Lage en CNC-tegnemaskin

Forberede
- Les gjennom dette lærermaterialet.
- Du kan planlegge en leksjon ved bruk av Kom i gang-materialet i EV3 Lab-programvaren eller EV3 Programmering-appen, ved behov. Dette gjør at elevene blir kjent med LEGO^® MINDSTORMS^® Education EV3.

Engasjere (30 min.)
- Bruk ideene i Starte en diskusjon-delen nedenfor til å engasjere elevene i en diskusjon knyttet til dette prosjektet.
- Forklar prosjektet.
- Del klassen i grupper på to elever.
- La elevene få nok tid til å en idédugnad.

Utforske (30 min.)
- Be elevene om å opprette flere prototyper.
- Oppfordre dem til å utforske både bygging og programmering.
- Be hver gruppe om å bygge og teste to løsninger.
- Gi dem et stort ark med millimeterpapir og fargede blyanter eller markører.

Forklare (60 min.)
- Be elevene om å teste løsningene sine og velge den beste.
- Sørg for at de kan lage sine egne testtabeller.
- La gruppene få litt tid til å avslutte prosjektet og til å samle inn informasjon for å dokumentere arbeidet.

Utdype (60 min.)
- Gi elevene litt tid til å lage sine endelige rapporter.
- Start en delingsøkt der hver gruppe presenterer sine resultater.

Evaluere
- Gi tilbakemelding på elevenes arbeid.
- Du kan bruke de vedlagte vurderingsrubrikkene for å forenkle prosessen.

Datamaskinnumeriske kontrollmaskiner (CNC) bruker forhåndsprogrammerte instruksjoner til å kontrollere et verktøy langs én eller flere akser med høy presisjon. De brukes vanligvis i datamaskinintegrert produksjon til å forvandle et digitalt design på en datamaskin til et fysisk objekt.

Oppfordre til en aktiv idédugnadsprosess.

Be elevene om å tenke gjennom disse spørsmålene:

• Hva er en CNC-maskin og hvor brukes den?
• Hva er den beste måten å feste en blyant eller markør på?
• Hvilken type motorisert mekanisme kan flytte en blyant eller markør i to dimensjoner?
• Hvilke funksjoner sikrer at maskinen beveger seg nøyaktig, og at bevegelsene gjentar seg?

Oppfordre elevene til å dokumentere sine første ideer og forklare hvorfor de valgte løsningen de vil bruke for sin første prototype. Be dem beskrive hvordan de vil evaluere ideene sine gjennom hele prosjektet. På denne måten, når elevene ser gjennom og endrer, har de spesifikk informasjon som de kan bruke til å evaluere løsningen, og avgjøre om den var effektiv eller ikke.

Flere ideer til norskundervisningen

Legge til rette for utvikling av språklige ferdigheter, og be elevene om å:

Alternativ 1

• Bruke skriftlig arbeid, skisser og/eller bilder til å oppsummere designprosessen, og lage en endelig rapport.
• Lage en video som demonstrerer designprosessen helt fra de første ideene og til det fullførte prosjektet.
• Lage en presentasjon om programmet sitt.
• Lage en presentasjon som knytter prosjektet til realistiske brukstilfeller med lignende systemer, og beskriver nye oppfinnelser som kan gjøres basert på hva de har laget.

Alternativ 2
I denne leksjonen laget elevene også en CNC-tegnemaskin. CNC-maskiner bruker dataassisterte designmodeller (CAD) laget av personer for å produsere deler, produkter og prototyper. Disse CAD-modellene representeres av data som er lagret av datamaskiner på lokale nettverk eller i skyen.

• Diskuter og skriv ned fordelene og ulempene med å lagre CAD-tegninger på en enkelt datamaskin kontra et lokalt nettverk kontra i skyen
• Skriv et informasjonsessay som beskriver datavern og hvordan det er knyttet til skylagring av elevoppgaver, med tanke på ay skoler og leverandører av utdanningsprogramvare må beskytte elevdata, inkludert deres digitale CAD-tagninger.
• Sammenlign datasikkerhetsbekymringene til et ingeniørfirma som lagrer CAD-tegninger i skyen og en skole som lagrer elevenes CAD-tegninger i skyen.

