Тема: Застосування сучасних компютерних технологій у підготовці вчителя трудового навчання

В умовах науково-технічного прогресу змінюється зміст освіти. Нині фахівці мають бути ознайомлені  з такими поняттями, як гнучка технологія, багатоопераційний верстат з числовим програмним керуванням, промислові роботи, автоматичні лінії, системи автоматичного проектування, мікропроцесори та мікропроцесорна техніка тощо. Стосовно компютерних технологій, то фахівці усіх галузей мають знати, що в промисловості компютер може використовуватися як виконавець робочих операцій та дій у технологічному процесі; в проектуванні, конструюванні й технологічному плануванні; в здійсненні контролюючих функцій; має своє застосування і у виготовленні художніх виробів.

Методики застосування компютерних технологій у вивченні художніх дисциплін можна зустріти в численних наукових публікаціях. Науковці і практики зазначають, що в умовах застосування компютерних технологій можна впливати не лише на емоційно-чуттєву сферу особистості, а й залучати студентів до активних розумових операцій, збагачувати свідомість новими знаннями, уявленнями і поняттями...приймати організаційні рішення і тим самим використовувати діяльнісні способи впливу на творчу активність особистості.

Для послідовного розвитку творчих професійних здібностей особливо важливу роль відіграє продуктивна художня діяльність, що базується на використанні компютерних технологій.

Значну роль у професійній підготовці майбутнього різьбяра, як показали наші дослідження, відіграє ознайомлення з новими компютерними технологіями та можливістю їх застосування безпосередньо в процесі вивчення різьблення деревини. Такі технології вже покладені в основу роботи деяких верстатів.

Різьблення деревини здавна вважалося ручним видом художньої обробки з малою механізацією (свердління, точіння). Відомо, що для виготовлення виробу різьбленням, потрібно виконати роботу, що відбирає багато часу і бути при цьому кваліфікованим майстром. Сьогодні науково-технічний прогрес настільки пішов уперед, що механізуються не лише загальновідомі деревообробні галузі, а й народні промисли. Зокрема, комбінати художніх виробів зацікавлені в збільшенні різноманітності й кількості високоякісної продукції та зменшенні її собівартості. Зменшити трудомісткість процесу різьблення і збільшити виробничі потужності можна завдяки впровадженню у виробництво координатних верстатів, що призначені для фрезерування в трьохмірному просторі.

Такі верстати є новинкою на нашому ринку і можливість виконання усіх видів різьблення, а тим більш організацію і проведення занять з різьблення деревини за їх допомогою взагалі ще ніхто не вивчав. Потрібно визнати, що зараз практично не має друкованих джерел, у яких розглядалися  б технологічні, художні й методичні аспекти організації занять з різьблення деревини за допомогою компютерних технологій, зокрема на координатних фрезерно-гравірувальних верстатах. Виключення складають прайси з технічними характеристиками верстатів фірм виробників.

Тому одним із напрямів експериментальної роботи було також ознайомлення майбутніх різьбярів з новими компютерними технологіями та можливістю їх застосування в  процесі різьблення деревини.

Фрезерно-гравірувальні верстати почали зявлятися на нашому ринку  протягом останніх років. Нині відомі верстати закордонних фірм PRECIX, MECANUMERIC, MULTICAM, ROLAND, OBRUSN, які використовують рекламно-виробничі фірми для площинної обробки пластикових матеріалів, фанери, деревини, кольорових металів і сплавів. Нас більше цікавитимуть спеціалізовані фрезерно-гравірувальні верстати з ЧПУ системи Microprofil, що виконують ті  самі операції в трьох координатах XYZ, проте на них можливе встановлення четвертої координати, що дає змогу створювати обємні композиції. Номенклатура цих верстатів практично не обмежена: від настольних стоєчних фрезерних верстатів до широкоформатних фрезерних плотерів з робочим полем 2000 4000 мм. (рис. 1).

 

Рис. 1. Фрезерно-гравірувальні верстати для виконання різьблення.

 

Конструкція. В конструкції верстатів використовуються високоточні анодовані профілі, направляючі, динамічні елементи конструкційної системи item, розроблені німецькою компанією ITEM-Solingen. Верстати, в залежності від моделі, комплектуються приводами з синхронними двигунами постійного струму  шаговими або сервоприводами, обертовий момент передається за допомогою зубчато-ремінної передачі, гвинтової пари або зубчатої рейки. Точність позиціювання забезпечується високою розрахунковою здатністю обертово-імпульсних перетворювачів зі зворотнім звязком, що встановлені на карданних валах двигуна. 

