EtherCAT运动控制器在SCARA和码垛机械手中的应用

科技科技 2024-08-27 07:01 广东

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XPLC104H8R硬件介绍

XPLC104H8R是正运动推出的一款高性价比多轴EtherCAT总线+脉冲型运动控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盘等通讯接口，是一款集成了Basic、PLC梯形图和HMI组态三种编程方式于一体的运动控制产品。

XPLC104H8R支持4轴运动控制，最多可扩展至32轴，通用IO包含32路输入口和32路输出口，模拟量AD/DA各2路，EtherCAT刷新周期1ms。支持直线插补、任意圆弧插补、螺旋插补、电子凸轮、电子齿轮、同步跟随等功能。

XPLC104H8R高性价比多轴运动控制器可用于电子半导体设备(检测类设备、组装类设备、锁附类设备、焊锡机)、点胶设备、非标设备、印刷包装设备、纺织服装设备、医疗设备、流水线等应用场合。

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。

XPLC控制器通过RTSys开发环境调试，RTSys是一个方便编程、编译和调试的环境。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。

XPLC系列控制器支持SCARA，标准码垛等多种机械手模型。采用脱机的方式将编辑好的程序下载到控制器上（也可以用PC监视或者实时发送指令操作)，可利用触摸屏示教的方式编辑想要运动的轨迹。

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ZHD400X硬件介绍

ZHD400X是一款网络显示的触摸屏示教盒，示教盒必须和支持ZHMI功能的控制器配合使用，控制器软件开发需要ZDevelop2.6以上版本。

ZHD400X带有800*480分辨率的真彩显示屏，18个按键，配急停开关。

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FRAME1--标准SCARA

SCARA机械手支持2-4轴，大关节轴+小关节轴[+Z轴]、[+末端旋转轴]。

本系统应用于标准4轴SCARA机械手，2个关节轴X，Y，一个上下Z轴，及一个末端旋转轴R。

SCARA机械手使用步骤

1.确认电机转向是否正确。

电机方向及角度范围定义，各关节电机正向如下图蓝色箭头所示。

轴

角度或移动范围

大关节轴

（-2π，2π）

小关节轴

（-2π，2π）

末端旋转轴

无限制

上下伸缩轴

机械结构限制

2.确认机械手各关节轴对应到控制器指令参数的轴次序。

选择各个关节轴轴号和对应的虚拟轴轴号。

实际机械手关节轴：

定义简写：

大关节轴电机

Axis_a

小关节轴电机

Axis_b

末端旋转轴电机

Axis_c

上下伸缩轴电机

Axis_d

直角坐标系虚拟轴：

定义简写：

平移轴X

Viraxis_x

平移轴Y

Viraxis_y

旋转轴RZ

Viraxis_v

平移轴Z

Viraxis_z

3.TABLE中设置好机械结构相关参数。

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。

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

Tablenum

存储转换参数的TABLE索引地址

大关节轴旋转中心到小关节轴旋转中心的距离

小关节轴旋转中心到末端旋转轴的旋转中心距离

Pules1OneCircle

大关节旋转一圈的脉冲数

Pules2OneCircle

小关节旋转一圈的脉冲数

Pules3OneCircle

末端旋转轴旋转一圈的脉冲数

末端旋转轴旋转中心到末端工作点的距离

ZDis

末端旋转轴旋转一圈，伸缩轴移动的距离

从TableNum编号开始依次机械手结构参数大关节轴旋转中心到小关节轴旋转中心的距离，小关节轴旋转中心到末端旋转轴的旋转中心距离，大关节旋转一圈的脉冲数，小关节旋转一圈的脉冲数,末端旋转轴旋转一圈的脉冲数,末端旋转轴旋转中心到端工作点的距离，末端旋转轴旋转一圈伸缩轴移动的距离。

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

例程从TABLE(10000)开始依次填入Frame所需机械参数。

4.电机参数设置。

各轴的轴类型和脉冲当量要设置正确。机械手的所有虚拟轴和关节轴的长度单位要求统一，一般都是mm单位。虚拟轴的UNITS跟实际发送脉冲数无关，用于设置运动精度，虚拟轴的一个mm的脉冲数一般建议设置为1000，表示精度为小数点后3位，此例程内部以设置好无需再设置。

5.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，同时需要确定好电机转向。

SCARA的零点位置为两个关节轴的零点时成一条直线，此时指向虚拟X轴的正向。

坐标方向：当关节轴为零点的位置时，虚拟轴零点的坐标为（L1+L2,0），上下伸缩轴零点位置无特殊要求。建立逆解连接之后虚拟轴的DPOS坐标自动校正为（L1+L2,0）。

6.建立机械手正逆解。

正解建立：先选择对应的机械手模型，不同机械手模型对应的table列表不同，使用CONNREFRAME指令建立正解模式，然后选择对应模型的轴列表。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。

