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CNC I: Einführung in die CNC-Technik

Unterrichtseinheit

In der industriellen Fertigung kommen heute vor allem computergesteuerte Maschinen zum Einsatz. Im Bereich der Werkzeugmaschinen, die zum Beispiel zum Bohren, Fräsen, Drehen oder Schleifen benötigt werden, wird hier die CNC-Technik eingesetzt. CNC bedeutet Computerized Numerical Control und steht für die computerunterstützte Steuerung von Maschinen mithilfe von Zahlenausdrücken. Diese Zahlenausdrücke bilden Programme, die heute mithilfe von Simulationssoftware auch an jedem PC dargestellt werden können. In der Schule bietet eine Simulationssoftware die Möglichkeit, mit den Schülerinnen und Schülern CNC-Programme zu erstellen und zu simulieren, auch wenn keine CNC-Maschine zur Verfügung steht. Eine Vorführung des konkreten Programmablaufs an einer echten Maschine kann die Arbeit mit Simulationssoftware dann sinnvoll ergänzen. Diese Unterrichtsreihe bietet einen Einstieg in die CNC-Technik und umfasst einfache Grundlagen mit zahlreichen Anwendungen und Übungen. CNC-Programme werden an zahlreichen Maschinen zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken oder auch zur Programmierung von Laserschneidgeräten eingesetzt und begegnen vielen Schülerinnen und Schülern in ihrem späteren Berufsleben. Bei der Erstellung von CNC-Programmen können auch erste Grundlagen zum Einsatz anderer Programmiersprachen gelegt werden. Unterrichtsverlauf "CNC I" Die ersten NC-Maschinen wurden in den 1940er Jahren in den USA entwickelt, um komplizierte Teile für die Flugzeugindustrie zu fertigen, die bei einer Steuerung der Maschinen von Hand nicht mehr realisierbar waren. Später wurden Computer zum Speichern und Verarbeiten der NC-Programme eingesetzt. Die Schülerinnen und Schüler sollen den Begriff CNC erklären. die Vorteile des CNC-Einsatzes nennen. den Aufbau eines CNC-Programms erklären. Absolutmaßprogrammierung und Inkrementalmaßprogrammierung unterscheiden. einfache CNC-Programme zum Bohren und zum Fräsen von Geraden erstellen und simulieren. Spaß am Arbeiten mit der Simulationssoftware haben. Thema Einführung in die CNC-Technik Autor Dr. Stefan Staiger Fach Computertechnik, Technik Zielgruppe Berufsschule Grundstufe, Technisches Gymnasium Klasse 11 Zeitumfang 6-10 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen CNC-Simulationssoftware, zum Beispiel EXSL, Computer Als Ergänzung zum Unterrichtsmaterial von Dr. Staiger hat Berthold Vahlsing von den BBS Nienburg eine Anleitung zum Umgang mit der Software SL Automatisierungstechnik ergänzt, die hier zum Download bereitgestellt wird. Einstieg Die Einstiegsfolie stellt die Unterschiede zwischen CNC-gesteuerten und manuell zu bedienenden Werkzeugmaschinen heraus. Grundlagen Das Informationsblatt enthält Grundsätzliches zu Achsrichtungen und Bezugspunkten, Regelkreisen in Werkezeugmaschinen sowie Steuerungsarten. Einführung in die Bemaßungsarten Die Bemaßungsarten, Absolutbemaßung und Kettenbemaßung, werden erarbeitet. Zu jedem der beiden Programmierarten wird das CNC-Programm einer einfachen Bohrplatte erstellt. Anwendung: Einsatz von Simulationssoftware Nun lernen die Schülerinnen und Schüler ihre bereits erstellten Programme mithilfe einer Simulationssoftware anzuwenden. Hierfür gibt es zahlreiche Programme auf dem Markt. Ihre Funktionen werden am besten am Beamer vorgeführt und anhand eines einfachen Werkstücks mit den Schülerinnen und Schülern zusammen Schritt für Schritt erarbeitet. Hier wird die Simulationssoftware EXSL der Firma SL-Automatisierungstechnik verwendet. Die Unterrichtsreihe kann natürlich auch mit der Software anderer Firmen durchgeführt werden. Vorteile der CNC-Technik Vorteile der CNC-Technik werden im Gespräch mit den Schülerinnen und Schülern als Tafelbild gesammelt. Der letzte Punkt "Integration in komplexere Systeme mit mehreren Maschinen und Handhabungseinrichtungen möglich" muss dabei voraussichtlich von der Lehrkraft vorgegeben werden. Tafelbild Fräsen von Nuten Nachdem zunächst Programme für Bohrungen erstellt wurden, wird nun das Fräsen von Nuten vorgestellt. Übungen zur Geradeninterpolation Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten selbstständig zwei Übungen zur Geradeninterpolation. Dabei sollten die Übungen zuerst auf Papier gelöst werden und anschließend die erstellten Programme am Computer eingegeben und simuliert werden. Wenn nur am Computer gearbeitet wird, konzentrieren sich die Schüler oft nur unzureichend auf die eigentliche Programmerstellung. Die erste Übung umfasst Bohren und das Fräsen von Nuten. Die zweite Übung kann in zwei Varianten durchgeführt werden: Als Geradeninterpolation_2a ohne Vorgabe einer maximalen Frästiefe oder als Geradeninterpolation_2b mit Vorgabe einer maximalen Frästiefe (einzelne Konturen, die tiefer zu fräsen sind, müssen dann mehrfach abgefahren werden).

