СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ (модуля) 1-го года обучения

Раздел 1. Введение, инструктаж по ТБ и входное тестирование

Теория: Правила поведения в компьютерном классе, правила техники безопасности при работе с компьютерной техникой и 3D-принтерами. Введение в предмет 3D-моделирования и обзор доступных технологий цифрового производства.

Практика: Выполнение теста Беннета на механическую понятливость.

Раздел 2. Основы моделирования в Autodesk Inventor

Тема 2.1. Знакомство с Autodesk Inventor

Теория: О программе Autodesk Inventor, ее возможностях и сфере применения. Основы пользовательского интерфейса Utodesk Inventor: режимы работы, клавиши навигации, выбор шаблона детали, сохранение и экспорт для печати.

Практика: Знакомство с пользовательским интерфейсом Autodesk Inventor. Моделирование и распечатка на 3D-принтере простого изделия (именной брелок).

Тема 2.2. Моделирование на уровне детали

Теория: Разложение детали на последовательность эскизов и 3D-операций. Построение эскиза: основные инструменты, установка размеров, задание ограничений, вспомогательная геометрия. Проецирование существующей геометрии. 3D-операции: выдавливание, вращение, лофт, спираль. Способы нахождения и создания рабочих плоскостей. Измерения деталей и установка размеров. Точность и допуски при 3D-печати. Операции повторения на эскизе и в 3D: зеркальное отражение, круговой и линейный массивы. Получение чертежей из 3D-модели в Autodesk Inventor. Виды чертежей: стереометрия и проекции, краткое упоминание о сборочных чертежах.

Практика: на занятиях выполняется последовательность заданий по моделированию постепенно усложняющихся объектов. Каждое задание нацелено как на подкрепление навыков, выработанных на предыдущих занятиях, так и на освоение новых приемов 3D-моделирования. Задания оформлены в виде пошаговых инструкций, в которых предусмотрены элементы вариативности. По усмотрению преподавателя, лучшие из выполненных работ, либо все работы изготавливаются на цифровом оборудовании. После прохождения всей серии пошаговых инструкций, обучающиеся придумывают (или выбирают предложенную преподавателем) тему для индивидуальных творческих проектов.

Тема 2.3. Создание простых сборочных моделей

Теория: Назначение сборочных моделей. Размещение деталей, установка сборочных зависимостей между ними. Сборочные чертежи. На первом году обучения работа со сборочными моделями дается в минимальном объеме, необходимом для выполнения обязательных заданий или индивидуальных проектов.

Практика: на этом этапе материал подкрепляется как учебными заданиями, так и выполнением индивидуальных или командных мини-проектов. Выполнение мини-проекта может быть рассчитано на несколько занятий. Устраиваются соревнования, лучшие проекты попадают на выставку работ или участвуют во внешних соревнованиях. Приветствуются проекты, выполняемые совместно с другими объединениями.

Раздел 3. Обзор специфических приемов и технологий

Теория: понятие о станках с ЧПУ (фрезерных, лазерных). Путь от 3D-модели до лазерного станка. Понятие о векторной и растровой графике. Особенности конструирования трехмерных объектов из плоских деталей. Виды соединений. Введение в «мультитела» в Autodesk Inventor и их использование для деталировки изделий. Подготовка моделей для нарезания на лазерном станке. Управление лазерным станком и его настройка. Изготовление сложных предметов из плоских деталей. Моделирование и изготовление форм для литья.

Практика: Моделирование и изготовление на лазерном станке несложных изделий из фанеры или оргстекла (елочки, полочки, коробочки). Моделирование частей авиамоделей, игрушек из листового материала, с последующим изготовлением (обычно из фанеры или оргстекла) на лазерном станке. Моделирование форм для литья и изготовление таких форм на 3D-принтере или фрезерном станке. Литье изделий из парафина, силикона или низкотемпературного пластика («полиморф»).

Раздел 4. Продвинутое моделирование в Autodesk Inventor

Тема 4.1. Продвинутое моделирование на уровне детали

Теория: Поверхности и операции с ними. 3D-эскизы, кривые пересечения. Построение поверхности по точкам. Free-form моделирование. Мультитела и операции с ними. Преобразование мульти-тельной детали в сборку. Параметризация деталей. Производные детали. Промежуточный тест (соревнование «Блиц-турнир по инженерному 3D»).

