EtherCAT运动控制器Delta机械手应用

ZMC406硬件介绍

ZMC406是正运动推出的一款多轴高性能EtherCAT总线运动控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盘等通讯接口，ZMC系列运动控制器可应用于各种需要脱机或联机运行的场合。

ZMC406支持6轴运动控制，最多可扩展至32轴，支持直线插补、任意圆弧插补、空间圆弧、螺旋插补、电子凸轮、电子齿轮、同步跟随等功能。

ZMC406支持PLC、Basic、HMI组态三种编程方式。PC上位机API编程支持C#、C++、LabVIEW、Matlab、Qt、Linux、VB.Net、Python等接口。

ZMC406支持6轴运动控制，可采用脉冲轴（带编码器反馈）或EtherCAT总线轴，通用IO包含24路输入口和12路输出口，模拟量AD/DA各两路，EtherCAT最快125us的刷新周期。

此类运动控制器与PCI运动控制卡相比具有如下优点：

(1)不使用插槽，稳定性更好；

(2)可以选用MINI电脑或ARM工控电脑，降低整体成本；

(3)控制器直接做接线板使用，节省空间；

(4)控制器上可以并行运行程序，与PC只需要简单交互，降低PC软件的复杂性等优势。

ZMC控制器通过RTSys开发环境来调试，RTSys是一个方便的编程、编译和调试环境。RTSys可以通过串口、以太网、PCI和LOCAL与控制器建立连接。应用程序可以使用VC，VB，VS，C++Builder，C#等软件来开发。调试时可以把RTSys软件同时连接到控制器，程序运行时需要动态库zmotion.dll。

Delta机械手支持3-4轴，关节轴1+关节轴2+关节轴3+[末端旋转轴4]。后缀带R的控制器支持Delta机械手功能，例如ZMC406R。

ZMC406R可以采用脱机的方式将编辑好的程序下载到控制器上，可利用触摸屏示教的方式编辑想要运动的轨迹。也可以用PC API函数调用方式或者实时发送指令操作，在PC上位机C#，C++，Labview，Python等语言来开发Delta机械手的应用。

▶▶▶ 机械手相关概念

1、关节轴与虚拟轴

（1）关节轴：是指实际机械结构中的旋转关节，在程序中一般显示旋转角度(某些结构也是平移轴)。由于电机与旋转关节会存在减速比，所以设置脉冲当量UNITS（电机走1mm或者1°需要的脉冲数）时要按照实际关节旋转一圈来设置，同时TABLE中填写结构参数时也要按照旋转关节中心计算，而不是按照电机轴中心计算。

（2）虚拟轴：不是实际存在的，抽象为世界坐标系的6个自由度，依次为X、Y、Z、RX、RY、RZ。可以理解为直角坐标系的三个直线轴和三个旋转轴，用来确定机械手末端工作点的加工轨迹与坐标。

2、正解运动与逆解运动

（1）正解运动：通过操作关节坐标，再根据机械结构参数可以计算出末端位置在直角坐标系的空间位置，这个过程称为正解运动。此时操作的是实际关节轴，虚拟轴自动计算坐标。此时只能操作关节轴运动，正解模式一般用于手动调整关节位置或上电点位回零。

（2）逆解运动：给定一个直角坐标系中的空间位置，反推出各关节轴坐标，这个过程称为逆解运动。此时操作的是虚拟轴，实际关节轴自动解算坐标并运动。控制器使用CONNFRAME指令建立逆解模式，此指令作用在关节轴上，此时只能操作虚拟轴，对虚拟轴发送运动指令，可以在笛卡尔坐标系中做直线，圆弧，空间圆弧等运动，关节轴在CONNFRAME的作用下会自动运动到逆解后的位置。

▶▶▶ 机械手使用操作步骤

1、确认电机转向是否正确。

3个关节轴向下旋转时为正向。末端旋转轴逆时针旋转为正向(俯视)。

连接上机械手仿真工具，通过Rtsys软件菜单栏的【工具】-【手动运动】，以较小的速度分别操作3个关节轴移动，观察各个关节轴下杆移动过程中是否趋向末端工作点，若是则说明电机转向是正确的。

