📚 课程目录第1章 LinuxCNC环境搭建与实时内核配置

1. LinuxCNC环境搭建与实时内核配置

任务目标

在Ubuntu 20.04/22.04系统上完成LinuxCNC的安装，并配置RTAI实时内核，最终通过启动模拟器验证环境可用。本案例覆盖从内核安装到模拟器启动的完整闭环。

环境与依赖

Ubuntu 20.04 LTS（64位）或Ubuntu 22.04 LTS
至少4GB内存、20GB可用磁盘空间
BIOS中关闭Secure Boot（RTAI内核需要加载未签名模块）
网络连接（用于下载内核与软件包）

实现步骤

1. 安装RTAI实时内核

LinuxCNC的实时控制依赖RTAI或PREEMPT_RT内核。本案例使用RTAI内核，因其与LinuxCNC的集成最成熟。Ubuntu 20.04使用linux-image-4.19.0-rt-amd64，Ubuntu 22.04使用linux-image-5.15.0-rt-amd64。

# 更新系统
sudo apt update && sudo apt upgrade -y

# 安装RTAI内核（Ubuntu 20.04）
sudo apt install linux-image-4.19.0-rt-amd64 linux-headers-4.19.0-rt-amd64

# 若为Ubuntu 22.04，改用：
# sudo apt install linux-image-5.15.0-rt-amd64 linux-headers-5.15.0-rt-amd64

# 重启并选择RTAI内核启动
sudo reboot

重启后在GRUB菜单中选择“Advanced options for Ubuntu”，进入带-rt后缀的内核。登录后验证内核版本：

uname -r
# 预期输出包含 -rt- 字样，例如 4.19.0-rt-amd64

2. 安装LinuxCNC

LinuxCNC官方提供预编译软件源，安装后可直接使用模拟器功能，无需额外编译。

# 添加LinuxCNC软件源（Ubuntu 20.04）
sudo add-apt-repository ppa:linuxcnc/ppa
sudo apt update
sudo apt install linuxcnc-uspace

# Ubuntu 22.04用户请使用：
# sudo add-apt-repository ppa:linuxcnc/ppa-daily
# sudo apt update
# sudo apt install linuxcnc-uspace

安装完成后，LinuxCNC的可执行文件位于/usr/bin/linuxcnc，配置文件示例位于/usr/share/doc/linuxcnc/examples/。

3. 验证实时性配置

确认RTAI内核的实时模块已正确加载，这是模拟器能否以实时模式运行的前提。

# 检查RTAI模块是否加载
lsmod | grep rtai
# 预期输出包含 rtai_hal、rtai_sched 等模块

# 若模块未加载，手动加载：
sudo modprobe rtai_hal
sudo modprobe rtai_sched

4. 启动模拟器验证

LinuxCNC自带模拟器配置（模拟步进电机驱动），无需连接真实硬件即可验证环境完整性。

# 复制示例配置到用户目录
cp -r /usr/share/doc/linuxcnc/examples/sim.axis ~/sim.axis

# 启动模拟器
cd ~/sim.axis
linuxcnc sim.axis.ini

启动后应出现LinuxCNC主界面，包含坐标显示、程序编辑区和手动控制按钮。在命令行输入MDI命令G0 X10 Y10并执行，观察坐标显示是否更新为X=10.000 Y=10.000。

验证方法与判定标准

内核验证：uname -r输出包含-rt，且lsmod | grep rtai能看到rtai_hal模块。
模拟器启动：LinuxCNC界面正常显示，无报错弹窗。
运动指令执行：MDI输入G0 X10 Y10后，坐标显示变为X=10.000 Y=10.000，且无跟随误差报警。
实时状态确认：在LinuxCNC界面点击“显示”→“状态”，确认“实时线程”状态为“运行中”，且CPU占用显示为“0”（表示未超时）。

常见问题

启动时提示“rtapi: no rtai”：说明RTAI模块未加载，执行sudo modprobe rtai_hal后重试。
模拟器界面卡死：检查BIOS中Secure Boot是否关闭，未关闭会导致实时模块加载失败。
坐标不运动：确认在MDI模式下输入，且未按下紧急停止按钮（界面右上角红色按钮需弹出状态）。

完成以上步骤并观察到坐标更新，即证明LinuxCNC环境搭建成功，实时内核配置正确，模拟器可正常运行。