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ZMC432R-V2運動控制器介紹

正運動ZMC432R-V2總線控制器是正運動技術推出的新一代網(wǎng)絡32軸EtherCAT運動控制器，自帶6個脈沖軸接口。能實現(xiàn)總線軸+脈沖軸混合插補的多軸運動控制場合。同時支持正運動遠程顯示功能，能提供網(wǎng)絡組態(tài)顯示，可實時監(jiān)控和調整參數(shù)配置。

ZMC432R-V2硬件功能特性：

（1）支持32軸運動控制（脈沖+EtherCAT總線），EtherCAT最小通訊周期可達125us；

（2）24路通用輸入、12路通用輸出，2路模擬量輸出(DA)，其中包括2路高速輸入和2路高速輸出；

（3）6路差分脈沖軸輸出，總線軸、脈沖軸可混合插補；

（4）內置多項實時性運動控制功能，例如視覺飛拍、多維PSO、高速位置鎖存，多軸同步運行等；

（5）可通過EtherCAT擴展模塊進行IO硬件資源擴展，可擴展至4096個隔離輸入口和4096個隔離輸出口；

（6）具備豐富的運動控制功能，如點位運動、電子凸輪、直線插補、圓弧插補、連續(xù)軌跡加工；

（7）支持掉電檢測、掉電存儲，多種程序加密方式，能夠有效防止系統(tǒng)故障，保護項目工程文件數(shù)據(jù)，并提高系統(tǒng)的可靠性；

（8）通過純國產(chǎn)IDE開發(fā)環(huán)境RTSys進行項目開發(fā)，可實時仿真、在線跟蹤以及診斷與調試，簡便易用，支持多種高級上位機語言聯(lián)合編程進行二次開發(fā)。

• 此類運動控制器與PCI運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行程序，與PC只需要簡單交互，降低PC軟件的復雜性等優(yōu)勢。

ZMC控制器通過RTSys開發(fā)環(huán)境來調試，RTSys是一個方便的編程、編譯和調試環(huán)境。RTSys可以通過串口、以太網(wǎng)、PCI和LOCAL與控制器建立連接。應用程序可以使用VC，VB，VS，C++Builder，C#等軟件來開發(fā)。調試時可以把RTSys軟件同時連接到控制器，程序運行時需要動態(tài)庫zmotion.dll。

• Stewart六自由度并聯(lián)平臺

Stewart六自由度并聯(lián)平臺標準配置6根伺服電動缸驅動軸，實現(xiàn)空間X、Y、Z平移+RX(繞X軸旋轉)、RY(繞Y軸旋轉)、RZ(繞Z軸旋轉)。

后綴帶R的ZMC432R-V2控制器原生支持Stewart平臺專用機械手算法，采用脫機下載運行模式，也可PC在線實時發(fā)指令控制；支持觸摸屏示教軌跡編輯、參數(shù)標定，快速適配不同機械尺寸的并聯(lián)平臺。

與傳統(tǒng)串聯(lián)機器人相比，Stewart六自由度并聯(lián)平臺具有以下顯著優(yōu)點：

?剛度大：采用閉環(huán)并聯(lián)結構，六個致動器共同作用于運動平臺，負載均勻分布，結構剛性好，不易變形。

?承載能力強：承重/自重比大，能夠承載高達數(shù)噸甚至十噸以上的負載，適用于重型應用場景。

?精度高：無串聯(lián)機構的位置誤差累積問題，可實現(xiàn)微米級甚至納米級的定位精度。

?動態(tài)特性優(yōu)異：運動加速度大，響應速度快，適用于高速高精度運動控制。

?結構緊湊：無需像串聯(lián)機器人那樣疊加多個軸，整體結構緊湊，節(jié)省空間。

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機械手相關概念

1.關節(jié)軸與虛擬軸

（1）關節(jié)軸：是指實際機械結構中的旋轉關節(jié)，在程序中一般顯示旋轉角度(某些結構也是平移軸)。由于電機與旋轉關節(jié)會存在減速比，所以設置脈沖當量UNITS(電機走1mm或者1°需要的脈沖數(shù))時要按照實際關節(jié)旋轉一圈來設置，同時TABLE中填寫結構參數(shù)時也要按照旋轉關節(jié)中心計算，而不是按照電機軸中心計算。