  • Metalltechnik
  • Sekundarstufe II

CNC II: Kreisprogrammierung und Bahnkorrektur

Unterrichtseinheit

Diese Unterrichtsreihe führt in die Erstellung und Simulation von Programmen mit kreisförmigen Konturen und in die Verwendung der Bahnkorrektur ein. Alle Programme können mithilfe einer Simulationssoftware am PC simuliert werden. Eine Vorführung des konkreten Programmablaufs an einer „echten“ Maschine kann die Arbeit mit Simulationssoftware dann sinnvoll ergänzen. In der industriellen Fertigung kommen heute vor allem computergesteuerte Maschinen zum Einsatz. CNC bedeutet Computerized Numerical Control und steht für die computerunterstützte Steuerung von Werkzeugmaschinen mithilfe von Zahlenausdrücken. CNC-Programme werden an zahlreichen Maschinen zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken oder auch zur Programmierung von Laserschneidgeräten eingesetzt und begegnen vielen Schülern in ihrem späteren Berufsleben. Bei der Erstellung von CNC-Programmen können auch erste Grundlagen zum Einsatz anderer Programmiersprachen gelegt werden. Diese Unterrichtsreihe baut auf den Inhalten der Unterrichtsreihe "Einführung in die CNC-Technik" auf und umfasst die Themenbereiche Kreisprogrammierung und Bahnkorrektur mit zahlreichen Anwendungen und Übungen. Unterrichtsablauf Diese Unterrichtsreihe baut auf den Inhalten der Unterrichtsreihe ?Einführung in die CNC-Technik? auf und umfasst die Themenbereiche Kreisprogrammierung und Bahnkorrektur mit zahlreichen Anwendungen und Übungen. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Kreisprogrammierung mit G2/G3 erklären. Programme mit Kreisbögen erstellen. die Vorteile der Verwendung der Bahnkorrektur erkennen. Programme mit Bahnkorrektur erstellen. Spaß am Arbeiten mit der Simulationssoftware haben. Thema Kreisprogrammierung und Bahnkorrektur in der CNC-Technik Autor Stefan Staiger Fach Computertechnik, Technik Zielgruppe Berufsschule Grundstufe, Technisches Gymnasium Klasse 11 Zeitumfang 6-10 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen CNC-Simulationssoftware EXSL-Win, Computer Einstieg Zur Einführung wird die Skizze eines einfachen Werkstück mit bogenförmigen Konturen per Beamer gezeigt. An diesem Beispiel wird thematisiert, welche Probleme beim Fräsen dieses Werkstücks auftreten: bislang sind keine Befehle zum Fräsen von Kreisbögen bekannt. Mithilfe eines Informationsblatts werden die Grundlagen der Kreisinterpolation besprochen. Dazu gibt es eine Übung, bei der drei Kreisbefehle erstellt werden müssen. Diese Aufgabe kann in Einzel- oder Gruppenarbeit der Schülerinnen und Schüler oder im Plenum gelöst werden. Das Beispielprogramm sollte anschließend von den Schülerinnen und Schülern mithilfe einer Simulationssoftware erprobt werden. Simulation Nun lernen die Schülerinnen und Schüler, ihre bereits erstellten Programme mithilfe einer Simulationssoftware zu simulieren. Hier sind zahlreiche Programme auf dem Markt. Deren Einsatz wird am besten zunächst am Beamer vorgeführt und anhand eines einfachen Werkstücks mit den Schülerinnen und Schülern Schritt für Schritt erarbeitet. Hier wird zum Beispiel die Simulationssoftware EXSL der Firma SL-Automatisierungstechnik verwendet. Die Unterrichtsreihe kann natürlich auch mit der Simulationssoftware anderer Firmen durchgeführt werden. 1. Übung zur Kreisinterpolation Zur Übung erstellen die Schülerinnen und Schüler mithilfe dieses Aufgabenblattes ein CNC-Programm mit zwei Nuten und zwei Bohrungen. Die Lösungen liegen bei. 2. Übung zur Kreisinterpolation In der zweiten Übung erstellen die Schülerinnen und Schüler ein CNC-Programm mit mehreren Nuten. 3. Übung zur Kreisinterpolation Im Laufe dieser Übung erstellen die Schülerinnen und Schüler wie in Übung 2 ein CNC-Programm mit mehreren Nuten. Jetzt wird jedoch eine maximal mögliche Frästiefe für die Werkzeuge berücksichtigt. Einführung in die Bahnkorrektur Per Beamer wird wiederum die Skizze eines einfachen Werkstücks projiziert. Ein 1-Cent-Stück kann als "Fräser" auf die Folie gelegt werden. Dann wird kurz mit der Klasse besprochen, welche Probleme beim Fräsen des Werkstücks auftreten: Je nach Durchmesser des Fräsers müssen alle Koordinaten umgerechnet werden, wobei leicht Fehler auftreten. Diese Berechnungen kann die CNC-Steuerung übernehmen, wenn die so genannte Bahnkorrektur verwendet wird. Mithilfe eines Informationsblatts (Blatt 2 der Datei) werden Grundlagen besprochen. Das Beispielprogramm soll anschließend mit einer Simulationssoftware erprobt werden. 1. Übung zur Bahnkorrektur Die Schülerinnen und Schüler erstellen mithilfe dieses Aufgabenblattes ein CNC-Programm mit Bahnkorrektur. Es geht um das Fräsen einer Außenkontur, wobei alle Koordinaten vorgegeben sind. Die Lösungen liegen bei. 2. Übung zur Bahnkorrektur Zur Übung erstellen die Schülerinnen und Schüler ein weiteres CNC-Programm mit Bahnkorrektur: Fräsen einer Außenkontur mit zu berechnenden fehlenden Koordinaten.

