智能三軸寫字機(jī)設(shè)計(jì)分析_優(yōu)秀論文

1、 智能三軸寫字機(jī)設(shè)計(jì)分析摘要：設(shè)計(jì)了一款三自由度寫字機(jī)器人, 可以幫助人們完成紙張上的書寫或繪畫需求, 整體采用以LabVIEW為上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境, NImyRIO為下位機(jī)的控制器；該設(shè)計(jì)可以將使用者在上位機(jī)軟件上自由寫上想要表達(dá)的字或圖轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)代碼, 也可以利用其它數(shù)控加工軟件對預(yù)期圖文轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)形式的G代碼；在獲得坐標(biāo)代碼后計(jì)算機(jī)通過串口或者無線的形式傳給下位機(jī)進(jìn)行繪制, 下位機(jī)采用逐點(diǎn)比較法的直線與圓弧的插補(bǔ)作為控制原理, 通過點(diǎn)與點(diǎn)的相對位置進(jìn)行判斷, 進(jìn)而控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)到預(yù)期位置, 再由舵機(jī)實(shí)現(xiàn)抬筆與寫字的動(dòng)作, 進(jìn)而完成一整套流程。該設(shè)計(jì)擴(kuò)展性強(qiáng), 可以通過更換舵機(jī)部分?jǐn)U展

2、出3D打印或激光雕刻等功能。關(guān)鍵詞：LabVIEW；NImyRIO；插補(bǔ)算法現(xiàn)代生活中, 計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為人們大部分的生活和工作所需, 各種各樣的文字編輯與形成也都在電腦上實(shí)現(xiàn), 所以設(shè)計(jì)一款可以在電腦上操作的寫字與繪畫的機(jī)器人應(yīng)用在生活與工作中, 如對一些學(xué)生作業(yè)或公司文件等進(jìn)行批注、評語及簽名, 本次設(shè)計(jì)就是想要利用機(jī)器來幫人們節(jié)約時(shí)間, 提高時(shí)間的利用率。1整體設(shè)計(jì)介紹本次設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)操作程序與下位機(jī)控制程序, 上位機(jī)程序是用LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境, 下位機(jī)主要由NImyRIO、舵機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、Tr84絲桿與TB6560驅(qū)動(dòng)器組成。上位機(jī)部分可分為用戶自由繪制后系統(tǒng)保存坐標(biāo)代碼

3、, 或者導(dǎo)入其他數(shù)控加工軟件預(yù)先編輯好的坐標(biāo)G代碼, 隨后程序會(huì)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成特定的坐標(biāo)程序進(jìn)行保存, 并通過串口或者局域網(wǎng)的方式傳遞給下位機(jī)的處理器NImyRIO進(jìn)行下一步的處理。下位機(jī)由NImyRIO作為處理器, 將從上位機(jī)接收到的程序進(jìn)行拆分, 提取每次需要執(zhí)行的動(dòng)作, 并控制電動(dòng)機(jī)和舵機(jī)將筆送到預(yù)期位置, 再由舵機(jī)控制筆的抬起與放下, 然后處理下一個(gè)動(dòng)作, 直到整體書寫或繪制完成。2上位機(jī)設(shè)計(jì)介紹本次上位機(jī)采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)1-8, 用戶可以在如圖1所示操作面板的白板中書寫自己想要的字體或者圖案, 該程序會(huì)將用戶在上面畫出來的路徑進(jìn)行顯示, 同時(shí)記錄下第一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo), 然后對

4、后續(xù)的路徑與第一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行比對, 將坐標(biāo)差值記錄下來, 用戶每寫一筆, 程序就會(huì)記錄一次, 把抬筆動(dòng)作也一同保存。程序結(jié)束后會(huì)將原圖中所有的漢字坐標(biāo)以數(shù)組的形式按順序儲(chǔ)存起來, 但是僅僅擁有這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)還不行, 還需要對這些坐標(biāo)進(jìn)一步處理后才能發(fā)送給下位機(jī)。這里就涉及到本課題的三軸平臺還原上位機(jī)文字的運(yùn)動(dòng)控制算法的原理, 該原理與組成圖片的像素點(diǎn)有關(guān)。如果我們把一幅圖片無限放大, 那么呈現(xiàn)在我們眼前的不再是正常的圖案, 原本光滑的線條會(huì)變成鋸齒狀, 仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)整幅圖片是由許多不同顏色的小方塊組合而成, 這些小方塊就是像素點(diǎn)。我們寫字的區(qū)域也是由這些小方塊組成, 在沒有寫字的時(shí)候所有的小方塊都

