovány pro jednotlivce, nebo skupiny dvou aţ tří řešitelů. Některé semestrální projekty se dosud podařilo rozvinout do úrovně úspěšně obhájených absolventských prácí. Obrázek č. 1 představuje vizualizaci semestrální práce, vypracované posluchačkou druhého ročníku VOŠ. Jde o parametrický model větrné turbíny. Projekt pokračuje řešením v rámci absolventské práce. Pevnostně namáhané části konstrukce jsou kontrolovány prostřednictvím CAE simulace zatíţení. Modely jsou plně parametrické. Výsledný návrh lze dále optimalizovat editací proměnných, řídících důleţité parametry konstrukce. CAx data lze propojit s výsledky výpočtů, provedených mimo CAx aplikaci, např. v Excelu a jejich hodnoty vyuţít pro řízení geometrie a vazeb v modelu, nebo sestavě.

vizualizačními technikami exportována a představena jako prezentační obrázek (Obr. 3). Postup lze vyuţít např. pro prezentaci designových návrhů produktů. Výchozí 3D CAx data mohou být nezávisle pouţita pro tvorbu výkresové dokumentace, CAE simulací vybraných komponent a CAM technologii pro výrobu obráběných dílů a nástrojů pro výrobu odlévaných a lisovaných dílů. Vše při zachování asociativity s výchozími konstrukčními daty. Komplexní projekty lze posluchačům popularizovat např. moţností tvorby 3D modelů dílů a sestav známé stavebnice. Tvorba modelů dílů můţe iniciovat nápady modifikace a tvorby nových netradičních komponent a vést k vytvoření "digitální" verze fyzické stavebnice, která můţe být motivační předlohou pro výuku CAx technologií v úvodních ročnících technických oborů středních škol. 3D CAD vizualizace digitální sestavy stavebnice Lego je na obrázku č. 4. Na úloze se podíleli dva posluchači třetího ročníku VOŠ v rámci semestrální úlohy.

Obr. 4 Digitální sestava formule z 3D CAD modelů dílů stavebnice LEGO Podobný charakter má sestava, vytvořená z 3D CAD modelů komponent známé populární stavebnice Merkur. Sestava auta je znázorněna na obrázku č. 5.

Obr. 2 CAD sestava historického vozu v prostředí NX CAD

Obr. 3 Vizualizace designového návrhu vozu s vyuţitím CAD dat výchozího modelu Obr. 5 Sestava modelu auta z komponent stavebnice MERKUR

Následující vizualizace představuje projekt, řešený dvěma posluchači třetího ročníku VOŠ v rámci semestrální úlohy. 3D CAD (Obr. 2) sestava historického vozu je

3

Knihovna digitálních modelů komponent zmíněné stavebnice můţe mít další didaktické vyuţití. Stavebnice lze fyzicky vyuţít k sestavování jednoduchých přípravků pro drobné technické činnosti, např. stavba modelů letadel apod. Návrh těchto přípravků můţe být podpořen pouţitím CAD nástroje, kde společně s výchozím modelem návrhu finálního dílu lze navrhovat jednoduchý stavebnicový přípravek, sestavený z dílů známé a dostupné technické stavebnice. Jednotlivé úlohy mohou být řešeny v rámci dílčích projektů.

poskytovatelů těchto systému je tento poţadavek těţko dosaţitelný. I přes tuto skutečnost jsou CAx data vytvořená v kterékoli aplikaci nosičem dostatečného mnoţství informací pro vytvoření dílčích závěrů a následnou optimalizaci koncepce výuky včetně tvorby výukových opor v podobě textových a animovaných elektronických materiálů.

Z technického hlediska náročnější můţe být projekt návrhu výrobního přípravku. Příkladem je forma pro tlakové odlévání hliníku. Projekt byl řešen jedním posluchačem druhého ročníku na VOŠ v rámci semestrálního projektu. Vizualizace sestavy formy je na obrázku č. 6. Východiskem pro design dutiny formy je 3D CAD model finálního produktu. Projekt byl řešen ve spolupráci se společností, ve které posluchač absolvoval praktickou část výuky.

