運(yùn)動(dòng)控制器八通道PSO的視覺飛拍與精準(zhǔn)輸出

本文主要介紹正運(yùn)動(dòng)技術(shù)EtherCAT控制器在多通道視覺飛拍與多點(diǎn)精準(zhǔn)輸出上的應(yīng)用，采用高性能ZMC408CE控制器，控制器內(nèi)部高速FPGA實(shí)現(xiàn)硬件位置比較輸出、精準(zhǔn)輸出功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制+多通道視覺飛拍與精準(zhǔn)輸出功能。

一、硬件介紹

ZMC408CE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(chǎng)合。

ZMC408CE支持8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。

ZMC408CE支持8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個(gè)輸入口和16個(gè)輸出口，部分IO為高速IO，EtherCAT最快100us的刷新周期。

ZMC408CE支持8個(gè)通道的硬件比較輸出、硬件定時(shí)器、運(yùn)動(dòng)中精準(zhǔn)輸出，還支持8通道PWM輸出，對(duì)應(yīng)的輸出口為OUT0-7，支持8個(gè)通道同時(shí)觸發(fā)硬件比較輸出，用于多通道的視覺飛拍場(chǎng)合等。

ZMC408CE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。

ZMC408CE內(nèi)置高精度PSO位置同步輸出功能，在加工圓角與曲線時(shí)即使進(jìn)行有減速調(diào)整，在高速加工的場(chǎng)合中也能控制激光輸出的等間距輸出。

ZMC408CE的PSO功能如何實(shí)現(xiàn)視覺飛拍，請(qǐng)參見下文說明和參考例程。

二、視覺飛拍

針對(duì)傳統(tǒng)的視覺定拍，生產(chǎn)效率不夠高問題，在一些應(yīng)用場(chǎng)合，越來越多的使用視覺飛拍來完成視覺拍照功能。即機(jī)構(gòu)按照既定的軌跡運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)行到拍照點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)軸不停，瞬間完成飛行抓拍的功能。整個(gè)過程中移動(dòng)機(jī)構(gòu)不停止，從而節(jié)省機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間，滿足效率，并且能保證運(yùn)行精度。

（1）在精度保證的同時(shí)，可以不減速，v-t圖如下。

（2）在精度不足的情況下，可以略微降速，分段運(yùn)行，但速度不降為0，v-t圖如下。

三、PSO觸發(fā)飛拍

為保證視覺飛拍的精度，需要在高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合完成觸發(fā)拍照，通過控制器的PSO功能可高速連續(xù)的觸發(fā)輸出，并使得觸發(fā)飛拍信號(hào)之后，輸出口能在一個(gè)脈沖內(nèi)響應(yīng)。

PSO功能由HW_PSWITCH2硬件比較輸出指令實(shí)現(xiàn)。

PSO(position synchronized output)即位置同步輸出，本質(zhì)是通過采集實(shí)時(shí)的編碼器反饋位置(無編碼器可使用輸出的脈沖位置)與比較模式設(shè)定的位置進(jìn)行比較，控制OP高速同步輸出信號(hào)，PSO示意圖如下。

PSO一般與激光器(或點(diǎn)膠噴射閥等設(shè)備)同步輸出信號(hào)進(jìn)行相位同步，在運(yùn)動(dòng)軌跡的所有階段以恒定的空間(或者恒定時(shí)間)間隔觸發(fā)輸出開關(guān)，包括加速、減速和勻速段，從而實(shí)現(xiàn)脈沖能量均勻地作用在被加工物體上。PSO功能的特點(diǎn)就是能高速且穩(wěn)定的輸出信號(hào)，因?yàn)檩敵鼍茸銐蚋?，所以能夠在整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡中以固定的距離觸發(fā)輸出信號(hào)而不用考慮總體速度。即在直線部分以很快的速度運(yùn)動(dòng)，而在圓角部分減速的同時(shí)也能保證輸出間距恒定，通常圓角加工部分在整個(gè)加工過程中占有比較小的部分，這樣在保證加工效果的同時(shí)，就可以最大限度地提高產(chǎn)能。

ZMC408CE運(yùn)動(dòng)控制器的PSO功能能應(yīng)用在轉(zhuǎn)盤視覺篩選機(jī)上，高速控制視覺飛拍篩選，高精度點(diǎn)膠加工，高精度激光加工等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下：

（1）可實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)盤，記錄編碼器的反饋位置；

（2）高速輸入口接傳感器，感應(yīng)并記錄零件來料位置；

（3）PSO硬件位置比較輸出可接2-8個(gè)相機(jī)進(jìn)行視覺飛拍、檢測(cè)和測(cè)量；

（4）PSO硬件位置比較輸出可接吹氣口，對(duì)視覺的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)篩選分類。

通過振動(dòng)盤將零件輸送到高透明玻璃轉(zhuǎn)臺(tái)，其次通過傳感器去感應(yīng)來料的零件，再通過ZMC408CE的高速鎖存輸入口記錄來料的實(shí)際位置，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)到視覺檢測(cè)工位時(shí)，控制器通過高速輸出口觸發(fā)相機(jī)拍照，然后進(jìn)行圖像處理運(yùn)算，最后根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)條件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)篩選，并剔除不良品。

