基于開源數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

韓德東 付云忠 韓振宇 劉建康

【摘要】根據(jù)數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程與開源數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，開源數(shù)控系統(tǒng)可以讓學(xué)生加強(qiáng)對數(shù)控系統(tǒng)底層原理的理解，有利于學(xué)生全面鞏固和掌握所學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與就業(yè)能力。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控技術(shù) 開源數(shù)控系統(tǒng) 交互式學(xué)習(xí) 實(shí)驗(yàn)平臺

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）11 -0172-03

Experimental Teaching Based on Open Source Numerical Control System

HAN De-dong， FU Yun-zhong， HAN Zhen-yu， LIU Jian-kang

（Mechanical Manufacturing and Automation Department， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

【Abstract】Based on the present situation of experimental teaching of CNC technology， a new experimental teaching method was proposed which combines experiment course with open source numerical control system. Open source numerical control system can enhance students understanding towards underlying theories of numerical control system， and it is beneficial for student to grasp and consolidate corresponding knowledge， to cultivate interest， to promote innovation capacity and employability.

【Key Words】numerical control technology open source NC system interactive learning experiment platform

1 引言

數(shù)控機(jī)床行業(yè)作為國家基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，在“十二五”規(guī)劃中，已明確將自主創(chuàng)新戰(zhàn)略作為最主要的一個組成部分，著重強(qiáng)調(diào)了要以技術(shù)創(chuàng)新工程來支撐和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展必須立足于自主創(chuàng)新，加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，大力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，力爭在數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵性技術(shù)攻關(guān)上有所突破，提高我國數(shù)控系統(tǒng)科技水平[1-2]。而隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，企業(yè)對人才的要求不斷提高，我國高等教育必須不斷深化改革，調(diào)整授課方式，以培養(yǎng)新型人才，以滿足市場需求。在數(shù)控教學(xué)方面，需要不斷尋求更加創(chuàng)新的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與就業(yè)能力。

數(shù)控技術(shù)課程是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修的一門既具有理論性又具有實(shí)踐性的多學(xué)科融合的課程，而現(xiàn)行教學(xué)方式多偏重理論講述，數(shù)控實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容更是以數(shù)控系統(tǒng)的使用為主，停留在G&M加工代碼編寫、UG等CAM軟件的使用層面，導(dǎo)致學(xué)生對數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的插補(bǔ)原理、實(shí)時性、運(yùn)動控制原理等理解不夠深入，難以達(dá)到大綱要求的教學(xué)目的。開源數(shù)控系統(tǒng)由于其開放的特性，應(yīng)用在數(shù)控教學(xué)中可以使學(xué)生更多地了解數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理。因此，本文對開源數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。

2 基于開源數(shù)控系統(tǒng)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

為改變傳統(tǒng)數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下的種種弊端，各種新型的教學(xué)模式不斷提出并應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中[3]，利用開源數(shù)控系統(tǒng)可以開展多種新型的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[4]，以提高學(xué)生參與的積極性，提升教學(xué)效率。

（1） 交互式學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教師單方面教授知識，而實(shí)踐證明這種教學(xué)模式缺乏教師與學(xué)生之間的交流，學(xué)生參與積極性不高，學(xué)習(xí)效率較低[5]。基于開源數(shù)控系統(tǒng)的交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，應(yīng)針對學(xué)生的特點(diǎn)，以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為基準(zhǔn)，以學(xué)生能力的提高為方向，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，體現(xiàn)由提出問題—分析問題—解決問題—探究創(chuàng)新的認(rèn)知過程。而且，利用開源數(shù)控系統(tǒng)，可以用極小的成本搭建實(shí)驗(yàn)平臺，可以使更多學(xué)生參與動手操作，使學(xué)生更多地發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，并與老師互動，從而解決問題。

（2） 主動式學(xué)習(xí)

“主動式學(xué)習(xí)”是學(xué)生在學(xué)習(xí)時表現(xiàn)出來的自覺性、積極性、獨(dú)立性等特征的總和，是學(xué)生從事創(chuàng)造性學(xué)習(xí)活動的一種心理能動狀態(tài)。主動學(xué)習(xí)被視為對傳統(tǒng)教學(xué)的根本性改進(jìn)[6]。利用開源數(shù)控系統(tǒng)，可以讓學(xué)生自主探索數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部基本原理，提高學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，認(rèn)真領(lǐng)悟、主動實(shí)踐，最終獲取知識和能力。根據(jù)學(xué)生感興趣的程度，采取從易到難的層次化學(xué)習(xí)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)因材施教，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮主動式模式的優(yōu)勢。

