一、引言：
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手的功能和種類越來越豐富，其中并聯(lián)機(jī)械手也得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在物料分揀這類重復(fù)性高，強(qiáng)度大的功能上，與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)械手相比，成本低，性能高。本文主要介紹了并聯(lián)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，正運(yùn)動(dòng)總線控制器在三軸并聯(lián)機(jī)械手的應(yīng)用以及控制過程的實(shí)現(xiàn)。
二、并聯(lián)機(jī)械手簡(jiǎn)介
1.1結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)
傳統(tǒng)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)末端執(zhí)行器與基座之間只有一條運(yùn)動(dòng)鏈，我們稱為串聯(lián)機(jī)械手，而并聯(lián)機(jī)械手末端執(zhí)行器至少有兩條運(yùn)動(dòng)鏈與基座相連。根據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈的條數(shù)n不同，把并聯(lián)機(jī)械手稱為n軸并聯(lián)機(jī)械手，常見的一般為3軸機(jī)械手或4軸機(jī)械手。
圖 1 三軸機(jī)械手圖 圖 2 四軸機(jī)械手
與串聯(lián)機(jī)械手相比，并聯(lián)機(jī)械手具備以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：
1.剛度大，多條運(yùn)動(dòng)鏈可以分享載荷。
2.精度高，誤差由多條運(yùn)動(dòng)鏈均分，不會(huì)像串聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣誤差累計(jì)。
3.運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，主要部件都連接在基座，質(zhì)心靠近不同的基座，所以運(yùn)動(dòng)慣量低。
4.成本低，結(jié)構(gòu)基本都是標(biāo)準(zhǔn)件。
1.2基本參數(shù)
并聯(lián)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)定義如下圖。
圖 3并聯(lián)機(jī)械手基本參數(shù)
R:大臂旋轉(zhuǎn)中心到基座中心的距離。
L1：大臂長度，兩端旋轉(zhuǎn)中心距離。
L2：小臂長度，兩端旋轉(zhuǎn)中心距離。
r：小臂末端連接中心到底座中心的距離。
LX:末端工作點(diǎn)相對(duì)于底座中心的X偏移，（負(fù)向?yàn)樨?fù)數(shù)）
LY: 末端工作點(diǎn)相對(duì)于底座中心的Y偏移，（負(fù)向?yàn)樨?fù)數(shù)）
LZ: 末端工作點(diǎn)相對(duì)于底座中心的Z偏移，（負(fù)向?yàn)樨?fù)數(shù)）
1.3主要應(yīng)用
并聯(lián)機(jī)械手目前主要應(yīng)用在零件檢測(cè)和物料分揀上，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得運(yùn)行時(shí)速度可以更快，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)傳感器和控制程序的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)不同的功能,比如現(xiàn)在出現(xiàn)的三軸并聯(lián)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的3d打印機(jī)。
三、EtherCAT簡(jiǎn)介
EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，EtherCAT名稱中的CAT為Control Automation Technology（控制自動(dòng)化技術(shù)）首字母的縮寫。開始由德國倍福自動(dòng)化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研發(fā)。
EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達(dá)到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。通過一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。
與100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報(bào)告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1微秒。
利用 EtherCAT 技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)可并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現(xiàn)代高性能的工業(yè)PC相匹配。總線系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數(shù)據(jù)傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實(shí)現(xiàn)的性能。
四、正運(yùn)動(dòng)EtherCAT總線控制器
正運(yùn)動(dòng)技術(shù)有限公司致力于做更好的運(yùn)動(dòng)控制器，非總線的ZMC運(yùn)動(dòng)控制器采用華為 IPD-CMM 軟件開發(fā)流程開發(fā)，使得產(chǎn)品具備電信級(jí)的穩(wěn)定性；結(jié)合了新的控制理論及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)； 以太網(wǎng),RS232,RS485, USB,CAN 等多種接口；單控制器最多可以控制多達(dá) 32 個(gè)軸。同時(shí)結(jié)合了傳統(tǒng)PLC和運(yùn)動(dòng)控制卡，即可進(jìn)行邏輯控制，又可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，精簡(jiǎn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備。
而在發(fā)現(xiàn)了市場(chǎng)上對(duì)于EtherCAT總線控制器的需求后，正運(yùn)動(dòng)技術(shù)有限公司更進(jìn)一步，潛心開發(fā)出了EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制器、總線IO擴(kuò)展和總線軸擴(kuò)展等一系列產(chǎn)品。本次就采用ZMC464總線控制器對(duì)3軸并聯(lián)機(jī)械手進(jìn)行控制，外觀如下圖。
圖 4 ZMC464總線控制器
ZMC464在非總線運(yùn)動(dòng)控制器的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了以下幾點(diǎn)。
最多達(dá) 64 軸運(yùn)動(dòng)控制(3 脈沖軸+64ECAT 軸)；
支持最多達(dá) 16 軸同時(shí)直線插補(bǔ)、 任意空間圓弧插補(bǔ)、 螺旋插補(bǔ) ；
