Tài liệu Skkn ứng dụng máy khắc laser cnc vào giảng dạy các lệnh cnc cơ bản

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI TRƯỜNG TRUNG CẤP KINH TẾ - KỸ THUẬT ĐỒNG NAI Mã số: ................................ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ỨNG DỤNG MÁY KHẮC LASER CNC VÀO GIẢNG DẠY CÁC LỆNH CNC CƠ BẢN 1 Người thực hiện: Phạm Đức Thắng 2 SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC I. THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN 1. Họ và tên: Phạm Đức Thắng 2. Ngày tháng năm sinh: 25/08/1986 3. Nam, nữ: Nam 4. Địa chỉ: Phú Hội, Nhơn Trạch, Đồng Nai 5. Điện thoại: 6. Fax: (CQ)/ (NR); ĐTDĐ: 0982905829 E-mail: [email protected] 7. Chức vụ: Giáo viên 8. Đơn vị công tác: Khoa cơ khí II. TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO - Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Thạc sỹ - Năm nhận bằng: 2014 - Chuyên ngành đào tạo: Cơ khí động lực III.KINH NGHIỆM KHOA HỌC - Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Cơ khí động lực Số năm có kinh nghiệm:6 - Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây: + Ứng dụng công nghệ thông tin để giảng dạy bài học thực hành lắp ráp động cơ + Giải pháp nâng cao chất lượng ngành Công nghệ ô tô, trường Trung cấp Kinh tế - Kỹ thuật, Đồng Nai 3 MỤC LỤC Nội dung Trang I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 4 II. THỰC TRẠNG TRƯỚC KHI THỰC HIỆN CÁC GIẢI 5 PHÁP CỦA ĐỀ TÀI III. NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1. Cơ sở lý luận 2. Cơ sở thực tiễn IV. HIỆU QUẢ CỦA ĐỀ TÀI V. ĐỀ XUẤT, KHUYẾN NGHỊ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO VII. PHỤ LỤC 6 7 15 16 17 18 ỨNG DỤNG MÁY KHẮC LASER CNC VÀO GIẢNG DẠY CÁC LỆNH CNC CƠ BẢN I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 4 Khoa học công nghệ nói chung đang phát triển không ngừng, các tiến bộ khoa học kỹ thuật này càng được ứng dụng rộng rãi. Các ngành công nghiệp sản xuất hiện nay đều mang tính tự động hóa, ngành công nghệ kỹ thuật cơ khí cũng vậy, hàng loạt những ứng dụng khoa học đều được đưa vào sản xuất, công nghệ CNC là một ví dụ. Tuy nhiên giá thành của những máy CNC được tích hợp các công nghệ tiên tiến rất cao. Một trường lớn cũng chỉ một vài máy móc, còn những trường ít kinh phí thì khả năng để đầu tư một máy CNC thì rất khó khăn. Để tiếp cận được những công nghệ tiên tiến và giải quyết nhu cầu lao động có đào tạo, cần có những giải pháp vừa mang tính kinh tế, vừa đáp ứng được với nhu cầu học tập và giảng dạy của học viên và giáo viên. Tác giả và nhóm cộng tác đã chế tạo máy khắc Laser CNC để tham gia cuộc thi thiết bị dạy nghề tự làm của tỉnh Đồng Nai vào tháng 7 năm 2016, đạt giải ba [4]. Với mục tiêu tránh lãng phí, tích cực khai thác những thiết bị sẵn có của trường để ứng dụng vào giảng dạy, với mô hình này một số học phần có thể ứng dụng như Công nghệ CNC, bảo trì máy công cụ CNC, trong đào tạo thực hành ngành Công nghệ chế tạo máy của trường. Tác giả đã tiếp tục soạn thảo một số bài học trong học phần công nghệ CNC có thể ứng dụng mô hình máy khắc CNC vào giảng dạy các lệnh cơ bản CNC. Trước đây khi dạy học phần Công nghệ CNC học sinh chủ yếu là học lý thuyết cộng thêm với phần mềm ảo trên máy tính để học các lệnh CNC. Với việc dạy học như vậy học sinh khó có thể tiếp cận nhanh chóng và tự tin có thể viết các lệnh CNC khi học xong học phần. Thống kê cho thấy số học sinh tự