Tuesday, December 4, 2012

Победа на городском конкурсе для школьников старших классов

4 декабря 2012 года в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна состоялось награждение победителей конкурса «Поддержка научного и инженерного творчества школьников старших классов Санкт-Петербурга» 2012 года.

Поздравляем учащихся Физико-математического лицея № 30 c победой в секции «техническое и инженерное творчество»! Первый приз получила работа учеников 10-4 класса Максима Качалова и Павла Янушпольского «Создание трехмерной модели гоночного автомобиля ’Lamborghini’ в САПР ’Creo’ и ее воплощение для трассы ’Scalextric’», сделанная на спецкурсе по инженерному 3D-моделированию.

Saturday, November 24, 2012

Участие ФМЛ № 30 в выставке «Образование и карьера»

В выставочном комплексе «Ленэкспо» состоялась международная выставка «Образование и карьера». ФМЛ № 30 была единственным учреждением среднего образования, допущенным к участию в выставке.

Стенд «Инженер — это 3Dорово!», демонстрирующий успехи образовательной программы «Инженеры будущего» корпорации PTC (США) и компании «ИРИСОФТ» (Россия, Санкт-Петербург), вызвал большой интерес посетителей выставки — школьников, студентов и преподавателей.

Также секцию посетили представители прессы.
Стенд был организован при поддержке Комитета по образованию.
Публике были продемонстрированы компьютерные модели трассовых автомобилей, сделанные на спецкурсе ФМЛ № 30 по инженерному 3D-моделированию, а также трасса с автомобилями, которые были изготовлены учениками ФМЛ № 30 летом 2012 года и выиграли приз на международных соревнованиях. Показ моделей и трассы осуществлялся учениками и преподавателями ФМЛ № 30.
Все буклеты, заготовленные организаторами, за два дня выставки были разобраны.

Tuesday, November 13, 2012

Визит представителей корпорации «Русские машины» в ФМЛ № 30

В обычный день после окончания уроков в школе появились сразу несколько важных гостей: Светлана Давыдова, директор по персоналу корпорации «Русские машины», Ирина Шакун, директор по проектам корпорации «Русские машины», Ольга Шартукова, руководитель академического отдела компании «ИРИСОФТ», и Дмитрий Орлов, глава образовательной программы корпорации PTC на территории России и стран СНГ.
Целью визита являлось знакомство с достижениями учащихся спецкурсов ФМЛ № 30 по инженерному 3D-моделированию и робототехнике.
Дмитрий Орлов дал старт международной учебной программе по робототехнике FTC в ФМЛ № 30, предоставив лицею комплект деталей «Tetrix». (В прошлом году, благодаря Дмитрию Орлову, лицей пролучил доступ к программе «Scalextric4Schools»).
Представители «Русских машин» проявили живой интерес к системе подготовки инженерных кадров в ФМЛ № 30 и не исключили возможности дальнейшего сотрудничества между корпорацией и лицеем.

Thursday, August 30, 2012

Об изготовлении и сборке машинок для S4S

В данном тексте раскрываются некоторые подробности проектирования и изготовления машинки для трассы Scalextric в рамках образовательной программы Scalextric4Schools (S4S). Читателя ждёт краткая информация о том, как школьники из примитивного набора деталей
создают такую машинку
или такую:

Набор деталей покупается вместе с трассой (30 комплектов). До машинки недостаёт совсем немногого (см. рус. народ. сказ. "Каша из топора"):
  • Ходовая часть, или шасси
  • Корпус
  • Опционально: краска, наклейки, светодиоды
Начнём с ходовой части. Это та часть, на которую крепятся колёса, оси, и мотор. Ходовая часть по определению способна ездить по трассе, а корпус фактически является лишь декорацией. Выглядят шасси примерно так:

На фото видно многообразие размеров и форм. Расстояние между колёсами, длина и ширина шасси не фиксированы.
Шасси собирается из плоских частей, которые вырезаются лазером из листа пластмассы толщиной 2мм или 3мм. Это сравнительно быстрая и недорогая процедура (изготовление одного шасси обходится в среднем в 150-200 р. и занимает 1 день). Невероятная удача, т.к. именно в проектировании шасси школьники делают большую часть ошибок, которые иначе, как изготовлением новых шасси, не исправить.