（2）虛擬軸：不是實際存在的，抽象為世界坐標系的6個自由度，依次為X、Y、Z、RX、RY、RZ。可以理解為直角坐標系的三個直線軸和三個旋轉軸，用來確定機械手末端工作點的加工軌跡與坐標。

正逆解運動示意圖

2.正解運動與逆解運動

（1）正解運動：通過操作關節(jié)坐標，并結合機械結構參數(shù)，可計算出末端執(zhí)行器在直角坐標系中的空間位置，這一過程稱為正解運動。在正解模式下，操作的是實際關節(jié)軸，而虛擬軸的坐標則由系統(tǒng)自動計算?？刂破魇褂肅ONNREFRAME指令建立正解模式，該指令作用于虛擬軸。在此模式下，雖只能操作關節(jié)軸，但關節(jié)軸可執(zhí)行各種運動，不過實際運動軌跡并非直線或圓弧。正解模式通常用于手動調整關節(jié)位置或上電點位回零。

（2）逆解運動：給定一個直角坐標系中的空間位置，反推出各關節(jié)軸坐標，這個過程稱為逆解運動。此時操作的是虛擬軸，實際關節(jié)軸自動解算坐標并運動?？刂破魇褂肅ONNFRAME指令建立逆解模式，此指令作用在關節(jié)軸上，此時只能操作虛擬軸，對虛擬軸發(fā)送運動指令，可以在笛卡爾坐標系中做直線，圓弧，空間圓弧等運動，關節(jié)軸在CONNFRAME的作用下會自動運動到逆解后的位置。

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機械手使用操作步驟

1.確認電動缸伸縮方向、模型零點與運動極性。

6個關節(jié)軸伸出為正向、縮回為反向。關節(jié)軸零點位置，對應初始桿長度，所有關節(jié)軸初始位置必須一致。

? 虛擬軸以靜平臺(下面平臺)的中心為坐標零點。

XY平面與靜平臺平行，Z向上方向，XYZ采用右手法則。連接RTSys軟件與平臺仿真工具，通過【工具】-【手動運動】，以低速點動各關節(jié)軸，觀察電動缸伸縮是否對應動平臺預設姿態(tài)變化，無卡頓、方向匹配則極性正確。

2.TABLE寄存器(控制器上電后自動生成)依次存入機械手結構參數(shù)。

建立機械手連接時，需要將機械結構參數(shù)按照如下次序依次填寫到TABLE數(shù)組中。Stewart六自由度并聯(lián)平臺FRAME67模型機械結構參數(shù)說明如下：

‘從Tablestart編號開始依次機械手結構參數(shù)動平臺的半徑、動平臺的短邊角度、靜平臺的半徑、靜平臺的短邊角度、初始桿長度、最小桿長度、最大桿長度、姿態(tài)軸一圈的脈沖數(shù)、末端到動平臺中心的 XY 偏移、末端到動平臺中心的垂直距離、初始的方向，焊槍針頭的方向、連桿誤差數(shù)據(jù) table 下標到Table中
TABLE(Tablestart,rsmall,anglesmall,rlarge,anglelarge,initL,minL,maxL,PulesROneCircle,SmallX,SmallY,SmallZ,InitRx,InitRy,InitRz,position_error_table)

3.設置關節(jié)軸參數(shù)及虛擬軸參數(shù)。

各軸的軸類型和脈沖當量(units)要設置正確，設置為關節(jié)軸連桿走1mm需要的脈沖數(shù)。虛擬軸的units跟實際發(fā)送脈沖數(shù)無關，用于設置運動精度，虛擬軸的1mm脈沖數(shù)一般建議設置為1000，表示精度為小數(shù)點后3位。