  • Metalltechnik
  • Sekundarstufe II

Schulen als Makerspace gestalten – Potentiale der digitalen…

Fachartikel

In diesem Fachartikel werden die Potentiale des "Samsung Neues Lernen" Lösungspakets als Ökosystem für eine schulische Hard- und Softwareausstattung diskutiert. Es deckt nicht nur viele Unterrichtsszenarien ab, sondern bietet durch seine offene Architektur auch unterschiedliche Möglichkeiten in einem Makerspace-Szenario. Potentiale des Unterrichtens mit digitalen Medien Neben dem Einüben der Grundkompetenzen im Umgang mit digitalen Medien kann und muss moderner Unterricht auch die kreativen und produktiven Potentiale der immer leistungsfähigeren Soft- und Hardware der aktuellen Gerätegeneration nutzen und Lernenden Anregungen bieten, sich zu kompetenten und selbstbestimmten Gestalterinnen und Gestaltern ihrer Umwelt zu entwickeln. Durch die Möglichkeiten aktueller Makerspaces mit 3D-Druckern, Lasercuttern und CNC-Fräsen, die sich mittlerweile nicht nur in Fablabs sondern immer häufiger auch an Schulen finden, werden dabei die Grenzen zwischen der digitalen und der analogen Sphäre immer durchlässiger. Gerade in den Naturwissenschaften kann so die Freude am Forschen und Entdecken, aber auch kreativem Gestalten nachhaltig gefördert werden. Sei es beim wissenschaftlichen Experimentieren, beim Steuern und Programmieren von Robotern und Mikrocontrollern, beim App-Programmieren, beim Erstellen von komplexen Anwendungen, etwa im Bereich von Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR), bis hin zum Designen und Drucken eigener Roboterteile mit CAD und 3D-Drucker. Anforderungen an schulische Hard- und Software Ein schulisches Ökosystem aus Hard- und Software sollte daher zur Unterstützung solcher Anwendungen leistungsfähige mobile Endgeräte bieten, die sich flexibel in den unterschiedlichsten Unterrichtsszenarien einsetzen lassen, mit einer einfachen und sicheren Verwaltung von Apps und Nutzern, Erweiterungsmöglichkeiten wie einem Classroom-Management und mit einem einfachen Zugang zu umfangreichen Materialien, Apps und Anwendungen passend für den Unterricht. Nützlich ist ein offenes System, das nicht nur die Entwicklung von Third-Party-Anwendungen unterstützt sondern auch die Werkzeuge bereitstellt, mit denen Schülerinnen und Schüler im System selbst auch komplexere Anwendungen programmieren können. Das Samsung Neues Lernen Lösungspaket Das Samsung Neues Lernen Lösungspaket bietet ein solches Ökosystem. Für das Open-Source-Betriebssystem Android Enterprise sind eine Vielzahl von etablierten und leistungsfähigen Entwicklungsumgebungen verfügbar und die Hardware lässt sich bis auf die Schnittstellenebene, wie USB-Eingang und WLAN-Adapter, ansprechen. Die Möglichkeit, Apps direkt und ohne den Umweg über einen Appstore zu entwickeln, zu testen und zu verteilen kann die App-Programmierung erleichtern und den Einstieg einfach machen, auch für jüngere Schülerinnen und Schüler. Die Hardwaregrundlage ist das neue Galaxy Tab S6 Lite mit aktueller Technik. Ein Highlight für den schulischen Einsatz ist dabei, wie seit Jahren, der batterielose, sehr präzise digitale Stift mit