«Как спроектировать шасси?» — спросит нетерпеливый читатель. Развёрнутый ответ на этот вопрос выходит за рамки этого текста, поэтому мы ограничимся упоминанием того факта, что проектируем всё в Creo, и ссылкой на сайт PTC, где лежат модели машинок, которые можно использовать в качестве примера. Школьники не ограничены простыми конструкторскими решениями из тех примеров. Разрешается и поощряется придумывать для своей машинки передний привод, подшипники, нестандартные оси, два и более моторов, практически всё что угодно. Правила соревнований (да, по S4S есть международные соревнования, в которых ученики ФМЛ № 30 уже участвовали и выиграли приз) содержат некоторое количество запретов; но всё, что не запрещено, то разрешено.

Шасси в Creo:

 О том, как подготовить чертёж шасси для лазерной резки в условиях российской действительности, никакой информации в сети до сих пор не было. Восполним данный недостаток.
  • В Creo делается сборка, где все детали шасси разложены в одной плоскости.
  • Для этой сборки делается чертёж (drawing), следующим образом: создаётся пустой drawing, потом на на него (кнопка General) помещается рисунок детали, в параметрах выбирается проекция "Top" и режим показа "Wireframe" или "No hidden". Изображения всяких осей и плоскостей выключаются из чертежа так же, как выключается при проектировании деталей. В общем, остаётся голый чертёж из линий.
  • Чертёж сохраняется в формате DXF.
  • DXF-файл открывается в бесплатной программе векторной графики под названием Inkscape. При импорте может сбиться масштаб.
  • В Inkscape из чертежа удаляется всё лишнее, что в него могло попасть. Должны остаться только линии, по которым режет лазер.
  • Масштабирование чертежа (по необходимости). Переходите в Inkscape в режим редактирования узлов (F2). Переключаетесь по узлам, например, самой большой детали. В верхней панели видны их координаты. Не забудьте переключить их с пикселей (px) на миллиметры (mm). Несложными арифметическими действиями получаете ширину и высоту интересующей вас детали. Пропорции у них такие же, как в исходной детали, а абсолютные размеры в миллиметрах могут быть другими. Если они такие же, то переходим к пункту 7.
    • Измеряете ту же самую деталь в Creo (например, инструментом Distance). Делите один размер на другой и получаете коэффициент, на который надо отмасштабировать деталь в Inkscape, чтобы получить такую же, как в Creo например 2.25674.
    • В Inkscape выделяете все детали и запускаете инструмент Object->Transform (Ctrl+Shift+M). Там во вкладке Scale задаёте требуемый коэффициент в процентах (225.674). Нажимаете Apply.
  • Важный момент: линии чертежа должны быть склеены одна с другой. Для того, чтобы их склеить, надо: переключиться в режим выделения (F1), выделить все детали, затем вызывать Path->Combine (Ctrl+K), потом переключиться в режим узлов (F2), затем выделить все узлы всех деталей (снизу будет написано что-то типа "585 of 585 nodes selected"), затем нажать кнопку "Join selected nodes", третью слева. Совпадающие по позиции узлы будут объединены, что и требуется. Количество узлов, заявленных снизу, должно уменьшиться примерно в два раза.
  • Всё. Чертёж нужно сохранить в формате Inkscape svg (для себя) и в формате eps (для фирмы, которая будет делать лазерную резку). Фирме нужно послать eps-файл, указав на всякий случай контрольные размеры из п. 6.
В Петербурге услугу лазерной резки предоставляют несколько фирм, например эта.