Практика: на занятиях выполняется последовательность заданий по моделированию постепенно усложняющихся объектов. Каждое задание нацелено как на подкрепление навыков, выработанных на предыдущих занятиях, так и на освоение новых приемов 3D-моделирования. Задания оформлены в виде пошаговых инструкций, в которых предусмотрены элементы вариативности. По усмотрению преподавателя лучшие из выполненных работ, либо все работы изготавливаются на цифровом оборудовании. Поскольку все обучающиеся к началу 2-го года обучения должны бегло владеть базовыми приемами моделирования, значительное время отводится на выполнение индивидуальных или командных творческих проектов, в том числе для участия в конкурсах.

Тема 4.2. Понимание и создание чертежей

Примечание: Чертежи традиционно являются «языком инженеров». В курсе, ориентированном на компьютерные технологии производства, чертеж в большой степени уступает место 3D-модели: полная информация о детали передается не технологу или рабочему в виде чертежа, а поступает, в виде специальным образом подготовленной 3D-модели, непосредственно на цифровой станок. Хотя элементы черчения и геометрии постоянно встречаются в данном курсе в ходе построения эскизов, они рассматриваются только как промежуточный этап создания 3D-модели. Тем не менее, обучающимся следует дать хотя бы некоторое понятие о чтении чертежей и их автоматизированной генерации по 3D-моделям.

Теория: условные обозначения на чертежах. Виды, проекции, сечения, выноски и пр. Расстановка размеров. Чертежи как основной способ «бумажного» документирования проекта. Выбор формата, заполнение полей основной надписи.

Практика: документируем чертежами некоторые из ранее созданных моделей.

Раздел 5. Азы конструирования – знакомство с типовыми узлами и механизмами, создание сборочных моделей и их анимация.

Теория: Сборочные модели. Размещение деталей, установка сборочных зависимостей между ними. Взаимодействие деталей, типы сочленений, моделирование простых кинематических схем. Создание адаптивной детали непосредственно внутри сборочного чертежа. Создание анимаций. Средства Autodesk Inventor для добавления в сборку стандартных деталей и узлов (винтовые соединения, подшипники, шестерни). Конструирование каркасных конструкций. Промежуточный тест (соревнование «Блиц-турнир по инженерному 3D»). Обзор (моделирование) простых машин и механизмов.

Практика: Учебные задания этого раздела демонстрируют как приемы установления сборочных зависимостей и соединений, так и интересные и необычные механизмы, которые не только моделируются в сборке, но и анимируются. Материал подкрепляется не только заданиями, так и выполнением индивидуальных или командных мини-проектов. Часто выполнение одного мини-проекта рассчитано на несколько занятий. Устраиваются соревнования, лучшие проекты попадают на выставку работ или участвуют во внешних соревнованиях. Приветствуются проекты, выполняемые совместно с другими объединениями.

Раздел 6. Подведение итогов года

Теория: Обсуждение изученного, успехи и неудачи, планы на будущее.

Практика: демонстрация работ.

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ (модуля) 2-го года обучения

Раздел 1. Введение, инструктаж по ТБ

Теория: Правила поведения в компьютерном классе, правила техники безопасности при работе с компьютерной техникой, при проведении паяльных работ. Введение в предмет курса и обзор доступных технологий.

Раздел 2. Основы программирования на С для контроллера Arduino

Примечание: В этом разделе идет именно обучение основам программирования, в контексте работы с микроконтроллером Arduino. Все задания выполняются только на монтажной плате, с минимальным набором внешних компонентов. Упор делается на синтаксис языка (т.е. умение не делать грубых синтаксических ошибок) и программную логику.

Тема 2.1. Знакомство с Arduino и языком C

Теория: О среде программирования Arduino и контроллере Arduino, его возможностях и сфере применения. «Ножки» Arduino как его способ общения с внешним миром. Управление светодиодом, его правильное подключение. Язык C. Структура программы для Arduino. Функции digitalWrite() и delay().

Практика: Подключение Arduino, загрузка и запуск готового примера программы (мигающий светодиод). Внесение изменений в программу. Макетная плата и ее внутренние соединения. Подключаем дополнительные светодиоды.

