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ZMC432R-V2運(yùn)動(dòng)控制器介紹

正運(yùn)動(dòng)ZMC432R-V2總線控制器是正運(yùn)動(dòng)技術(shù)推出的新一代網(wǎng)絡(luò)32軸EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器，自帶6個(gè)脈沖軸接口。能實(shí)現(xiàn)總線軸+脈沖軸混合插補(bǔ)的多軸運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合。同時(shí)支持正運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程顯示功能，能提供網(wǎng)絡(luò)組態(tài)顯示，可實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整參數(shù)配置。

ZMC432R-V2硬件功能特性：

（1）支持32軸運(yùn)動(dòng)控制（脈沖+EtherCAT總線），EtherCAT最小通訊周期可達(dá)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(bǔ)；

（4）內(nèi)置多項(xiàng)實(shí)時(shí)性運(yùn)動(dòng)控制功能，例如視覺飛拍、多維PSO、高速位置鎖存，多軸同步運(yùn)行等；

（5）可通過EtherCAT擴(kuò)展模塊進(jìn)行IO硬件資源擴(kuò)展，可擴(kuò)展至4096個(gè)隔離輸入口和4096個(gè)隔離輸出口；

（6）具備豐富的運(yùn)動(dòng)控制功能，如點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、電子凸輪、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)軌跡加工；

（7）支持掉電檢測(cè)、掉電存儲(chǔ)，多種程序加密方式，能夠有效防止系統(tǒng)故障，保護(hù)項(xiàng)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(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，可實(shí)時(shí)仿真、在線跟蹤以及診斷與調(diào)試，簡便易用，支持多種高級(jí)上位機(jī)語言聯(lián)合編程進(jìn)行二次開發(fā)。

• 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(shì)。

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。

• Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)

Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)配置6根伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)空間X、Y、Z平移+RX(繞X軸旋轉(zhuǎn))、RY(繞Y軸旋轉(zhuǎn))、RZ(繞Z軸旋轉(zhuǎn))。

后綴帶R的ZMC432R-V2控制器原生支持Stewart平臺(tái)專用機(jī)械手算法，采用脫機(jī)下載運(yùn)行模式，也可PC在線實(shí)時(shí)發(fā)指令控制；支持觸摸屏示教軌跡編輯、參數(shù)標(biāo)定，快速適配不同機(jī)械尺寸的并聯(lián)平臺(tái)。

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

?剛度大：采用閉環(huán)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，六個(gè)致動(dòng)器共同作用于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，負(fù)載均勻分布，結(jié)構(gòu)剛性好，不易變形。

?承載能力強(qiáng)：承重/自重比大，能夠承載高達(dá)數(shù)噸甚至十噸以上的負(fù)載，適用于重型應(yīng)用場(chǎng)景。

?精度高：無串聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置誤差累積問題，可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)甚至納米級(jí)的定位精度。

?動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異：運(yùn)動(dòng)加速度大，響應(yīng)速度快，適用于高速高精度運(yùn)動(dòng)控制。

?結(jié)構(gòu)緊湊：無需像串聯(lián)機(jī)器人那樣疊加多個(gè)軸，整體結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間。

???

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。可以理解為直角坐標(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)。

正逆解運(yùn)動(dòng)示意圖

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)，并結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，可計(jì)算出末端執(zhí)行器在直角坐標(biāo)系中的空間位置，這一過程稱為正解運(yùn)動(dòng)。在正解模式下，操作的是實(shí)際關(guān)節(jié)軸，而虛擬軸的坐標(biāo)則由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算。控制器使用CONNREFRAME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(guān)節(jié)軸，但關(guān)節(jié)軸可執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)，不過實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡并非直線或圓弧。正解模式通常用于手動(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(duì)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)電動(dòng)缸伸縮方向、模型零點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)極性。

6個(gè)關(guān)節(jié)軸伸出為正向、縮回為反向。關(guān)節(jié)軸零點(diǎn)位置，對(duì)應(yīng)初始桿長度，所有關(guān)節(jié)軸初始位置必須一致。