tin viết được các lệnh CNC để thực hiện chỉ khoảng 33% các lệnh sau khi học xong học phần. 30% số học sinh có thể lập trình được một số lệnh, số còn lại chưa tự tin thực hiện được các lệnh trong học phần, giáo viên phải phù đạo thêm. Như vậy tỉ lệ học sinh có thể đáp ứng được mục tiêu của học phần là chưa cao, để khắc phục được điều đó nội dung đề tài này sẽ làm sáng tỏ. Với đặc tính trực quan sinh động khi học trực tiếp trên máy khắc Laser CNC thực tế học sinh dễ dàng tiếp cận, dễ dàng ứng dụng các lệnh đã học để thao tác ngay trên máy. Tỉ lệ học sinh đã tự tin thực hiện các lệnh CNC trên máy là 100%. Với mục đích góp phần nâng cao chất lượng đào tạo học phần Công nghệ CNC tác giả đã chọn đề tài: “Ứng dụng máy khắc Laser CNC vào giảng dạy các lệnh CNC cơ bản”. II. THỰC TRẠNG TRƯỚC KHI THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP CỦA ĐỀ TÀI 1. Thuận lợi 5 - Nhận thấy sự khó khăn trong đào tạo Công nghệ CNC, lãnh đạo Trường đã cấp kinh phí để chế tạo máy khắc Laser CNC trong cuộc thi thiết bị dạy nghề tự làm của Tỉnh Đồng Nai tháng 7 năm 2016. - Sau khi được lắng nghe ý kiến từ các chuyên gia trong cuộc thi thiết bị tự làm, lãnh đạo trường đã động viên, khích lệ tiếp tục hoàn thiện mô hình và ứng dụng ngay vào công tác đào tạo các học phần liên quan trong năm học 2016 2017. - Với sự hỗ trợ và những đóng góp quý báu từ lãnh đạo khoa Cơ khí, quý đồng nghiệp và học sinh ngành Chế tạo máy và Bảo trì sửa chữa máy công cụ, tác giả có thể ứng dụng vào giảng dạy ngay trong năm học 2016-2017. - Hầu hết các vật tư thực hiện chế tạo và cải tiến mô hình đều rất thông dụng, dễ dàng tìm kiếm thay thế khi gặp vấn đề trục trặc - Mô hình nhỏ gọn có thể sử dụng để giảng dạy lý thuyết ngay trên phòng lý thuyết. - Hệ thống máy tính kết hợp để hoạt động mô hình chỉ cần cấu hình tối thiểu nên dễ dàng sử dụng các hệ thống máy tính cũ của trường có sẵn. 2. Khó khăn - Do một kỳ chỉ có 1 lớp học học phần Công nghệ CNC nên việc thống kê tính hiệu quả của mô hình còn hạn chế. - Mô hình máy khắc Laser CNC chỉ phát huy được tốt khi giảng dạy gia công các chi tiết 2D. - Ứng dụng của mô hình chỉ có thể dạy được các lệnh CNC cơ bản để thao tác các bản vẽ 2D nên còn có nhiều hạn chế khi gia công các chi tiết phức tạp. Công nghệ CNC là công nghệ gia công chính xác, do đó quá trình thực hiện mô hình có nhiều khó khăn, độ chính xác của các chi tiết khi gia công chưa cao. III. NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1. Cơ sở lý luận Trong các giáo trình lý luận dạy học, tâm lý học của nhiều tác giả (1) quá trình hình thành kỹ năng cho người học được hình thành qua 05 giai đoạn: Giai đoạn bắt chước: Chỉ hành động theo mẫu; 6 - Giai đoạn làm được: Hiểu nhiệm vụ, quy trình làm việc nhưng còn có những sai sót, thời gian hoàn thành chậm và đôi khi còn cần có sự chỉ dẫn. - Giai đoạn làm chính xác: Làm việc theo quy trình, chính xác và hoàn thiện công việc nhanh chóng. - Giai đoạn hình thành kỹ xảo: Kỹ năng được tự động hoá, trên cơ sở đó hình thành nên kỹ xảo. - Giai đoạn làm biến hóa. Thể hiện khả năng di chuyển kỹ năng sang các tình huống mới hoặc hình thành các kỹ năng phức tạp. Như vậy để hình thành một kỹ năng nào đó người học phải trải qua giai đoạn trên. Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn bắt chước, vậy để bắt chước được cần điều kiện gì? Đó là hình ảnh, biểu tượng và vận động, vì vậy để nâng cao kỹ năng của người học việc ứng dụng những mô hình thực tế là điều cần thiết. 