基于開源系統(tǒng)的大學工程訓練實驗教學

袁 麗

（上海大學工程訓練中心，中國 上海 200444）

0 簡介

中國高校的工程訓練課程一直致力于提高學生的創(chuàng)新能力，但課程改進面臨著很多困難。近年來，網絡和移動設備的迅猛發(fā)展為教學提供了各種豐富的資源[1]和工具[2]，但在此同時，這些科技也在不斷侵蝕和改變著課堂教學的狀態(tài)。尤其在工程訓練課程中，傳統(tǒng)的、面向單一技術的實驗課程對學生而言已經不再具有吸引力。如何對傳統(tǒng)的工程訓練項目進行改進，建立新的教學模式以改變當前的教學狀態(tài)是目前大學工程訓練中面臨的迫切任務之一。通過這種改革，我們希望能夠引入現代技術，幫助學生從一個全新的視角審視各種基礎技術的發(fā)展、集成和應用過程，使其能夠積極參與到新課程的教學流程中。

規(guī)劃和建立新的工程訓練平臺是一項困難的工作。首先，平臺建設往往需要大量的成套實驗設備和相應的維護措施。例如，需要建立專門的實驗室、安裝和購買配套設備，以及進行人員培訓和設備定期維護，這些都將帶來高昂的費用。其次，這一類設備通常由單一的公司提供，針對性較強、使用范圍受到限制。同時，產品不能避免的受到產業(yè)升級和設備淘汰周期的影響，應用周期短。最后，相關培訓資料經常來源于特定企業(yè)內部培訓和提供的資料，實驗設備接口和實驗環(huán)境較封閉。非開放性的環(huán)境一方面造成學生對特定設備和環(huán)境的依賴，影響了動手能力的訓練。另一方面，成套設備也會限制學生思維的發(fā)散性，使學生在參與工程訓練的過程中受到約束，無法真正做到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

開源的硬件平臺是另一個可選擇的方案。開源運動起始于20世紀80年代初，目標是建立一個開放源碼的軟件操作系統(tǒng)，并完成源代碼的不斷改進[3]。90年代通用公共許可證 （GNU General Public License）的出現，為遵守相關GNU和相關許可證發(fā)行的軟件的源碼公開、改進和重新發(fā)布提供了法律依據。30年來，無數開源社區(qū)的貢獻使各種開源系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，并影響了現代軟件發(fā)展的走向。現在，開源運動不僅包含軟件領域的源代碼的公開，也同樣作用于機械和電子領域。機械結構、電子電路的圖紙和相關驅動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)者不斷改進設計，并開發(fā)新的應用產品。

隨著各種計算機硬件系統(tǒng)的普及，開源軟件系統(tǒng)早已成為各個領域科研和應用不可缺少的組成部分，但機械電子系統(tǒng)的開源則需要更加廣泛的工業(yè)基礎和資金推動。其中涉及集成電路及接口設計、機械結構設計、驅動軟件設計和用戶群的支持。隨著支持開源機電設備商業(yè)公司的出現，相關的用戶群體和開發(fā)者社區(qū)逐步形成，這使將開源機電設備應用于工程訓練領域成為可能。

開源機電設備和相應開發(fā)群體的出現為高校工程訓練課程建設和實驗室建設提供了一個嶄新的發(fā)展道路。緊密結合開發(fā)者社區(qū)，基于各種開源軟硬件系統(tǒng)建立的工程訓練課程能夠追蹤現代工業(yè)的最前沿技術，綜合運用業(yè)界各類公司提供的成熟機電和軟件產品，建立培訓與研發(fā)一體化的綜合訓練課程。

本文采用Makerbot公司設計的開源三維打印設備Thing-OMatic 3D為原型，詳細敘述了其設備結構，電氣接口和所遵守的開源協(xié)議，并闡述了如何將其應用于學生的訓練課程中，利用實際的快速成形設備的安裝，改進過程，提高學生的學習能動性，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是一個采用FDM工藝[4]進行全自動三維打印的低成本快速成形設備。它源于在2007年的RepRap項目[5]基礎上進行的一項高中的高年級設計項目CupCake。前者的目標是制造一個可以制造自己，即自我復制的機器，而后者的目標是更為廉價的三維打印設備，發(fā)展成為Makerbot公司Thing-O-Matic的設計原型。由于CupCake的設計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，在相同的設計構架上，可以實現CNC機床，三維掃描儀等設備的功能。與現有的Replicator系列的機型相比，所選取的設備在制造、裝配上更易操作，而且對于控制系統(tǒng)的固件的替換升級有更大的操作空間，有利于更加靈活的設計課程設計。

1．2 設備結構

Thing-O-Matic三維打印平臺由軟硬件2大部分組成，使用USB連接計算機與三維打印設備。其中軟件部分主要是ReplicatorG，它是一個跨平臺的開源系統(tǒng)，除Thing-O-Matic系統(tǒng)外，也可用于RepRap三維打印機、CupCake CNC和傳統(tǒng)的CNC設備，使用STL文件和GCode代碼驅動打印設備完成操作。在引入新的設備配置文件后，系統(tǒng)可進一步擴展，支持更多的設備。ReplicatorG的發(fā)行遵循GNUGPL協(xié)議的第2個版本，因此任何人都有權利免費獲得，修改代碼和以開源形式重新發(fā)布。

