基于開源系統(tǒng)的大學(xué)工程訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)教學(xué)

袁 麗

（上海大學(xué)工程訓(xùn)練中心，中國(guó) 上海 200444）

0 簡(jiǎn)介

中國(guó)高校的工程訓(xùn)練課程一直致力于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，但課程改進(jìn)面臨著很多困難。近年來，網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備的迅猛發(fā)展為教學(xué)提供了各種豐富的資源[1]和工具[2]，但在此同時(shí)，這些科技也在不斷侵蝕和改變著課堂教學(xué)的狀態(tài)。尤其在工程訓(xùn)練課程中，傳統(tǒng)的、面向單一技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生而言已經(jīng)不再具有吸引力。如何對(duì)傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)，建立新的教學(xué)模式以改變當(dāng)前的教學(xué)狀態(tài)是目前大學(xué)工程訓(xùn)練中面臨的迫切任務(wù)之一。通過這種改革，我們希望能夠引入現(xiàn)代技術(shù)，幫助學(xué)生從一個(gè)全新的視角審視各種基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展、集成和應(yīng)用過程，使其能夠積極參與到新課程的教學(xué)流程中。

規(guī)劃和建立新的工程訓(xùn)練平臺(tái)是一項(xiàng)困難的工作。首先，平臺(tái)建設(shè)往往需要大量的成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備和相應(yīng)的維護(hù)措施。例如，需要建立專門的實(shí)驗(yàn)室、安裝和購(gòu)買配套設(shè)備，以及進(jìn)行人員培訓(xùn)和設(shè)備定期維護(hù)，這些都將帶來高昂的費(fèi)用。其次，這一類設(shè)備通常由單一的公司提供，針對(duì)性較強(qiáng)、使用范圍受到限制。同時(shí)，產(chǎn)品不能避免的受到產(chǎn)業(yè)升級(jí)和設(shè)備淘汰周期的影響，應(yīng)用周期短。最后，相關(guān)培訓(xùn)資料經(jīng)常來源于特定企業(yè)內(nèi)部培訓(xùn)和提供的資料，實(shí)驗(yàn)設(shè)備接口和實(shí)驗(yàn)環(huán)境較封閉。非開放性的環(huán)境一方面造成學(xué)生對(duì)特定設(shè)備和環(huán)境的依賴，影響了動(dòng)手能力的訓(xùn)練。另一方面，成套設(shè)備也會(huì)限制學(xué)生思維的發(fā)散性，使學(xué)生在參與工程訓(xùn)練的過程中受到約束，無(wú)法真正做到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

開源的硬件平臺(tái)是另一個(gè)可選擇的方案。開源運(yùn)動(dòng)起始于20世紀(jì)80年代初，目標(biāo)是建立一個(gè)開放源碼的軟件操作系統(tǒng)，并完成源代碼的不斷改進(jìn)[3]。90年代通用公共許可證 （GNU General Public License）的出現(xiàn)，為遵守相關(guān)GNU和相關(guān)許可證發(fā)行的軟件的源碼公開、改進(jìn)和重新發(fā)布提供了法律依據(jù)。30年來，無(wú)數(shù)開源社區(qū)的貢獻(xiàn)使各種開源系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，并影響了現(xiàn)代軟件發(fā)展的走向。現(xiàn)在，開源運(yùn)動(dòng)不僅包含軟件領(lǐng)域的源代碼的公開，也同樣作用于機(jī)械和電子領(lǐng)域。機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子電路的圖紙和相關(guān)驅(qū)動(dòng)的代碼均可以使用同樣的許可證發(fā)布，通過開源社區(qū)中的用戶和開發(fā)者不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，并開發(fā)新的應(yīng)用產(chǎn)品。

隨著各種計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的普及，開源軟件系統(tǒng)早已成為各個(gè)領(lǐng)域科研和應(yīng)用不可缺少的組成部分，但機(jī)械電子系統(tǒng)的開源則需要更加廣泛的工業(yè)基礎(chǔ)和資金推動(dòng)。其中涉及集成電路及接口設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)和用戶群的支持。隨著支持開源機(jī)電設(shè)備商業(yè)公司的出現(xiàn)，相關(guān)的用戶群體和開發(fā)者社區(qū)逐步形成，這使將開源機(jī)電設(shè)備應(yīng)用于工程訓(xùn)練領(lǐng)域成為可能。

開源機(jī)電設(shè)備和相應(yīng)開發(fā)群體的出現(xiàn)為高校工程訓(xùn)練課程建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了一個(gè)嶄新的發(fā)展道路。緊密結(jié)合開發(fā)者社區(qū)，基于各種開源軟硬件系統(tǒng)建立的工程訓(xùn)練課程能夠追蹤現(xiàn)代工業(yè)的最前沿技術(shù)，綜合運(yùn)用業(yè)界各類公司提供的成熟機(jī)電和軟件產(chǎn)品，建立培訓(xùn)與研發(fā)一體化的綜合訓(xùn)練課程。