CAx technologie představují progresivní nástroje informačních technologií s didaktickým potenciálem pro výuku nejen strojírenských předmětů. Distribuce výukových materiálů a vzorových řešení prostřednictvím PLM systému společně s moţností interní komunikace a sdílení dat, přinášejí nové moţnosti organizace distanční i prezenční výuky. Data vlastních projektů mohou být sdílena, vyuţívána v dalších projektech, ale také kontrolována a hodnocena. Integrace normalizovaných dílů zefektivňuje výuku práce s CAx aplikací, výuku odborných předmětů, podporovanou uvedenými aplikacemi a práci na komplexních projektech. Kontrola a zabezpečení souborů zabraňují vzniku redundantních dat a zajišťují dodrţování jmenné konvence při zakládání nových komponent. Hardwarová a softwarová báze zabezpečení výuky není při současné výkonnosti běţných pracovních stanic limitujícím faktorem. Pro realizaci efektivní projektové výuky je důleţitá moţnost posluchačů vyuţívat školní licence CAx nástrojů i na svých počítačích. Výukové opory pro samostatná řešení dílčích i komplexních úloh v rámci projektů jsou rovněţ potřebné. Zde se jeví nejvýhodnější elearningová metoda. Úspěšná práce na projektech posluchače často motivuje k dalšímu studiu strojírenské problematiky.

7. ZÁVĚR

8. ODKAZY [1] FOŘT, P.,KLETEČKA, J.: Technické kreslení. Brno: Computer Press, 2005, 252 s. ISBN 80-251-0498-2. Obr. 6 Sestava formy pro tlakové odlévání hliníkové slitiny

[2] FOŘT, P., KLETEČKA, J.: Autodesk Inventor: Funkční navrhování v průmyslové praxi. Brno: Computer Press, 2007, 318 s. ISBN 978-80-251-1773-6.

6. DIAGNOSTIKA DAT ŽÁKOVSKÝCH PROJEKTŮ

[3] FOŘT, P. Řešení ţákovských projektů pomocí PLM technologií. Brno, 2010. 56 s. Závěrečná práce. Mendelova univerzita v Brně, Institut celoţivotního vzdělávání.

Nezanedbatelný je také diagnostický význam CAx dat ţákovských projektů. Struktura souborů představuje významný zdroj informací pro kvalitativní zkoumání efektivity výuky. Lze posuzovat průběh práce na projektech a to jak pozorováním ve výuce, tak i rozborem průběţného stavu projektů, které posluchači zpracovávají mimo školní vyučování. Dále lze analyzovat finální výstupy dokončených projektů. Ze struktury CAx dat lze posoudit úroveň technického myšlení posluchače, jeho prostorovou představivost a tvořivost. Z tohoto hlediska jsou nejvhodnější CAx aplikace, které umoţňují dosaţení stejného výsledku více cestami. Vzhledem k materiálním moţnostem škol a rozdílné licenční strategii různých

[4] DVOŘÁK, K. Projektově orientovaná výuka, podpořená strategií PLM. IT CAD, 2011, 21, 1, s. 36-37. Dostupné [5] DVOŘÁK, K. Výuka produktů SIEMENS NX na VOŠ a SPŠ ve Ţďáru nad Sázavou. IT CAD, 2010, 20, 3, s. 4041. Dostupné z

4

[6] SOTÁK, J. - KUNÍK, M - SOTÁK, R. Systémy CAD/CAM vo vyučovaní na SPŠ strojárskych. Journal of Technology and Information Education. 2010, Olomouc - EU, Univerzita Palackého, Ročník 2, Číslo 2, s. 51 - 54. ISSN 1803-537X (print). ISSN 1803-6805 (on-line).

PODĚKOVÁNÍ Příspěvek vznikl za podpory projektu specifického výzkumu PdF UHK 2011 - Počítačová podpora výuky odborných technických předmětů.

[7] MELEZINEK, A. Inţenýrská pedagogika. Vyd. 2. Praha: ČVUT, 1994.179 s. ISBN 80-01-00672-4.

RECENZENTI AUTOR Prof. RNDr. Ivo Volf, CSc.: Katedra fyziky, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Hradec Králové, [email protected]

Ing. Bc. Karel Dvořák: Absolvent Ústavu letecké dopravy, dopravní fakulty ČVUT a Masarykova ústavu vyšších studií ČVUT. Student doktorského studijního programu Informační a komunikační technologie ve vzdělávání na Pedagogické fakultě Univerzity Hradec Králové. Učitel CAD, CAE na VOŠ a SPŠ Ţďár nad Sázavou. Konstruktér a CAx / PLM konzultant v AxiomTech Ţďár nad Sázavou.

Doc. Ing. Vladimír Jehlička, CSc.: Katedra informatiky, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Hradec Králové, [email protected]

5