正运动EtherCAT总线控制器 在并联机械手上的应用

一、弁言:

 随着工业手艺的生长,工业机械手的功效和种类越来越厚实,其中并联机械手也得到了普遍的应用,特别是在物料分拣这类重复性高,强度大的功效上,与传统的串联机械手相比,成本低,性能高。本文主要先容了并联机械手结构,正运动总线控制器在三轴并联机械手的应用以及控制历程的实现。

二、并联机械手简介

1.1结构组成及特点

 传统的机械手结构末尾执行器与基座之间只有一条运动链,我们称为串联机械手,而并联机械手末尾执行器至少有两条运动链与基座相连。凭据运动链的条数n差别,把并联机械手称为n轴并联机械手,常见的一样平常为3轴机械手或4轴机械手。

 

               图 1 三轴机械手图                 图 2 四轴机械手

 与串联机械手相比,并联机械手具备以下几个优势:

1.刚度大,多条运动链可以分享载荷。

2.精度高,误差由多条运动链均分,不会像串联结构那样误差累计。

3.运动平稳,主要部件都毗邻在基座,质心靠近差别的基座,以是运动惯量低。

4.成本低,结构基本都是尺度件。

1.2基本参数

并联机械手结构的基本参数界说如下图。

图 3并联机械手基本参数

R:大臂旋转中央到基座中央的距离。

L1:大臂长度,两头旋转中央距离。

L2:小臂长度,两头旋转中央距离。

r:小臂末尾毗邻中央到底座中央的距离。

LX:末尾事情点相对于底座中央的X偏移,(负向为负数)

LY: 末尾事情点相对于底座中央的Y偏移,(负向为负数)

LZ: 末尾事情点相对于底座中央的Z偏移,(负向为负数)

1.3主要应用

  并联机械手现在主要应用在零件检测和物料分拣上,其结构特点使得运行时速率可以更快,提高生产效率。凭据传感器和控制程序的设置可以实现差别的功效,好比现在泛起的三轴并联机械手结构的3d打印机。

三、EtherCAT简介

 EtherCAT(以太网控制自动化手艺)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统,EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology(控制自动化手艺)首字母的缩写。最先由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。

 EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs,其中包罗端子循环时间。通过一个以太网帧,可以交流高达1486字节的历程数据,险些相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。

与100个伺服轴的通讯只需100μs。在此期间,可以向所有轴提供设置值和控制数据,并讲述它们的现实位置和状态。分布式时钟手艺保证了这些轴之间的同步时间误差小于1微秒。

行使 EtherCAT 手艺的优异性能,可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方式。这样,通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要内陆专用硬件支持的功效现在可在软件中加以映射。伟大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT手艺使得通讯手艺与现代高性能的工业PC相匹配。总线系统不再是控制理念的瓶颈。分布式I/O的数据通报超过了只能由内陆I/O接口才气实现的性能。

四、正运动EtherCAT总线控制器

  正运动手艺有限公司致力于做更好的器,非总线的ZMC运动控制器接纳华为 IPD-CMM 软件开发流程开发,使得产物具备电信级的稳定性;连系了新的控制理论及网络控制手艺; 以太网,RS232,RS485, USB,CAN 等多种接口;单控制器最多可以控制多达 32 个轴。同时连系了传统和运动控制卡,即可举行逻辑控制,又可举行运动控制,精简了工业现场的控制装备。

 而在发现了市场上对于EtherCAT总线控制器的需求后,正运动手艺有限公司更进一步,潜心开发出了EtherCAT总线运动控制器、总线IO扩展和总线轴扩展等一系列产物。本次就接纳ZMC464总线控制器对3轴并联机械手举行控制,外观如下图。

图 4 ZMC464总线控制器

ZMC464在非总线运动控制器的基础上,优化了以下几点。

最多达 64 轴运动控制(3 脉冲轴+64ECAT 轴);

支持最多达 16 轴同时直线插补、 随便空间圆弧插补、 螺旋插补 ;

支持多机台同时联动;

ECAT 最快 100us 的刷新周期;

每轴最大输出脉冲频率 8MHz;

EtherCAT总线控制器的泛起,使得运动控制的响应速率更快,精度更高。现场接线加倍简练、简朴,驱动器不再需要逐一与控制器上的轴接口逐一对应,只需要用网线串接驱动器即可,现场控制电箱体积更小。

