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基于delta机器人的视觉测量运动控制系统设计

目录

TOC\o1-3\h\u20900基于delta机器人的视觉测量运动控制系统设计 1

68711.1.电机控制 1

226531.2.步进电机、驱动器及单片机选型 3

227811.2.1.步进电机选型 3

234471.2.2.电机驱动器选型 3

302451.2.3.单片机选型 4

295261.3.零位校准 5

146891.4.软件系统 7

4711.4.1.上位机 7

77791.4.2.下位机 7

电机控制

本文通过Arduino单片机将控制信号传输给DM542步进电机驱动器来间接的控制电机。该方案的优势在于：Arduino的IDE软件及其核心库文件都是开源的，方便使用者修改原始代码。此外，Arduino发展至今，有大量的专业硬件开发者设计程序并封装成库，后来者可以下载使用，非常方便。但是，由于本文仅使用一台Arduino板控制三台电机，且角度传感器的数据也需要经Arduino板上传至计算机。所以所有接线需要使用杜邦线自行接线，且电线数量多。如何有序地布线以减少线与线之间的干扰，是一个需要考虑的问题。

该方案控制流程如下图3-1所示。

图3-1方案流程图

Delta并联机构控制系统由上位机PC、下位机Arduino、电机、角度传感器组成。上位机解析G代码文件后，将G代码由串口输出给下位机Arduino，下位机通过G代码解析器将其解析，转化为脉冲信号和方向信号，分别通过Arduino的脉冲宽度调制PWM口和数字I/O口输出。电机驱动器接收这两组信号后，输出交变电流控制步进电机运动。角度传感器通过I2C总线传输主动臂角度值，用于完成对Delta并联结构的零位调整。

步进电机、驱动器及单片机选型

步进电机选型

本文所设计的机械结构驱动所需转矩较小，所以在选择步进电机时，仅需考虑其稳定性即可。因此，我们选用雷赛573S09步进电机，其电气参数如表3-1所示。

表3-1573S09电气参数规格表

步距角度

1.2°

步距精度

+5%

绝缘电阻

100MΩ

耐压

500VAC/min

径向跳动

0.02Max

轴向跳动

0.08Max

最大径向承受力

75N

最大轴向承受力

15N

图3-2为雷赛步进电机的实物图。

图3-2雷赛步进电机573S09

电机驱动器选型

在步进电机驱动器选型方面，根据确定的雷赛573S09步进电机，选用雷赛DM542电机驱动器。该电机驱动器如图3-3所示，其性能指标如表3-2所示。

图3-3雷赛DM542电机驱动器

表3-2DM542电气指标

输入电压

直流18~50V

输出电流

1.0~4.2A

输入电流

20~50VDC

控制信号输入电流

7~16mA

步进脉冲频率

0~300KHz

绝缘电阻

500M

表3-3控制接口与强电接口表

名称

功能

PUL+（5V）

和Arduino单片机的pwm口连接，脉冲上升沿有效，脉冲宽度应大于1.2μs。

PUL-(PUL)

DIR+(+5V)

和Arduino单片机输出方向信号的I/O口连接。为保证电机可靠换向，方向信号应在脉冲信号至少5μs前建立。

DIR-(DIR)

ENA+(+5V)

此输入信号用于使能或禁止。当不需用此功能时，使能信号端悬空即可

ENA-(ENA)

GND

直流电源地

+V

直流电源正极，范围+20V—+50V

A+、A-

电机A相线圈

B+、B-

电机B相线圈

单片机选型

本文控制方案选择用一个单片机控制三台电机，因此选用ArduinoMega2560单片机，其14路数字输入输出口用来输出电机方向信号和角度传感器角度值，15路脉冲宽度调制PWM输出脉冲信号，一个USB插口用于与上位机进行串口通讯。其实物如图3-4所示

图3-4ArduinoMega2560单片机

其主要参数配置如下表3-4所示

表3-4ArduinoMega2560主要参数

工作电压

5V

输入电压（推荐）

7~12V

每个输入/输出口的输出电流

40mA

FlashMemory（内存）

256KB

SRAM

8KB

EEPROM

4KB

工作时钟

16MHz

零位校准

一般来说，机器人在上电前都需要进行零位校准，尤其是对于精密的多轴机器人来说，零位调整十分重要，其目的在于使机器人输出值与各个轴的实际值的误差减为最小。零位校准通常是让机器人的每个轴都运动到一个绝对固定的位置，这个位置可以从机械、电子等角度出发获得，如刻线、仪表指针、光电门、编码器等方法。

本文在零位校准时选用角度传感器GY-521，在每个主动臂上都安装一个角度传感器。当Delta并联机构的三个主动臂相对于静平