支持多機(jī)臺(tái)同時(shí)聯(lián)動(dòng)；
ECAT 最快 100us 的刷新周期；
每軸最大輸出脈沖頻率 8MHz；
EtherCAT總線控制器的出現(xiàn)，使得運(yùn)動(dòng)控制的響應(yīng)速度更快，精度更高。現(xiàn)場(chǎng)接線更加簡(jiǎn)潔、簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)器不再需要一一與控制器上的軸接口一一對(duì)應(yīng)，只需要用網(wǎng)線串接驅(qū)動(dòng)器即可，現(xiàn)場(chǎng)控制電箱體積更小。
五、正運(yùn)動(dòng)控制方案
本方案使用的3軸并聯(lián)機(jī)械手如下圖5，基本參數(shù)如圖6。
圖 5使用的三軸并聯(lián)機(jī)械手 圖6機(jī)械手基本參數(shù)
對(duì)于并聯(lián)機(jī)械手的控制而言，關(guān)鍵的是如何將關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)系，操作末端執(zhí)行器在笛卡爾坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)軸要能夠自動(dòng)解算出響應(yīng)的關(guān)節(jié)軸坐標(biāo)，這個(gè)過程就是逆解，需要編寫相應(yīng)的算法。
為了更方便的使用，正運(yùn)動(dòng)已經(jīng)將不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)算法進(jìn)行了封裝，使用的時(shí)候只需要設(shè)置好然機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)，然后使用CONNframe指令調(diào)用3軸并聯(lián)機(jī)械手結(jié)構(gòu)即可。建立連接后，我們就可以通過操作3個(gè)虛擬軸使末端執(zhí)行器移動(dòng)到笛卡爾坐標(biāo)系中的指定位置，此時(shí)3個(gè)關(guān)節(jié)軸會(huì)自動(dòng)解算需要旋轉(zhuǎn)的角度。
本方案主要實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)。
1.控制器接線
使用網(wǎng)線通過EtheaCAT接口將ZMC464與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，驅(qū)動(dòng)器要支持EtherCAT總線驅(qū)動(dòng)，這里使用的是邁信EP3驅(qū)動(dòng)器。連接好第一個(gè)驅(qū)動(dòng)器后，用網(wǎng)線依次串接剩余驅(qū)動(dòng)器即可，如下圖。
圖 7 ZMC464總線控制器接線
2.控制器設(shè)置
ZMC總線控制器通過axis_address指令可以設(shè)置驅(qū)動(dòng)器綁定的軸號(hào)。通過atype()指令可以設(shè)置軸的控制類型。本方案采用atype=65位置閉環(huán)模式控制機(jī)械手。
可以通過DRIVER類型指令直接對(duì)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置，比如drive_mode可以設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的控制模式（對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)字典）。DRIVE_CONTROLWORD設(shè)置驅(qū)動(dòng)功能。
也可以通過SDO_READ和SDO_WRITE直接對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行讀寫。
3.控制程序
過程控制的程序可以通過Zdevelop編寫，使用了Zbasic編程環(huán)境。根據(jù)需要的功能，可以自定義編寫相應(yīng)功能的SUB，使程序結(jié)構(gòu)更清晰易讀。本方案包含的功能主要有機(jī)械手結(jié)構(gòu)正解逆解的切換、相對(duì)絕對(duì)模式的切換、G代碼操作、手動(dòng)操作等。
運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)參數(shù)也可通過zdevelop的軸參數(shù)查看。
圖 8軸參數(shù)列表
3.HMI人機(jī)界面
正運(yùn)動(dòng)開發(fā)了自己的HMI人機(jī)界面和手持盒，并加入到ZDevelop編程軟件中，與basic聯(lián)合編程，使得在basic編程的同時(shí)也可以進(jìn)行HMI界面設(shè)計(jì)，程序?qū)⒁煌螺d到控制器。通過網(wǎng)線連接控制器與手持盒，會(huì)自動(dòng)顯示出hmi界面。
圖 9 HMI界面
4.機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方式
程序中建立了與標(biāo)準(zhǔn)G代碼功能相同的自定義G代碼，如下圖。
圖 10 G代碼
操作者可以直接使用G代碼來編寫運(yùn)動(dòng)程序，控制3軸機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了脫離PC端編程。本方案中主要使用了G01直線運(yùn)動(dòng)和G02順圓指令，在笛卡爾坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)軌跡為，原點(diǎn)位置(0,0,-294)->(0,0,-450)->(180,0,-450)->(180,0,-450)->順時(shí)針畫整圓->回原點(diǎn)(0,0,-294)。
5.控制器報(bào)警
總線控制器連接好驅(qū)動(dòng)器后，要通過寫指令使驅(qū)動(dòng)器使能并綁定軸號(hào)，如果編寫軸指令數(shù)量與連接的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量不一致時(shí)，驅(qū)動(dòng)器不會(huì)使能，預(yù)防因漏接多接可能引起的事故。同時(shí)，在運(yùn)行過程中，如果斷開某一驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)動(dòng)會(huì)立即停止并報(bào)警；如果連接新的驅(qū)動(dòng)器，不會(huì)對(duì)新連接的驅(qū)動(dòng)器操作，直到斷電重啟并修改程序。
可以在命令行輸入?*ethercat，來查看驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)。
圖 11 驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)
六、結(jié)論
通過一段時(shí)間的測(cè)試，使機(jī)械手在不同的速度下運(yùn)行時(shí)都能保持平穩(wěn)準(zhǔn)確。綜上所述，ZMC總線控制器通過basic編寫過程程序，通過HMI組態(tài)環(huán)境編寫人機(jī)界面，二者結(jié)合，更加方便了多軸運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，而且總線控制器響應(yīng)速度快，接線簡(jiǎn)單方便，在多軸聯(lián)動(dòng)控制方面更具優(yōu)勢(shì)。
七、附錄：運(yùn)動(dòng)軌跡截圖
原點(diǎn)位置
直線軌跡
整圓軌跡
作者簡(jiǎn)介
謝江文(1994-) 男 現(xiàn)就職于深圳正運(yùn)動(dòng)技術(shù)有限公司 技術(shù)工程師
地址 深圳市寶安區(qū)西鄉(xiāng)鐘屋1路70號(hào)大廣發(fā)綜合樓5樓