2、TABLE寄存器(控制器上电后自动生成)依次存入机械手结构参数。

建立机械手连接时，需要将机械结构参数按照如下次序依次填写到TABLE数组中。Delta机械手FRAME12模型机械结构参数说明如下。

‘从TableNum编号开始依次机械手结构参数上间距半径、下间距半径、上杆长度、下杆长度、第一个关节轴旋转一圈的脉冲数、第二个关节轴旋转一圈的脉冲数、第三个关节轴旋转一圈的脉冲数、末端与下面中心点的X偏移、末端与下面中心点的Y偏移、末端与下面中心点的Z偏移、第四个关节轴旋转一圈的脉冲数到Table中。
TABLE(TableNum,Top_R,Under_R,Top_L,Under_L,OneCirPules_J1,OneCirPules_J2,OneCirPules_J3,Offset_X,Offset_Y,Offset_Z,OneCirPules_J4)

3、设置关节轴参数及虚拟轴参数。

各轴的轴类型和脉冲当量(units)要设置正确，设置为电机走1°需要的脉冲数。虚拟轴的units跟实际发送脉冲数无关，用于设置运动精度，虚拟轴的1mm的脉冲数一般建议设置为1000，表示精度为小数点后3位。

'关节轴设置
BASE(Axis_JList(0),Axis_JList(1),Axis_JList(2),Axis_JList(3))
'脉冲轴类型设置为1。若是总线轴类型，可设置为65 
ATYPE = 1,1,1,1 
UNITS = UnitsJList(0),UnitsJList(1),UnitsJList(2),UnitsJList(3)
'设置关节轴速度、加速度(一般设置为速度的10倍)、减速度(一般设置为速度的10倍)
SPEED = SpeedJList(0),SpeedJList(1),SpeedJList(2),SpeedJList(3) 
ACCEL = ADSpeedJList(0),ADSpeedJList(1),ADSpeedJList(2),ADSpeedJList(3)
DECEL = ADSpeedJList(0),ADSpeedJList(1),ADSpeedJList(2),ADSpeedJList(3)
'S曲线
SRAMP = SrampJ(0),SrampJ(1),SrampJ(2),SrampJ(3)
'虚拟轴设置
BASE(Axis_VList(0),Axis_VList(1),Axis_VList(2))
'虚拟轴轴类型设置为0
ATYPE = 0,0,0
'虚拟轴脉冲当量设置为1000--表示精度为小数点后3位
UNITS = 1000,1000,1000
'设置虚拟轴速度、加速度(一般设置为速度的10倍)、减速度(一般设置为速度的10倍)
SPEED = SpeedVList(0),SpeedVList(1),SpeedVList(2)
ACCEL = AccelV(0),AccelV(1),AccelV(2)
DECEL = DecelV(0),DecelV(1),DecelV(2)
'S曲线
SRAMP = SrampV(0),SrampV(1),SrampV(2)

4、移动各关节轴到规定的零点位置。

机械手算法建立时，需要有个零点位置作为参考。当Delta机械手

各关节轴的连杆L1都处于水平位置时，认为是关节零点位置。实际现场机械手机台

一般有定位销，没有定位销的话可以通过水平仪把连杆L1调整至水平。

5、根据需求建立正解或逆解控制机械手。

▶▶▶ 机械手指令说明

不同的机械手模型参数是有差异的，可通过“正运动机械手指令手册说明”（文章末尾扫码查看），查阅对应的机械手模型参数进行确认选择。

本文以Delta的FRAME12模型(有末端旋转轴,使用关节轴操作旋转轴)为例介绍，机械手正解与逆解的指令说明如下。

1、CONNREFRAME -- 建立正解连接

指令描述：

将虚拟轴的坐标与关节轴的坐标关联，关节轴运动后，虚拟轴自动走到相应的位置。

指令语法:

CONNREFRAME(frame,tablenum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4)