Flere ideer til matematikk

I denne leksjonen laget elevene en tegnemaskin. Men hva om målet var å lage en maskin som kunne tegne spesifikke geometriske former? Hva om de ønsket at maskinen skulle bli bedre og bedre til å tegne bestemte former? Én måte å gjøre dette på, ville være å bruke en type kunstig intelligens kalt maskinlæring. For å kunne bruke maskinlæring må systemet gis opplæringsdata for å «lære» hva former er, og hvordan man kan avgjøre om det har nøyaktig produsert en bestemt form.

Hvis du vil innlemme matematisk kompetanseutvikling og øve på å ta i bruk disse ferdighetene i emnet maskinlæring, spesifikt bruken av opplæringsdata, så ber du elevene om å:

• Skrive definisjonene av tre grunnleggende geometriske former (f.eks. sirkel, firkant, likesidet trekant) og finne ut hvordan disse definisjonene må endres, hvis de skal hjelpe en tegnerobot med å produsere hver figur
• Skrive definisjonen av en bestemt geometrisk form på en måte som vil hjelpe tegneroboten til å produsere den formen i en bestemt størrelse
• Se på definisjonene de nettopp har skrevet, og lage en opplæringsdatatabell som vil lære robotene bevegelsene som er nødvendige for å generere de valgte formene

Hvis du ønsker å forbinde matematiske konsepter og ferdigheter til dette emnet, stiller du følgende spørsmål:

• Hva er kunstig intelligens? Hvordan er det forskjellig fra et sett med foreskrevne kommandoer? Hvilken rolle spiller matematiske modeller i å skille mellom kunstig intelligens og en enkel liste over kommandoer?
• Hva ville du gjøre for å endre robotens design slik at den kan observere omgivelsene og lære å tegne formene den ser?

Byggeideer
Gi elevene muligheten til å bygge noen eksempler fra lenkene nedenfor. Oppfordre dem til å utforske hvordan disse systemene fungerer, og til å gjennomføre en idédugnad om hvordan disse systemene kan føre til en løsning på designskissen.

• Fargesensor 1
• Grabb
• Gyrosensor
• Pennholder
• Vippehuske
• Trykksensor
• Dreiebord

Tips for testing
Oppfordre elevene til å designe sine egne testoppsett og lage prosedyrer for å velge den beste løsningen. Disse tipsene kan hjelpe elevene dine når de sette opp testen:

• Merk posisjonen til maskinen på millimeterpapiret for å sikre at dere plasserer den på samme plassering for hver testkjøring.
• Bruk rutenett til å identifisere firkanter på 1 cm x 1 cm for å kunne registrere resultatene av hver testkjøring.
• Opprett testtabeller som registrerer observasjonene dine.
• Evaluer nøyaktigheten til maskinen ved å sammenligne de forventede resultatene med de faktiske resultatene.
• Gjenta testen minst tre ganger.

Forslag til løsning
Her er et forslag til løsning som oppfyller kriteriene til designskissen:

EV3 MicroPython Prøveprogram

#!/usr/bin/env pybricks-micropython

from pybricks import ev3brick as brick
from pybricks.ev3devices import (Motor, TouchSensor, ColorSensor,
                                 GyroSensor)
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, Color, ImageFile
from pybricks.tools import wait

# Configure the turntable motor, which rotates the arm.  It has a
# 20-tooth, a 12-tooth, and a 28-tooth gear connected to it.
turntable_motor = Motor(Port.B, Direction.CLOCKWISE, [20, 12, 28])

# Configure the seesaw motor with default settings.  This motor raises
# and lowers the Pen Holder.
seesaw_motor = Motor(Port.C)

# Set up the Gyro Sensor.  It is used to measure the angle of the arm.
# Keep the Gyro Sensor and EV3 steady when connecting the cable and
# during start-up of the EV3.
gyro_sensor = GyroSensor(Port.S2)

# Set up the Color Sensor.  It is used to detect whether there is white
# paper under the drawing machine.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when it is pressed,
# telling it to start drawing the pattern.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

def pen_holder_raise():
    # This function raises the Pen Holder.
    seesaw_motor.run_target(50, 25, Stop.HOLD)
    wait(1000)

def pen_holder_lower():
    # This function lowers the Pen Holder.
    seesaw_motor.run_target(50, 0, Stop.HOLD)
    wait(1000)

def pen_holder_turn_to(target_angle):
    # This function turns the arm to the specified target angle.
    
