ZMC406硬件介紹

ZMC406是正運(yùn)動(dòng)推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動(dòng)控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場合。

ZMC406支持6軸運(yùn)動(dòng)控制，最多可擴(kuò)展至32軸，支持直線插補(bǔ)、任意圓弧插補(bǔ)、空間圓弧、螺旋插補(bǔ)、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨等功能。

ZMC406支持PLC、Basic、HMI組態(tài)三種編程方式。PC上位機(jī)API編程支持C#、C++、LabVIEW、Matlab、Qt、Linux、VB.Net、Python等接口。

ZMC406支持6軸運(yùn)動(dòng)控制，可采用脈沖軸（帶編碼器反饋）或EtherCAT總線軸，通用IO包含24路輸入口和12路輸出口，模擬量AD/DA各兩路，EtherCAT最快125us的刷新周期。

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

(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。

ZMC控制器通過RTSys開發(fā)環(huán)境來調(diào)試，RTSys是一個(gè)方便的編程、編譯和調(diào)試環(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(shí)可以把RTSys軟件同時(shí)連接到控制器，程序運(yùn)行時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)庫zmotion.dll。

Delta機(jī)械手支持3-4軸，關(guān)節(jié)軸1+關(guān)節(jié)軸2+關(guān)節(jié)軸3+[末端旋轉(zhuǎn)軸4]。后綴帶R的控制器支持Delta機(jī)械手功能，例如ZMC406R。

ZMC406R可以采用脫機(jī)的方式將編輯好的程序下載到控制器上，可利用觸摸屏示教的方式編輯想要運(yùn)動(dòng)的軌跡。也可以用PC API函數(shù)調(diào)用方式或者實(shí)時(shí)發(fā)送指令操作，在PC上位機(jī)C#，C++，Labview，Python等語言來開發(fā)Delta機(jī)械手的應(yīng)用。

??? 機(jī)械手相關(guān)概念

1、關(guān)節(jié)軸與虛擬軸

（1）關(guān)節(jié)軸：是指實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在程序中一般顯示旋轉(zhuǎn)角度(某些結(jié)構(gòu)也是平移軸)。由于電機(jī)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)會(huì)存在減速比，所以設(shè)置脈沖當(dāng)量UNITS（電機(jī)走1mm或者1°需要的脈沖數(shù)）時(shí)要按照實(shí)際關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)一圈來設(shè)置，同時(shí)TABLE中填寫結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)也要按照旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中心計(jì)算，而不是按照電機(jī)軸中心計(jì)算。

（2）虛擬軸：不是實(shí)際存在的，抽象為世界坐標(biāo)系的6個(gè)自由度，依次為X、Y、Z、RX、RY、RZ?？梢岳斫鉃橹苯亲鴺?biāo)系的三個(gè)直線軸和三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，用來確定機(jī)械手末端工作點(diǎn)的加工軌跡與坐標(biāo)。

2、正解運(yùn)動(dòng)與逆解運(yùn)動(dòng)

（1）正解運(yùn)動(dòng)：通過操作關(guān)節(jié)坐標(biāo)，再根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)可以計(jì)算出末端位置在直角坐標(biāo)系的空間位置，這個(gè)過程稱為正解運(yùn)動(dòng)。此時(shí)操作的是實(shí)際關(guān)節(jié)軸，虛擬軸自動(dòng)計(jì)算坐標(biāo)。此時(shí)只能操作關(guān)節(jié)軸運(yùn)動(dòng)，正解模式一般用于手動(dòng)調(diào)整關(guān)節(jié)位置或上電點(diǎn)位回零。

（2）逆解運(yùn)動(dòng)：給定一個(gè)直角坐標(biāo)系中的空間位置，反推出各關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)，這個(gè)過程稱為逆解運(yùn)動(dòng)。此時(shí)操作的是虛擬軸，實(shí)際關(guān)節(jié)軸自動(dòng)解算坐標(biāo)并運(yùn)動(dòng)。控制器使用CONNFRAME指令建立逆解模式，此指令作用在關(guān)節(jié)軸上，此時(shí)只能操作虛擬軸，對虛擬軸發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，可以在笛卡爾坐標(biāo)系中做直線，圓弧，空間圓弧等運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)軸在CONNFRAME的作用下會(huì)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到逆解后的位置。

??? 機(jī)械手使用操作步驟

1、確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)向是否正確。

3個(gè)關(guān)節(jié)軸向下旋轉(zhuǎn)時(shí)為正向。末端旋轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向(俯視)。

連接上機(jī)械手仿真工具，通過Rtsys軟件菜單欄的【工具】-【手動(dòng)運(yùn)動(dòng)】，以較小的速度分別操作3個(gè)關(guān)節(jié)軸移動(dòng)，觀察各個(gè)關(guān)節(jié)軸下桿移動(dòng)過程中是否趨向末端工作點(diǎn)，若是則說明電機(jī)轉(zhuǎn)向是正確的。

