智能三轴写字机设计

2020-05-08林春盛潘锦豪徐成烨谢粼达李冬冬

机械工程师 2020年4期

林春盛，潘锦豪，徐成烨，谢粼达，李冬冬

（华南理工大学广州学院，广州510800）

0 引言

现代生活中，计算机已经成为人们大部分的生活和工作所需，各种各样的文字编辑与形成也都在电脑上实现，所以设计一款可以在电脑上操作的写字与绘画的机器人应用在生活与工作中，如对一些学生作业或公司文件等进行批注、评语及签名，本次设计就是想要利用机器来帮人们节约时间，提高时间的利用率。

1 整体设计介绍

本次设计主要分为上位机操作程序与下位机控制程序，上位机程序是用LabVIEW作为开发环境，下位机主要由NI myRIO、舵机、步进电动机、Tr8×4丝杆与TB6560驱动器组成。

上位机部分可分为用户自由绘制后系统保存坐标代码，或者导入其他数控加工软件预先编辑好的坐标G代码，随后程序会将这些数据转换成特定的坐标程序进行保存，并通过串口或者局域网的方式传递给下位机的处理器NI myRIO进行下一步的处理。

下位机由NI myRIO作为处理器，将从上位机接收到的程序进行拆分，提取每次需要执行的动作，并控制电动机和舵机将笔送到预期位置，再由舵机控制笔的抬起与放下，然后处理下一个动作，直到整体书写或绘制完成。

2 上位机设计介绍

本次上位机采用LabVIEW进行开发[1-8]，用户可以在如图1所示操作面板的白板中书写自己想要的字体或者图案，该程序会将用户在上面画出来的路径进行显示，同时记录下第一个点的坐标，然后对后续的路径与第一个点进行比对，将坐标差值记录下来，用户每写一笔，程序就会记录一次，把抬笔动作也一同保存。

程序结束后会将原图中所有的汉字坐标以数组的形式按顺序储存起来，但是仅仅拥有这些坐标数据还不行，还需要对这些坐标进一步处理后才能发送给下位机。这里就涉及到本课题的三轴平台还原上位机文字的运动控制算法的原理，该原理与组成图片的像素点有关。如果我们把一幅图片无限放大，那么呈现在我们眼前的不再是正常的图案，原本光滑的线条会变成锯齿状，仔细观察会发现整幅图片是由许多不同颜色的小方块组合而成，这些小方块就是像素点。我们写字的区域也是由这些小方块组成，在没有写字的时候所有的小方块都是白色的，因此我们会看到一片空白的区域，在写字的时候画笔会将经过的小方块“染色”，通过这些“染色”小方块的组合最终形成我们所看到的汉字，后面程序会自动把用户之前写下的内容转换成坐标形式的G代码指令，方便三轴平台的运作，如图2所示。

用户也可以利用其它软件获取相对应的G代码指令粘贴到转换程序中去，程序会将G代码转换保留成相对应的坐标点，方便后续的加工，如图3所示。

经过转换后的代码会由程序自动储存并传递给下位机，下位机就可以按照坐标位置进行移动和判断笔的动作了，同时上位机也会接收来自下位机的反馈，可以对下位机的加工速度进行控制，也可以对现在的加工位置进行实时显示，避免出现偏差问题，如图4所示。加工图如图5所示。

图1 操作面板

图2 绘制转换程序

图3 G代码转换程序

3 下位机设计介绍

3.1 下位机整体设计

图4 绘制程序界面

图5 激光加工图

下位机整体由 NI myRIO 作为总控制器，通过后续算法判断出下一步需要执行的信息转换成电平信号，控制TB6560驱动电动机旋转送滑块到预期位置，然后判断舵机是否要放下笔去书写，下位机整体如图6所示。

使用NI myRIO的好处在于其与LabVIEW同为NI公司的产品，可以使用LabVIEW 程序对其进行编程，同时其上面拥有FPGA与无线协议的功能，可以提供较为方便的控制效果，而步进电动机有稳定且精度高的特点，结合TB6560 与Tr8×4丝杆可以达到高精度控制的效果。

图6 下位机整体图

3.2 三轴平台程序设计

根据资料对比，在三轴平台上使用逐点比较法插补进行控制可以达到较好的效果，因此根据文献[9]理论制作了一套基于LabVIEW与NI myRIO的逐点比较法插补,原理如图7所示。直线插补主要判断当前点是在目标直线上方还是下方，从而决定电动机的转动步数和方向，每走一步就对其进行一次判断，判断公式为F=XiY-XYi，程序如图8所示。为了保证精度与速度，利用FPGA对三轴平台进行控制。

图7 逐点比较法插补原理

图8 直线插补（FPGA）

后面的圆弧插补，在单个象限内的插补可以利用公式F=Xi2-X02+Yi2-Y02判断点是否在圆内，根据是否在圆内而去移动对应轴上的电动机，进而形成一个1/4的圆弧。圆弧插补还有一个问题在于跨象限圆弧插补，每当圆弧超过一个象限就需要对其进行检零处理，如果当前点与象限边界接触，就需要自动更改圆弧象限，进行新的圆弧绘制并与前一个圆弧进行连接，形成一个跨象限圆弧，程序如图9所示，效果图如图10与图11所示。