（3） 任務(wù)驅(qū)動式學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師把實(shí)驗(yàn)過程中所有具體操作步驟都教授給學(xué)生，學(xué)生只能按部就班地執(zhí)行，沒有機(jī)會去思考。而利用開源數(shù)控系統(tǒng)開展“任務(wù)驅(qū)動”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師可以把數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)制定一個目標(biāo)計劃體系，然后由學(xué)生自主地一步一步去實(shí)現(xiàn)這個計劃，學(xué)生自己思考、尋求解決方法，使學(xué)生的積極性得到充分的發(fā)揮[7]。在基于“任務(wù)驅(qū)動”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺中，學(xué)生是學(xué)習(xí)活動的主體。學(xué)習(xí)者既需要有統(tǒng)一的教學(xué)目標(biāo)和要求，又可以根據(jù)自己的技術(shù)、特點(diǎn)與愛好，確定自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度與學(xué)習(xí)步驟，按照教師制定的學(xué)習(xí)任務(wù)書和計劃書范例、學(xué)習(xí)成果“作品”范例進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)，最后展示自己的個性化學(xué)習(xí)成果并進(jìn)行學(xué)習(xí)評價。

3 開源數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合

融合上面所探討的新型教學(xué)模式的理念，根據(jù)教學(xué)大綱要求，建立數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)理念，以實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的教學(xué)效果。

3.1 開源數(shù)控系統(tǒng)EMC2簡介

開源數(shù)控系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)開放源代碼，任何人都可以從網(wǎng)絡(luò)上下載其源代碼，并進(jìn)行修改以適合自己的應(yīng)用需求。常用的開源數(shù)控系統(tǒng)有美國ArtSoft公司開發(fā)的Mach3、美國NIST開發(fā)的EMC2等，由于EMC2具有良好的開放性和完善的社區(qū)支持，本文選用EMC2進(jìn)行數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

EMC2衍生自NIST（National Institute of Standards and Technology，美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）開發(fā)的 EMC（Enhanced Machine Controller，增強(qiáng)型機(jī)器控制器）項目，該項目最初目的是為了驗(yàn)證利用 PC 機(jī)代替專用 NC 控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)功能的可行性，EMC2可以充分發(fā)揮PC機(jī)強(qiáng)大的計算能力，并利用PC機(jī)豐富的接口實(shí)現(xiàn)專用NC控制器的功能，是一套真正意義上的開放式軟件數(shù)控系統(tǒng)。

由于 EMC2 功能強(qiáng)大，靈活的模塊化開發(fā)方式，并且開放源碼，使之可以方便地利用到數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，讓學(xué)生了解數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部軟件架構(gòu)以及基本原理。

3.2基于開源數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合開源數(shù)控系統(tǒng)，可以在數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展很多新的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生可以涉足數(shù)控系統(tǒng)的更深層次。

（1） 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)教學(xué)中，一般僅僅簡單介紹一下數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成：數(shù)控系統(tǒng)由信息載體、計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分構(gòu)成，但是學(xué)生沒有一個直觀的理解，而數(shù)控實(shí)驗(yàn)課程中，大多使用商業(yè)化數(shù)控系統(tǒng)，價格昂貴，一般不會拆開整個數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)給學(xué)生看，而且，商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)軟件都是封閉的，其內(nèi)部軟件架構(gòu)無從得知。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生只能學(xué)習(xí)如何使用數(shù)控系統(tǒng)，但不能對數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)有一個清楚直觀的了解。

EMC2是一個非常靈活的模塊化軟件系統(tǒng)[8]，其模塊組成主要有：人機(jī)界面、 運(yùn)動控制模塊、任務(wù)管理模塊、I/O控制模塊。人機(jī)界面（HMI）模塊提供了數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)接口，可以用來切換機(jī)床運(yùn)動模式、加載編輯G代碼或者實(shí)時顯示機(jī)床狀態(tài)等；運(yùn)動控制模塊（EMCMOT）是EMC2的核心，它負(fù)責(zé)G代碼翻譯、插補(bǔ)運(yùn)算、運(yùn)動控制等數(shù)控系統(tǒng)核心功能，該模塊實(shí)時性要求較高，需要運(yùn)行在實(shí)時內(nèi)核中；任務(wù)管理模塊（EMCTASK）是EMC2的大腦，負(fù)責(zé)實(shí)時任務(wù)、非實(shí)時任務(wù)的協(xié)調(diào)調(diào)度執(zhí)行；I/O 控制模塊（EMCIO）負(fù)責(zé)執(zhí)行上位模塊發(fā)送的I/O控制命令，I/O控制模塊的靈活運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)軟件PLC的功能。除了上述四大模塊外，EMC2 還提供了RS274標(biāo)準(zhǔn)G代碼程序接口，以及軟件PLC功能，可以編譯G&M 代碼用作加工數(shù)據(jù)，還可以編輯、解釋 PLC梯形圖。