? 虛擬軸以靜平臺(tái)(下面平臺(tái))的中心為坐標(biāo)零點(diǎn)。

XY平面與靜平臺(tái)平行，Z向上方向，XYZ采用右手法則。連接RTSys軟件與平臺(tái)仿真工具，通過【工具】-【手動(dòng)運(yùn)動(dòng)】，以低速點(diǎn)動(dòng)各關(guān)節(jié)軸，觀察電動(dòng)缸伸縮是否對(duì)應(yīng)動(dòng)平臺(tái)預(yù)設(shè)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(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。Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)FRAME67模型機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)說明如下：

‘從Tablestart編號(hào)開始依次機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)動(dòng)平臺(tái)的半徑、動(dòng)平臺(tái)的短邊角度、靜平臺(tái)的半徑、靜平臺(tái)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(dòng)平臺(tái)中心的 XY 偏移、末端到動(dòng)平臺(tái)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(biāo)到Table中
TABLE(Tablestart,rsmall,anglesmall,rlarge,anglelarge,initL,minL,maxL,PulesROneCircle,SmallX,SmallY,SmallZ,InitRx,InitRy,InitRz,position_error_table)

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)置為關(guān)節(jié)軸連桿走1mm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_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4,Axis_J5,Axis_J6)
'脈沖軸類型設(shè)置為1。若是總線軸類型，可設(shè)置為65 
ATYPE = 1,1,1,1,1,1
UNITS = Units_1,Units_2,Units_3,Units_4,Units_5,Units_6
'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 = 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(shè)置
BASE(Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_Vrx,Axis_Vry,Axis_Vrz)
'虛擬軸軸類型設(shè)置為0,ECAT總線軸設(shè)為65
ATYPE = 0,0,0,0,0,0
'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 = 1000,1000,1000,1000,1000,1000
'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 = 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(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)Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)各關(guān)節(jié)軸的連桿都處于初始桿長時(shí)，認(rèn)為是關(guān)節(jié)零點(diǎn)位置。

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)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)說明書】-見文章附件，查閱對(duì)應(yīng)的機(jī)械手模型參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)選擇。

本文以Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)的FRAME67模型為例介紹，機(jī)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(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：

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(biāo)系類型。參考【正運(yùn)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)說明書】，frame是67，代表這款機(jī)械手模型是6軸Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)。

②Tablenum：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(duì)應(yīng)模型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)。

③Axis_J1：第1個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)。

④Axis_J2：第2個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)。

⑤Axis_J3：第3個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)。

⑥Axis_J4：第4個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)。

⑦Axis_J5：第5個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)。

⑧Axis_J6：第6個(gè)關(guān)節(jié)軸軸號(hào)。

CONNREFRAME - 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：

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(biāo)系類型。參考【正運(yùn)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)說明書】，frame是67，代表這款機(jī)械手模型是6軸Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)。

②Tablenum：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(duì)應(yīng)模型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)。

③Axis_Vx：第1個(gè)虛擬軸軸號(hào)。

④Axis_Vy：第2個(gè)虛擬軸軸號(hào)。

⑤Axis_Vz：第3個(gè)虛擬軸軸號(hào)。

⑥Axis_Vrx：第4個(gè)虛擬軸軸號(hào)。

⑦Axis_Vry：第5個(gè)虛擬軸軸號(hào)。

⑧Axis_Vrz：第6個(gè)虛擬軸軸號(hào)。

???

Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)模式建立

1.正解建立

以Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)的Frame67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(duì)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【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(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(jī)械手正解
CONNREFRAME(67,Tablenum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4,Axis_J5,Axis_J6)

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，軸3，軸4，軸5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Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)的Frame67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(duì)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【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(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(jī)械手逆解
CONNFRAME(67,Tablenum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_Vrx,Axis_Vry,Axis_Vrz)

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?！臼謩?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6，軸7，軸8，軸9，軸10，軸11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?？赏ㄟ^RTSys軟件菜單欄的【HMI】-【工具箱】，選擇空間進(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：

???

調(diào)試分析

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

2.待交互界面彈出后點(diǎn)擊”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，點(diǎn)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(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，點(diǎn)擊開始采集。

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Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(tái)在空間坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)效果。

教學(xué)視頻請(qǐng)點(diǎn)擊→EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)應(yīng)用

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