7 2. Cơ sở thực tiễn Hiện nay để thực hiện giảng dạy các môn học chuyên ngành Cơ khí, Công nghệ CNC ở trường khi dạy các lệnh CNC giáo viên thường dạy chủ yếu là lý thuyết sau đó mô phỏng trên máy tính cho học sinh quan sát, việc học như vậy đã diễn ra nhiều năm qua, hầu hết học sinh sau khi học xong học phần đều chưa tự tin lập trình cho một chi tiết mà giáo viên giao ngẫu nhiên, điều này chứng tỏ rằng việc học hầu như là lý thuyết trên lớp mà chưa được thực hành đã ảnh hưởng đến kết quả đạt được của học viên. Việc kết hợp những hệ thống máy tính cũ của trường có các cấu hình tối thiểu hoạt động cùng với máy cũng là một trong những cơ sở mà tác giả đặt ra. Nội dung, biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài Để ứng dụng máy khắc Lazer CNC vào giảng dạy các lệnh CNC cơ bản tác giả đã thực hiện những nội dung sau: - Giới thiệu về máy khắc Laser CNC, công dụng và thông số những khả năng làm việc của máy. Các lệnh có thể sử dụng trên máy khắc Laser CNC. - Tạo những ví dụ là những chi tiết cụ thể trên bản vẽ để người học vừa học lý thuyết sau đó kiểm chứng thực tiễn trên máy, thực hiện phương pháp giảng dạy tích hợp lý thuyết - thực hành song song. a) Giới thiệu về máy khắc lazer CNC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT : Máy khắc Laser CNC là một dạng của máy công cụ CNC điều khiển hai trục bao gồm trục X và trục Y, Laser được di chuyển theo tọa độ với tín hiệu được lập trình sẵn từ máy tính. Máy khắc Laser gồm các bộ phận chính sau: - Cụm trục X - Cụm trục Y - Hệ thống xử lý trung tâm - Nguồn và mô tơ bước và các driver điểu khiển động cơ bước - Bộ Laser - Kết cấu khung giá đỡ Cụm trục X: Cụm trục X: đóng vai trò làm cho LASER có khả năng di chuyển trong trục X với chiều dài thiết kế là 620mm, hành trình làm việc là 400mm 8 Cụm trục X bao gồm hai trục trơn và gối đỡ Ø16 để đỡ các bộ phận Laser giúp Laser có thể di chuyển trên trục cố định tạo thêm sự vững chắc, hai ổ bi trượt được lắp trên bộ phận Laser để Laser có thể di chuyển một cách nhẹ nhàng. Trục vít me M16*4 ren vuông giúp Laser có thể di chuyển theo bước nhỏ nhất Mô tơ bước: bước 1.80 giúp cho việc điều khiển Laser theo những bước nhỏ. Cụm trục Y: Tương tự như cụm trục X trục Y cũng được thiết để để Laser có thể di chuyển theo trục Y với bước nhỏ chiều dài thiết kế là: 820mm, hành trình làm việc 550mm. Cụm trục Y cũng gồm hai trục trơn và các gối đỡ Ø16 và 4 ổ bị trượt để đỡ toàn bộ trục X và laser. Trục vít me M16*4 ren vuông cũng giúp cho toàn bộ trục X và Laser di chuyển theo phương Y theo những bước nhỏ. Cụm hệ thống xử lý trung tâm: Cụm hệ thống xử lý trung tâm bao gồm: - Máy tính - Bộ vi xử lý có nạp sẵn firmware Máy tính Hệ thống máy tính được trang bị để cài đặt các phần mềm để bổ trợ cho Máy khắc Laser. Toàn bộ phần mềm được cài trong hệ thống đều là những phần mềm mã nguồn mở do vậy hoàn toàn có thể sử dụng tự do mà không lo về vấn đề bản quyền cũng như giá cả. Hệ thống máy tính sử dụng với cấu hình tối thiểu. CPU celeron, Ram 1G, HDD 40g, phù hợp với những máy tính thế hệ cũ của trường đã không còn sử dụng.  Hệ thống máy tính Máy tính được các phần mềm như: phần mềm điều khiển chương trình giao tiếp giữa máy tính và máy khắc Laser: phần mềm GRBL controller. 