2、TABLE寄存器(控制器上電后自動(dòng)生成)依次存入機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)。

建立機(jī)械手連接時(shí)，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。Delta機(jī)械手FRAME12模型機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)說明如下。

‘從TableNum編號(hào)開始依次機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)上間距半徑、下間距半徑、上桿長度、下桿長度、第一個(gè)關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)、第二個(gè)關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)、第三個(gè)關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)、末端與下面中心點(diǎn)的X偏移、末端與下面中心點(diǎn)的Y偏移、末端與下面中心點(diǎn)的Z偏移、第四個(gè)關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)到Table中。
TABLE(TableNum,Top_R,Under_R,Top_L,Under_L,OneCirPules_J1,OneCirPules_J2,OneCirPules_J3,Offset_X,Offset_Y,Offset_Z,OneCirPules_J4)

3、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(shí)際發(fā)送脈沖數(shù)無關(guān)，用于設(shè)置運(yùn)動(dòng)精度，虛擬軸的1mm的脈沖數(shù)一般建議設(shè)置為1000，表示精度為小數(shù)點(diǎn)后3位。

'關(guān)節(jié)軸設(shè)置
BASE(Axis_JList(0),Axis_JList(1),Axis_JList(2),Axis_JList(3))
'脈沖軸類型設(shè)置為1。若是總線軸類型，可設(shè)置為65 
ATYPE = 1,1,1,1 
UNITS = UnitsJList(0),UnitsJList(1),UnitsJList(2),UnitsJList(3)
'設(shè)置關(guān)節(jié)軸速度、加速度(一般設(shè)置為速度的10倍)、減速度(一般設(shè)置為速度的10倍)
SPEED = SpeedJList(0),SpeedJList(1),SpeedJList(2),SpeedJList(3) 
ACCEL = ADSpeedJList(0),ADSpeedJList(1),ADSpeedJList(2),ADSpeedJList(3)
DECEL = ADSpeedJList(0),ADSpeedJList(1),ADSpeedJList(2),ADSpeedJList(3)
'S曲線
SRAMP = SrampJ(0),SrampJ(1),SrampJ(2),SrampJ(3)
'虛擬軸設(shè)置
BASE(Axis_VList(0),Axis_VList(1),Axis_VList(2))
'虛擬軸軸類型設(shè)置為0
ATYPE = 0,0,0
'虛擬軸脈沖當(dāng)量設(shè)置為1000--表示精度為小數(shù)點(diǎn)后3位
UNITS = 1000,1000,1000
'設(shè)置虛擬軸速度、加速度(一般設(shè)置為速度的10倍)、減速度(一般設(shè)置為速度的10倍)
SPEED = SpeedVList(0),SpeedVList(1),SpeedVList(2)
ACCEL = AccelV(0),AccelV(1),AccelV(2)
DECEL = DecelV(0),DecelV(1),DecelV(2)
'S曲線
SRAMP = SrampV(0),SrampV(1),SrampV(2)

4、移動(dòng)各關(guān)節(jié)軸到規(guī)定的零點(diǎn)位置。

機(jī)械手算法建立時(shí)，需要有個(gè)零點(diǎn)位置作為參考。當(dāng)Delta機(jī)械手

各關(guān)節(jié)軸的連桿L1都處于水平位置時(shí)，認(rèn)為是關(guān)節(jié)零點(diǎn)位置。實(shí)際現(xiàn)場機(jī)械手機(jī)臺(tái)

一般有定位銷，沒有定位銷的話可以通過水平儀把連桿L1調(diào)整至水平。

5、根據(jù)需求建立正解或逆解控制機(jī)械手。

??? 機(jī)械手指令說明

不同的機(jī)械手模型參數(shù)是有差異的，可通過“正運(yùn)動(dòng)機(jī)械手指令手冊說明”（文章末尾掃碼查看），查閱對應(yīng)的機(jī)械手模型參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)選擇。

本文以Delta的FRAME12模型(有末端旋轉(zhuǎn)軸,使用關(guān)節(jié)軸操作旋轉(zhuǎn)軸)為例介紹，機(jī)械手正解與逆解的指令說明如下。

1、CONNREFRAME -- 建立正解連接

指令描述：

將虛擬軸的坐標(biāo)與關(guān)節(jié)軸的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，關(guān)節(jié)軸運(yùn)動(dòng)后，虛擬軸自動(dòng)走到相應(yīng)的位置。

指令語法:

CONNREFRAME(frame,tablenum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4)