Thing-O-Matic的硬件結構如圖1所示，主要分機構和電氣控制兩個部分。其中，材料擠出裝置位于機構頂部，細絲狀得材料從裝置頂部進入擠出裝置，被加熱后打印至自動制造平臺上。自動制造平臺分為從X、Y和Z三個部分。X水平運動，其上承載上工作臺；Y前后運動，其上承載X；Z托住Y，在電機和傳送帶的作用下沿垂直方向運動。箱體的結構設計遵循GNU GPL協(xié)議的第3個版本，即其用戶有權把嵌入到任何硬件設備里面的自由軟件都“剝離出來，而且，相關硬件廠商要保證該用戶能夠繼續(xù)使用這種計算裝置，這使用戶有權利改動Thing-O-Matic中的任何硬件材料、結構，使用新的設計進行替換。

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許可證下公開設計。這使電路設計者可以有機會提出自己的設計方案，改變Thing-O-Matic電氣控制模塊，例如可改進電氣控制方案，將現有的3軸驅動方式改為5軸驅動。因此，具有良好的可定制特性和擴展性能力。

2 實驗探討

基于開源系統(tǒng)的設計為工程訓練實踐培訓構建了靈活的實驗教學平臺。在此平臺上，可為不同年級的工科學生開設相應的實驗課程。在實際教學中，我們將課程分為裝配實習、結構設計與模型制造等兩個基礎實踐訓練。其目的是在所開設的2個實驗的基礎上，鍛煉學生的動手能力，使其能夠在實驗過程中更深入理解電氣控制、機械結構設計、CAD模型處理、G代碼的處理機制，以及材料成形工藝和現代增量制造工藝的特點。

通過這兩個環(huán)節(jié)的綜合訓練，學生能夠更好的理解機電產品的設計流程，激發(fā)自身的創(chuàng)新能力。在實訓過程中使學生學會使用各種三維造型軟件實現機構的設計，利用三維打印設備，完成模型的制造，并嘗試使用自行設計和制造的結構替換現有實驗平臺中的零件。

2.1 裝配實習

在本實訓課程中，對Thing-O-Matic系統(tǒng)的裝配過程包括機械、電氣部分，整個過程涉及零件個數超過150個，是一項復雜的任務。裝配過程中學生需要清晰了解FDM工藝原理，三軸驅動設備特點和驅動方式，電氣控制原理和連接技巧。因此，裝配實習應以老師講述工藝原理開始課程，并使用Thing-O-Matic三維打印裝置進行功能演示，引發(fā)學生興趣。其次根據項目特點，將學生分為4組，分別負責擠出裝置安裝、三軸驅動裝置安裝、箱體安裝和電氣設備安裝。最后基于教學內容，并輔助于開源社區(qū)的資料查詢，幫助學生合作完成機器的組裝過程。

2.2 結構設計模型制造

Thing-O-Matic系統(tǒng)能夠實現一定程度自我復制，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。因此結構設計和模型制造過程可作為訓練課程中獨立設置的創(chuàng)新課程。訓練課程以展示各種不同Thing-O-Matic設備結構入手，鼓勵學生分組探討使用不同結構替代現有設備。并參考開源社區(qū)的各種現有方案，提出新的替代結構。選擇建模軟件系統(tǒng)，并嘗試設為Thing-O-Matic設備設計不同的整體支撐結構，并通過Thing-O-Matic完成模型加工。

3 總結

基于開源平臺的訓練課程優(yōu)勢在于：1）設備零件多數來源于當前最易獲得的產品。2）此外，開源設備由開發(fā)者和用戶社區(qū)不斷推動，在一定程度上處于工業(yè)界的前沿。安裝過程可使學生深入理解機電設備的組成原理、設計思想和實現方法，清晰的掌握控制模塊和機構之間的相互作用關系。3）開源社區(qū)所關注的應用都是當前受到關注的焦點，最易激發(fā)學生的創(chuàng)新性，而學生在課堂的時間又反過來促進開源社區(qū)的發(fā)展，使其形成良好的循環(huán)。這些都是封閉式實驗平臺無法比擬之處。

開源平臺也存在若不穩(wěn)定性和維護的問題，需要在教學之外付出更多的時間解決，但其開放、靈活的優(yōu)勢更加明顯。作為開放式的實驗平臺，其所有提供的實驗也能夠為科研工作提供參考。本文所提供的實驗方案僅使用了本開源實驗平臺最基本功能。作為一種研究型教學方式，基于開源系統(tǒng)的工程訓練實驗平臺在提供教學支持的同時也能為控制模塊設計、驅動程序設計、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。

［1］劉繼斌，趙曉宇，黃紀軍，等.MOOC對我國大學課程教學改革的啟示[J].高等教育研究學報，2013(4):7-9.

［2］盧佳，王小丹，白建強.MOOCs促進學習者概念轉變的機制研究：基于翻轉課堂的MOOCs應用情境[J].蘭州教育學院學報，2014(4):89-91.

［3］益學會.開源運動如何改變教育:成功十例[J].信息技術教育，2008(1):90-92.

［4］郭戈，顏永年，盧清萍，等.FDM 工藝支撐的添加[J].中國機械工程，2000,11(z1):11-14.

［5］Bukobot助力 3D 開源打印[J].工業(yè)設計，2012(6):59.