'關節(jié)軸設置
BASE(Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4,Axis_J5,Axis_J6)
'脈沖軸類型設置為1。若是總線軸類型，可設置為65 
ATYPE = 1,1,1,1,1,1
UNITS = Units_1,Units_2,Units_3,Units_4,Units_5,Units_6
'設置關節(jié)軸速度、加速度(一般設置為速度的10倍)、減速度(一般設置為速度的10倍)
SPEED = MoveSpeed,MoveSpeed,MoveSpeed,MoveSpeed,,MoveSpeed,MoveSpeed  
ACCEL = MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10
DECEL = MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10
'虛擬軸設置
BASE(Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_Vrx,Axis_Vry,Axis_Vrz)
'虛擬軸軸類型設置為0,ECAT總線軸設為65
ATYPE = 0,0,0,0,0,0
'虛擬軸脈沖當量設置為1000--表示精度為小數(shù)點后3位
UNITS = 1000,1000,1000,1000,1000,1000
'設置虛擬軸速度、加速度(一般設置為速度的10倍)、減速度(一般設置為速度的10倍)
SPEED = MoveSpeed,MoveSpeed,MoveSpeed,MoveSpeed,,MoveSpeed,MoveSpeed  
ACCEL = MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10
DECEL = MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10,MoveSpeed*10

4.移動各關節(jié)軸到規(guī)定的零點位置。

機械手算法建立時，需要有個零點位置作為參考。當Stewart六自由度并聯(lián)平臺各關節(jié)軸的連桿都處于初始桿長時，認為是關節(jié)零點位置。

5.根據(jù)需求建立正解或逆解控制機械手。

???

機械手指令說明

不同的機械手模型參數(shù)是有差異的，可通過【正運動機械手運動學說明書】-見文章附件，查閱對應的機械手模型參數(shù)進行確認選擇。

本文以Stewart六自由度并聯(lián)平臺的FRAME67模型為例介紹，機械手正解與逆解的指令說明如下：

CONNREFRAME - 建立正解連接

? 指令描述：

將虛擬軸的坐標與關節(jié)軸的坐標關聯(lián)，關節(jié)軸運動后，虛擬軸自動走到相應的位置。

? 指令語法：

BASE(Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_Vrx,Axis_Vry,Axis_Vrz)

CONNREFRAME(67,Tablenum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4,Axis_J5,Axis_J6)

? 參數(shù)說明：

①frame：坐標系類型。參考【正運動機械手運動學說明書】，frame是67，代表這款機械手模型是6軸Stewart六自由度并聯(lián)平臺。

②Tablenum：存儲機械手結構參數(shù)的TABLE起始位置，依次存儲對應模型的機械手結構參數(shù)。

③Axis_J1：第1個關節(jié)軸軸號。

④Axis_J2：第2個關節(jié)軸軸號。

⑤Axis_J3：第3個關節(jié)軸軸號。

⑥Axis_J4：第4個關節(jié)軸軸號。

⑦Axis_J5：第5個關節(jié)軸軸號。

⑧Axis_J6：第6個關節(jié)軸軸號。

CONNREFRAME - 建立逆解連接

? 指令描述：

將當前關節(jié)坐標系的目標位置與虛擬坐標系的位置關聯(lián)；關節(jié)坐標系的運動最大速度受SPEED參數(shù)的限制；當關節(jié)軸告警等出錯時，此運動會被CANCEL。

? 指令語法：

BASE(Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4,Axis_J5,Axis_J6)

CONNFRAME(67,Tablenum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_Vrx,Axis_Vry,Axis_Vrz)

? 參數(shù)說明：

①frame：坐標系類型。參考【正運動機械手運動學說明書】，frame是67，代表這款機械手模型是6軸Stewart六自由度并聯(lián)平臺。

②Tablenum：存儲機械手結構參數(shù)的TABLE起始位置，依次存儲對應模型的機械手結構參數(shù)。

③Axis_Vx：第1個虛擬軸軸號。

④Axis_Vy：第2個虛擬軸軸號。

⑤Axis_Vz：第3個虛擬軸軸號。

⑥Axis_Vrx：第4個虛擬軸軸號。

⑦Axis_Vry：第5個虛擬軸軸號。

⑧Axis_Vrz：第6個虛擬軸軸號。

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Stewart六自由度并聯(lián)平臺模式建立

1.正解建立

以Stewart六自由度并聯(lián)平臺的Frame67模型為例。先將機械手結構參數(shù)從某個Table起始編號依次存儲到Table數(shù)組中，然后選擇對應模型的軸列表，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【幫助文檔】-【RTBasic幫助】-【索引】，在查找欄搜索CONNREFRAME即可查看。

