ZMC406硬件介紹

ZMC406是正運動推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運動控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運動控制器可應用于各種需要脫機或聯機運行的場合。

ZMC406支持6軸運動控制，最多可擴展至32軸，支持直線插補、任意圓弧插補、空間圓弧、螺旋插補、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨等功能。

ZMC406支持PLC、Basic、HMI組態三種編程方式。PC上位機API編程支持C#、C++、LabVIEW、Matlab、Qt、Linux、VB.Net、Python等接口。

ZMC406支持6軸運動控制，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。

此類運動控制器與PCI運動控制卡相比具有如下優點：

(1)不使用插槽，穩定性更好；

(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軟件的復雜性等優勢。

ZMC控制器通過RTSys開發環境來調試，RTSys是一個方便的編程、編譯和調試環境。RTSys可以通過串口、以太網、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。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庫zmotion.dll。

Delta機械手支持3-4軸，關節軸1+關節軸2+關節軸3+[末端旋轉軸4]。后綴帶R的控制器支持Delta機械手功能，例如ZMC406R。

ZMC406R可以采用脫機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動的軌跡。也可以用PC API函數調用方式或者實時發送指令操作，在PC上位機C#，C++，Labview，Python等語言來開發Delta機械手的應用。

??? 機械手相關概念

1、關節軸與虛擬軸

（1）關節軸：是指實際機械結構中的旋轉關節，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）時要按照實際關節旋轉一圈來設置，同時TABLE中填寫結構參數時也要按照旋轉關節中心計算，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。

2、正解運動與逆解運動

（1）正解運動：通過操作關節坐標，再根據機械結構參數可以計算出末端位置在直角坐標系的空間位置，這個過程稱為正解運動。此時操作的是實際關節軸，虛擬軸自動計算坐標。此時只能操作關節軸運動，正解模式一般用于手動調整關節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，實際關節軸自動解算坐標并運動。控制器使用CONNFRAME指令建立逆解模式，此指令作用在關節軸上，此時只能操作虛擬軸，對虛擬軸發送運動指令，可以在笛卡爾坐標系中做直線，圓弧，空間圓弧等運動，關節軸在CONNFRAME的作用下會自動運動到逆解后的位置。

??? 機械手使用操作步驟

1、確認電機轉向是否正確。

3個關節軸向下旋轉時為正向。末端旋轉軸逆時針旋轉為正向(俯視)。

連接上機械手仿真工具，通過Rtsys軟件菜單欄的【工具】-【手動運動】，以較小的速度分別操作3個關節軸移動，觀察各個關節軸下桿移動過程中是否趨向末端工作點，若是則說明電機轉向是正確的。

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。

建立機械手連接時，需要將機械結構參數按照如下次序依次填寫到TABLE數組中。Delta機械手FRAME12模型機械結構參數說明如下。

‘從TableNum編號開始依次機械手結構參數上間距半徑、下間距半徑、上桿長度、下桿長度、第一個關節軸旋轉一圈的脈沖數、第二個關節軸旋轉一圈的脈沖數、第三個關節軸旋轉一圈的脈沖數、末端與下面中心點的X偏移、末端與下面中心點的Y偏移、末端與下面中心點的Z偏移、第四個關節軸旋轉一圈的脈沖數到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、設置關節軸參數及虛擬軸參數。

各軸的軸類型和脈沖當量(units)要設置正確，設置為電機走1°需要的脈沖數。虛擬軸的units跟實際發送脈沖數無關，用于設置運動精度，虛擬軸的1mm的脈沖數一般建議設置為1000，表示精度為小數點后3位。

'關節軸設置
BASE(Axis_JList(0),Axis_JList(1),Axis_JList(2),Axis_JList(3))
'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 
UNITS = UnitsJList(0),UnitsJList(1),UnitsJList(2),UnitsJList(3)
'設置關節軸速度、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 = 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)
'虛擬軸設置
BASE(Axis_VList(0),Axis_VList(1),Axis_VList(2))
'虛擬軸軸類型設置為0
ATYPE = 0,0,0
'虛擬軸脈沖當量設置為1000--表示精度為小數點后3位
UNITS = 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 = 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、移動各關節軸到規定的零點位置。

機械手算法建立時，需要有個零點位置作為參考。當Delta機械手

各關節軸的連桿L1都處于水平位置時，認為是關節零點位置。實際現場機械手機臺

一般有定位銷，沒有定位銷的話可以通過水平儀把連桿L1調整至水平。

5、根據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是有差異的，可通過“正運動機械手指令手冊說明”（文章末尾掃碼查看），查閱對應的機械手模型參數進行確認選擇。

本文以Delta的FRAME12模型(有末端旋轉軸,使用關節軸操作旋轉軸)為例介紹，機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：

將虛擬軸的坐標與關節軸的坐標關聯，關節軸運動后，虛擬軸自動走到相應的位置。

指令語法:

