PRODUCT LIFE CYCLE MANAGEMENT SYSTEMS (PLM)

PRODUCT LIFE CYCLE MANAGEMENT SYSTEMS (PLM) AND
CREATION OF VIRTUAL PROTOTYPES IN TECHNICAL EDUCATION
Alfred De ROSE, Karel DVOŘÁK, Josef ŠEDIVÝ
Abstract: The article stated the possibility of deploying PLM tools for managing digital data modeling
projects, technical support for distance learning and attendance. Implementation issues is given CAx
tools into teaching and potential for use in work on school projects. The procedures are based on full
utilization of CAD, CAE and CAM tools to create virtual prototypes of projects .
Key words: Virtual prototype, virtual model, PLM systém, 3D CAD model.
PRODUCT LIFE CYCLE MANAGEMENT SYSTÉMY (PLM) A TVORBA VIRTUÁLNÍCH
PROTOTYPŮ V TECHNICKÉM VZDĚLÁVÁNÍ
Resumé: Článek uvádí moţnost nasazení PLM nástroje pro správu digitálních dat projektů
technického modelování pro podporu distanční i prezenční výuky. 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.
Klíčová slova: Virtuální prototyp, virtuální model, PLM systém, 3D CAD model.
1 Úvod
Počítačem podporované inţenýrské činnosti
přinesly celou řadu nových přístupů k tvorbě
a analýze návrhů, nebo generování postupů
výroby a montáţe. Velké mnoţství dat, sloţitost
procesů a potřeba sdílení dat 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 studií. V příspěvku je vedle
specifik nasazení CAx technologií představen
také zejména PLM - Product Lifecycle
Management systém jako nástroj pro organizaci
dat a podporu prezenční i distanční výuky na
projektech virtuálních prototypů.
2 Aplikace systému CAx / PLM a předpoklady
k realizaci ve výuce
Pro dosaţení odpovídající úrovně odborných
kompetencí absolventů strojírenských oborů bylo
ještě donedávna nezbytné nasazení zpočátku 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[1]. 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 jsou uvedena
např. v [2], obecnější popis lze nalézt v [3], nebo
[4]. 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:
 Základní obecné znalosti práce s ICT.
 Znalosti pravidel pro tvorbu technické
dokumentace klasickou metodou bez
podpory počítače.
 Schopnosti orientace v technických normách.
 Teoretické
znalosti
strojírenské
problematiky, vycházející z jednotlivých
odborných předmětů.
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.
 Základní znalost průmyslové praxe.
Nezbytným faktorem je také technologická
báze, představující hardwarové a softwarové
vybavení školy. Zde lze uvést minimálně:



Kvalitní síťové připojení, vhodný školní
server.
Vybavení alespoň jedné učebny dostatečně
výkonnými stanicemi.
Disponování dostatečným mnoţstvím licencí
CAx/PLM instalace.
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 [5].
3 Systém PLM a jeho použití jako 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. Průběţné výsledky
výzkumů, prováděných v souvislosti s výukou CAD
technologií, 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 v současnosti pouţívaných LMS
je seznámení posluchačů s aplikací, vyuţívanou
v průmyslové praxi a získání praktických zkušeností
s filozofií a postupy, které budou uplatňovat při práci
v oboru po absolvování studia [7].
4 Studentské projekty s využitím CAx / PLM
technologií
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.
Obr. 1 Semestrální projekt větrné turbíny
Přechod na projektovou výuku, podporovanou
vyuţitím CAx / PLM technologiemi 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. Uvedená koncepce je v souladu s cílem
uspořádat
struktury
vědomostí
posluchačů
a dostatečně je motivovat pro další studium
strojírenské problematiky [8]. 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 prací. 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. Následující
vizualizace představuje projekt, řešený dvěma
posluchači třetího ročníku VOŠ jako dílčí úloha
v průběhu semestru. 3D CAD (Obr. 2) sestava
historického vozu je vizualizačními technikami
exportována a představena jako prezentační obrázek
(Obr. 3).
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. 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. 4. 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.