Wacom-Technologie, mit dem die Schülerinnern und Schüler die seit der Grundschule eingeübten stiftbasierten Arbeitsweisen nahtlos in die digitale Sphäre übertragen können. Das sehr weit­verbreitete Betriebssystem Android ist mit einer Vielzahl von gängigen browserbasierten Lehr- und Lernplattformen kompatibel und nahezu überall anschlussfähig. Mit Samsung Knox Manage gibt es ein sehr leistungsfähiges Werkzeug zur Administration der Tablets, das die Nutzerverwaltung und das Pflegen der installierten Apps unterstützt und mit dem sich verschiedene Nutzer- und Sicherheitsszenarien bis hin zum Kioskmode realisieren lassen. Insgesamt spielen Datenschutz und Sicherheit eine zentrale Rolle bei Samsung Neues Lernen. Die Anbindung an das Antares Project bietet außerdem Zugriff auf die mit mehr als 110.000 Inhalten sehr umfangreichen Lehr- und Lernmaterialien der Landes- und Kreismedienzentren. Diese sind auf deutschen Servern gehostet und es gibt kein Nutzertracking. Auf der Geräteseite bietet die mehrfach von staatlichen Organisationen, wie der Common Criteria oder FIPS140-2, zertifizierte Plattform Samsung Knox Sicherheit gegenüber Angriffen von außen. Einsatz im Unterricht: Erfahrungsbericht und Fazit In den vergangenen fünf Jahren habe ich in einer Vielzahl von Schülerprojekten im Unterricht, in Wahlkursen und in P-Seminaren die Flexibilität, Offenheit und Sicherheit der Android-Plattform schätzen gelernt. Sei es beim Einsatz in Tabletklassen im Physik-Unterricht als Messsystem und zur Dokumentation von Experimenten, in der RoboAG beim Programmieren und Steuern der Roboter und dem Designen und 3D-Drucken von Bauteilen oder beim Erstellen von aufwändigen Augmented und Virtual Reality Anwendungen. Vor allem das letzte Projekt zeigt die Bandbreite der Möglichkeiten der Android-Plattform: Mittels 3D-Scanning-Apps wurden von den Schülerinnen und Schülern von realen Objekten, zum Beispiel einem Herzmodell aus der Biologie-Sammlung, einem Augenmodell oder einem Modell eines Kopfes, ein digitales 3D-Modell erstellt, skaliert und dann auf einem 3D-Drucker im Klassensatz ausgedruckt. In der Entwicklungsumgebung Unity3D wurde eine Android-App erstellt, die diese Modelle augmentiert (anreichert), das heißt beim Blick durch ein Mobile Device werden zum realen Objekt weitere Informationen, virtuelle Modelle oder Ähnliches eingeblendet (beim Herz etwa Schnittbilder durch das Herz und ein animiertes, schlagendes Herz, das den Blutfluss zeigt). Die Modelle und die App sind seither im Unterricht im Einsatz. Die beteiligten Schülerinnen und Schüler haben sich und ihre Arbeit bei diesem Projekt als sehr wirksam erlebt, da sie nahezu alles von Grund auf selbst erstellt haben. Daher plädiere ich dafür, dass ein Hard- und Softwarekonzept für eine Schule neben üblichen Unterrichtsszenarien auch ein solches "Makerspace-Szenario" ermöglichen sollte. Samsung kann mit dem Neues Lernen Lösungspaket und mit seinen mobile Endgeräten dazu beitragen.

  • Astronomie / Biologie / Chemie / Geographie / Informatik / Mathematik / Physik / Technik
  • Sekundarstufe II, Berufliche Bildung
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