Шасси после лазерной разки:

О процессе сборки шасси никто не расскажет лучше Тима Бразерхуда, создателя программы Scalextric4Schools:

01 02 04 05 06 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Теперь немного о корпусе машинки. Проектирование корпуса, как и проектирование шасси, является темой для отдельного изучения, начать можно с небольшого учебника (англ.) и примеров по ссылке выше. Корпус машинки выглядит в Creo примерно так:

или так: 

Для изготовления пластмассового воплощения корпуса есть три способа:
  • 3D-печать по технологии FDM. Минимальная толщина модели — 2мм, т.е. модель должна быть спроектирована таким образом. Одна машинка обходилась нам примерно в 3500 р.
  • 3D-печать по технологии SLS. Минимальная толщина модели — 1.5мм. Это лучше, чем FDM, т.к. модель получается тоньше и легче при той же прочности, ещё и дешевле. Одна машинка обходилась нам примерно в 2500 р. Данную услугу предоставляют фирмы по прототипированию.
  • Изготовление формы на фрезере с ЧПУ + вакуумная формовка. Модель получается тонкая (1мм), прочная и лёгкая. Несколько корпусов по этой технологии для нас любезно изготовили наши партнёры в Англии. Доступность вакуумной формовки в коммерческих фирмах — пока что под вопросом. В сети, однако, есть примеры, как такое осуществить дома, с помощью духовки и пылесоса. Но в любом случае нужна форма, а доступных услуг по фрезеровке нам в прошлом учебном году не удалось найти в городе. Может быть, удастся в этом.
Для 3D-печати трёхмерная модель корпуса из Creo экспортируется в формат STL. Файл посылается в фирму (например, сюда), и через день-два у вас в руках готовый корпус.

С вакуумной формовкой всё слегка сложнее. В результате её у вас в руках оказывается не корпус, а деформированный лист пластмассы. О том, как из него своими руками вырезать корпус, рассказывает Тим Бразерхуд: 07 08 09 10 11 23.

Хорошо спроектированный корпус должен идеально садиться на шасси и требует разве что минимальной фиксации пластилином. В завершение, корпус можно покрасить аэрозолем:
... и украсить наклейками. Наклейки можно нарисовать в той же самой программе Inkscape, подогнав их по размеру к чертежам машинки. Печать наклеек -- очень доступная услуга, которую оказывают во многих местах, например здесь.

Энтузиасты могут снабдить свои авто изящными фарами: 

В S4S практически нет предела совершенству конструкторской мысли. Дети готовы с упоением заниматься машинками хоть целый учебный год.

Любая российская школа может бесплатно получить дистрибутив Creo, став участницей образовательной программы PTC. По вопросам приобретения трассы, а также по любым другим, можно обращаться к Дмитрию Орлову (dorlov@ptc.com).


Thursday, February 9, 2012

Инженерное ПО в 30-ке

Осенью 2011 года в Физико-математическом лицее №30 открылся спецкурс для учащихся 8-11 классов, пока не имеющий аналогов в стране. Новый спецкурс можно считать экспериментом, который начался (и идёт) удачно, демонстрируя, что в российских школах нет препятствий к развитию данного дела. Теперь обо всём по порядку.

В одном Петербурге десятки инженерных предприятий — машиностроительных, судостроительных, транспортного оборудования. В целях сохранения конкурентоспособности многие этапы технологического процесса, которые десятилетиями осуществлялись вручную, переносятся на компьютер. Бумажные эскизы и чертежи уходят в прошлое. Математические расчёты движения механизмов и прочности деталей компьютеризированы. На рынке ПО есть немалое количество программных комплексов для инженеров, и большинство предприятий теми или иными из них обзавелись. Для завершения сей идиллической картины не хватает самого главного: молодых специалистов, которые будут эффективно работать с этим ПО и тянуть страну в светлое технологическое будущее.