Obr. 2 CAD sestava historického vozu v prostředí NX
CAD
Obr. 3 Vizualizace návrhu vozu s využitím dat
výchozího modelu
Postup lze vyuţít 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 např. LEGO. Tvorba modelů ze známých
dílů můţe iniciovat nápady modifikace a tvorby
nových netradičních komponent, zároveň k vytvoření
"digitální" verze fyzické stavebnice, která můţe být
motivační předlohou pro výuku CAx technologií
v úvodních ročnících technických oborů středních
škol. 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
Obr. 4 Sestava formy pro tlakové odlévání hliníkové
slitiny
5 Výzkum úrovně technického myšlení
studentů ze struktury CAx dat projektu
CAx data studentských projektů mají výzkumný
potenciál. Struktura souborů představuje významný
zdroj informací pro kvalitativní zkoumání efektivity
výuky[9]. 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
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[10].
5 Závěr
Uvedené 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. Pro
realizaci efektivní projektové výuky je nezbytné, aby
posluchači měli moţnost vyuţívat školní licence CAx
nástrojů i na svých počítačích a aby měli k dispozici
dostatečné výukové opory pro samostatná řešení úloh
v rámci projektů.
6 Literatura
[1] 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).
[2] DOSTÁL, J. Interaktivní tabule ve výuce.
Journal of Technology and Information
Education. 2009, Olomouc, Vydala Univerzita
Palackého, Ročník 1, Číslo 3, s. 11 - 16. ISSN
1803-6805 (on-line).
[3] DOSTÁL, J. Výukový software a didaktické
hry - nástroje moderního vzdělávání. Journal of
Technology and Information Education. 2009,
Olomouc, Vydala Univerzita Palackého, Ročník
1, Číslo 1, s. 24 - 28. ISSN 1803-537X (print).
ISSN 1803-6805 (on-line).
[4] CHROMÝ, J. Úvod do virtuální reality.
Media4u Magazine. [online] c.2007. No.1.
Dostupný z WWW: <http://www.media4u.cz>.
ISSN 1214-9187.
[5] CHROMÝ, J. Hardware pro virtuální realitu –
vizuální vjem. Media4u Magazine. [online]
c.2007.
No.4.
Dostupný
z
WWW:
<http://www.media4u.cz>. ISSN 1214-9187.
[6] MATĚJUS, J. Virtuální realita předmětem
projektového vyučování. Journal of Technology
and Information Education. 2010, Olomouc,
Vydala Univerzita Palackého, Ročník 2, Číslo 2,
s. 58 - 61. ISSN 1803-6805 (on-line).
[7] DOSTÁL, J. Multimediální, hypertextové
a hypermediální učební pomůcky - trend
soudobého vzdělávání. Journal of Technology
and Information Education. 2009, Olomouc,
Vydala Univerzita Palackého, Ročník 1, Číslo 2,
s. 18 - 23. ISSN 1803-6805 (on-line).
[8] MANĚNOVÁ, M. Průzkum implementace
ICT do školních vzdělávacích programů.
Media4u magazine , 2009 , roč. 6/2009 , č. 2 , s.
3-6 . ISSN 1214-9187.
[9] ŠEDIVÝ J., HUBÁLOVSKÝ, Š. Korelace a
regrese ve výuce technických předmětů. Media4u
magazine. 2009, roč. 6, č. 1, s. 52-54. ISSN
1214-9187.
[10] ŠEDIVÝ J., HUBÁLOVSKÝ, Š. Didaktické
aspekty analýzy dat ve výuce technických
předmětů. Media4u magazine. 2010, roč. 7, č.
X1/2007, s. 152-154. ISSN 1214-9187.
Alfred DeRose, MBA, Norfolk, Virginia, USA.
Tego Interactive s.r.o
Registered Address:
Schwarzenberska 708
Prague 5, Czech Republic
E-mail: [email protected]
Ing. Bc. Karel Dvořák
Pedagogická fakulta
Univerzita Hradec Králové
Rokitanského 62
500 03 Hradec Králové
E-mail:[email protected]
Ing. Josef Šedivý, Ph.D.
Katedra informatiky
Přírodovědecká fakulta
Univerzita Hradec Králové
Rokitanského 62
500 03 Hradec Králové
E-mail: [email protected]