    # Run the turntable motor until the arm reaches the target angle.
    if target_angle > gyro_sensor.angle():
        # If the target angle is greater than the current Gyro Sensor
        # angle, run clockwise at a positive speed.
        turntable_motor.run(70)
        while gyro_sensor.angle() < target_angle:
            pass
    elif target_angle < gyro_sensor.angle():
        # If the target angle is less than the current Gyro Sensor
        # angle, run counterclockwise at a negative speed.
        turntable_motor.run(-70)
        while gyro_sensor.angle() > target_angle:
            pass
    # Stop the motor when the target angle is reached.
    turntable_motor.stop(Stop.BRAKE)


# Initialize the seesaw.  This raises the Pen Holder.
pen_holder_raise()


# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it waits until the Color Sensor detects white paper or a blue
# mark on the paper.
# Second, it waits for the Touch Sensor to be pressed before starting
# to draw the pattern.
# Finally, it draws the pattern and returns to the starting position.
#
# Then the process starts over, so it can draw the pattern again.
while True:
    # Set the Brick Status Light to red, and display "thumbs down" to
    # indicate that the machine is not ready.
    brick.light(Color.RED)
    brick.display.image(ImageFile.THUMBS_DOWN)

    # Wait until the Color Sensor detects blue or white paper.  When it
    # does, set the Brick Status Light to green and display "thumbs up."
    while color_sensor.color() not in (Color.BLUE, Color.WHITE):
        wait(10)
    brick.light(Color.GREEN)
    brick.display.image(ImageFile.THUMBS_UP)

    # Wait until the Touch Sensor is pressed to reset the Gyro Sensor
    # angle and start drawing the pattern.
    while not touch_sensor.pressed():
        wait(10)

    # Draw the pattern.
    gyro_sensor.reset_angle(0)
    pen_holder_turn_to(15)
    pen_holder_lower()
    pen_holder_turn_to(30)
    pen_holder_raise()
    pen_holder_turn_to(45)
    pen_holder_lower()
    pen_holder_turn_to(60)

    # Raise the Pen Holder and return to the starting position.
    pen_holder_raise()
    pen_holder_turn_to(0)

Elevene som likte denne leksjonen, kan også være interessert i å utforske disse karrieremulighetene:

• Produksjon og maskinteknikk (maskinteknologi)
• Media og kommunikasjon (digitale medier)

Observasjonssjekkliste for lærer
Lag en skala som stemmer overens med behovene dine, for eksempel:

1. Delvis fullført
2. Fullstendig fullført
3. Overgikk forventningene

Bruk følgende kriterier for å evaluere elevenes arbeid:

• Elevene kan evaluere konkurrerende designløsninger basert på prioriterte kriterier og andres hensyn.
• Elevene styrer selv utviklingen av en fungerende og kreativ løsning.
• Elevene kan kommunisere ideene sine tydelig.

Egenvurdering
Når elevene har samlet inn ytelsesdata, kan du gi dem tid til å reflektere over løsningene sine. Hjelp dem ved å stille spørsmål som:

• Oppfyller løsningen kriteriene til designoversikten?
• Kan maskinens bevegelse(r) bli enda mer nøyaktige?
• Har andre løst problemet på andre måter?

Be elevene om å gjennomføre en idédugnad og dokumentere to måter de kan forbedre løsningene sine på.

Tilbakemelding fra andre
Oppmuntre til parvurdering blant elevene slik at hver gruppe er ansvarlige for å evaluere sitt eget og andres prosjekt. Denne par-vurderingen kan bidra til å utvikle elevenes ferdigheter i å gi konstruktive tilbakemeldinger, så vel som å forbedre analyseferdighetene og bruken av objektive data for å støtte et argument.