基于开源数控系统的实验教学 文档

基于开源数控系统的实验教学ExperimentalTeachingBasedonOpenSourceNumericalControlSystemHANDe-dong，FUYun-zhong，HANZhen-yu，LIUJian-kang（MechanicalManufacturingandAutomationDepartment，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China）【】BasedonthepresentsituationofexperimentalteachingofCNCtechnology，anewexperimentalteachingmethodwasproposedwhichcombinesexperimentcoursewithopensourcenumericalcontrolsystem.Opensourcenumericalcontrolsystemcanenhancestudents'understandingtowardsunderlyingtheoriesofnumericalcontrolsystem，anditisbeneficialforstudenttograspandconsolidatecorrespondingknowledge，tocultivateinterest，topromoteinnovationcapacityandemployability.【s】numericalcontroltechnologyopensourceNCsysteminteractivelearningexperimentplatform1引言数控机床行业作为国家基础性和战略性产业，在“十二五”着已明确将自主创新战略作为最主要的一个组成部分，规划中，重强调了要以技术创新工程来支撑和引领行业发展。我国数控机床行业的发展必须立足于自主创新，加强关键技术的研究，大力培养创新型人才，力争在数控系统关键性技术攻关上有所突破，提高我国数控系统科技水平[1-2]。而随着社会经济发展，企业对人才的要求不断提高，我国高等教育必须不断深化改革，调整授课方式，以培养新型人才，以满足市场需求。在数控教学方面，需要不断寻求更加创新的教学方式，培养学生的学习兴趣，提高学生的创新能力与就业能力。数控技术课程是机械类专业学生必修的一门既具有理论性又具有实践性的多学科融合的课程，而现行教学方式多偏重理论讲述，数控实验课内容更是以数控系统的使用为主，停留在G&M加工代码编写、UG等CAM软件的使用层面，导致学生对数控系统内部的插补原理、实时性、运动控制原理等理解不够深入，难以达到大纲要求的教学目的。开源数控系统由于其开放的特性，应用在数控教学中可以使学生更多地了解数控系统内部实现原理。因此，本文对开源数控系统在数控实验教学中的应用进行了探索。2基于开源数控系统的新型实验教学模式为改变传统数控实验教学模式下的种种弊端，各种新型的教学模式不断提出并应用于实践教学中[3]，利用开源数控系统可以开展多种新型的开放式实验教学模式[4]，以提高学生参与的积极性，提升教学效率。．（1）交互式学习传统的教学模式是教师单方面教授知识，而实践证明这种教学模式缺乏教师与学生之间的交流，学生参与积极性不高，学习效率较低[5]。基于开源数控系统的交互式实验教学模式，应针对学生的特点，以学生的自主学习为基准，以学生能力的提高为方向，遵循学生的认知规律，体现由提出问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ―分析问题―解决问题―探究创新的认知过程。而且，利用开源数控系统，可以用极小的成本搭建实验平台，可以使更多学生参与动手操作，使学生更多地发现问题，提出问题，并与老师互动，从而解决问题。（2）主动式学习“主动式学习”是学生在学习时表现出来的自觉性、积极性、独立性等特征的总和，是学生从事创造性学习活动的一种心理能动状态。主动学习被视为对传统教学的根本性改进[6]。利用开源数控系统，可以让学生自主探索数控系统内部基本原理，提高学习兴趣，发挥学生主观能动性，认真领悟、主动实践，最终获取知识和能力。根据学生感兴趣的程度，采取从易到难的层次化学习目标，从而实现因材施教，激发他们学习的积极性，发挥主动式模式的优势。（3）任务驱动式学习在传统实验教学中，教师把实验过程中所有具体操作步骤都教授给学生，学生只能按部就班地执行，没有机会去思考。而利教师可以把数控实用开源数控系统开展“任务驱动”实验教学，验教学任务制定一个目标 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 体系，然后由学生自主地一步一步去实现这个计划，学生自己思考、寻求解决 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，使学生的积极性得到充分的发挥[7]。在基于“任务驱动”的实验教学平台中，学生是学习活动的主体。学习者既需要有统一的教学目标和要求，又可以根据自己的技术、特点与爱好，确定自己的学习进度与学习步骤，按照教师制定的学习任务书和计划书范例、学习成果“作品”范例进行个性化学习，最后展示自己的个性化学习成果并进行学习评价。3开源数控系统与数控实验教学的结合融合上面所探讨的新型教学模式的理念，根据教学大纲要求，建立数控实验教学体系结构，体现理论与实践相结合的教学理念，以实现其预期的教学效果。