多向3D打印并联机器人M3DPR的样机模型,主要由机械本体、打印头、驱动电机、电机驱动器、控制器、打印头控制板、送料电机及计算机等组成。M3DPR机械控制系统是五输入五输出的系统,样机硬件主要包括丝杠驱动电机、轴控制器、打印头控制硬件系统等。在完成机械零件加工后,要让M3DPR能够良好的运转起来,需要选择合理的控制器和驱动电机。
首先,选取合适的机械本体的驱动电机。现有桌面级的3D打印机大多采用步进电机作为动力输出,步进电机作为驱动电机有以下几个优点:运动精度高,步进电机的误差精度为步距角的3%到5%,且不累积;控制方便,目前市场上大部分单片机都可以控制步进电机;运动响应灵活,可以急停急走,能很好满足3D打印机的运动要求;在低速时运动更加准碗。市场上基于FDM技术的3D打印机器人打印速度相对较慢,可以在低速状态下精确的控制。
本次采用步距角为1.8°的42步进电机,其运动精度可以达到0.1mm,可从满足3D打印机的运动要求。通过ADAMS软件进行动力学仿真分析,考虑机构本身的重力,分析Z轴方向的驱动关节的受力惰况,可以得到驱动关节受到的力和力矩,最大力矩为0.6N·m,而所选步进电机的转矩为4.5N·m,满足机器人工作负载要求,说明所选步进电机是合理的。驱动器选用的是雷赛科技生产的DM432C低噪声数字步进电机驱动器,可设畳512内的任意细分以及额定电流内的任意电流值,低、中、高速运行平稳,噪音小。
由于样机有五个驱动关节,要实现动平台位置与姿态运动,需要五轴联动。ACR9000是Parker公司的Acroloop系列多轴独立式控制器,可控制1到8轴,实现8个轴任意组合的联动、插补,可控制步进电机和伺服电机,具有串口、USB和以太网三种通讯方式,且接口可以同时使用,通讯互不影响,具有两个数字量I/O扩展接口,满足数据交换和存储需求。设计的M3DPR有五个自由度,而且采用步进电机驱动,因此采用ACR9000控制器完全可实现该并联机构的控制。
ACR9000运动控制器的上位机软件为ACR-view,M3DPR的样机制作完成后,需要根据样机的结构特点及驱动部件的型号参数等对控制器进行配置。主要配置的内容有:轴及坐标系、控制信号、驱动器、电机、程序存储空间等,设置五个轴,一个坐标系,电机平稳运行时速度、启停时加速度和运行方式等,检查驱动器与电机和控制器之间的线路连接无误后,开启电源,并确保控制器的使能信号处于高电平,可实现控制器与样机之间的通讯。通讯成功后,对3D打印机进行调试,需对每个驱动关节进行单轴调试,观察电机运转方式是否正确,否则应将线路反接,若五个驱动关节单独运行时正常,则驱动五个电机使3D打印头的位置归为零位,然后,在Program编译窗口进行M3DPR机械本体控制程序编写。由于ACR9000运动控制器与3D打印的软件不兼容,无法直接对打印喷头进行控制,所只对驱动轴进行控制。
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