如需咨詢轉(zhuǎn)盤視覺篩選應(yīng)用，請(qǐng)聯(lián)系正運(yùn)動(dòng)技術(shù)相關(guān)人員。

四、PSO功能實(shí)現(xiàn)指令

觸發(fā)連續(xù)視覺飛拍的命令是HW_PSWITCH2，HW_PSWITCH2主要用于設(shè)定觸發(fā)模式和比較輸出的位置，部分模式可搭配HW_TIMER硬件定時(shí)器使用，精準(zhǔn)控制輸出時(shí)刻。

1.HW_PSWITCH2--總線硬件位置比較輸出

HW_PSWITCH2(1,opnum,opstate,tablestart,tableend[,direction])

此指令模式很多，適用于不同的場(chǎng)合，支持一維二維三維的比較，本文主要以TABLE比較點(diǎn)的模式1和模式3展開說明，其他模式參見Basic編程手冊(cè)。

每個(gè)軸均有各自的硬件比較輸出緩沖區(qū)。讀取語(yǔ)法：Buff = HW_PSWITCH2([axisnum])

（1）Mode=1:單軸比較

mode：1-啟動(dòng)比較器opnum：對(duì)應(yīng)的輸出口opstate：第一個(gè)比較點(diǎn)的輸出狀態(tài)tablestart：第一個(gè)比較點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)所在TABLE編號(hào)tableend：最后一個(gè)比較點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)所在TABLE編號(hào)direction：第一個(gè)點(diǎn)判斷方向，0坐標(biāo)負(fù)向，1坐標(biāo)正向，-1不使用方向此模式較為簡(jiǎn)單，需要借助TABLE寄存器，把需要比較輸出的位置坐標(biāo)先存儲(chǔ)到TABLE寄存器，然后PSO控制OP口每到達(dá)一個(gè)比較點(diǎn)的位置便反轉(zhuǎn)一次，直到全部坐標(biāo)點(diǎn)比較完成。示意圖如下，P表示比較點(diǎn)，展示六個(gè)比較點(diǎn)的OP輸出情況。

（2）Mode=2：清除比較點(diǎn)

HW_PSWITCH2(2)

mode：2-停止并刪除沒完成的比較點(diǎn)

使用前需要調(diào)用此模式，清除可能沒有比較完成的數(shù)據(jù)。使用過程中也可以發(fā)送此命令，停止比較。

（3）Mode=3:矢量比較方式

mode：3-啟動(dòng)比較器

opnum：對(duì)應(yīng)的輸出口

opstate：第一個(gè)比較點(diǎn)的輸出狀態(tài)

tablestart：第一個(gè)比較點(diǎn)VECTOR_MOVED所在TABLE編號(hào)

tableend：最后一個(gè)比較點(diǎn)VECTOR_MOVED坐標(biāo)所在TABLE編號(hào)

說明：比較點(diǎn)寫在TABLE中，每到達(dá)一個(gè)比較矢量位置OP反轉(zhuǎn)一次。

使用矢量距離比較時(shí)，與VECTOR_MOVED進(jìn)行比較，建議連續(xù)運(yùn)動(dòng)前設(shè)置VECTOR_MOVED初始值。

2.HW_PS2AXISNUM--設(shè)置PS2軸號(hào)

HW_PS2AXISNUM(axisnum1)=axisnum2

axisnum1：緩沖軸號(hào)

axisnum2：實(shí)際操作的軸號(hào)

HW指令有單獨(dú)的緩沖區(qū)，此指令用于把沒有使用的軸的HW_PSWITCH2緩沖重復(fù)利用起來，指向當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的主軸,，可以對(duì)當(dāng)前的主軸同時(shí)做多個(gè)比較。

3.VECTOR_MOVED--當(dāng)前運(yùn)動(dòng)距離

VECTOR_MOVED=VAR

參數(shù)：VAR返回軸當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的距離，units單位。

對(duì)多軸插補(bǔ)是矢量距離，使用之前最好手動(dòng)清零，使用模式3前注意此指令的初始值設(shè)置是否正確。

五、單軸多通道PSO視覺飛拍

單軸多通道PSO視覺飛拍是在單軸運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)到指定位置觸發(fā)多個(gè)不同相機(jī)進(jìn)行飛拍，觸發(fā)位置來源可以是自行設(shè)定也可以通過傳感器鎖存抓取。飛拍需要支持硬件位置比較輸出、精準(zhǔn)輸出功能以及帶多個(gè)獨(dú)立HW通道的控制器，ZMC408CE有8個(gè)獨(dú)立的HW通道，可以同時(shí)給相機(jī)輸出信號(hào)觸發(fā)飛拍采集。