參數(shù)說明:

frame：坐標(biāo)系類型。參考【正運(yùn)動(dòng)機(jī)械手指令手冊說明】，

frame是12，代表這款機(jī)械手模型是4軸Delta且

關(guān)節(jié)軸操作末端旋轉(zhuǎn)軸。Tablenum：存儲(chǔ)機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)的TABLE起始位置，依次存儲(chǔ)對應(yīng)模型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)。Axis_J1：第1個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)Axis_J2：第2個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)Axis_J3：第3個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)Axis_J4：第4個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)

2、CONNFRAME -- 建立逆解連接

指令描述：

將當(dāng)前關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的目標(biāo)位置與虛擬坐標(biāo)系的位置關(guān)聯(lián)；關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)最大速度受SPEED參數(shù)的限制；當(dāng)關(guān)節(jié)軸告警等出錯(cuò)時(shí)，此運(yùn)動(dòng)會(huì)被CANCEL。

指令語法：

CONNFRAME(frame,tablenum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4)

參數(shù)說明：

frame：坐標(biāo)系類型。參考【正運(yùn)動(dòng)機(jī)械手指令手冊說明】，

frame是12，代表這款機(jī)械手模型是4軸Delta且

關(guān)節(jié)軸操作末端旋轉(zhuǎn)軸。Tablenum：存儲(chǔ)機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)的TABLE起始位置，依次存儲(chǔ)對應(yīng)模型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)。Axis_Vx：第1個(gè)虛擬軸軸號(hào)Axis_Vy：第2個(gè)虛擬軸軸號(hào)Axis_Vz：第3個(gè)虛擬軸軸號(hào)Axis_J4：第4個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)

??? Delta機(jī)械手模式建立

1、正解建立

以Delta機(jī)械手的Frame12模型為例。

先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)從某個(gè)Table起始編號(hào)依次存儲(chǔ)到Table數(shù)組中，然后選擇對應(yīng)模型的軸列表，使用CONNREFRAME指令建立正解模式。

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。

'將機(jī)械手參數(shù)從編號(hào)TableNum開始依次存儲(chǔ)到Table數(shù)組中
TABLE(TableNum,Top_R,Under_R,Top_L,Under_L,OneCirPules_J1,OneCirPules_J2,OneCirPules_J3,Offset_X,Offset_Y,Offset_Z,OneCirPules_J4)
'選擇軸列表
BASE(Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4)
'建立機(jī)械手正解
CONNREFRAME(FrameType,TableNum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4)

若機(jī)械手正解建立成功，虛擬軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動(dòng)類型)將顯示為34，此時(shí)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(dòng)運(yùn)動(dòng)可通過RTSys軟件菜單欄的【工具】-【手動(dòng)運(yùn)動(dòng)】，待【手動(dòng)運(yùn)動(dòng)】界面彈出之后選擇關(guān)節(jié)軸軸編號(hào)（本文關(guān)節(jié)軸以軸0，軸1，軸2，末端旋轉(zhuǎn)軸軸3為例），然后根據(jù)實(shí)際需求選擇點(diǎn)動(dòng)或者寸動(dòng)。

虛擬軸會(huì)自動(dòng)計(jì)算末端工作點(diǎn)位于直角坐標(biāo)系中的位置。

2、逆解建立

以Delta機(jī)械手的Frame12模型為例。先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)從某個(gè)Table起始編號(hào)依次存儲(chǔ)到Table數(shù)組中，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。

'將機(jī)械手參數(shù)從編號(hào)TableNum開始依次存儲(chǔ)到Table數(shù)組中
TABLE(TableNum,Top_R,Under_R,Top_L,Under_L,OneCirPules_J1,OneCirPules_J2,OneCirPules_J3,Offset_X,Offset_Y,Offset_Z,OneCirPules_J4)
'選擇軸列表
BASE(Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4) 
'建立機(jī)械手逆解
CONNFRAME(FrameType,TableNum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4)

若機(jī)械手逆解建立成功，關(guān)節(jié)軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動(dòng)類型)將顯示為33，【手動(dòng)運(yùn)動(dòng)】界面操作虛擬軸方法同上。此時(shí)加工工藝指令只能操作虛擬軸，事先編輯好運(yùn)動(dòng)的軌跡在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)（本文虛擬軸以軸10，軸11，軸12為例），關(guān)節(jié)軸會(huì)自動(dòng)計(jì)算在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中如何聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。

??? 程序編輯

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】，選擇控件進(jìn)行拖拉擺放，設(shè)計(jì)交互界面。

在本次例程中均先在bas文件中定義全局的SUB子函數(shù)，編輯子函數(shù)的功能（工程源碼見文章末尾）需求然后使用控件綁定，控件的動(dòng)作均選擇調(diào)用函數(shù)。操作流程如下圖。

