正运动EtherCAT总线控制器在 并联机械手上的应用
<p style="line-height: 2em; margin-top: 5px;"><span style="font-size: 16px;"> <strong>一、引言<br/><br/></strong></span></p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">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。</p><p><br/></p><p style="line-height: 2em; margin-top: 5px;"><span style="font-size: 16px;"> <strong>二、并联机械手简介<br/><br/></strong></span></p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">2.1结构组成及特点<br/><br/></p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">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。</p><p><br/></p><p style="text-align: center; margin-top: 5px;"><img src="http://www.zmotion.com.cn/upload/20191031/1572496781223477.jpg" style="font-family: SimSun; border: 0px; vertical-align: middle; color: rgb(51, 51, 51); font-size: 12px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255); width: 600px; height: 275px;" _src="http://www.zmotion.com.cn/upload/20191031/1572496781223477.jpg" width="600" height="275" border="0" vspace="0" title="" alt=""/></p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">与串联机械手相比，并联机械手具备以下几个优势：</p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">1. 刚度大，多条运动链可以分享载荷。</p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">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。</p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">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。</p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">4. 成本低，结构基本都是标准件。<br/><br/> 2.2基本参数<br/><br/></p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;"> 并联机械手结构的基本参数定义如下图。</p><p style="text-align:center"><img src="http://www.zmotion.com.cn/upload/20191031/1572496782422316.jpg" style="border: 0px; vertical-align: middle;" _src="http://www.zmotion.com.cn/upload/20191031/1572496782422316.jpg"/></p><p style="text-align: center; line-height: 2em;"> R:大臂旋转中心到基座中心的距离。</p><p style="text-align: center; line-height: 2em;"> L1：大臂长度，两端旋转中心距离。</p><p style="text-align: center; line-height: 2em;"> L2：小臂长度，两端旋转中心距离。</p><p style="text-align: center; line-height: 2em;"> r：小臂末端连接中心到底座中心的距离。</p><p style="text-align: center; line-height: 2em;"> LX:末端工作点相对于底座中心的X偏移，（负向为负数）。</p><p style="text-align: center; line-height: 2em;"> LY: 末端工作点相对于底座中心的Y偏移，（负向为负数）。</p><p style="text-align: center; line-height: 2em;"> LZ: 末端工作点相对于底座中心的Z偏移，（负向为负数）。</p><p><br/></p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">2.3主要应用<br/><br/></p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">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。</p><p><br/><br/></p><p style="line-height: 2em;"><span style="font-size: 16px;"> <strong>三、EtherCAT简介</strong><br/><br/> </span>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Control Automation Technology（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(Beckhoff Automation GmbH) 研发。</p><p><br/></p><p style="line-height: 2em; text-indent: 2em;">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。</p><p><br/></p><p style="line-height: 2em; text-indent: 2em;">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。</p><p><br/></p><p style="line-height: 2em; text-indent: 2em;">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。</p><p><br/><br/></p><p style="line-height: 2em; margin-top: 5px;"><span style="font-size: 16px;"> <strong>四、正运动EtherCAT总线控制器<br/><br/></strong></span></p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">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。</p><p><br/></p><p style="text-indent: 2em; line-height: 2em;">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。</p><p style="text-align: center; margin-top: 5px;"><img src="http://www.zmotion.com.cn/upload/20191031/1572505705474355.jpg" style="font-family: SimSun; border: 0px; vertical-align: middle; color: rgb(51, 51, 51); font-size: 12px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255); width: 600px; height: 479px;" _src="http://www.zmotion.com.cn/upload/20191031/1572505705474355.jpg" width="600" height="479" border="0" vspace="0" title="" alt=""/></p><p><br/></p><p style="text-align: center; line-height: 2em;"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">
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 100μs 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。
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。
5.1 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
5.2 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。
5.3 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
5.4 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
5.5 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)。
5.6 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。
七、附录：运动轨迹截图
原点位置
直线轨迹
整圆轨迹
**
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
2.1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。
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。
2.2基本参数
并联机械手结构的基本参数定义如下图。
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）。
2.3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Control Automation Technology（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(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 100μs 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。
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。
5.1 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
5.2 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。
5.3 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
5.4 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
5.5 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)。
5.6 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。
七、附录：运动轨迹截图
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整圆轨迹
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