Система управління. Складається з керуючого пристрою, виготовленого на основі персонального компютера, а також системи приводів з електричними двигунами постійного струму. Машина може керуватись стандартною системою клавіатура-монітор або пультом управління з альфа-цифровим екраном.

Программування. Програма, яка керує верстатом, працює в системі DOS або Windows і готова для використання робочої бази даних, запроектованої для застосування CAD/CAM систем. Для управління можливе використання робочих файлів у форматі HPGL, створених за допомогою таких програм, як AUTO CAD, 3D MAX, EASY SIGN, COREL DRAW; стандартний формат для CAD програм.

Додаткове обладнання. Верстати мають додаткове обладнання: високошвидкісні фрезерні головки ELTE, METABO, COLOMBO, BOSCH, KRESS; двигуни до головок PERSKE, COLOMBO, FAEMAT; механічні різаки; лазерні головки; датчик корекції довжини інструменту; інструмент та інше технологічне устаткування; спеціальний вимірювальний інструмент; система охолодження та відводу стружки; вакуумний стіл для кріплення заготовки; спеціальні закріплюючі застосування; додаткові координатні вісі; ділильна головка з приводом. 

Застосування. Дані верстати використовують для таких робіт: фрезерування та гравірування форм; гравірування надписів, просторових малюнків у заготовках з алюмінію, міді, нержавіючої сталі, латуні та інших кольорових металів; вирізування прокладок елементів із губки, резини, кожі; гравірування та фрезерування форм 2,5D і 3D; гравірування, вирізування і фрезерування пластиків; обробка ДСП, дерева, фанери, ламінованих та інших матеріалів; гравірування надписів та інших просторових форм в мінералах; розкрій будь-яких видів листових матеріалів (рис.2.).

                

Рис.2. Гравірувально-фрезерні станки ROXA для 2D і 3D обробки

Як бачимо, верстат може застосовуватись у різних галузях і спектр їх можливостей до кінця ще  не вивчений. Зокрема, застосування четвертої координати збільшує функціональні можливості даних верстатів. Тобто, використання ділильної головки з приводом дає змогу робити фрезерування в заготовках циліндричної форми. Отже, верстат можна застосовувати для виготовлення обємних виробів у техніці різьблення. Без наявності четвертої координати верстат виконує лише площинні та барельєфні зображення (рис.3.).

Резной погонаж               Герб с инициалами

Рис.3. Виконання програмованими верстатами  плоскорельєфного та рельєфного різьблення

Програма 3D MAX дає можливість створювати моделі в тривимірному просторі. Це значні можливості в опануванні груп і видів різьблення за допомогою компютера. За допомогою цієї програми учень або студент на компютері може розробити модель або ескіз виробу з певного виду різьблення, а на верстаті втілювати задум у життя, виготовляючи виріб.

Дані верстати можуть виконувати практично всі види різьблення механічно і суттєвої різниці між ручною і механічною обробкою не видно.

За авторською класифікацією на обладнанні виробничої фірми ВІВАЛ м.Вінниці учні ПТНЗ під час виробничої практики виконали всі вище наведені види різьблення механічно на фрезерно-гравірувальному верстаті з ЧПУ системи Microprofil, що виконує операції в чотирьох координатах. Також вони дослідили, які  види різьблення виконуються верстатом бездоганно, а які  неможливо виконати за допомогою машини або потребують подальшої обробки. Майже всі види різьблення верстатом були виконані бездоганно. Наведемо характеристику  кожної групи.

Плосковиїмчасте різьблення.

Контурне гравірування: ідеальне збереження та чітке виконання малюнку на деревині. Лінія може бути однакова (однакової товщини та глибини), або ні, що робиться за допомогою програми. Потрібно памятати, що однакову суху лінію використовують в геометричному малюнку.  Для сюжетних композицій  доцільно використовувати живу лінію різної глибини та товщини, яка значно збагатить зображення. Теж саме стосується жолобчасто-вибірного різьблення.