圖3-1 EMC2軟件結(jié)構(gòu)圖

EMC2軟件結(jié)構(gòu)層次分明，模塊劃分清晰，易于理解，讓學(xué)生可以充分理解數(shù)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)，從而對數(shù)控原理有一個更深層次的理解，并且可以激發(fā)學(xué)生對知識的探索欲望，作為教師便可以及時引導(dǎo)學(xué)生，由開源數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理解轉(zhuǎn)化到對商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的探索，帶領(lǐng)學(xué)生對平常熟悉的FANUC、Siemens等商業(yè)品牌數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，使學(xué)生對商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)的多處理器總線結(jié)構(gòu)、內(nèi)部通信機(jī)制等知識點(diǎn)進(jìn)行深入了解，拓寬學(xué)生視野，增長學(xué)生見識。

（2） 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時性

EMC2數(shù)控系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)上的一個純軟件數(shù)控系統(tǒng)，其實(shí)時性由RTAI實(shí)時內(nèi)核保證，所以EMC2實(shí)時功能模塊的開發(fā)要在RTAI實(shí)時核內(nèi)進(jìn)行，程序開發(fā)的靈活性大大降低，為了使實(shí)時功能的開發(fā)更多的體現(xiàn)模塊化思想，EMC2提出了HAL[9]（Hardware Abstract Layer）概念。圖3-1給出了HAL概念的模型圖，HAL中定義了幾個抽象術(shù)語：引腳（Pin）是HAL模塊的對外接口，可以與其它HAL模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，引腳有輸入、輸出之分；信號（signal）是引腳上輸出的數(shù)據(jù)，可以是任何類型的數(shù)據(jù)；參數(shù)（Parameter）也是HAL模塊的對外接口，只不過是本模塊單獨(dú)使用的，主要用來對HAL模塊內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；函數(shù)（Function）是HAL模塊的功能執(zhí)行體，結(jié)合輸入輸出數(shù)據(jù)用來實(shí)現(xiàn)某個特定功能；線程（Thread）是指RTAI實(shí)時核內(nèi)的實(shí)時線程，所有HAL模塊的函數(shù)可以順序添加到線程內(nèi)進(jìn)行執(zhí)行。

圖3-2 HAL示意圖

利用HAL硬件抽象層，可以讓學(xué)生對數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時性有更深刻的理解，通過帶領(lǐng)學(xué)生編寫HAL腳本文件，可以讓學(xué)生理解實(shí)時線程的意義，HAL實(shí)時線程以固定時間周期運(yùn)行，該時間周期就是數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期，每一個插補(bǔ)周期中，數(shù)控系統(tǒng)都進(jìn)行一次插補(bǔ)運(yùn)算，計算出下一個周期各個坐標(biāo)軸所要移動到的坐標(biāo)值，并利用運(yùn)動控制算法，將位置指令轉(zhuǎn)化為脈沖信號或者模擬信號，傳輸給伺服放大器，從而完成各個坐標(biāo)軸的運(yùn)動控制。

在Linux命令行中，使用下面的命令運(yùn)行HAL硬件抽象層：

$ halrun

使用loadrt命令加載運(yùn)動控制模塊EMCMOT，并創(chuàng)建伺服周期創(chuàng)建插補(bǔ)周期為1ms的實(shí)時線程，作為伺服線程：

loadrt EMCMOT servo_period_nsec=1000000 num_joints=3

加載運(yùn)動學(xué)逆解模塊：

loadrt trivkins

加載并口驅(qū)動模塊：

loadrt hal_parport cfg="0x0378"

將計算機(jī)并口的第2、3個引腳分別作為X軸方向信號、脈沖信號的輸出引腳：

net Xstep => parport.0.pin-03-out

net Xdir => parport.0.pin-02-out

這樣，通過簡單的幾條命令，就讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部重要模塊的調(diào)用，知道了數(shù)控系統(tǒng)中程序運(yùn)行的實(shí)時性是怎樣實(shí)現(xiàn)的，明白了從運(yùn)動控制到發(fā)出脈沖指令信號的流程，不知不覺中就將其中所涉及的數(shù)控基本知識融匯貫通了。

