EtherCAT運(yùn)動控制器在SCARA和碼垛機(jī)械手中的應(yīng)用

XPLC104H8R硬件介紹

XPLC104H8R是正運(yùn)動推出的一款高性價比多軸EtherCAT總線+脈沖型運(yùn)動控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，是一款集成了Basic、PLC梯形圖和HMI組態(tài)三種編程方式于一體的運(yùn)動控制產(chǎn)品。

XPLC104H8R支持4軸運(yùn)動控制，最多可擴(kuò)展至32軸，通用IO包含32路輸入口和32路輸出口，模擬量AD/DA各2路，EtherCAT刷新周期1ms。支持直線插補(bǔ)、任意圓弧插補(bǔ)、螺旋插補(bǔ)、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨等功能。

XPLC104H8R高性價比多軸運(yùn)動控制器可用于電子半導(dǎo)體設(shè)備(檢測類設(shè)備、組裝類設(shè)備、鎖附類設(shè)備、焊錫機(jī))、點膠設(shè)備、非標(biāo)設(shè)備、印刷包裝設(shè)備、紡織服裝設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、流水線等應(yīng)用場合。

此類運(yùn)動控制器與PCI運(yùn)動控制卡相比具有如下優(yōu)點：

(1)不使用插槽，穩(wěn)定性更好；

(2)可以選用MINI電腦或ARM工控電腦，降低整體成本；

(3)控制器直接做接線板使用，節(jié)省空間；

(4)控制器上可以并行運(yùn)行程序，與PC只需要簡單交互，降低PC軟件的復(fù)雜性等優(yōu)勢。

XPLC控制器通過RTSys開發(fā)環(huán)境調(diào)試，RTSys是一個方便編程、編譯和調(diào)試的環(huán)境。RTSys可以通過串口、以太網(wǎng)、PCI和LOCAL與控制器建立連接。應(yīng)用程序可以使用VC，VB，VS，C++Builder，C#等軟件來開發(fā)。調(diào)試時可以把RTSys軟件同時連接到控制器，程序運(yùn)行時需要動態(tài)庫zmotion.dll。

XPLC系列控制器支持SCARA，標(biāo)準(zhǔn)碼垛等多種機(jī)械手模型。采用脫機(jī)的方式將編輯好的程序下載到控制器上（也可以用PC監(jiān)視或者實時發(fā)送指令操作)，可利用觸摸屏示教的方式編輯想要運(yùn)動的軌跡。

??? ZHD400X硬件介紹

ZHD400X是一款網(wǎng)絡(luò)顯示的觸摸屏示教盒，示教盒必須和支持ZHMI功能的控制器配合使用，控制器軟件開發(fā)需要ZDevelop2.6以上版本。ZHD400X帶有800*480分辨率的真彩顯示屏，18個按鍵，配急停開關(guān)。

??? FRAME1--標(biāo)準(zhǔn)SCARA

SCARA機(jī)械手支持2-4軸，大關(guān)節(jié)軸+小關(guān)節(jié)軸[+Z軸]、[+末端旋轉(zhuǎn)軸]。

本系統(tǒng)應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)4軸SCARA機(jī)械手，2個關(guān)節(jié)軸X，Y，一個上下Z軸，及一個末端旋轉(zhuǎn)軸R。

SCARA機(jī)械手使用步驟

1.確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)向是否正確。

電機(jī)方向及角度范圍定義，各關(guān)節(jié)電機(jī)正向如下圖藍(lán)色箭頭所示。

2.確認(rèn)機(jī)械手各關(guān)節(jié)軸對應(yīng)到控制器指令參數(shù)的軸次序。

選擇各個關(guān)節(jié)軸軸號和對應(yīng)的虛擬軸軸號。

3.TABLE中設(shè)置好機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。

建立機(jī)械手連接時，需要將機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)按照如下次序依次填寫到TABLE數(shù)組中。

從TableNum編號開始依次機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)大關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)中心到小關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)中心的距離，小關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)中心到末端旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心距離，大關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)，小關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù),末端旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù),末端旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)中心到端工作點的距離，末端旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈伸縮軸移動的距離。

TABLE(tablenum,L1,L2,Pules1OneCircle,Pules2OneCircle,[Pules3OneCircle,L3] [,ZDis])。