5、是白色的, 因此我們會(huì)看到一片空白的區(qū)域, 在寫字的時(shí)候畫筆會(huì)將經(jīng)過的小方塊“染色”, 通過這些“染色”小方塊的組合最終形成我們所看到的漢字, 后面程序會(huì)自動(dòng)把用戶之前寫下的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)形式的G代碼指令, 方便三軸平臺的運(yùn)作, 如圖2所示。用戶也可以利用其它軟件獲取相對應(yīng)的G代碼指令粘貼到轉(zhuǎn)換程序中去, 程序會(huì)將G代碼轉(zhuǎn)換保留成相對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn), 方便后續(xù)的加工, 如圖3所示。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的代碼會(huì)由程序自動(dòng)儲(chǔ)存并傳遞給下位機(jī), 下位機(jī)就可以按照坐標(biāo)位置進(jìn)行移動(dòng)和判斷筆的動(dòng)作了, 同時(shí)上位機(jī)也會(huì)接收來自下位機(jī)的反饋, 可以對下位機(jī)的加工速度進(jìn)行控制, 也可以對現(xiàn)在的加工位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示, 避免出現(xiàn)

6、偏差問題, 如圖4所示。加工圖如圖5所示。3下位機(jī)設(shè)計(jì)介紹3.1下位機(jī)整體設(shè)計(jì)。下位機(jī)整體由NImyRIO作為總控制器, 通過后續(xù)算法判斷出下一步需要執(zhí)行的信息轉(zhuǎn)換成電平信號, 控制TB6560驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)送滑塊到預(yù)期位置, 然后判斷舵機(jī)是否要放下筆去書寫, 下位機(jī)整體如圖6所示。使用NImyRIO的好處在于其與LabVIEW同為NI公司的產(chǎn)品, 可以使用LabVIEW程序?qū)ζ溥M(jìn)行編程, 同時(shí)其上面擁有FPGA與無線協(xié)議的功能, 可以提供較為方便的控制效果, 而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有穩(wěn)定且精度高的特點(diǎn), 結(jié)合TB6560與Tr84絲桿可以達(dá)到高精度控制的效果。3.2三軸平臺程序設(shè)計(jì)。根據(jù)資料對比, 在

7、三軸平臺上使用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行控制可以達(dá)到較好的效果, 因此根據(jù)文獻(xiàn)9理論制作了一套基于LabVIEW與NImyRIO的逐點(diǎn)比較法插補(bǔ),原理如圖7所示。直線插補(bǔ)主要判斷當(dāng)前點(diǎn)是在目標(biāo)直線上方還是下方, 從而決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)和方向, 每走一步就對其進(jìn)行一次判斷, 判斷公式為F=XiY-XYi, 程序如圖8所示。為了保證精度與速度, 利用FPGA對三軸平臺進(jìn)行控制。后面的圓弧插補(bǔ), 在單個(gè)象限內(nèi)的插補(bǔ)可以利用公式F=Xi2-X02+Yi2-Y02判斷點(diǎn)是否在圓內(nèi), 根據(jù)是否在圓內(nèi)而去移動(dòng)對應(yīng)軸上的電動(dòng)機(jī), 進(jìn)而形成一個(gè)1/4的圓弧。圓弧插補(bǔ)還有一個(gè)問題在于跨象限圓弧插補(bǔ), 每當(dāng)圓弧超過一個(gè)象

8、限就需要對其進(jìn)行檢零處理, 如果當(dāng)前點(diǎn)與象限邊界接觸, 就需要自動(dòng)更改圓弧象限, 進(jìn)行新的圓弧繪制并與前一個(gè)圓弧進(jìn)行連接, 形成一個(gè)跨象限圓弧, 程序如圖9所示, 效果圖如圖10與圖11所示。4結(jié)語本文描述了一種擴(kuò)展性較強(qiáng)的三軸寫字機(jī)器, 主要是由三軸平臺、上位機(jī)與控制板組成。該設(shè)備能準(zhǔn)確地完成寫字繪圖任務(wù), 由LabVIEW對圖文進(jìn)行處理, 轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)傳遞給NImyRIO進(jìn)行繪制, 可以幫助人們完成繁瑣的寫字任務(wù), 同時(shí)本設(shè)計(jì)擁有擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1陳樹學(xué).LabVIEW寶典M.北京:電子工業(yè)出版社,2011.2阮奇楨.我和LabVIEWM.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.3劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器的設(shè)計(jì)J.北京:電子工業(yè)出版社,2003.4鄧振杰,齊建玲,李廣川,等.基于LabVIEW構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)J.華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2001(3):14-21.5劉君華.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.6戴鵬飛,王勝開.測試工程與LabVIEW應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)