Геометричне різьблення: чітке та ідеальне виконання зображення, але суттєво видно механічне виконання геометричних фігур, немає глянцевої поверхні, оскільки геометричне різьблення виконується наколюванням та вирізанням різцем. Те саме стосується скобчатого різьблення.

Плоскорельєфне різьблення. Верстат бездоганно виконує всі види плоскорельєфного різьблення: заовалене різьблення, різьблення з підрізним тлом, різьблення з вибраним тлом чи малюнком. (рис. 4.) Ідеальним є точне повторення запрограмованого рельєфу та чітке збереження малюнку, контурів, глибини поверхні, що обробляється. Верстат виконує безліч різноманітних операцій з даної групи різьблення, хоча воно має велику кількість різновидів. Можливе часткове виконання виробу, наприклад, видалення тла та обробка по контуру малюнка з подальшим ручним виконанням різьблення майстром.

Рис.4. Виконання програмованим верстатом  плоскорельєфного різьблення

Плоскопрорізне різьблення. Найдосконалішим (рис. 5.) є виконання плоскопрорізного різьблення, зокрема, ідеальне фрезерування контура і збереження розмірів, що неможливо досягти звичайними способами (свердлінням, випилюванням лобзиком та ін.), високим професіоналізмом майстрів. Верстат виконує всі деталі однаковими, що сприяє їхньому тиражуванню.

МДФМДФ+порошковая эмаль

Рис.  5. Вироби, виконані програмованими верстатами  в техніці плоскопрорізного різьблення

Рельєфне різьблення.  Чітке та ідеальне виконання зображення. Потрібно сказати, що для розробки рельєфних видів різьблення працююча на компютері людина має досконало працювати в програмі 3D MAX і мати художній смак. Також потрібні знання з композиції, стилізації, властивостей матеріалів. Верстат, за рахунок розроблених нами технологій, виконує всі види різьблення з цієї групи і бездоганно обробляє все зображення на заданій глибині (рис. 6.). Допустима глибина обробки до 200 мм. Також можлива часткова механічна обробка виробу (обробка контура рельєфу, вибирання тла і т. ін.).

Рис.6. Виконання програмованим верстатом  рельєфного різьблення.

Скульптурне різьблення. Виконується на даному верстаті за допомогою ділильної головки (рис. 7.).

Рис. 7. Виготовлення виробу програмованим верстатом  за допомогою ділильної головки.

Верстат виконує практично всі види даного різьблення, виключення складають монументальні роботи. Можливе часткове виготовлення виробу, тобто чорнової заготівки з наданням їй необхідних контурів. Це набагато зменшує трудомісткість виготовлення виробу.

Комбіноване різьблення. На верстаті виготовляють заготівки з вище наведених видів різьблення, що потім монтуються.

Особливу увагу слід звернути на вибір матеріалу та інструменту. Під час використання деревини більшої твердості та однорідної за своєю будовою якість обробки збільшується. Підбір інструменту здійснюють залежно від виду виконуваного різьблення.

Верстат виконує лише обємно-скульптурне різьблення в чотирьох координатах; з іншими видами він працює в трьох координатах XYZ.

Використання таких верстатів набагато зменшить трудомісткість процесу різьблення і збільшить виробничі потужності. Безумовно впровадження їх у деревообробну промисловість не визве бунту ліонських ткачів, а набагато полегшить роботу різьбяра. Ми вже говорили про можливе часткове виготовлення виробу верстатом, тому що жодна машина не замінить живої порізки з-під різця майстра.

За допомогою компютера можна також проводити вивчення різьблення деревини. Методика полягає в оволодінні учнями знаннями, вміннями  та навичками завдяки новітнім інформаційним технологіям, що задовольняє потреби і вимоги ринку праці. Різноманітність форм, варіантів, даних у компютерних програмах, орієнтує на формування необхідних для праці вмінь та навичок, залучає до творчості, інтенсифікує процес виховання художньо-естетичних смаків, тим самим здійснюючи прилучення учнів до національної культури. 

Фрезерно-гравірувальні верстати сприяють також розвитку естетики праці та є естетичним стимулом у трудовому вихованні молоді. Пояснення учням щодо роботи таких верстатів виглядає таким чином.

Канавку, яку має вирізати різак, малюємо в системі координат, використовуючи  інструмент  Point Curve, який можна знайти в Create, розділ Shapes, список NURBS Curves. Каркас майбутньої стружки можна також намалювати, використовуючи Point Curve.




