智能三軸寫字機設(shè)計分析_優(yōu)秀論文

1、 智能三軸寫字機設(shè)計分析摘要：設(shè)計了一款三自由度寫字機器人, 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為上位機軟件開發(fā)環(huán)境, NImyRIO為下位機的控制器；該設(shè)計可以將使用者在上位機軟件上自由寫上想要表達的字或圖轉(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)代碼后計算機通過串口或者無線的形式傳給下位機進行繪制, 下位機采用逐點比較法的直線與圓弧的插補作為控制原理, 通過點與點的相對位置進行判斷, 進而控制步進電動機運動到預(yù)期位置, 再由舵機實現(xiàn)抬筆與寫字的動作, 進而完成一整套流程。該設(shè)計擴展性強, 可以通過更換舵機部分擴展

2、出3D打印或激光雕刻等功能。關(guān)鍵詞：LabVIEW；NImyRIO；插補算法現(xiàn)代生活中, 計算機已經(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現(xiàn), 所以設(shè)計一款可以在電腦上操作的寫字與繪畫的機器人應(yīng)用在生活與工作中, 如對一些學(xué)生作業(yè)或公司文件等進行批注、評語及簽名, 本次設(shè)計就是想要利用機器來幫人們節(jié)約時間, 提高時間的利用率。1整體設(shè)計介紹本次設(shè)計主要分為上位機操作程序與下位機控制程序, 上位機程序是用LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境, 下位機主要由NImyRIO、舵機、步進電動機、Tr84絲桿與TB6560驅(qū)動器組成。上位機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, 隨后程序會將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成特定的坐標(biāo)程序進行保存, 并通過串口或者局域網(wǎng)的方式傳遞給下位機的處理器NImyRIO進行下一步的處理。下位機由NImyRIO作為處理器, 將從上位機接收到的程序進行拆分, 提取每次需要執(zhí)行的動作, 并控制電動機和舵機將筆送到預(yù)期位置, 再由舵機控制筆的抬起與放下, 然后處理下一個動作, 直到整體書寫或繪制完成。2上位機設(shè)計介紹本次上位機采用LabVIEW進行開發(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, 該程序會將用戶在上面畫出來的路徑進行顯示, 同時記錄下第一個點的坐標(biāo), 然后對

4、后續(xù)的路徑與第一個點進行比對, 將坐標(biāo)差值記錄下來, 用戶每寫一筆, 程序就會記錄一次, 把抬筆動作也一同保存。程序結(jié)束后會將原圖中所有的漢字坐標(biāo)以數(shù)組的形式按順序儲存起來, 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)進一步處理后才能發(fā)送給下位機。這里就涉及到本課題的三軸平臺還原上位機文字的運動控制算法的原理, 該原理與組成圖片的像素點有關(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, 原本光滑的線條會變成鋸齒狀, 仔細觀察會發(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。我們寫字的區(qū)域也是由這些小方塊組成, 在沒有寫字的時候所有的小方塊都

5、是白色的, 因此我們會看到一片空白的區(qū)域, 在寫字的時候畫筆會將經(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, 后面程序會自動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, 程序會將G代碼轉(zhuǎn)換保留成相對應(yīng)的坐標(biāo)點, 方便后續(xù)的加工, 如圖3所示。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的代碼會由程序自動儲存并傳遞給下位機, 下位機就可以按照坐標(biāo)位置進行移動和判斷筆的動作了, 同時上位機也會接收來自下位機的反饋, 可以對下位機的加工速度進行控制, 也可以對現(xiàn)在的加工位置進行實時顯示, 避免出現(xiàn)

6、偏差問題, 如圖4所示。加工圖如圖5所示。3下位機設(shè)計介紹3.1下位機整體設(shè)計。下位機整體由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)動電動機旋轉(zhuǎn)送滑塊到預(yù)期位置, 然后判斷舵機是否要放下筆去書寫, 下位機整體如圖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行編程, 同時其上面擁有FPGA與無線協(xié)議的功能, 可以提供較為方便的控制效果, 而步進電動機有穩(wěn)定且精度高的特點, 結(jié)合TB6560與Tr84絲桿可以達到高精度控制的效果。3.2三軸平臺程序設(shè)計。根據(jù)資料對比, 在

7、三軸平臺上使用逐點比較法插補進行控制可以達到較好的效果, 因此根據(jù)文獻9理論制作了一套基于LabVIEW與NImyRIO的逐點比較法插補,原理如圖7所示。直線插補主要判斷當(dāng)前點是在目標(biāo)直線上方還是下方, 從而決定電動機的轉(zhuǎn)動步數(shù)和方向, 每走一步就對其進行一次判斷, 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對三軸平臺進行控制。后面的圓弧插補, 在單個象限內(nèi)的插補可以利用公式F=Xi2-X02+Yi2-Y02判斷點是否在圓內(nèi), 根據(jù)是否在圓內(nèi)而去移動對應(yīng)軸上的電動機, 進而形成一個1/4的圓弧。圓弧插補還有一個問題在于跨象限圓弧插補, 每當(dāng)圓弧超過一個象

8、限就需要對其進行檢零處理, 如果當(dāng)前點與象限邊界接觸, 就需要自動更改圓弧象限, 進行新的圓弧繪制并與前一個圓弧進行連接, 形成一個跨象限圓弧, 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展性較強的三軸寫字機器, 主要是由三軸平臺、上位機與控制板組成。該設(shè)備能準(zhǔn)確地完成寫字繪圖任務(wù), 由LabVIEW對圖文進行處理, 轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)傳遞給NImyRIO進行繪制, 可以幫助人們完成繁瑣的寫字任務(wù), 同時本設(shè)計擁有擴展性強的特點。參考文獻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,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)