Тема 2.2. Основы программирования на С для контроллера Arduino

Теория: Синтаксис языка C. объявление и использование переменных. Типы переменных. Циклы и условные операторы. Массивы и работа с ними. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) как способ управления яркостью светодиода. Функция analogWrite(). Кнопочный выключатель как источник входного сигнала. Геркон — датчик магнитного поля. Чтение входов функцией digitalRead(). Делители напряжения. Потенциометр, как источник аналогового сигнала. Чтение аналогового сигнала функцией analogRead(). Пересылка данных на компьютер через последовательный интерфейс. Класс Serial. Отправка отладочной информации. Прием и обработка команд с компьютера.

Практика: на занятиях выполняется последовательность постепенно усложняющихся заданий по программированию Ардуино на макетной плате, с использованием светодиодов как выходов, кнопок и потенциометров - как устройств ввода.

Раздел 3. Практическое программирование для Arduino

Тема 3.1. Программирование распространенных датчиков и приводов

Теория: Обзор распространенных датчиков и типов моторов. Сонары, датчики освещенности, температуры, влажности и пр. Гироскопы и акселерометры. Моторы постоянного тока, сервоприводы, шаговые двигатели. Библиотеки для работы с этими устройствами: их нахождение, установка, использование. Протокол I2C. Взаимодействия и несовместимости различных библиотек.

Практика: на этом этапе материал подкрепляется как учебными заданиями, так и выполнением индивидуальных или командных мини-проектов. Учебные задания демонстрируют работу с различными внешними устройствами. Выполнение мини-проекта может быть рассчитано на несколько занятий. Устраиваются соревнования, лучшие проекты попадают на выставку работ или участвуют во внешних соревнованиях. Приветствуются проекты, выполняемые совместно с другими объединениями.

Тема 3.2. Основы архитектуры контроллеров ATMega

Теория: Основы архитектуры контроллеров ATMega, доступ к «ножкам» через порты, типы ножек, таймеры, АЦП, модемы, прерывания (т. е. почему разные ножки можно использовать по-разному и почему могут возникать несовместимости). Как правильно выбрать тип Ардуино и распределить ножки для конкретного проекта.

Практика: управление светодиодами через порты. Заглядываем в исходный код библиотек и пытаемся его понять. Пишем обработчик прерывания (нажали кнопку — мигнули лампочкой, не используя delay () - одно прерывание по ножке, другое - по таймеру). Тестовые задания — описано устройство с некоторым количеством датчиков, моторов и пр., надо подобрать под него «правильное» Arduino и распределить ножки.

Тема 3.3. Беспроводные коммуникации

Теория: Беспроводное управление — инфракрасное, Bluetooth, WiFi и прочие радиомодули. Несложное программирование на PC (Python, Basic) и мобильных устройствах.

Практика: учебные мини-проекты на макетных платах, в каждом из которых изучается один из способов передачи команд или телеметрии между микроконтроллерами, либо между контроллером и PC. Возможные темы: управляемые машинки, сети датчиков.

Тема 3.4. Задачи робототехники

Теория: Изучаются (или вспоминаются — для изучавших робототехнику) типовые алгоритмы «соревновательных» роботов — следование по линии.

Практика: В рамках интеграции с курсом «3D-моделирование и конструирование», обучающие конструируют и собирают роботов (тележки) для участия в каких-либо из классических робо-соревнований (следование по линии, лабиринт, эстафета, робо-сумо, кегельринг и пр.). Электроника роботов делается на базе Arduino и программируется на C.

Раздел 4. Разработка и монтаж печатных плат

Тема 4.1. Программы для разработки печатных плат

Теория: Знакомство с программой Eagle CAD. Пользовательский интерфейс, библиотеки компонентов, создание принципиальной схемы, размещение деталей на плате, разводка соединений, слои и перемычки.

Практика: упражнения по разводке несложных схем. Создание платы для своего творческого проекта.

Тема 4.2. Практическое изготовление и монтаж печатных плат

Теория: Технология «ЛУТ» (Лазер-Утюг-Травилка). Технология гравировки плат. Программное обеспечение и форматы промежуточных файлов.

Практика: Изготовление, монтаж и отладка печатных плат для творческих проектов.

Раздел 5. Подведение итогов года

Теория: Обсуждение изученного, успехи и неудачи, планы на будущее.

Практика: демонстрация работ.