参数说明:

frame：坐标系类型。参考【正运动机械手指令手册说明】，

frame是12，代表这款机械手模型是4轴Delta且

关节轴操作末端旋转轴。Tablenum：存储机械手结构参数的TABLE起始位置，依次存储对应模型的机械手结构参数。Axis_J1：第1个关节轴轴号Axis_J2：第2个关节轴轴号Axis_J3：第3个关节轴轴号Axis_J4：第4个关节轴轴号

2、CONNFRAME -- 建立逆解连接

指令描述：

将当前关节坐标系的目标位置与虚拟坐标系的位置关联；关节坐标系的运动最大速度受SPEED参数的限制；当关节轴告警等出错时，此运动会被CANCEL。

指令语法：

CONNFRAME(frame,tablenum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4)

参数说明：

frame：坐标系类型。参考【正运动机械手指令手册说明】，

frame是12，代表这款机械手模型是4轴Delta且

关节轴操作末端旋转轴。Tablenum：存储机械手结构参数的TABLE起始位置，依次存储对应模型的机械手结构参数。Axis_Vx：第1个虚拟轴轴号Axis_Vy：第2个虚拟轴轴号Axis_Vz：第3个虚拟轴轴号Axis_J4：第4个关节轴轴号

▶▶▶ Delta机械手模式建立

1、正解建立

以Delta机械手的Frame12模型为例。

先将机械手结构参数从某个Table起始编号依次存储到Table数组中，然后选择对应模型的轴列表，使用CONNREFRAME指令建立正解模式。

指令说明可通过Rtsys软件菜单栏的【常用】-【帮助文档】-【RTBasic帮助】-【索引】，在查找栏搜索CONNREFRAME即可查看。

'将机械手参数从编号TableNum开始依次存储到Table数组中
TABLE(TableNum,Top_R,Under_R,Top_L,Under_L,OneCirPules_J1,OneCirPules_J2,OneCirPules_J3,Offset_X,Offset_Y,Offset_Z,OneCirPules_J4)
'选择轴列表
BASE(Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4)
'建立机械手正解
CONNREFRAME(FrameType,TableNum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4)

若机械手正解建立成功，虚拟轴MTYPE(当前运动类型)将显示为34，此时只能操作关节轴在关节坐标系中调整机械手姿态，手动运动可通过RTSys软件菜单栏的【工具】-【手动运动】，待【手动运动】界面弹出之后选择关节轴轴编号（本文关节轴以轴0，轴1，轴2，末端旋转轴轴3为例），然后根据实际需求选择点动或者寸动。

虚拟轴会自动计算末端工作点位于直角坐标系中的位置。

2、逆解建立

以Delta机械手的Frame12模型为例。先将机械手结构参数从某个Table起始编号依次存储到Table数组中，然后选择对应模型的轴列表，使用CONNFRAME指令建立正解模式。指令说明可通过Rtsys软件工具栏的【常用】-【帮助文档】-【RTBasic帮助】-【索引】，在查找栏搜索CONNFRAME查看。

'将机械手参数从编号TableNum开始依次存储到Table数组中
TABLE(TableNum,Top_R,Under_R,Top_L,Under_L,OneCirPules_J1,OneCirPules_J2,OneCirPules_J3,Offset_X,Offset_Y,Offset_Z,OneCirPules_J4)
'选择轴列表
BASE(Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4) 
'建立机械手逆解
CONNFRAME(FrameType,TableNum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4)

若机械手逆解建立成功，关节轴MTYPE(当前运动类型)将显示为33，【手动运动】界面操作虚拟轴方法同上。此时加工工艺指令只能操作虚拟轴，事先编辑好运动的轨迹在直角坐标系中运动（本文虚拟轴以轴10，轴11，轴12为例），关节轴会自动计算在关节坐标系中如何联合运动。

▶▶▶ 程序编辑

RTSys软件支持Basic，HMI与PLC混合编程，本例程采用Basic结合HMI界面混合编程进行演示。可通过RTSys软件菜单栏的【HMI】-【工具箱】，选择控件进行拖拉摆放，设计交互界面。