程序示例：OUT(0)和OUT(1)同時(shí)輸出。

RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE(0)
BASE(0)
ATYPE=1          '脈沖軸類型，比較需求位置DPOS
'ATYPE=4          '帶編碼器的脈沖軸類型，比較編碼器的位置MPOS
UNITS=5000
ACCEL=1000
DECEL=1000
SPEED=100
SRAMP=50
DPOS=0
MPOS=0
OP(0,OFF)
OP(1,OFF)
AXIS_ZSET(0)=19       '編碼器精準(zhǔn)輸出
HW_PS2AXISNUM(1)=0    '將軸1緩沖指向軸0，-1取消
HW_PS2AXISNUM(0)=0    '將軸0緩沖指向軸0，-1取消
HW_PSWITCH2(2) AXIS(0)    '清空軸0比較點(diǎn)
HW_PSWITCH2(2) AXIS(1)    '清空軸1比較點(diǎn)
TABLE(0,50,52,75,77,100,102,125,127,150,152,175,177)    '設(shè)置比較點(diǎn)的table列表
TABLE(20,50,52,60,62,70,72,80,82,100,101,130,131,140,141)    '設(shè)置比較點(diǎn)的table列表
HW_PSWITCH2(1,0,1,0,11,1)  AXIS(0)    '硬件位置比較輸出，針對(duì)OUT(0)
HW_PSWITCH2(1,1,1,20,33,1) AXIS(1)    '硬件位置比較輸出，針對(duì)OUT(1)
TRIGGER   '觸發(fā)示波器
MOVEABS(200)
END

示波器波形如圖所示：采樣4個(gè)通道的波形，依次為軸0的目標(biāo)位置、軸0的速度、輸出口0、輸出口1。

輸出0跟輸出1支持同時(shí)進(jìn)行比較輸出，互相不干擾，均參考軸0的位置輸出。

六、多軸多通道PSO視覺飛拍

多軸多通道PSO視覺飛拍主要應(yīng)用于多個(gè)相機(jī)在多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要多點(diǎn)PSO視覺飛拍的情況。在項(xiàng)目中常常需要的是在插補(bǔ)直線或插補(bǔ)圓弧軌跡上進(jìn)行比較輸出，這個(gè)時(shí)候如果將插補(bǔ)軌跡拆分成對(duì)應(yīng)的各個(gè)軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)，運(yùn)算量會(huì)非常大，不符合實(shí)際應(yīng)用。所有對(duì)于多軸位置比較觸發(fā)飛拍時(shí)，我們常常會(huì)使用插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)矢量合成距離來確定整個(gè)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)位置，在這個(gè)坐標(biāo)上設(shè)置比較點(diǎn)位置進(jìn)行比較。

程序示例：OUT(0)，OUT(1)各自同步軸0，軸1多軸插補(bǔ)的PSO輸出。

RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE(0)
WAIT IDLE(1)
BASE(0,1)
ATYPE=1,1
UNITS=1000,1000
ACCEL=1000,1000
DECEL=1000,1000
SPEED=100,100
SRAMP=50,50
MERGE=1        '開啟連續(xù)插補(bǔ)
DPOS=0,0
MPOS=0,0
OP(0,OFF)
OP(1,OFF)
VECTOR_MOVED=0
AXIS_ZSET(0)=19                      '編碼器精準(zhǔn)輸出
HW_PS2AXISNUM(1)=-1                   '取消設(shè)置
HW_PS2AXISNUM(1)=0                    '設(shè)置PS2軸號(hào),將軸1緩沖指向軸0
HW_PSWITCH2(2) AXIS(0)          '清空軸0比較點(diǎn)
HW_PSWITCH2(2) AXIS(1)            '清空軸1比較點(diǎn)
TABLE(0,50,52,75,77,100,102,125,127,150,152,175,177)        '設(shè)置比較點(diǎn)的table列表
TABLE(20,50,55,80,88,100,102,130,135,160,162,175,180)        '設(shè)置比較點(diǎn)的table列表
HW_PSWITCH2(3,0,1,0,11) AXIS(0)     '硬件位置比較輸出，針對(duì)OUT(0)
HW_PSWITCH2(3,1,1,20,31) AXIS(1)    '硬件位置比較輸出，針對(duì)OUT(1)
TRIGGER                    '觸發(fā)示波器
BASE(0,1)                 '兩軸插補(bǔ)
MOVEABS(40,40)         '直線插補(bǔ)
MOVECIRCABS(40,-40,40,0,1) '圓弧插補(bǔ)
MOVEABS(0,0)         '直線插補(bǔ)
END

示波器波形如圖所示：采樣4個(gè)通道的波形，依次為軸0的目標(biāo)位置，軸1的目標(biāo)位置、輸出口0、輸出口1。輸出0跟輸出1在不同的位置同時(shí)進(jìn)行比較輸出，每到一個(gè)比較點(diǎn)位置輸出口反轉(zhuǎn)一次，總共比較12次，每次輸出脈沖寬度控制在2個(gè)脈沖內(nèi)均支持。

YT模式：數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化。

XY模式：兩軸合成插補(bǔ)軌跡。

XYZ模式：三通道數(shù)據(jù)合成軌跡，OP(0)隨XY軸合成矢量距離變化情況。

XYZ模式：三通道數(shù)據(jù)合成軌跡，OP(1)隨XY軸合成矢量距離變化情況。

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審核編輯黃宇