9 Hình 4.1: Giao diện phần mềm điều khiển GRBL controller Hình 4.2: Giao diện phần mềm điều khiển GRBL controller khi kiểm tra các thông số ` Hình 4.3: Mô phỏng đường chạy dao trên phần mềm 10 Phần mềm GRBL controller là phần mềm mã nguồn mở được viết riêng cho Board điều khiển CNC Arduino. Phần mềm hỗ trợ các lệnh G00: Di chuyển nhanh không cắt gọt G01: Nội suy đường thẳng G02, G03: Nội suy cung tròn cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ G54: Hệ tọa độ chuẩn ( chuẩn phôi) G17: Mặt phẳng làm việc X, Y G20: Hệ đơn vị sử dụng ( hệ inchs) G21: Hệ đơn vị sử dụng (Hệ mét) G90: Lập trình tuyệt đối G91: Lập trình tương đối G94: Chế độ cắt mm/phút M0: Chế độ chạy từng câu lệnh M01: Dừng chương trình có điều kiện M02: Kết thúc chương trình M30: kết thúc chương trình M5: Dừng trục chính M8: Bật chế độ làm mát M9: Tắt chế dộ làm mát T0: Gọi dụng cụ cắt F0: Tốc độ cắt (mm/phút) Ngoài ra phần mềm còn cho phép tự động điều chỉnh các thông số để phù hợp với một kích thước làm việc của máy gia công CNC. b) Một số ví dụ Viết chương trình để gia công chi tiết có bản vẽ như sau: 11 Trong ví dụ này sẽ học được các lệnh như sau: Lệnh G00, G54, G90, G01, G17, M03, M30, S, F Ví dụ được thực hiện như sau: Bước 1: Học sinh được giải thích các loại mã lệnh Bước 2: Soạn thảo chương trình mẫu Bước 3: Nhập chương trình vào máy để gia công Bước 4: Khởi động máy và cho máy gia công Bước 5: Giao việc cho học sinh tự làm Bước 6: Học sinh tự kiểm chứng bằng cách nhập chương trình vào máy và chạy thử Bước 7: Kiểm tra lại và thay đổi thông số Bước 8: Phát biểu lại ý nghĩa của các lệnh sau khi đã quan sát máy thực hiện gia công. Chương trình mẫu: N5: G00 G54 G90 X-20 Y-20 N10 S450 M03 F250 N15 C0 12 N20 G01 N25 G42 G91 N30 X10 Y10 N35 X70 Y-10 N40 X20 Y20 N45 X-40 Y60 N50 X-20 N55 X-10 Y-25 N60 X-30 Y-15 N65 X0 Y-40 N70 G40 G90 X-20 Y-20 N75 G00 N80 Y100 N85 M30 Mô phỏng trên mô hình Ví dụ 2: 13 Viết chương trình gia công nội suy đường tròn như hình bên dưới N10 G00 X0 Y0 N20 G01 X12 F0.3 N30 G01 X40 Y-25 N40 G03 X70 Y-75 I-3.335 J-29.25 N50 G01 Y-95 N60 G00 X200 Y200 Ví dụ 3: Viết chương trình gia công sử dụng lệnh G90, G91 14 Nội suy cung tròn theo R và theo I sử dụng G90, G92, G02, G03 Nội suy cung tròn theo R G92 X200 Y40 Z0 G90 G03 X140 Y100 R60 F300 G02 X120 Y60 R50 Nội suy cung tròn theo I G92 X200 Y40 Z0 G90 G03 X140 Y100 I-60 F300 G02 X120 Y60 I-50 Sử dụng lệnh G91, G02, G03 Nội suy cung tròn theo R G91 G03 X-60 Y60 R60 F300 G02 X-20 Y-40 R50 Nội suy cung tròn theo I G91 G03 X-60 Y60 I-60 F300 G02 X-20 Y-40 I-50 15 IV. HIỆU QUẢ CỦA ĐỀ TÀI - Bằng việc thực hiện dạy học song song giữa lý thuyết và thực hành, vận hành trực tiếp trên máy cho lớp 1309CTM số lượng 18 học sinh, học kỳ 1 năm học 2016-2017 tác giả đã đạt được những mục tiêu sau: - Mục tiêu về kiến thức: 100% học viên nêu được công dụng của các lệnh được học, - Mục tiêu về kỹ năng: 100% học sinh đều lập trình được các lệnh để gia công một chi tiết nào bất kỳ mà giáo viên giao ngẫu nhiên, vận hành được máy, kết nối chương trình với máy tính - Mục tiêu về thái độ: 100% tích cực học tập, chủ động suy nghĩ Bên cạnh đó việc ứng dụng mô hình này vào giảng dạy đã kéo theo việc tận dụng các máy tính có cấu hình thấp tại trường đã không còn sử dụng để giảng dạy, giúp trường tiết kiệm được một khoản kinh phí Sử dụng kết hợp với những máy tính cũ với cấu hình tối thiểu đã lỗi thời mà hiện nay nhà trường đã ít sử dụng để giảng dạy ngành