??? 應(yīng)用例程

1、需求描述

Delta機(jī)械手逆解建立時(shí)以零點(diǎn)位置為參考，確定一個(gè)安全高度?；緞?dòng)作為機(jī)械手上升到安全高度去固定的取料點(diǎn)上方，然后下降打開Op口通過真空吸的方式去取料，延時(shí)抬升到安全高度然后運(yùn)動(dòng)到固定的2*2碼盤位置，下降到碼盤位置關(guān)閉Op進(jìn)行放料，然后抬升依次循環(huán)直到將碼盤放滿后停止。

2、加工代碼

'啟動(dòng)標(biāo)志位置1
StartFlag = 1
LOCAL SafeHigh,i
'安全高度
SafeHigh = DPOS(Axis_VList(2))-25
'行,列
LOCAL Row,Col
'固定的取料點(diǎn)位置
LOCAL SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SrcBorrow_Z
SrcBorrow_X = 5
SrcBorrow_Y = 5
SrcBorrow_Z = SafeHigh-20
'選擇虛擬軸
BASE(Axis_VList(0),Axis_VList(1),Axis_VList(2))
'設(shè)置加工的速度、加速度、減速度
SPEED = SpeedVList(0)
ACCEL = AccelV(0)
DECEL = DecelV(0)
'打開連續(xù)插補(bǔ)
MERGE = ON
'每次啟動(dòng)臨時(shí)總數(shù)清零
TmpSum = 0
'運(yùn)動(dòng)到零點(diǎn)位置參考的安全高度
MOVEABS(0,0,SafeHigh)
FOR Col=1 TO 2
   FOR Row=1 TO 2
       '運(yùn)動(dòng)到取料點(diǎn)上方
       MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SafeHigh)
       '下降到取料點(diǎn)
       MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SrcBorrow_Z)
       '打開Op口吸附取料
       MOVE_OP(8,ON)
       '延時(shí)
       MOVE_DELAY(300)
       '上升到安全高度
       MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SafeHigh)
       '運(yùn)動(dòng)到碼盤放料點(diǎn)上方位置
       MOVEABS(-5*Row,5*Col,SafeHigh)
       '下降到碼盤放料點(diǎn)位置
       MOVEABS(-5*Row,5*Col,SrcBorrow_Z)
       '關(guān)閉Op口進(jìn)行放料
       MOVE_OP(8,OFF)
       '延時(shí) 
       MOVE_DELAY(300)
       '上升到安全高度
       MOVEABS(-5*Row,5*Col,SafeHigh)
       '臨時(shí)總數(shù)自增
       TmpSum = TmpSum+1
   NEXT
NEXT
'等待所有軸停止
WAIT UNTIL IDLE(Axis_VList(0)) AND IDLE(Axis_VList(1)) AND IDLE(Axis_VList(2))
DELAY(10)
RAPIDSTOP(2)
DELAY(10)
'啟動(dòng)標(biāo)志位置0
StartFlag = 0

??? 調(diào)試分析

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

2、待交互界面彈出后，在主界面機(jī)械手模式選擇”機(jī)械手正解”。

3、建立正解連接之后，打開正運(yùn)動(dòng)機(jī)械手仿真軟件ZRobotView，點(diǎn)擊“連接”彈出”連接控制器”窗口，然后選擇連接控制器的方式（仿真工具支持串口和網(wǎng)口連接）。這里以網(wǎng)口連接為例，在IP欄選擇控制器的IP然后進(jìn)行連接。

4、連接成功后，仿真工具上方會(huì)顯示當(dāng)前機(jī)械手類別，程序中存入Table中的機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真工具也可以查看，且構(gòu)建出相應(yīng)參數(shù)的機(jī)械手模型。

5、切換到RTSys編程軟件，先后點(diǎn)擊菜單欄的【常用】-【示波器】。待示波器窗口彈出后選擇XYZ模式，從三維空間觀察動(dòng)作演示效果。數(shù)據(jù)源選擇DPOS（規(guī)劃位置），數(shù)據(jù)源編號(hào)選擇虛擬軸軸號(hào)。示波器參數(shù)確認(rèn)后，先后點(diǎn)擊【停止】-【啟動(dòng)】-【手動(dòng)觸發(fā)】。

6、切換到交互界面，在主界面機(jī)械手模式選擇”機(jī)械手逆解”，建立逆解模式。然后點(diǎn)擊“啟動(dòng)”，進(jìn)行需求工藝的加工流程。

7、切換到RTSys軟件的示波器界面觀察加工效果，Delta機(jī)械手每次來回取放料過程，始終保持在安全高度下進(jìn)行升降，這樣確保在實(shí)際加工的平穩(wěn)性。

本次，正運(yùn)動(dòng)技術(shù)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器Delta機(jī)械手應(yīng)用，就分享到這里。

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審核編輯 黃宇