 

 

Створюємо невеликий Rectangle, який послужить для створення об'єму канавки, тобто розміром з робочу частину різака. Пересуньте криву в місце на дошці, в якому прорізатиметься канавка. За допомогою інструменту Loft створіть об'ємну фігуру. У Skin Parameters в області Options змінимо  параметри Shape Steps: виставимо 0, а значення Path Steps поставимо більшим, так, щоб не було зламів. Непотрібний тепер прямокутник можна видалити. Перейдемо у вкладку Modify, в свитку Deformations натиснемо  кнопку Scale і в меню, що з'явилося, вставимо кнопкою Insert Corner Point ще дві точки  на червону лінію і перемістимо  їх в початок графіка, а саму крайню  точку перемістимо  в нульове положення.

У вікні наступного кадру виставимо початковий кадр - 0, натиснимо велику кнопку Animate, змінимо поточний кадр на останній - 100 і пересунемо  вставлені точки в меню Scale Deformation в кінець графіка.

Тепер кнопку Animate можна відключати. Перейдемо у вкладку Create/Compound Objects і за допомогою Boolean виріжемо на дошці канавку, використовуючи другим (вирізуваним) об'єктом об'ємну криву, яку ми зробили раніше. В результаті, якщо посувати движок анімації, на дошці повинна з'являтися канавка. Візьмемося за різак. У командній панелі у вкладці Hierarchy, натиснувши кнопку Affect Pivot Only, виставимо центр бруска в нижню ріжучу частину. Потім у командній панелі виберемо вкладку Motion, натиснемо кнопку Parameters і відкриємо сувій Assign Controller. У сувої, що відкрився, виділимо Position і кнопкою Assign Controller призначимо йому контроллер Path. У сувої Path Parameters, що з'явився, виділимо Follow і, натиснувши кнопку Pick Path, клацнемо по нашій траєкторії.

Рис.8. Анімація різьблення деревини

Інформаційно-телекомунікаційні технології знайшли широке використання і під час демонстрації видів програмних фрезерувально-гравірувальних  верстататів та можливостей їх використання. Таку інформацію можна знайти в мережі Інтернет (рис.8.).

Рис. 9. Гіпертекстова система інформації про програмні фрезерувально-гравірувальні верстати

Інший напрям застосування компютерних технологій це використання верстатів з компютерним управлінням. Програма, яка керує верстатом, працює в системі DOS або Windows і готова для використання робочої бази даних, запроектованої для застосування CAD/CAM систем. Для управління можливе використання робочих файлів у форматі HPGL.

Оскільки професійно-технічні училища в своїй базі мають тільки компютерні класи, а фрезерно-гравірувальні верстати з компютерним забезпечнням почали зявлятися на нашому ринку лише протягом останніх трьох років, то відповідно в училищах їх не було, і ми організовували роботу таким чином.

Маючи можливість працювати в компютерних класах, учнями було вивчено їх можливості, а саме, програмне забезпечення. Також, була визначена наявність фрезерно-гравірувальних верстатів з ЧПУ на виробництвах нашого міста. Як виявилося, в училищах художнього профілю навіть самий простий компютерний клас працює в системі Windows та має такі програми як COREL DRAW або Adobe Photoshop 5.0. Інколи училища використовували також програми AUTO CAD, 3D MAX. Оскільки програма ArtCAM, що керує фрезерно-гравірувальними верстатми PRECIX, MECANUMERIC, MULTICAM, ROLAND, OBRUSN працює в системі Windows, а для управління верстатом можливе використання робочих файлів, створених за допомогою вищенаведених програм, то нами була запропонована така модель опанування учнями роботи на фрезерно-гравірувальних верстатах  і як показав досвід значних труднощів у цьому не було.

 Зокрема, учні під час роботи з компютером за допомогою програм COREL DRAW, AUTO CAD, 3D MAX створювали модель виробу, а потім виготовляли на фрезерно-гравірувальному верстаті. Вся робота, в основному, була зосереджена в компютерному класі на базі професійного училища, що мало значний позитив, оскільки розробка моделі та засвоєння роботи програм займає набагато більше часу аніж виготовлення виробу, котре виконувалося на виробництві.  Тим паче, у нашому випадку на обладнанні виробничої фірми ВІВАЛ м.Вінниці, де ми проводили навчання учнів, був задіяний лише один фрезерно-гравірувальний верстат з ЧПУ системи Microprofil, котрий виконував операції в чотирьох кординатах і відповідно всі види різьблення механічно.