例程從TABLE(10000)開始依次填入Frame所需機(jī)械參數(shù)。

4.電機(jī)參數(shù)設(shè)置。

各軸的軸類型和脈沖當(dāng)量要設(shè)置正確。機(jī)械手的所有虛擬軸和關(guān)節(jié)軸的長度單位要求統(tǒng)一，一般都是mm單位。虛擬軸的UNITS跟實際發(fā)送脈沖數(shù)無關(guān)，用于設(shè)置運(yùn)動精度，虛擬軸的一個mm的脈沖數(shù)一般建議設(shè)置為1000，表示精度為小數(shù)點后3位，此例程內(nèi)部以設(shè)置好無需再設(shè)置。

5.移動各關(guān)節(jié)軸到規(guī)定的零點位置。

機(jī)械手算法建立時，需要有個零點位置作為參考，同時需要確定好電機(jī)轉(zhuǎn)向。

SCARA的零點位置為兩個關(guān)節(jié)軸的零點時成一條直線，此時指向虛擬X軸的正向。

坐標(biāo)方向：當(dāng)關(guān)節(jié)軸為零點的位置時，虛擬軸零點的坐標(biāo)為（L1+L2,0），上下伸縮軸零點位置無特殊要求。

建立逆解連接之后虛擬軸的DPOS坐標(biāo)自動校正為（L1+L2,0）。

6.建立機(jī)械手正逆解。

正解建立：先選擇對應(yīng)的機(jī)械手模型，不同機(jī)械手模型對應(yīng)的table列表不同，使用CONNREFRAME指令建立正解模式，然后選擇對應(yīng)模型的軸列表。指令說明可通過RTSys軟件菜單欄的【常用】-【幫助文檔】-【RTBasic幫助】-【索引】，在查找欄搜索CONNREFRAME即可查看。

若機(jī)械手正解建立成功，虛擬軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為34，此時只能操作關(guān)節(jié)軸在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)，手動運(yùn)動可通過RTSys軟件菜單欄的【工具】-【手動運(yùn)動】，待【手動運(yùn)動】界面彈出之后選擇關(guān)節(jié)軸軸編號(本文關(guān)節(jié)軸以軸0（J0軸），軸1(J1軸)，軸2(J2軸))，軸3(J3軸))，然后根據(jù)實際需求選擇點動或者寸動。虛擬軸會自動計算末端工作點位于直角坐標(biāo)系中的位置。

逆解建立：先選擇對應(yīng)的機(jī)械手模型，不同機(jī)械手模型對應(yīng)的table列表不同，然后選擇對應(yīng)模型的軸列表，使用CONNFRAME指令建立正解模式。指令說明可通過RTSys軟件工具欄的【常用】-【幫助文檔】-【RTBasic幫助】-【索引】，在查找欄搜索CONNFRAME查看。

若機(jī)械手逆解建立成功，關(guān)節(jié)軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為33，【手動運(yùn)動】界面操作虛擬軸方法同上。此時加工工藝指令只能操作虛擬軸，事先編輯好運(yùn)動的軌跡在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(本文虛擬軸以軸6，軸7，軸8，軸9為例)，關(guān)節(jié)軸會自動計算在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中如何聯(lián)合運(yùn)動。

??? FRAME3--標(biāo)準(zhǔn)碼垛

本例程使用FRAME3--標(biāo)準(zhǔn)碼垛機(jī)械手，2個關(guān)節(jié)軸X，Y，一個上下Z軸，及一個末端旋轉(zhuǎn)軸R。標(biāo)準(zhǔn)碼垛機(jī)械手使用步驟如下。

1.確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)向是否正確。

定義各關(guān)節(jié)軸的正向如藍(lán)色箭頭所示。

2.確認(rèn)機(jī)械手各關(guān)節(jié)軸對應(yīng)到控制器指令參數(shù)的軸次序。

選擇各個關(guān)節(jié)軸軸號和對應(yīng)的虛擬軸軸號。

3.TABLE寄存器依次存入機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)。

從TableNum編號開始依次機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)零點時，xz平面內(nèi)底座旋轉(zhuǎn)軸的旋 轉(zhuǎn)中心到大關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)中心x方向的距離，零點時xz平面內(nèi)，底座旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心到大關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)中心z方向的距離，底座軸一圈脈沖數(shù)，大臂軸長度，小臂軸長度，大臂軸一圈脈沖數(shù)，小臂軸一圈脈沖數(shù)，末端的水平偏移，末端軸的一圈脈沖數(shù)到Table中。

TABLE(tablenum,LargeX,LargeZ,PulesLargeOneCircle,L1,L2,Pules1OneCircle,Pules2OneCircle,SmallX,SmallZ ,[PulesSmallOneCircle)