'將機械手參數(shù)從編號TableNum開始依次存儲到Table數(shù)組中
TABLE(Tablestart,rsmall,anglesmall,rlarge,anglelarge,initL,minL,maxL,PulesROneCircle,SmallX,SmallY,SmallZ,InitRx,InitRy,InitRz,position_error_table)
'選擇軸列表
BASE(Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_Vrx,Axis_Vry,Axis_Vrz)
'建立機械手正解
CONNREFRAME(67,Tablenum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4,Axis_J5,Axis_J6)

若機械手正解建立成功，虛擬軸MTYPE(當前運動類型)將顯示為34。此時只能操作關節(jié)軸在關節(jié)坐標系中調整機械手姿態(tài)，手動運動可通過RTSys軟件菜單欄的【工具】-【手動運動】，待【手動運動】界面彈出之后選擇關節(jié)軸軸編號(本文關節(jié)軸以軸0，軸1，軸2，軸3，軸4，軸5為例)，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系中的位置。

2.逆解建立

以Stewart六自由度并聯(lián)平臺的Frame67模型為例。先將機械手結構參數(shù)從某個Table起始編號依次存儲到Table數(shù)組中，然后選擇對應模型的軸列表，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【幫助文檔】-【RTBasic幫助】-【索引】，在查找欄搜索CONNREFRAME即可查看。

'將機械手參數(shù)從編號TableNum開始依次存儲到Table數(shù)組中
TABLE(Tablestart,rsmall,anglesmall,rlarge,anglelarge,initL,minL,maxL,PulesROneCircle,SmallX,SmallY,SmallZ,InitRx,InitRy,InitRz,position_error_table)
'選擇軸列表
BASE(Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4,Axis_J5,Axis_J6) 
'建立機械手逆解
CONNFRAME(67,Tablenum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_Vrx,Axis_Vry,Axis_Vrz)

若機械手逆解建立成功，關節(jié)軸 MTYPE(當前運動類型)將顯示為33?！臼謩舆\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，事先編輯好運動的軌跡在直角坐標系中運動(本文虛擬軸以軸6，軸7，軸8，軸9，軸10，軸11為例)，關節(jié)軸會自動計算在關節(jié)坐標系中如何聯(lián)合運動。

???

程序編輯

RTSys軟件支持basic，hmi混合編程，本例程采用basic結合hmi界面混合編程進行演示?？赏ㄟ^RTSys軟件菜單欄的【HMI】-【工具箱】，選擇空間進行拖拉擺放，設計交互界面。

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)的功能需求然后使用控件綁定，控件的動作均選擇調用函數(shù)。操作流程如下圖：

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調試分析

1.將程序下載到控制器運行，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”機械手正解”。

3.建立正解連接之后，打開正運動機械手仿真軟件ZRobotView，點擊“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然后進行連接。

4.連接成功后，仿真工具上方會顯示當前機械手類別，程序中存入Table中的機械手結構參數(shù)仿真工具也可以查看，且構建出相應參數(shù)的機械手模型。

5.切換到RTSys編程軟件，點擊菜單欄的【工具】-【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)源編號選擇虛擬軸軸號。示波器參數(shù)確認后，點擊開始采集。

6.切換到交互界面，在主界面機械手模式選擇“機械手逆解”，建立逆解模式。然后點擊“啟動”，進行Stewart六自由度并聯(lián)平臺運動展示流程。

7.切換到RTSys軟件的示波器界面觀察Stewart六自由度并聯(lián)平臺在空間坐標系中的運動效果。

教學視頻請點擊→EtherCAT運動控制器Stewart六自由度并聯(lián)平臺應用

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本次，正運動技術EtherCAT運動控制器Stewart六自由度并聯(lián)平臺應用，就分享到這里。

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正運動技術專注于運動控制技術研究和通用運動控制軟硬件產(chǎn)品的研發(fā)，是國家級高新技術企業(yè)。正運動技術匯集了來自華為、中興等公司的優(yōu)秀人才，在堅持自主創(chuàng)新的同時，積極聯(lián)合各大高校協(xié)同運動控制基礎技術的研究。主要業(yè)務有：運動控制卡_運動控制器_EtherCAT運動控制卡_EtherCAT控制器_運動控制系統(tǒng)_視覺控制器__運動控制PLC_運動控制_機器人控制器_視覺定位_XPCIe/XPCI系列運動控制卡等等。