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正运动EtherCAT总线控制器在并联机械手上的应用

2017年05月03日 15:29:16 中国传动网

一、引言

随着工业技术的发展,工业机械手的功能和种类越来越丰富,其中并联机械手也得到了广泛的应用,特别是在物料分拣这类重复性高,强度大的功能上,与传统的串联机械手相比,成本低,性能高。本文主要介绍了并联机械手结构,正运动总线控制器在三轴并联机械手的应用以及控制过程的实现。

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端执行器与基座之间只有一条运动链,我们称为串联机械手,而并联机械手末端执行器至少有两条运动链与基座相连。根据运动链的条数n不同,把并联机械手称为n轴并联机械手,常见的一般为3轴机械手或4轴机械手。

图1三轴机械手                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,主要部件都连接在基座,质心靠近不同的基座,所以运动惯量低。

4.成本低,结构基本都是标准件。

1.2基本参数

并联机械手结构的基本参数定义如下图。

图3并联机械手基本参数

R:大臂旋转中心到基座中心的距离。

L1:大臂长度,两端旋转中心距离。

L2:小臂长度,两端旋转中心距离。

r:小臂末端连接中心到底座中心的距离。

LX:末端工作点相对于底座中心的X偏移,(负向为负数)。

LY:末端工作点相对于底座中心的Y偏移,(负向为负数)。

LZ:末端工作点相对于底座中心的Z偏移,(负向为负数)。

1.3主要应用

并联机械手目前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度可以更快,提高生产效率。根据传感器和控制程序的设置可以实现不同的功能,比如现在出现的三轴并联机械手结构的3d打印机。

三、EtherCAT简介

EtherCAT(以太网控制自动化技术)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ControlAutomationTechnology(控制自动化技术)首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(BeckhoffAutomationGmbH)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,其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧,可以交换高达1486字节的过程数据,几乎相当于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,并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1微秒。

利用EtherCAT技术的优异性能,可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样,通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT技术使得通讯技术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的数据传递超过了只能由本地I/O接口才能实现的性能。

四、正运动EtherCAT总线控制器

正运动技术有限公司致力于做更好的运动控制器,非总线的ZMC运动控制器采用华为IPD-CMM软件开发流程开发,使得产品具备电信级的稳定性;结合了最新的控制理论及网络控制技术;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。同时结合了传统PLC和运动控制卡,即可进行逻辑控制,又可进行运动控制,精简了工业现场的控制设备。

而在发现了市场上对于EtherCAT总线控制器的需求后,正运动技术有限公司更进一步,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品。本次就采用ZMC464总线控制器对3轴并联机械手进行控制,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、任意空间圆弧插补、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总线控制器的出现,使得运动控制的响应速度更快,精度更高。现场接线更加简洁、简单,驱动器不再需要一一与控制器上的轴接口一一对应,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,最为关键的是如何将关节轴坐标系转换为笛卡尔坐标系,操作末端执行器在笛卡尔坐标系中运动,关节轴要能够自动解算出响应的关节轴坐标,这个过程就是逆解,需要编写相应的算法。

为了更方便的使用,正运动已经将不同的机械结构算法进行了封装,使用的时候只需要设置好然机械结构的参数,然后使用CONNFRAME指令调用3轴并联机械手结构即可。建立连接后,我们就可以通过操作3个虚拟轴使末端执行器移动到笛卡尔坐标系中的指定位置,此时3个关节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与伺服驱动器连接,驱动器要支持EtherCAT总线驱动,这里使用的是迈信EP3驱动器。连接好第一个驱动器后,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。本方案采用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,比如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设置驱动功能。

也可以通过SDO_READ和SDO_WRITE直接对驱动器进行读写。

3.控制程序

过程控制的程序可以通过Zdevelop编写,使用了Zbasic编程环境。根据需要的功能,可以自定义编写相应功能的SUB,使程序结构更清晰易读。本方案包含的功能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人机界面

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联合编程,使得在basic编程的同时也可以进行HMI界面设计,程序将一同下载到控制器。通过网线连接控制器与手持盒,会自动显示出hmi界面。

图9 HMI界面

4.机械手运动方式

程序中建立了与标准G代码功能相同的自定义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

总线控制器连接好驱动器后,要通过写指令使驱动器使能并绑定轴号,如果编写轴指令数量与连接的驱动器数量不一致时,驱动器不会使能,预防因漏接多接可能引起的事故。同时,在运行过程中,如果断开某一驱动器,运动会立即停止并报警;如果连接新的驱动器,不会对新连接的驱动器操作,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,使机械手在不同的速度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编写过程程序,通过HMI组态环境编写人机界面,二者结合,更加方便了多轴运动控制的实现,而且总线控制器响应速度快,接线简单方便,在多轴联动控制方面更具优势。

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供稿:谢江文

本文链接:http://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=29478

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