Старение кадрового состава — беда, не обошедшая стороной, наверное, ни одно инженерное предприятие. В последние годы ситуация выправляется, ибо выяснилось, что с одними экономистами, финансистами и веб-программистами здоровую экономику не создать. Но всё же возрастной фактор сейчас является серьёзным препятствием к внедрению передового ПО: многие сотрудники с большим стажем неохотно переориентируются с кульмана на компьютер, и неохотно меняют устаревшее ПО (например, двумерное), на новое трёхмерное. Бывают исключения — например, известно, что лучшие из опытных инженеров легко переходят на новые программы и там продолжают быть лучшими, — но статистика перевешивает. Нужны молодые специалисты, владеющие современным инженерным софтом.

Как подготовить и заполучить таких специалистов? Очень просто: нужно открывать в школах специализированные курсы, на которых дети могли бы освоить те самые программы, которые используются на предприятиях. Это убивает двух зайцев: во-первых, полученные навыки не забудутся («руки помнят»); во-вторых, модные компьютерные новинки зарождают в детях интерес и повышают шансы на то, что они после школы решат поступить в инженерный ВУЗ, а не в какой-нибудь ещё.

Теперь о том, чего удалось добиться в ФМЛ №30. Сразу скажем, что по большей части успех начинания является заслугой консалтинговой компании «Ирисофт» [2] и их заокеанских партнёров — компании PTC [3], в стенах которой создан один из наиболее популярных инженерных пакетов под названием Creo (в прошлом Pro/ENGINEER). История PTC насчитывает 25 лет, сегодня её ПО используют более 50.000 предприятий во всём мире. Идея преподавания Creo в школах также появилась не вчера, это весьма чётко составленная программа [4], действующая в 25.000 школ. В РФ эта программа запущена в ФМЛ №30 и готовится к запуску в ещё нескольких школах. Программа содержит большое количество интересных задач и вспомогательных материалов по практике инженерного проектирования, в том числе, с недавних пор, и на русском языке. PTC, действуя совместно с Ирисофт [5], готова снабжать любые учебные заведения бесплатными лицензиями на Creo и бесплатными учебными материалами в электронном виде, при условии использования ПО только в целях обучения. Тем, кто знает английский язык, доступно ещё большее количество материалов на сайте PTC Schools [6], также бесплатно. Специалисты Ирисофт оказывают консультации по учебной программе и проводят мастер-классы. Сотрудники PTC из США и Канады также проявляют большой интерес к ходу программы в ФМЛ №30 и оказывают всевозможную помощь.

Запуская Creo, ученики попадают в новый неизведанный мир. Программа, которую они видят перед собой, хоть и называется «Schools Edition», выглядит так же и имеет те же возможности, что и версии этой программы на предприятиях. Зачастую она даже новее, благо мы не связаны корпоративными обязательствами и можем использовать всегда самый свежий выпуск. При всей серьёзности и профессиональности, Creo удивительно проста для освоения. Не требуется ни специальных обучающих режимов, ни многотомников теории. Дети просто садятся и уже на втором занятии начинают моделировать вполне осмысленные вещи. К примеру, вводный курс для начинающих [7] рассчитан на один полный день.
Одна из первых моделей, сделанных на спецкурсе
Занятия в ФМЛ №30 проходят два раза в неделю, по два часа, после уроков. Послеурочные спецкурсы у нас являются обычной практикой, и спецкурс по Creo — один из многих, на которые ученики ходят свободно по собственному желанию. В данный момент число посетителей спецкурса составляет 10 человек, среди которых есть учащиеся 8-х, 9-х, 10-х и 11-х классов.
Учебный процесс
Вскоре после вводных занятий мы приступили к работе над проектом Scalextric4Schools [8]. Scalextric — марка т.н. слот-каров, игрушечных машин с электроприводом, принадлежащая британской компании Hornby. Цель проекта, который разработан PTC в партнёрстве с Hornby, состоит в том, чтобы спроектировать корпус игрушечного автомобиля (ходовая часть + кузов) от начала до конца. Физическая копия полученной модели может быть изготовлена на специальном прототипирующем оборудовании (3D-принтере), после чего к ней монтируются колёса, оси, мотор и контакт для трассы. Все эти дополнительные детали (30 комплектов), как и трасса, продаются в стандартном наборе Scalextric по цене около 3000 рублей.
Стандартная трасса Scalextric, машинки и учебники PTC. Кадр ЛЭТИ [9]