五、正运动控制方案

本方案使用的3轴并联机械手如下图5,基本参数如图6。

 

            图 5使用的三轴并联机械手         图6机械手基本参数

对于并联机械手的控制而言,要害的是如何将枢纽轴坐标系转换为笛卡尔坐标系,操作末尾执行器在笛卡尔坐标系中运动,枢纽轴要能够自动解算出响应的枢纽轴坐标,这个历程就是逆解,需要编写响应的算法。

为了更利便的使用,正运动已经将差别的机械结构算法举行了封装,使用的时刻只需要设置好然机械结构的参数,然后使用CONNFRAME指令挪用3轴并联机械手结构即可。确立毗邻后,我们就可以通过操作3个虚拟轴使末尾执行器移动到笛卡尔坐标系中的指定位置,此时3个枢纽轴会自动解算需要旋转的角度。

本方案主要实现直线运动和圆弧运动。

1.控制器接线

使用网线通过EtheaCAT接口将ZMC464与伺服驱动器毗邻,驱动器要支持EtherCAT总线驱动,这里使用的是迈信EP3驱动器。毗邻好第一个驱动器后,用网线依次串接剩余驱动器即可,如下图。

图 7 ZMC464总线控制器接线

2.控制器设置

 ZMC总线控制器通过axis_address指令可以设置驱动器绑定的轴号。通过atype()指令可以设置轴的控制类型。本方案接纳atype=65位置闭环模式控制机械手。

 可以通过DRIVER类型指令直接对驱动器设置,好比drive_mode可以设置驱动器的控制模式(对应驱动器数据字典)。DRIVE_CONTROLWORD设置驱动功效。

 也可以通过SDO_READ和SDO_WRITE直接对驱动器举行读写。

3.控制程序

 历程控制的程序可以通过Zdevelop编写,使用了Zbasic编程环境。凭据需要的功效,可以自界说编写响应功效的SUB,使程序结构更清晰易读。本方案包罗的功效主要有机械手结构正解逆解的切换、相对绝对模式的切换、G代码操作、手动操作等。

 运动时的实时参数也可通过zdevelop的轴参数查看。

图 8轴参数列表

3.HMI

正运动开发了自己的HMI人机界面和手持盒,并加入到ZDevelop编程软件中,与basic团结编程,使得在basic编程的同时也可以举行HMI界面设计,程序将一同下载到控制器。通过网线毗邻控制器与手持盒,会自动显示出hmi界面。

图 9 HMI界面

4.机械手运动方式

 程序中确立了与尺度G代码功效相同的自界说G代码,如下图。

图 10 G代码

操作者可以直接使用G代码来编写运动程序,控制3轴机械手的运动轨迹,实现了脱离PC端编程。本方案中主要使用了G01直线运动和G02顺圆指令,在笛卡尔坐标系中运动轨迹为,原点位置(0,0,-294)->(0,0,-450)->(180,0,-450)->(180,0,-450)->顺时针画整圆->回原点(0,0,-294)。

5.控制器报警

 总线控制器毗邻好驱动器后,要通过写指令使驱动器使能并绑定轴号,若是编写轴指令数目与毗邻的驱动器数目不一致时,驱动器不会使能,预防因漏接多接可能引起的事故。同时,在运行历程中,若是断开某一驱动器,运动会立刻住手并报警;若是毗邻新的驱动器,不会对新毗邻的驱动器操作,直到断电重启并修改程序。

可以在命令行输入?*ethercat,来查看驱动器状态。

图 11 驱动器状态

六、结论

 通过一段时间的测试,使机械手在差别的速率下运行时都能保持平稳准确。综上所述,ZMC总线控制器通过basic编写历程程序,通过HMI组态环境编写人机界面,二者连系,加倍利便了多轴运动控制的实现,而且总线控制器响应速率快,接线简朴利便,在多轴联动控制方面更具优势。

作者简介

 谢江文(1994-) 男 现就职于深圳正运动手艺有限公司 手艺工程师

地址 深圳市宝安区西乡钟屋1路70号大广发综合楼5楼

七、附录:运动轨迹截图

原点位置

直线轨迹

整圆轨迹

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