TABLE(ScaraTableId,ga_L1,ga_L2,JOnePulses(0),JOnePulses(1),JOnePulses(2),ga_L3,ga_Ratio)'SCAR机械手参数列表TABLE(MaDuoTableId,LargeX,LargeZ,JOnePulses(0),FRAME3_L1,FRAME3_L2,JOnePulses(1),JOnePulses(2),SmallX,SmallZ,JOnePulses(3))'标准码垛机械手参数列表RAPIDSTOP(2)IF Mode=1 THEN   '机械手正解   IF Roobat_Flag= 0 THEN    'Scara机械手正解建立       BASE(gcAxisVx,gcAxisVy,gcAxisVu,gcAxisVz) '选择轴列表             CONNREFRAME(1,ScaraTableId,gcAxisJ1,gcAxisJ2,gcAxisJu,gcAxisJz)        WAIT LOADED  '等待运动加载

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（J0轴），轴1(J1轴)，轴2(J2轴))，轴3(J3轴))，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。

逆解建立：先选择对应的机械手模型，不同机械手模型对应的table列表不同，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。

IF Roobat_Flag= 0 THEN  'Scara机械手逆解建立          BASE(gcAxisJ1,gcAxisJ2,gcAxisJu,gcAxisJz)    CONNFRAME(1,ScaraTableId,gcAxisVx,gcAxisVy,gcAxisVu,gcAxisVz)   '第6/7轴作为虚拟的XY轴，启动逆解连接。    WAIT LOADED             '等待运动加载，此时会自动调整虚拟轴的位置

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6，轴7，轴8，轴9为例)，关节轴会自动计算在关节坐标系中如何联合运动。

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FRAME3--标准码垛

本例程使用FRAME3--标准码垛机械手，2个关节轴X，Y，一个上下Z轴，及一个末端旋转轴R。标准码垛机械手使用步骤如下。

1.确认电机转向是否正确。

定义各关节轴的正向如蓝色箭头所示。

轴

角度或移动范围

底座旋转轴

无限制

大关节轴

机械结构限制

小关节轴

末端旋转轴

无限制

2.确认机械手各关节轴对应到控制器指令参数的轴次序。

选择各个关节轴轴号和对应的虚拟轴轴号。

实际机械手关节轴：

定义简写：

大关节轴电机

Axis_a

小关节轴电机

Axis_b

末端旋转轴电机

Axis_c

上下伸缩轴电机

Axis_d

直角坐标系虚拟轴：

定义简写：

平移轴 X

Viraxis_x

平移轴 Y

Viraxis_y

旋转轴 RZ

Viraxis_v

平移轴 Z

Viraxis_z

3.TABLE寄存器依次存入机械手结构参数。

TABLE(tablenum,LargeX,LargeZ,PulesLargeOneCircle,L1,L2,Pules1OneCircle,Pul es2OneCircle,SmallX,SmallZ ,[PulesSmallOneCircle])
Tablenum	存储转换参数的TABLE位置
LargeX	零点时，xz 平面内，底座旋转轴的旋转中心到大关节轴的旋转中心 x 方向的距离
LargeZ	零点时，xz 平面内，底座旋转轴的旋转中心到大关节轴的旋转中心 z方向的距离
PulesLargeOneCircle	底座轴一圈脉冲数
L1	大臂轴长度
L2	小臂轴长度
Pules1OneCircle	大臂轴一圈脉冲数
Pules2OneCircle	小臂轴一圈脉冲数
SmallX	末端的水平偏移
SmallZ	末端的垂直偏移
PulesSmallOneCircle	末端轴的一圈脉冲数

从TableNum编号开始依次机械手结构参数零点时，xz平面内底座旋转轴的旋转中心到大关节轴的旋转中心x方向的距离，零点时xz平面内，底座旋转轴的旋转中心到大关节轴的旋转中心z方向的距离，底座轴一圈脉冲数，大臂轴长度，小臂轴长度，大臂轴一圈脉冲数，小臂轴一圈脉冲数，末端的水平偏移，末端轴的一圈脉冲数到Table中。

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

例程从TABLE(80002)开始依次填入Frame所需机械参数。

4.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，虚拟轴的脉冲当量一般设置为1000，表示精度为小数点后3位。

5.确定机械手零点位置。

定义大关节轴0点位置为大臂竖直；小关节轴0点位置为小臂水平。直角坐标系零点位置为底座中心。

6.建立机械手正逆解。

ELSEIF Roobat_Flag = 1 THEN  '码垛机械手正解建立              BASE(gcAxisVx,gcAxisVy,gcAxisVz,gcAxisVu)'选择轴列表            CONNREFRAME(3,MaDuoTableId,gcAxisJ1,gcAxisJ2,gcAxisJz,gcAxisJu)            WAIT LOADED  '等待运动加载ENDIF

逆解建立：先选择对应的机械手模型，不同机械手模型对应的table列表不同，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。

ELSEIF Roobat_Flag = 1 THEN          BASE(gcAxisJ1,gcAxisJ2,gcAxisJz,gcAxisJu)'码垛机械手逆解建立            CONNFRAME(3,MaDuoTableId,gcAxisVx,gcAxisVy,gcAxisVz,gcAxisVu)   '第6/7轴作为虚拟的XY轴，启动逆解连接。          WAIT LOADED                           '等待运动加载，此时会自动调整虚拟轴的位置。ENDIF