在本次例程中均先在bas文件中定义全局的SUB子函数，编辑子函数的功能（工程源码见文章末尾）需求然后使用控件绑定，控件的动作均选择调用函数。操作流程如下图。

▶▶▶ 应用例程

1、需求描述

Delta机械手逆解建立时以零点位置为参考，确定一个安全高度。基本动作为机械手上升到安全高度去固定的取料点上方，然后下降打开Op口通过真空吸的方式去取料，延时抬升到安全高度然后运动到固定的2*2码盘位置，下降到码盘位置关闭Op进行放料，然后抬升依次循环直到将码盘放满后停止。

2、加工代码

'启动标志位置1
StartFlag = 1
LOCAL SafeHigh,i
'安全高度
SafeHigh = DPOS(Axis_VList(2))-25
'行,列
LOCAL Row,Col
'固定的取料点位置
LOCAL SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SrcBorrow_Z
SrcBorrow_X = 5
SrcBorrow_Y = 5
SrcBorrow_Z = SafeHigh-20
'选择虚拟轴
BASE(Axis_VList(0),Axis_VList(1),Axis_VList(2))
'设置加工的速度、加速度、减速度
SPEED = SpeedVList(0)
ACCEL = AccelV(0)
DECEL = DecelV(0)
'打开连续插补
MERGE = ON
'每次启动临时总数清零
TmpSum = 0
'运动到零点位置参考的安全高度
MOVEABS(0,0,SafeHigh)
FOR Col=1 TO 2
   FOR Row=1 TO 2
       '运动到取料点上方
       MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SafeHigh)
       '下降到取料点
       MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SrcBorrow_Z)
       '打开Op口吸附取料
       MOVE_OP(8,ON)
       '延时
       MOVE_DELAY(300)
       '上升到安全高度
       MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SafeHigh)
       '运动到码盘放料点上方位置
       MOVEABS(-5*Row,5*Col,SafeHigh)
       '下降到码盘放料点位置
       MOVEABS(-5*Row,5*Col,SrcBorrow_Z)
       '关闭Op口进行放料
       MOVE_OP(8,OFF)
       '延时 
       MOVE_DELAY(300)
       '上升到安全高度
       MOVEABS(-5*Row,5*Col,SafeHigh)
       '临时总数自增
       TmpSum = TmpSum+1
   NEXT
NEXT
'等待所有轴停止
WAIT UNTIL IDLE(Axis_VList(0)) AND IDLE(Axis_VList(1)) AND IDLE(Axis_VList(2))
DELAY(10)
RAPIDSTOP(2)
DELAY(10)
'启动标志位置0
StartFlag = 0

▶▶▶ 调试分析

1、将程序下载到控制器运行，先后点击RTSys软件菜单栏的【工具】-【插件】-【XPLC SCREEN】。

2、待交互界面弹出后，在主界面机械手模式选择”机械手正解”。

3、建立正解连接之后，打开正运动机械手仿真软件ZRobotView，点击“连接”弹出”连接控制器”窗口，然后选择连接控制器的方式（仿真工具支持串口和网口连接）。这里以网口连接为例，在IP栏选择控制器的IP然后进行连接。

4、连接成功后，仿真工具上方会显示当前机械手类别，程序中存入Table中的机械手结构参数仿真工具也可以查看，且构建出相应参数的机械手模型。

5、切换到RTSys编程软件，先后点击菜单栏的【常用】-【示波器】。待示波器窗口弹出后选择XYZ模式，从三维空间观察动作演示效果。数据源选择DPOS（规划位置），数据源编号选择虚拟轴轴号。示波器参数确认后，先后点击【停止】-【启动】-【手动触发】。

6、切换到交互界面，在主界面机械手模式选择”机械手逆解”，建立逆解模式。然后点击“启动”，进行需求工艺的加工流程。

7、切换到RTSys软件的示波器界面观察加工效果，Delta机械手每次来回取放料过程，始终保持在安全高度下进行升降，这样确保在实际加工的平稳性。

本次，正运动技术EtherCAT运动控制器Delta机械手应用，就分享到这里。

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审核编辑 黄宇