Зрозуміло, що навчання потрібно починати з екскурсії на виробництво. Демонстрація верстата, створення та виготовлення виробу та відповідно роботи самого обладнання інтенсифікує учнів до праці, створення чогось нового та красивого. Коли учні перший раз бачать, що за лічені хвилини майстер зобразив обєкт (модель), дав команду верстатові і верстат за кілька секунд вирізав виріб, то байдужим не залишається жодний.

Потрібно відзначити, що на початковій стадії організації нашого навчання, ми зосередилися на створені самими учнями обєктів (моделей) майбутнього різьблення з подальшим виготовленням з цих обєктів (моделей) виробів майстрами на виробництві. Це дало змогу учням добре вивчити компютерні програми COREL DRAW, Adobe Photoshop 5.0., AUTO CAD, 3D MAX та використовувати знання не тільки в розробці виробів з різьбленням деревини, а взагалі в декоруванні і оздобленні інтерєрів та екстерєрів. Тобто, різьбярі після одержання цих базисних знань легко володіли навчальним матеріалом, котрим володіють сучасні художники-оформлювачі.

Здійснюючи експериментальне навчання, ми хотіли навчити різьбярів самостійно повністю працювати на фрезерно-гравірувальному верстаті від розробки до виготовлення виробу. І тут виникли певні проблеми. По-перше, один майстер не зміг би на одному верстаті навчати кожного учня з групи програмі, за якою працює верстат. По-друге, обладнання досить дороге і помилки учнів дорого коштували б виробництву. По-третє, для навчання учнів довелося б зупинити виробництво на даному верстаті. Тому, було прийняте рішення, про встановлення програми ArtCAM, котра керує фрезерно-гравірувальним верстатом, на компютери в компютерний клас професійного училища. Це дало змогу учням не тільки створювати моделі в цій програмі, а й повністю вивчити налагодження верстата на вирізування виробу. Це означає, що учень сам індивідуально розробляє виріб і сам його вирізає на верстаті, але поки на компютері. Це дає змогу учневі добре засвоїти всі операції, котрі він повинен виконати, інакше кажучи, провести певний тренінг. Маючи такі знання, він іде на виробництво і відповідно без проблем може працювати на верстаті. При цьому додатково засвоює лише будову верстата та кріплення заготовки. Потрібно відзначити, що будову верстата та спосіб кріплення заготовки на верстаті учні засвоюють за кілька хвилин, а основну увагу в навчанні учнів роботі на фрезерно-гравірувальному верстаті потрібно приділяти знанням програми ArtCAM, за якою працює верстат, оскільки заготовку вставити легко, а для запуску верстата потрібні відповідні знання.

Зрозуміло, може скластися враження, що все дуже складно, але можна сказати із досвіду, що учні досить швидко сприймають інформацію і з цікавістю працюють за компютерами, оскільки в них є мета: створити щось особливе та й ще за незначний проміжок часу.

Програма ArtCAM також дозволяє використовувати вже готові тривимірні зображення, що містяться в ній у кліпартах. Учень може взяти уже готовий обєкт (модель) і з ним працювати. Це означає, що учень може одразу вирізати обєкт (модель) за розміром, який йому потрібний, або змінити його домалювати, збільшити, зменшити, використати певну частину, попрацювати з рельєфом тощо. Такі значні можливості спонукають дітей до творчості. І як показує досвід, верстати можуть застосовуватись в різних галузях, а не тільки в різьбленні; спектр їхніх можливостей до кінця ще  не вивчений. Коли учні вивчають застосування четвертої координати для виготовлення обємних виробів у техніці різьблення, у них виникають ідеї щодо збільшення функціональних можливостей верстатів.

Програма ArtCAM дає можливість створювати моделі в трьохвимірному просторі і, безумовно, це дає значні можливості в опануванні групами та видами різьблення деревини за допомогою компютера. Учневі також дається змога втілювати свій особистий задум - розробити та створити модель різьбленого виробу та виготовити його на фрезерно-гравірувальному верстаті.