По ходу работы над проектом дети применяют знания по математике и физике, полученные ими в школе буквально вчера. Расчёт трения и инерции на компьютере позволяет получить быстроходную модель. Задача дизайна корпуса также даёт немалую тренировку геометрической грамотности в трёхмерном пространстве.

Проект разрабатывается совместно с британской школой Our Lady Queen of Peace в Ланкашире. Между двумя школами проводятся видеоконференции, ученики ФМЛ №30 обмениваются опытом моделирования со своими зарубежными сверстниками, практикуются в английском.

Внимательный читатель скажет: всё это хорошо, но где взять прототипирующее оборудование? Оно есть в британских школах, участвующих в программе Scalextric, но для школ Петербурга это, к сожалению, непозволительная роскошь. Однако, в городе есть несколько фирм, которые оказывают услуги 3D-прототипирования с использованием разных технологий, одна из которых называется FDM (fused deposition modeling [10]). Центр объёмной печати Мидгарт [11] изготовил одну из машинок по заказу лицея. Процесс изготовления полностью автоматизирован: принимается компьютерный файл с моделью, сохранённой в Creo Elements, загружается в станок, и через два дня (или один при малой загруженности) готова пластмассовая деталь. Модели принимаются любые, с единственным ограничением на толщину, которая должна составлять не менее 2мм.

Изготовленная машинка на трассе, опытный образец
Наши британские коллеги изготавливают кузовные детали из более тонкой пластмассы по технологии вакуум-прессования. Такой подход позволяет получить более тонкие (и более лёгкие) модели, но разница для езды не очень существенна, к тому же FDM, в отличие от вакуум-пресса, не требует, чтобы модели были «однослойными». Один кузов обходится в 3-4 тысячи рублей. Что касается ходовой части, то их мы изготавливаем, так же как и британцы, из оргстекла путём лазерной резки. По сравнению с FDM это гораздо более простая технология, также доступная в городских фирмах. Одна ходовая часть обходится нам в сумму порядка 100 рублей.

Для школ, которые посчитают цену 3D-печати слишком высокой, есть хорошая новость: школы-партнёры в Великобритании готовы бесплатно изготавливать модели, переданные электронной почтой из России, и посылать уже готовые детали обратно обычной почтой. Даже без собственно изготовления машинок учебный процесс является крайне интересным, т.к. программа позволяет осуществлять разного рода физические симуляции с анимацией, а также обладает высококачественным движком 3D-рендеринга.

К весне этого года ученики ФМЛ №30 пройдут программу Scalextric4Schools и, будем надеяться («fingers crossed», как говорит Марк Фишер, глава образовательной программы PTC), смогут поехать на междушкольные соревнования в Англии, где выяснится, чья модель оказалась лучше.

Суммируя сказанное: у школ есть сейчас все возможности для изучения передовых инженерных программ. Более того, если оглянуться на предыдущие 6 месяцев, становится понятно: нам колоссально помогли PTC и Ирисофт, но мы могли сделать всё самостоятельно. Это потребовало бы большего времени и усилий, но это было возможно. Почему ни ФМЛ №30, ни какая-либо другая из тысяч российских школ этого не сделала ни сейчас, ни 5 или 10 лет назад? Да, не было материалов на русском, но вся английская документация лежит в интернете, и её легко читать. Виновата инерция мышления, неприятие нового. Почему-то без мощного толчка, без ободрения и поддержки ничего не делается. Так или иначе, толчок дан, пора действовать. И пора сделать наконец 3D-печать массовым (и более доступным) развлечением.