CALLS-технологии в средней школе
Бунаков П.Ю., к.т.н., ООО «Базис-Центр»
Богуславский А.А., проф. КГПИ

Современный уровень развития промышленности характеризуется широким использованием систем автоматизированного проектирования (САПР) и технологической подготовки производства (АСТПП) во всех отраслях и на всех стадиях жизненного цикла выпускаемых изделий. Характерной тенденцией последнего времени является переход от автоматизации отдельных задач к комплексной автоматизации всего предприятия. Независимо от уровня своего образования, специалист, приходя на производство, в той или иной степени будет сталкиваться с различными автоматизированными системами и технологиями. Поэтому первое знакомство учащихся с современными информационными технологиями проектирования  и производства необходимо начинать в средней школе.

В настоящее время наиболее перспективной является CALS технология, основная идея которой заключается в формировании электронного описания (математической модели)  изделия и использовании его на всех этапах жизненного цикла, т.е. технология информационного сопровождения всего процесса проектирования и производства изделия. Она базируется на модульном построении САПР и использовании общих баз данных и баз знаний. Несмотря на сложность создания и внедрения подобных систем, общие понятия CALS технологии достаточно просты для объяснения, и, что немаловажно, для понимания учащимися средних школ. Вопрос в том, чтобы найти ту отрасль промышленности, примеры из которой будут наиболее наглядны и доступны школьникам.
Традиционно знакомство учащихся с технологиями, в том числе и автоматизированными, происходит либо на уроках черчения, либо на специализированных занятиях или факультативах. Столь же традиционно в качестве предметной области используется машиностроение. Однако далеко не всегда учащиеся могут наглядно представить себе те изделия, с которыми им предстоит работать, например, «стойка», «амортизатор», «губка прижимная» и т.д. Более того, продемонстрировать сборочные узлы, в которых они используются, объяснить роль и назначение данных деталей, технологию их изготовления – задача, реализация которой представляет значительные сложности, и методические, и практические. В определенной мере для изучения черчения эти вопросы не принципиальны, а для изучения технологий они, пожалуй, являются первостепенными. Игнорирование их приводит к потере интереса со стороны учащихся к данной теме и поверхностному представлению о промышленных информационных технологиях, одним из следствий чего является снижение мотивации к получению технического образования и работе в сфере материального производства.

Однако существует отрасль промышленности, с изделиями которой все знакомы с самого раннего детства и которые окружают учащихся везде – дома, в школе, в магазине. Это мебельная промышленность. Несмотря на кажущуюся простоту изделий над ними работают дизайнеры и конструкторы, технологи и рабочие. Для их проектирования и изготовления используются самые современные информационные технологии и автоматизированные системы,  оборудование и технологические процессы. Изменение предметной области для изучения технологии представляется целесообразным по следующим причинам:
♦ мебельные изделия более просты конструктивно, тем не менее, на их примере можно изучить все основные понятия CALS технологии;
♦ учащиеся живут в мире мебели, они могут наглядно представить ее конструкцию, а, следовательно, самостоятельно проектировать мебель;
♦ технологию проектирования и изготовления мебельных изделий можно легко переложить на язык, понятный учащимся средней школы;
♦ мебельная промышленность в основном ориентируется на отечественные разработки в области САПР/АСТПП, которые легко адаптируются для учебных целей.

Сочетание наглядности и доступности мебельных изделий с высокой степенью автоматизации проектирования и изготовления позволяет использовать их в качестве хороших наглядных примеров при изучении технологий. Кроме того, у учащихся появляется возможность самостоятельного практического применения полученных знаний.
Рассмотрим типовой технологический процесс проектирования и изготовления мебели по индивидуальному заказу в профессиональных терминах и с точки зрения школьника:
♦ разработка концепции и дизайн-проекта будущего изделия (придумать мебель себе, родителям, домашним питомцам);
♦ конструирование изделия (нарисовать то, что придумано, так, чтобы это поняли другие люди);
♦ технологическая проработка изделия (как минимум, детали изделия надо соединить между собой, чтобы оно не рассыпалось);
♦ получение чертежно-конструкторской документации (для изготовления любого изделия нужны чертежи – это уже известно из уроков черчения);
♦ формирование карт раскроя материалов (выпилить детали изделия из листов так, чтобы отходов было поменьше);
♦ расчет себестоимости изготовления изделия (а сколько же это будет стоить?);
♦ формирование ведомостей на закупку материалов, фурнитуры и комплектующих (ручки для дверей, винты для крепления и кое-что еще надо купить в магазине);
♦ сборка готового изделия.

Как видим, на примере мебели можно проследить весь жизненный цикл изделия: от концептуального проектирования до его производства и реализации, причем все этапы понятны, наглядны и вполне доступны для понимания учащимися. При этом все они выполняются практически, что позволяет внести в процесс обучения элементы соревнования: на самую красивую мебель, на самого экономного проектировщика и т.д.
В современной мебельной промышленности все эти этапы автоматизированы и выполняются в едином информационном пространстве с использованием электронной модели изделия на основе принципов CALS технологии.