本文采用Makerbot公司設(shè)計(jì)的開源三維打印設(shè)備Thing-OMatic 3D為原型，詳細(xì)敘述了其設(shè)備結(jié)構(gòu)，電氣接口和所遵守的開源協(xié)議，并闡述了如何將其應(yīng)用于學(xué)生的訓(xùn)練課程中，利用實(shí)際的快速成形設(shè)備的安裝，改進(jìn)過程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性，激發(fā)其想象力和創(chuàng)新能力。

1 開源Thing-O-Matic系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

Thing-O-Matic是一個(gè)采用FDM工藝[4]進(jìn)行全自動(dòng)三維打印的低成本快速成形設(shè)備。它源于在2007年的RepRap項(xiàng)目[5]基礎(chǔ)上進(jìn)行的一項(xiàng)高中的高年級(jí)設(shè)計(jì)項(xiàng)目CupCake。前者的目標(biāo)是制造一個(gè)可以制造自己，即自我復(fù)制的機(jī)器，而后者的目標(biāo)是更為廉價(jià)的三維打印設(shè)備，發(fā)展成為Makerbot公司Thing-O-Matic的設(shè)計(jì)原型。由于CupCake的設(shè)計(jì)思想是通用化和可定制，因此Thing-O-Matic提供了更多的定制空間，在相同的設(shè)計(jì)構(gòu)架上，可以實(shí)現(xiàn)CNC機(jī)床，三維掃描儀等設(shè)備的功能。與現(xiàn)有的Replicator系列的機(jī)型相比，所選取的設(shè)備在制造、裝配上更易操作，而且對(duì)于控制系統(tǒng)的固件的替換升級(jí)有更大的操作空間，有利于更加靈活的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)。

1．2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

Thing-O-Matic三維打印平臺(tái)由軟硬件2大部分組成，使用USB連接計(jì)算機(jī)與三維打印設(shè)備。其中軟件部分主要是ReplicatorG，它是一個(gè)跨平臺(tái)的開源系統(tǒng)，除Thing-O-Matic系統(tǒng)外，也可用于RepRap三維打印機(jī)、CupCake CNC和傳統(tǒng)的CNC設(shè)備，使用STL文件和GCode代碼驅(qū)動(dòng)打印設(shè)備完成操作。在引入新的設(shè)備配置文件后，系統(tǒng)可進(jìn)一步擴(kuò)展，支持更多的設(shè)備。ReplicatorG的發(fā)行遵循GNUGPL協(xié)議的第2個(gè)版本，因此任何人都有權(quán)利免費(fèi)獲得，修改代碼和以開源形式重新發(fā)布。

Thing-O-Matic的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分機(jī)構(gòu)和電氣控制兩個(gè)部分。其中，材料擠出裝置位于機(jī)構(gòu)頂部，細(xì)絲狀得材料從裝置頂部進(jìn)入擠出裝置，被加熱后打印至自動(dòng)制造平臺(tái)上。自動(dòng)制造平臺(tái)分為從X、Y和Z三個(gè)部分。X水平運(yùn)動(dòng)，其上承載上工作臺(tái)；Y前后運(yùn)動(dòng)，其上承載X；Z托住Y，在電機(jī)和傳送帶的作用下沿垂直方向運(yùn)動(dòng)。箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循GNU GPL協(xié)議的第3個(gè)版本，即其用戶有權(quán)把嵌入到任何硬件設(shè)備里面的自由軟件都“剝離出來，而且，相關(guān)硬件廠商要保證該用戶能夠繼續(xù)使用這種計(jì)算裝置，這使用戶有權(quán)利改動(dòng)Thing-O-Matic中的任何硬件材料、結(jié)構(gòu)，使用新的設(shè)計(jì)進(jìn)行替換。

Thing-O-Matic的電氣控制模塊采用Arduino開發(fā)，這是一種基于微控制器的開源工具，并提供跨平臺(tái)的軟件支持和編程環(huán)境，通過USB接口與電腦相連，可采用AVR-C代碼進(jìn)行編程。Arduino成本較低，使用常見的Atmel公司 ATMEGA8和d ATMEGA168芯片，并在Creative Commons許可證下公開設(shè)計(jì)。這使電路設(shè)計(jì)者可以有機(jī)會(huì)提出自己的設(shè)計(jì)方案，改變Thing-O-Matic電氣控制模塊，例如可改進(jìn)電氣控制方案，將現(xiàn)有的3軸驅(qū)動(dòng)方式改為5軸驅(qū)動(dòng)。因此，具有良好的可定制特性和擴(kuò)展性能力。

