Semi-virtual 2.5-axis plotter

Abstract

Bu tez çalışmasında, 2,5 eksenli bir çizicinin donanım ve yazılım tasarımı yapılmıştır. Çizicimize ?2,5 eksenli? dememizin nedeni, çizicinin x ve y-eksenlerindeki tam hareket serbestisine karşın, z-eksenindeki sınırlı (yukarı ve aşağı) hareketidir. Çizicinin z-eksenindeki bu sınırlı hareketi ?0,5 eksen? olarak tabir edilmiştir. Bu tez çalışması için kullandığımız ?çizici? kelimesi, genel bir ifadedir ve asıl konu alınan şey ise bir gantry robottur. Çünkü bu robotun ucuna kalem yerine başka bir aparat monte edildiğinde, takılan aparata göre çizici CNC amaçlı bir robota dönüşebilir. Bu tez çalışmasında tasarlanan çizicinin kontrol donanımı, yazılımı ve motorları gerçek olduğu için gerçek bir çizicide de kullanılabilir. Ancak kullanılan motorlar herhangi bir mekanik parçayı veya kalemi hareket ettirmek yerine üzerindeki enkoderler vasıtasıyla PC'ye bağlıdır. Kontrol devresi motor enkoderlerinden gelen bilgiyi alır ve RS-232 üzerinden PC'ye gönderir. PC'deki bir yazılım ise gerçek motorlar ile kontrol edilen sanal bir çizici işlevi görür. Bu tez, akademik amaçlı (araştırma veya öğretim) kullanılabilen, yeni donanımların, yazılımların ve algoritmaların geliştirilebileceği bir test düzeneği olarak kullanılabilir. Bu sistem, öğrencilere yeni kontrol algoritmlarını, gerçek kontrol sistemleri üzerinde deneyebilme veya bilinen kontrol yöntemleri (PD ve PID gibi) uygulayıp, sonuçlarını gerçek motorların üzerinde görebilme fırsatı verir. Bu konu üzerinde çalışan araştırmacılar, bu düzeneği çeşitli şekillerde değiştirip (çok eksenli, kartezyen veya kutupsal koordinatlı sistemlere uygun hale getirip), robot (veya CNC) kontrol etmek için kullanabilirler. Bu çalışmanın diğer bir özelliği de, özgün bir görüntü işleme algoritması ile sanal çizici ile yapılacak olan çizimi vektörize ederek çizicinin kullanabileceği hale getirmesidir. Bu algoritma, şu ana kadar geliştirilen algoritmalardan ve ticari yazılımlardan farklı olarak kullanıcıdan herhangi bir parametre değeri (eşik değeri) istemeden, şekillere göre bu değeri otomatik olarak hesaplar. Görüntünün farklı bölümlerinde, farklı eşik değerleri kullanması, algoritmaya esneklik katar. Görüntü işleme algoritmasının diğer bir özelliği ise işlediği görüntüleri çizici komutlarına çevirerek, gerçek bir çizicide kullanılabilecek hale getirmesidir.

This thesis deals with the design of control hardware and software as well as command generation of a 2.5-axis plotter. We call it 2.5-axis because the plotter has full freedom in x and y axes and can do pen-up or pen-down along the z-axis. We call the limited freedom z-axis a 0.5-axis. Our usage of the word `plotter` in this thesis is very broad. By a plotter, we mean a gantry robot. If a different end-effector is put on the robot instead of a pen, then the plotter becomes a gantry robot. This thesis offers a semi-virtual prototype of a plotter. The control hardware and software and motors are real, hence can be used to control a real plotter. However, the motors do not drive any mechanical parts or pen but instead are hooked up to a PC through encoders on them. The control board receives encoder data and sends it to the PC over RS-232. A software running on PC serves as a virtual plotter here, driven by a real controller and motors. This thesis offers an academic (for research or teaching) test-bed of new controller hardware, software, and algorithms. Students can try new control algorithms on a real (built in house) controller or try to implement traditional ones (like PD or PID) and see them control real motors. Researchers can even extend our platform to control robots (or CNCs) with more than two axes, Cartesian or non-Cartesian (e.g. polar). They can do this without a need to build a mechanical hardware for the robot. They can at least debug their algorithm with real motors and ideal mechanical parts. Another contribution of this thesis is a machine vision algorithm, which does ?vectorization?. That is, it takes the image (created through any third-party software) of the part to be produced by the robotic machine and converts images to the format that plotter can use. This machine vision algorithm differs from the algorithms that have been developed so far, by using a dynamic threshold value that varies for different figures. This threshold value is not taken from user. It is calculated automatically according to the figures. This feature makes algorithm flexible. Other advantage of this machine vision algorithm is to convert the images to the plotter commands (i.e., command generation) to drive the controller. So a real plotter can use this commands