例程從TABLE(80002)開始依次填入Frame所需機(jī)械參數(shù)。

4.設(shè)置關(guān)節(jié)軸參數(shù)及虛擬軸參數(shù)。

各軸的軸類型和脈沖當(dāng)量(units)要設(shè)置正確，設(shè)置為電機(jī)走1°需要的脈沖數(shù)。虛擬軸的units跟實際發(fā)送脈沖數(shù)無關(guān)，用于設(shè)置運(yùn)動精度，虛擬軸的脈沖當(dāng)量一般設(shè)置為1000，表示精度為小數(shù)點后3位。

5.確定機(jī)械手零點位置。

定義大關(guān)節(jié)軸0點位置為大臂豎直；小關(guān)節(jié)軸0點位置為小臂水平。直角坐標(biāo)系零點位置為底座中心。

6.建立機(jī)械手正逆解。

正解建立：先選擇對應(yīng)的機(jī)械手模型，不同機(jī)械手模型對應(yīng)的table列表不同，使用CONNREFRAME指令建立正解模式，然后選擇對應(yīng)模型的軸列表。指令說明可通過RTSys軟件菜單欄的【常用】-【幫助文檔】-【RTBasic幫助】-【索引】，在查找欄搜索CONNREFRAME即可查看。

若機(jī)械手正解建立成功，虛擬軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為34，此時只能操作關(guān)節(jié)軸在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)，手動運(yùn)動可通過RTSys軟件菜單欄的【工具】-【手動運(yùn)動】，待【手動運(yùn)動】界面彈出之后選擇關(guān)節(jié)軸軸編號(本文關(guān)節(jié)軸以軸0（J0軸），軸1(J1軸)，軸2(J2軸))，軸3(J3軸))，然后根據(jù)實際需求選擇點動或者寸動。虛擬軸會自動計算末端工作點位于直角坐標(biāo)系中的位置。

逆解建立：先選擇對應(yīng)的機(jī)械手模型，不同機(jī)械手模型對應(yīng)的table列表不同，使用CONNFRAME指令建立正解模式。指令說明可通過RTSys軟件工具欄的【常用】-【幫助文檔】-【RTBasic幫助】-【索引】，在查找欄搜索CONNFRAME查看。

若機(jī)械手逆解建立成功，關(guān)節(jié)軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為33，【手動運(yùn)動】界面操作虛擬軸方法同上。此時加工工藝指令只能操作虛擬軸，事先編輯好運(yùn)動的軌跡在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(本文虛擬軸以軸6，軸7，軸8,軸9為例)，關(guān)節(jié)軸會自動計算在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中如何聯(lián)合運(yùn)動。

??? 例程演示

RTSys軟件支持Basic，HMI與PLC混合編程，本例程采用Basic結(jié)合HMI界面混合編程進(jìn)行演示。可通過RTSys軟件菜單欄的【HMI】-【工具箱】，選擇空間進(jìn)行拖拉擺放，設(shè)計交互界面。

1.將程序下載到控制器運(yùn)行，先后點擊RTSys軟件菜單欄的【工具】-【插件】-【XPLC SCREEN】。

2.待交互界面彈出后點擊“菜單”按鈕，選擇“結(jié)構(gòu)參數(shù)”輸入密碼，進(jìn)入，或者直接按400X上面的的“F3”按鈕，輸入密碼，進(jìn)入，選擇對應(yīng)的機(jī)械手模型和配置對應(yīng)的機(jī)構(gòu)參數(shù)。

3.選擇完機(jī)械手模型和設(shè)置好機(jī)械參數(shù)后，點擊“軸參數(shù)”按鈕進(jìn)行軸參數(shù)配置。

4.設(shè)置完成之后點擊“主界面”，回到主界面，點擊“菜單”選擇“手動運(yùn)動”，或者按400X上面的”F6”調(diào)出手動運(yùn)動界面，進(jìn)行正逆解切換，和操作對應(yīng)軸進(jìn)行運(yùn)動。

5.機(jī)械手仿真工具的使用。打開【ZRobotView】軟件，點擊【連接】輸入控制器的IP(默認(rèn) IP:192 168.0.11)點擊連接，待連接成功后點擊切換即可3D仿真機(jī)械手的運(yùn)動情況。

本次，正運(yùn)動技術(shù)EtherCAT運(yùn)動控制器在SCARA和碼垛機(jī)械手中的應(yīng)用，就分享到這里。

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審核編輯 黃宇