Kỹ thuật máy tính và Vẽ thiết kế trên máy tính. 16 V. ĐỀ XUẤT, KHUYẾN NGHỊ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Sử dụng mô hình dạy học gắn liền với thực tế là điều cần thiết, việc kết hợp giữa lý thuyết và thực hành trên mô hình giúp cho quá trình nhận thức tri thức được nâng cao, kỹ năng nghề được cải thiện. Mô hình máy khắc Laser cộng với tài liệu biên soạn để dạy các lệnh CNC cơ bản có thể ứng dụng vào giảng dạy các lệnh CNC cơ bản, giúp có thể phần nào nâng cao chất lượng đào tạo học phần Công nghệ CNC. Tuy đã cố gắng ứng dụng những mô hình có sẵn vào giảng dạy nhằm nâng cao hiệu quả dạy và học tuy nhiên, mô hình máy khắc Laser CNC với những hạn chế về số lượng trục nên không thể gia công các chi tiết với mô hình 3D, nên tác giả chưa đưa được nhiều lệnh vào trong giảng dạy. Qua nghiên cứu tác giả đề xuất một số giải pháp sau: - Nâng cấp máy khắc Laser CNC thành máy phay CNC 3 trục, để có thể đào tạo thêm nhiều lệnh khác, nâng công suất của máy, hoàn thiện mô hình sao cho có thể tích hợp thêm được các môn học liên quan CNC khác - Cấp kinh phí biên soạn giáo trình bài giảng để giảng dạy học phần công nghệ CNC có ứng dụng thực tế, học sinh có thể thao tác trực tiếp trên mô hình. Kết hợp giữa lý thuyết và hình ảnh minh họa trực quan. 17 VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Văn Bính, Trần Sinh Thành, Nguyễn Văn Khôi, Phương pháp dạy học kỹ thuật công nghiệp, Nhà xuất bản giáo dục Hà Nội, năm 2004. 2. Nguyễn Văn Kỳ, Phương pháp dạy học tích cực, Nhà xuất bản giáo dục Hà Nội, 2000 3. Nguyễn Thụy Ai, Phương pháp dạy học kỹ thuật, ĐHSPKT, 2000 4. Quyết định khen thưởng các mô hình dạy học tại cuộc thi Thiết bị dạy nghề tự làm, tỉnh Đồng Nai năm 2016. NGƯỜI THỰC HIỆN (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Đức Thắng 18 SỞ GD&ĐT ĐỒNG NAI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG TRUNG CẤP KINH TẾ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KỸ THUẬT ĐỒNG NAI Đồng Nai, ngày tháng năm 2017 PHIẾU NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Năm học: 2016 - 2017 Tên sáng kiến kinh nghiệm: ỨNG DỤNG MÁY KHẮC LASER CNC VÀO GIẢNG DẠY CÁC LỆNH CNC CƠ BẢN Họ và tên tác giả: Phạm Đức Thắng Đơn vị (Tổ): Khoa cơ khí Lĩnh vực: Quản lý giáo dục  Phương pháp giáo dục Phương pháp dạy học bộ môn: ...........................   Lĩnh vực khác: ....................................................  1. Tính mới - Có giải pháp hoàn toàn mới  - Có giải pháp cải tiến, đổi mới từ giải pháp đã có  2. Hiệu quả - Hoàn toàn mới và đã triển khai áp dụng trong toàn ngành có hiệu quả cao  - Có tính cải tiến hoặc đổi mới từ những giải pháp đã có và đã triển khai áp dụng trong toàn ngành có hiệu quả cao  - Hoàn toàn mới và đã triển khai áp dụng tại đơn vị có hiệu quả cao  - Có tính cải tiến hoặc đổi mới từ những giải pháp đã có và đã triển khai áp dụng tại đơn vị có hiệu quả  3. Khả năng áp dụng 19 - Cung cấp được các luận cứ khoa học cho việc hoạch định đường lối, chính sách: Tốt  Khá  Đạt  - Đưa ra các giải pháp khuyến nghị có khả năng ứng dụng thực tiễn, dễ thực hiện và dễ đi vào cuộc sống: Tốt  Khá  Đạt  - Đã được áp dụng trong thực tế đạt hiệu quả hoặc có khả năng áp dụng đạt hiệu quả trong phạm vi rộng: Tốt  Khá  Đạt  XÁC NHẬN CỦA TỔ CHUYÊN MÔN THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ (Ký tên và ghi rõ họ tên) (Ký tên, ghi rõ họ tên và đóng dấu) 20