3.1开源数控系统EMC2简介开源数控系统在世界范围内开放源代码，任何人都可以从网络上下载其源代码，并进行修改以适合自己的应用需求。常用的开源数控系统有美国ArtSoft公司开发的Mach3、美国NIST开发的EMC2等，由于EMC2具有良好的开放性和完善的社区支持，本文选用EMC2进行数控实验教学。EMC2衍生自NIST（NationalInstituteofStandardsandTechnology，美国 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 与技术研究院）开发的EMC（EnhancedMachineController，增强型机器控制器）项目，该项目最初目控制器实现数控系统功NC机代替专用PC的是为了验证利用．能的可行性，EMC2可以充分发挥PC机强大的计算能力，并利用PC机丰富的接口实现专用NC控制器的功能，是一套真正意义上的开放式软件数控系统。由于EMC2功能强大，灵活的模块化开发方式，并且开放源码，使之可以方便地利用到数控系统实验教学中来，让学生了解数控系统内部软件架构以及基本原理。3.2基于开源数控系统的实验教学内容结合开源数控系统，可以在数控实验教学中开展很多新的教学内容，让学生可以涉足数控系统的更深层次。（1）数控系统软硬件架构传统数控技术教学中，一般仅仅简单介绍一下数控机床的构成：数控系统由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分构成，但是学生没有一个直观的理解，而数控实验课程中，大多使用商业化数控系统，价格昂贵，一般不会拆开整个数控系统、电气系统给学生看，而且，商业数控系统软件都是封闭的，其内部软件架构无从得知。在这种教学模式下，学生只能学习如何使用数控系统，但不能对数控系统的软硬件结构有一个清楚直观的了解。图3-1EMC2软件结构图EMC2软件结构层次分明，模块划分清晰，易于理解，让学生可以充分理解数控系统软件架构，从而对数控原理有一个更深作为教师便并且可以激发学生对知识的探索欲望，层次的理解，可以及时引导学生，由开源数控系统结构的理解转化到对商业数控系统结构的探索，带领学生对平常熟悉的FANUC、Siemens等商业品牌数控系统的内部结构进行研究，使学生对商业数控系统的多处理器总线结构、内部通信机制等 知识点 高中化学知识点免费下载体育概论知识点下载名人传知识点免费下载线性代数知识点汇总下载高中化学知识点免费下载 进行深入了解，拓宽学生视野，增长学生见识。（2）数控系统实时性EMC2数控系统是Linux系统上的一个纯软件数控系统，其实时性由RTAI实时内核保证，所以EMC2实时功能模块的开发要在RTAI实时核内进行，程序开发的灵活性大大降低，为了使实时功能的开发更多的体现模块化思想，EMC2提出了HAL[9]（HardwareLayer）概念。图3-1给出了HAL概念的模型图，HAL中定义了几个抽象术语：引脚（Pin）是HAL模块的对外接口，可以与其它HAL模块之间进行数据交换，引脚有输入、输出之分；信号（signal）是引脚上输出的数据，可以是任何类型的数据；参数（Parameter）也是HAL模块的对外接口，只不过是本模块单独使用的，主要用来对HAL模块内的参数进行设置；函数（Function）是HAL模块的功能执行体，结合输入输出数据用来实现某个特定功能；线程（Thread）是指RTAI实时核内的实时线程，所有HAL模块的函数可以顺序添加到线程内进行执行。图3-2HAL示意图利用HAL硬件抽象层，可以让学生对数控系统内实时性有更可以让学生理解脚本文件，HAL通过带领学生编写深刻的理解，实时线程的意义，HAL实时线程以固定时间周期运行，该时间周期就是数控系统的插补周期，每一个插补周期中，数控系统都进行一次插补运算，计算出下一个周期各个坐标轴所要移动到的坐标值，并利用运动控制算法，将位置指令转化为脉冲信号或者模拟信号，传输给伺服放大器，从而完成各个坐标轴的运动控制。在Linux命令行中，使用下面的命令运行HAL硬件抽象层：$halrun使用loadrt命令加载运动控制模块EMCMOT，并创建伺服周期创建插补周期为1ms的实时线程，作为伺服线程：loadrtEMCMOTservo_period_nsec=1000000num_joints=3加载运动学逆解模块：loadrttrivkins加载并口驱动模块：loadrthal_parportcfg=将计算机并口的第2、3个引脚分别作为X轴方向信号、脉冲信号的输出引脚：netXstep=>parport.0.pin-03-outnetXdir=>parport.0.pin-02-out这样，通过简单的几条命令，就让学生实现了数控系统内部重要模块的调用，知道了数控系统中程序运行的实时性是怎样实现的，明白了从运动控制到发出脉冲指令信号的流程，不知不觉中就将其中所涉及的数控基本知识融汇贯通了。．（3）插补原理由于EMC2的开源特性，所有人都可以对其修改、增添源代码以实现自己想要的功能，使之成为国际上很受欢迎的数控研究平台，例如国内外很多学者就利用EMC2进行NURBS等复杂曲线插补算法的研究，并取得了非凡的成就。将EMC2中插补算法的相关源代码提取出来，供学生研究，与课堂上讲的插补原理进行对照学习，可以让学生对数控插补原理有一个更深入的理解。EMC2源代码中，实现插补算法的C程序文件在./src/emc/rs274ngc/文件夹下，比如圆弧插补的程序代码就是该文件夹下的interp_cycles文件，其中圆弧插补函数定义如下：intInterp：：convert_cycle_xy（intmotion，//！