（3） 插補(bǔ)原理

由于EMC2的開源特性，所有人都可以對其修改、增添源代碼以實(shí)現(xiàn)自己想要的功能，使之成為國際上很受歡迎的數(shù)控研究平臺，例如國內(nèi)外很多學(xué)者就利用EMC2進(jìn)行NURBS等復(fù)雜曲線插補(bǔ)算法的研究，并取得了非凡的成就。將EMC2中插補(bǔ)算法的相關(guān)源代碼提取出來，供學(xué)生研究，與課堂上講的插補(bǔ)原理進(jìn)行對照學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生對數(shù)控插補(bǔ)原理有一個更深入的理解。

EMC2源代碼中，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)算法的C程序文件在./src/emc/rs274ngc/文件夾下，比如圓弧插補(bǔ)的程序代碼就是該文件夾下的interp_cycles.cc文件，其中圓弧插補(bǔ)函數(shù)定義如下：

int Interp：：convert_cycle_xy（int motion， //！< a g-code between G_81 and G_89， a canned cycle

block_pointer block， //！< pointer to a block of RS274 instructions

setup_pointer settings） //！< pointer to machine settings

C語言是高校理工科學(xué)生的必修課程，所以大學(xué)生一般都具有一定的編程基礎(chǔ)，學(xué)生可以對照課堂上老師講的“時間分割法”插補(bǔ)算法，閱讀該程序源代碼，從而深入了解插補(bǔ)算法在數(shù)控系統(tǒng)中是如何實(shí)現(xiàn)的。

這樣數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就不僅僅停留在理論講述的層面上，也不只是數(shù)控系統(tǒng)的使用層面上，而是深入到實(shí)踐中去體驗(yàn)基礎(chǔ)理論的應(yīng)用，有能力的學(xué)生甚至能夠自己編程實(shí)現(xiàn)各種插補(bǔ)算法，在EMC2開源數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，真正地實(shí)現(xiàn)因材施教，最大限度地發(fā)揮數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的作用。

4學(xué)生實(shí)驗(yàn)平臺搭建：

傳統(tǒng)數(shù)控實(shí)驗(yàn)課程中，多使用校友或企業(yè)捐贈的老舊數(shù)控機(jī)床作為實(shí)驗(yàn)平臺，使用FANUC、西門子或華中數(shù)控等商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)，由于商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)的封閉性，只能教學(xué)生學(xué)習(xí)怎樣使用數(shù)控系統(tǒng)，而不能對數(shù)控系統(tǒng)底層的基本原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。而利用開源數(shù)控系統(tǒng)EMC2，就可以搭建開放式數(shù)控教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，通過該平臺，使學(xué)生熟悉數(shù)控機(jī)床的基本組成、機(jī)床的基本操作和基本原理；甚至可以通過添加自己編寫的模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)控功能，從而真正理解數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，為學(xué)生將來的科學(xué)研究和實(shí)際工作奠定堅實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

由于EMC2是一個純軟件數(shù)控系統(tǒng)，它可以利用計算機(jī)并口輸出脈沖信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，所以不需要使用價格昂貴的運(yùn)動控制卡，僅僅利用廉價的并口接口板，配合伺服電機(jī)以及銑床工作臺，就可以搭建低成本試驗(yàn)臺，供學(xué)生數(shù)控實(shí)驗(yàn)課程使用。實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)框圖如圖4-1所示，實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物如圖4-2所示。并口接口板的作用是對計算機(jī)并口輸出的脈沖信號、開關(guān)量信號進(jìn)行光耦隔離，起到保護(hù)計算機(jī)主板的作用，并將并口的3.3V信號轉(zhuǎn)化為伺服驅(qū)動器和變頻器所需要的24V電平信號。

5 結(jié)語

本文結(jié)合開源數(shù)控系統(tǒng)與先進(jìn)的交互式、主動式和任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)理念，針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)授課方式的弊端，重新制定了新型數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，根據(jù)數(shù)控基本原理對實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)劃，使之能夠和數(shù)控原理課程很好地進(jìn)行結(jié)合，并開發(fā)了數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺。學(xué)生可以通過該實(shí)驗(yàn)課程，加深對數(shù)控系統(tǒng)原理的理解，培養(yǎng)對數(shù)控相關(guān)課程的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)自主、任務(wù)驅(qū)動式學(xué)習(xí)，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的積極性和主動性。通過教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證，基于開源數(shù)控系統(tǒng)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式具有良好的教學(xué)效果，可以作為數(shù)控原理教學(xué)的有效教學(xué)手段。

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基金項目：

國家科技重大專項資助項目（No. 2013ZX04013011）。