Рассмотрим возможности системы БАЗИС, одной из самых известных САПР мебели, с точки зрения перспективы ее адаптации для средней школы. БАЗИС – это комплексная автоматизированная система, предназначенная для  проектирования, технологической подготовки производства и реализации корпусной мебели. В неадаптированном виде она включена в учебный процесс ряда высших и средних специальных учебных заведений [1,2] для проведения лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования  по специальности 250303 (260200) «Технология деревообработки». Для средней школы необходимо провести ее доработку.

Анализируя пятилетний опыт с учебными заведениями, и делая поправку на среднюю школу, можно вывод о том, что система вполне доступна для освоения школьниками. Она имеет простой и удобный интерфейс, процесс проектирования мебели в ней понятен и нагляден. Принципы CALS технологии лежат на поверхности: модель изделия, созданная дизайнером и доработанная конструктором используется на всех последующих этапах жизненного цикла. Более того, здесь можно увидеть и элементы других технологий проектирования:
♦ сквозное проектирование – эффективная передача данных и результатов текущего этапа проектирования сразу на все последующие этапы, что реализуется доступностью и универсальностью математической модели изделия;
♦ параллельное проектирование – формирование и передача информации относительно каких-либо промежуточных  или окончательных характеристик  изделия всем участникам работ, начиная с самых ранних этапов проектирования. На любом этапе проектирования математическая модель изделия является функционально полной относительно данного этапа и может быть использована для любых расчетно-технологических операций с соответствующей точностью, разумеется;
♦ нисходящее проектирование – организация процесса работы над изделием, начиная от высокого уровня абстракции с его детализацией на последующих этапах: от придуманного изделия через промежуточные этапы мы приходим к чертежам конкретных деталей.

Безусловно, это достаточно упрощенные толкования технологий, которые, тем не менее, абсолютно точно отражают их основную суть. На примере создания мебели эти понятия можно легко и наглядно донести до школьников.

Система БАЗИС построена по модульному принципу, то есть каждый этап жизненного цикла изделия реализуется своим программным модулем в интерактивном режиме с возможностью качественной трехмерной визуализации. Как известно, любое изделие корпусной мебели – это набор деталей (щитовых элементов или панелей) прямоугольной и более сложной формы, скрепленных между собой. Конструктор (школьник) создает свое изделие, выбирая нужные панели, придавая им требуемую форму и расставляя в нужном порядке на нужные места. В процессе этого на любом шаге изделие можно рассмотреть со всех сторон и под любым углом. Также наглядно выполняются и все другие проектные операции.

Созданная на этапе конструирования математическая модель изделия является основой для выполнения всех других этапов, на которые она передается автоматически. На этапе формирования конструкторско-технологической документации подготавливается комплект чертежей и спецификаций, оформленных по всем правилам ЕСКД. Помимо всего прочего, это дополнительно демонстрирует связь тесную междпредметную связь технологии и черчения, показывая прикладной характер черчения. Весь комплект чертежей формируется автоматически.

 Модуль раскроя листового материала на основе информации из математической модели и некоторых дополнительных данных формирует карты раскроя заготовок указанных размеров на нужные детали. Критерий – минимизация отходов. Основные технологические параметры этой операции (например, ширина пилы, при помощи которой распиливаются заготовки, или ширина обрезки края заготовки в том случае, если он был поврежден при транспортировке) и сам критерий наглядны и доступны для понимания учащимися. Карты раскроя представляют собой детали созданного изделия, разложенные на стандартных листах заготовок.
Этап расчета себестоимости изготовления изделия упрощенно можно представить как расчет общей площади материала, умножение полученной величины на стоимость квадратного метра этого материала и добавление суммарной стоимости используемой фурнитуры. Вполне очевидный и понятный алгоритм. Опять же все это выполняется автоматически по построенной модели.

Модуль формирования ведомостей на закупку необходимых материалов, фурнитуры и комплектующих просто считает их потребное количество в штуках или квадратных метрах и заносит эту информацию в некоторый специальный документ, на основании которого специалист по снабжению будет закупать товар.
Таким образом, процесс автоматизированного проектирования и подготовки производства мебельных изделий структурно состоит из тех же самых этапов и операций, что и любых других изделий,  и поэтому может использоваться для знакомства учащихся с современными технологиями. С другой стороны, именно на примере мебели назначение и содержание этих этапов может быть легко и в доступной форме доведено до учащихся. Возможность самостоятельной разработки модели изделия и проведения его по всей технологической цепочке наглядно иллюстрирует основные принципы CALS технологии.

С технической точки зрения адаптация системы БАЗИС для применения в средней школе сложностей не представляет, разработчики готовы провести ее в случае необходимости. Основная проблема заключается в разработке необходимого методического обеспечения, реформировании традиционного подхода и подготовке соответствующих кадров.

Литература.

1. Бунаков, П.Ю. Автоматизированное конструирование корпусной мебели средствами системы «Базис-Конструктор-Мебельщик» [Текст]: Учебное пособие к курсовому проектированию для студентов очной, заочной и дистанционной форм обучения специальности 2602 / Бунаков П.Ю., Рудин Ю.И.; под ред. С.Н. Рыкунина. - М.: МГУЛ, 2004. – 123 с.: ил.
2. Рыбицкий, П.Н. Основы автоматизированного проектирования изделий из древесины: учеб. Пособие для вузов [Текст] / П.Н. Рыбицкий, К.А. Лобанова, А.Ю. Егорова // Архангельск: изд-во Арханг.гос.техн.ун-та, 2003.–185 с.