2 實(shí)驗(yàn)探討

基于開源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為工程訓(xùn)練實(shí)踐培訓(xùn)構(gòu)建了靈活的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在此平臺(tái)上，可為不同年級(jí)的工科學(xué)生開設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程。在實(shí)際教學(xué)中，我們將課程分為裝配實(shí)習(xí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型制造等兩個(gè)基礎(chǔ)實(shí)踐訓(xùn)練。其目的是在所開設(shè)的2個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，使其能夠在實(shí)驗(yàn)過程中更深入理解電氣控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CAD模型處理、G代碼的處理機(jī)制，以及材料成形工藝和現(xiàn)代增量制造工藝的特點(diǎn)。

通過這兩個(gè)環(huán)節(jié)的綜合訓(xùn)練，學(xué)生能夠更好的理解機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程，激發(fā)自身的創(chuàng)新能力。在實(shí)訓(xùn)過程中使學(xué)生學(xué)會(huì)使用各種三維造型軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用三維打印設(shè)備，完成模型的制造，并嘗試使用自行設(shè)計(jì)和制造的結(jié)構(gòu)替換現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的零件。

2.1 裝配實(shí)習(xí)

在本實(shí)訓(xùn)課程中，對(duì)Thing-O-Matic系統(tǒng)的裝配過程包括機(jī)械、電氣部分，整個(gè)過程涉及零件個(gè)數(shù)超過150個(gè)，是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。裝配過程中學(xué)生需要清晰了解FDM工藝原理，三軸驅(qū)動(dòng)設(shè)備特點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)方式，電氣控制原理和連接技巧。因此，裝配實(shí)習(xí)應(yīng)以老師講述工藝原理開始課程，并使用Thing-O-Matic三維打印裝置進(jìn)行功能演示，引發(fā)學(xué)生興趣。其次根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，將學(xué)生分為4組，分別負(fù)責(zé)擠出裝置安裝、三軸驅(qū)動(dòng)裝置安裝、箱體安裝和電氣設(shè)備安裝。最后基于教學(xué)內(nèi)容，并輔助于開源社區(qū)的資料查詢，幫助學(xué)生合作完成機(jī)器的組裝過程。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型制造

Thing-O-Matic系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度自我復(fù)制，即可以使用FDM工藝制造出自身的部分零件，例如塑料軸承和各種支撐件。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型制造過程可作為訓(xùn)練課程中獨(dú)立設(shè)置的創(chuàng)新課程。訓(xùn)練課程以展示各種不同Thing-O-Matic設(shè)備結(jié)構(gòu)入手，鼓勵(lì)學(xué)生分組探討使用不同結(jié)構(gòu)替代現(xiàn)有設(shè)備。并參考開源社區(qū)的各種現(xiàn)有方案，提出新的替代結(jié)構(gòu)。選擇建模軟件系統(tǒng)，并嘗試設(shè)為Thing-O-Matic設(shè)備設(shè)計(jì)不同的整體支撐結(jié)構(gòu)，并通過Thing-O-Matic完成模型加工。

3 總結(jié)

基于開源平臺(tái)的訓(xùn)練課程優(yōu)勢(shì)在于：1）設(shè)備零件多數(shù)來源于當(dāng)前最易獲得的產(chǎn)品。2）此外，開源設(shè)備由開發(fā)者和用戶社區(qū)不斷推動(dòng)，在一定程度上處于工業(yè)界的前沿。安裝過程可使學(xué)生深入理解機(jī)電設(shè)備的組成原理、設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法，清晰的掌握控制模塊和機(jī)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系。3）開源社區(qū)所關(guān)注的應(yīng)用都是當(dāng)前受到關(guān)注的焦點(diǎn)，最易激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性，而學(xué)生在課堂的時(shí)間又反過來促進(jìn)開源社區(qū)的發(fā)展，使其形成良好的循環(huán)。這些都是封閉式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法比擬之處。

開源平臺(tái)也存在若不穩(wěn)定性和維護(hù)的問題，需要在教學(xué)之外付出更多的時(shí)間解決，但其開放、靈活的優(yōu)勢(shì)更加明顯。作為開放式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其所有提供的實(shí)驗(yàn)也能夠?yàn)榭蒲泄ぷ魈峁﹨⒖肌１疚乃峁┑膶?shí)驗(yàn)方案僅使用了本開源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最基本功能。作為一種研究型教學(xué)方式，基于開源系統(tǒng)的工程訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在提供教學(xué)支持的同時(shí)也能為控制模塊設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、逆向建模與G代碼處理等多方面的科研工作提供研究支持。

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