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

參數說明:

frame：坐標系類型。參考【正運動機械手指令手冊說明】，

frame是12，代表這款機械手模型是4軸Delta且

關節軸操作末端旋轉軸。Tablenum：存儲機械手結構參數的TABLE起始位置，依次存儲對應模型的機械手結構參數。Axis_J1：第1個關節軸軸號Axis_J2：第2個關節軸軸號Axis_J3：第3個關節軸軸號Axis_J4：第4個關節軸軸號

2、CONNFRAME -- 建立逆解連接

指令描述：

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

指令語法：

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

參數說明：

frame：坐標系類型。參考【正運動機械手指令手冊說明】，

frame是12，代表這款機械手模型是4軸Delta且

關節軸操作末端旋轉軸。Tablenum：存儲機械手結構參數的TABLE起始位置，依次存儲對應模型的機械手結構參數。Axis_Vx：第1個虛擬軸軸號Axis_Vy：第2個虛擬軸軸號Axis_Vz：第3個虛擬軸軸號Axis_J4：第4個關節軸軸號

??? Delta機械手模式建立

1、正解建立

以Delta機械手的Frame12模型為例。

先將機械手結構參數從某個Table起始編號依次存儲到Table數組中，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【常用】-【幫助文檔】-【RTBasic幫助】-【索引】，在查找欄搜索CONNREFRAME即可查看。

'將機械手參數從編號TableNum開始依次存儲到Table數組中
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)
'建立機械手正解
CONNREFRAME(FrameType,TableNum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4)

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，此時只能操作關節軸在關節坐標系中調整機械手姿態，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軸軸編號（本文關節軸以軸0，軸1，軸2，末端旋轉軸軸3為例），然后根據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Delta機械手的Frame12模型為例。先將機械手結構參數從某個Table起始編號依次存儲到Table數組中，然后選擇對應模型的軸列表，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。

'將機械手參數從編號TableNum開始依次存儲到Table數組中
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) 
'建立機械手逆解
CONNFRAME(FrameType,TableNum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4)

若機械手逆解建立成功，關節軸MTYPE(當前運動類型)將顯示為33，【手動運動】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10，軸11，軸12為例），關節軸會自動計算在關節坐標系中如何聯合運動。

??? 程序編輯

RTSys軟件支持Basic，HMI與PLC混合編程，本例程采用Basic結合HMI界面混合編程進行演示。可通過RTSys軟件菜單欄的【HMI】-【工具箱】，選擇控件進行拖拉擺放，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，編輯子函數的功能（工程源碼見文章末尾）需求然后使用控件綁定，控件的動作均選擇調用函數。操作流程如下圖。

??? 應用例程

1、需求描述

Delta機械手逆解建立時以零點位置為參考，確定一個安全高度。基本動作為機械手上升到安全高度去固定的取料點上方，然后下降打開Op口通過真空吸的方式去取料，延時抬升到安全高度然后運動到固定的2*2碼盤位置，下降到碼盤位置關閉Op進行放料，然后抬升依次循環直到將碼盤放滿后停止。

2、加工代碼

'啟動標志位置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)
'打開連續插補
MERGE = ON
'每次啟動臨時總數清零
TmpSum = 0
'運動到零點位置參考的安全高度
MOVEABS(0,0,SafeHigh)
FOR Col=1 TO 2
   FOR Row=1 TO 2
       '運動到取料點上方
       MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SafeHigh)
       '下降到取料點
       MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SrcBorrow_Z)
       '打開Op口吸附取料
       MOVE_OP(8,ON)
       '延時
       MOVE_DELAY(300)
       '上升到安全高度
       MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SafeHigh)
       '運動到碼盤放料點上方位置
       MOVEABS(-5*Row,5*Col,SafeHigh)
       '下降到碼盤放料點位置
       MOVEABS(-5*Row,5*Col,SrcBorrow_Z)
       '關閉Op口進行放料
       MOVE_OP(8,OFF)
       '延時 
       MOVE_DELAY(300)
       '上升到安全高度
       MOVEABS(-5*Row,5*Col,SafeHigh)
       '臨時總數自增
       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)
'啟動標志位置0
StartFlag = 0

??? 調試分析

1、將程序下載到控制器運行，先后點擊RTSys軟件菜單欄的【工具】-【插件】-【XPLC SCREEN】。

2、待交互界面彈出后，在主界面機械手模式選擇”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口連接）。這里以網口連接為例，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仿真工具也可以查看，且構建出相應參數的機械手模型。

5、切換到RTSys編程軟件，先后點擊菜單欄的【常用】-【示波器】。待示波器窗口彈出后選擇XYZ模式，從三維空間觀察動作演示效果。數據源選擇DPOS（規劃位置），數據源編號選擇虛擬軸軸號。示波器參數確認后，先后點擊【停止】-【啟動】-【手動觸發】。

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機械手每次來回取放料過程，始終保持在安全高度下進行升降，這樣確保在實際加工的平穩性。

本次，正運動技術EtherCAT運動控制器Delta機械手應用，就分享到這里。

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審核編輯 黃宇