智能三軸寫字機設計

林春盛， 潘錦豪， 徐成燁， 謝粼達， 李冬冬

（華南理工大學 廣州學院，廣州510800）

0 引 言

現代生活中，計算機已經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，所以設計一款可以在電腦上操作的寫字與繪畫的機器人應用在生活與工作中，如對一些學生作業或公司文件等進行批注、評語及簽名，本次設計就是想要利用機器來幫人們節約時間，提高時間的利用率。

1 整體設計介紹

本次設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作為開發環境，下位機主要由NI myRIO、舵機、步進電動機、Tr8×4絲桿與TB6560驅動器組成。

上位機部分可分為用戶自由繪制后系統保存坐標代碼，或者導入其他數控加工軟件預先編輯好的坐標G代碼，隨后程序會將這些數據轉換成特定的坐標程序進行保存，并通過串口或者局域網的方式傳遞給下位機的處理器NI myRIO進行下一步的處理。

下位機由NI myRIO作為處理器，將從上位機接收到的程序進行拆分，提取每次需要執行的動作，并控制電動機和舵機將筆送到預期位置，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 上位機設計介紹

本次上位機采用LabVIEW進行開發[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，然后對后續的路徑與第一個點進行比對，將坐標差值記錄下來，用戶每寫一筆，程序就會記錄一次，把抬筆動作也一同保存。

程序結束后會將原圖中所有的漢字坐標以數組的形式按順序儲存起來，但是僅僅擁有這些坐標數據還不行，還需要對這些坐標進一步處理后才能發送給下位機。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。如果我們把一幅圖片無限放大，那么呈現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，仔細觀察會發現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是白色的，因此我們會看到一片空白的區域，在寫字的時候畫筆會將經過的小方塊“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容轉換成坐標形式的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的G代碼指令粘貼到轉換程序中去，程序會將G代碼轉換保留成相對應的坐標點，方便后續的加工，如圖3所示。

經過轉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，也可以對現在的加工位置進行實時顯示，避免出現偏差問題，如圖4所示。加工圖如圖5所示。

圖1 操作面板

圖2 繪制轉換程序

圖3 G代碼轉換程序

3 下位機設計介紹

3.1 下位機整體設計

圖4 繪制程序界面

圖5 激光加工圖

下位機整體 由 NI myRIO 作為總控制器，通過后續算法判斷出下一步需要執行的信息轉換成電平信號，控制TB6560驅動電動機旋轉送滑塊到預期位置，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NI myRIO的好處在于其與LabVIEW同為NI公司的產品，可以使用LabVIEW 程序對其進行編程，同時其上面擁有FPGA與無線協議的功能，可以提供較為方便的控制效果，而步進電動機有穩定且精度高的特點，結合TB6560 與Tr8×4絲桿可以達到高精度控制的效果。

圖6 下位機整體圖

3.2 三軸平臺程序設計

根據資料對比，在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，因此根據文獻[9]理論制作了一套基于LabVIEW與NI myRIO的逐點比較法插補,原理如圖7所示。直線插補主要判斷當前點是在目標直線上方還是下方，從而決定電動機的轉動步數和方向，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。

圖7 逐點比較法插補原理

圖8 直線插補（FPGA）

后面的圓弧插補，在單個象限內的插補可以利用公式F=Xi2-X02+Yi2-Y02判斷點是否在圓內，根據是否在圓內而去移動對應軸上的電動機，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，每當圓弧超過一個象限就需要對其進行檢零處理，如果當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。

圖9 圓弧插補（FPGA）

圖10 直線插補效果圖

圖11 圓弧插補效果圖

4 結 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。該設備能準確地完成寫字繪圖任務，由LabVIEW對圖文進行處理，轉換成坐標傳遞給NI myRIO進行繪制，可以幫助人們完成繁瑣的寫字任務，同時本設計擁有擴展性強的特點。