EtherCAT運(yùn)動控制器在UVW對位平臺中的應(yīng)用

ZMC406硬件介紹

ZMC406是正運(yùn)動推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場合。

ZMC406支持6軸運(yùn)動控制，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。

ZMC406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。

ZMC406支持6軸運(yùn)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(yùn)動控制器與PCI運(yùn)動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。

ZMC控制器通過RTSys開發(fā)環(huán)境來調(diào)試，RTSys是一個方便的編程、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)試時可以把RTSys軟件同時連接到控制器，程序運(yùn)行時需要動態(tài)庫zmotion.dll。

ZMC4系列控制器支持PPR，PRP結(jié)構(gòu)的3軸UVW平臺，關(guān)節(jié)軸U+關(guān)節(jié)軸V+關(guān)節(jié)軸W。采用脫機(jī)的方式將編輯好的程序下載到控制器上（也可以用PC監(jiān)視或者實(shí)時發(fā)送指令操作)，可利用觸摸屏示教的方式編輯想要運(yùn)動的軌跡。

??? UVW對位平臺介紹

1、UVW平臺

UVW平臺，也被稱為XXY平臺或XYR對位平臺，是一種高精度移動平臺，專為高精度對位設(shè)備而設(shè)計。

該平臺屬于三軸并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)，通過控制三個線性移動軸的并聯(lián)運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)以平面上任意一點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及沿任意方向平移。這種設(shè)計使得UVW平臺在工業(yè)自動化中成為一個核心技術(shù)，特別適用于需要高精度對位功能的應(yīng)用場景。

2、UVW平臺的應(yīng)用場景與優(yōu)勢

UVW平臺與視覺CCD糾偏系統(tǒng)對接在一起，可以迅速完成高精度的糾偏工作，其重復(fù)定位精度一般可達(dá)±1μm。與以前的xyθ平臺相比，UVW平臺在控制精度和靈活性方面都有顯著的優(yōu)勢。

UVW平臺的控制精度高于xyθ平臺，并且它可以在平面上的任意一點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而xyθ平臺的旋轉(zhuǎn)中心則必須固定在平臺上某處并隨平臺一同運(yùn)動。

此外，UVW平臺需要一個絕對坐標(biāo)系作為參考系，而xyθ平臺則使用隨平臺動的坐標(biāo)系作為參考系。UVW平臺?作模式如下圖：

UVW平臺主要應(yīng)用于曝光機(jī)、絲印機(jī)、貼合機(jī)等PCB及半導(dǎo)體等行業(yè)。在這些應(yīng)用中，UVW平臺通過配合機(jī)器視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度對位功能，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量?？偟膩碚f，UVW平臺以其高精度、高靈活性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為現(xiàn)代工業(yè)自動化中不可或缺的一部分。

3、PPR結(jié)構(gòu)和PRP結(jié)構(gòu)的UVW平臺區(qū)別

UVW平臺的PPR和PRP結(jié)構(gòu)區(qū)別主要體現(xiàn)在其構(gòu)型和應(yīng)用特點(diǎn)上。

首先，從構(gòu)型上來看，PPR和PRP結(jié)構(gòu)代表了UVW平臺的不同設(shè)計方式。這兩種結(jié)構(gòu)都是UVW平臺的常見形式，但它們在具體的機(jī)械布局、運(yùn)動軸的配置以及關(guān)節(jié)連接方式等方面可能存在差異。這種差異使得PPR和PRP結(jié)構(gòu)在剛度、穩(wěn)定性以及精度等方面可能表現(xiàn)出不同的性能。

其次，從應(yīng)用特點(diǎn)上來看，PPR結(jié)構(gòu)的UVW平臺可能更注重于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和精度，適用于對精度要求較高且需要穩(wěn)定運(yùn)動的場景。而PRP結(jié)構(gòu)的UVW平臺可能在一些特定的應(yīng)用場景中具有優(yōu)勢，比如在一些需要更高靈活性或更復(fù)雜運(yùn)動模式的場合。

??? 正運(yùn)動UVW機(jī)械手模型

正運(yùn)動技術(shù)UVW平臺運(yùn)動控制算法于UVW有三種常見模型：FRAME33、FRAME34、FRAME37。

分別對應(yīng)兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)（PRP、PPR）跟兩個坐標(biāo)系方向（XYY、XXY），可以實(shí)現(xiàn)單軸直線運(yùn)動、兩軸線性插補(bǔ)、兩軸圓弧插補(bǔ)、空間圓弧等復(fù)雜運(yùn)動。

一、FRAME33-UVW對位平臺(PRP結(jié)構(gòu)-XYY或XXY)

原理：通過安裝于同一平面的三個驅(qū)動軸的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)定位要求（以下圖示均以平臺回零后的初始位置為基準(zhǔn)）。

A、電機(jī)方向及角度范圍

虛擬的XY滿足右手法則，角度正向與虛擬XY滿足右手法則，實(shí)際電機(jī)軸方向無要求，根據(jù)實(shí)際情況填寫結(jié)構(gòu)參數(shù)即可。

B、TABLE寄存器依次存入機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)

建立機(jī)械手連接時，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。FRAME33模型機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)說明如下。

從TableNum編號開始依次機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)U軸的距離參數(shù)，V軸的距離參數(shù)，W軸的距離參數(shù)，虛擬旋轉(zhuǎn)軸一圈脈沖數(shù)，U軸的方向，V軸的方向，W軸的方向到Table中。

TABLE(TableNum,lu,lv,lw,angleonecircle,diru,dirv,zdirw)。例程從TABLE(100)開始依次填入Frame所需機(jī)械參數(shù)。

C、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)置為電機(jī)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)動精度，虛擬軸的脈沖當(dāng)量一般設(shè)置為1000，表示精度為小數(shù)點(diǎn)后3位。

D、確定機(jī)械手零點(diǎn)位置

FRAME33需要保證VW軸是水平的。平臺上任意一點(diǎn)可作為零點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)參數(shù)正確即可。

E、建立機(jī)械手正逆解

正解建立：以FRAME33模型為例。先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(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【常用】-【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TableNum開始依次存儲到Table數(shù)組中 TABLE(TableNum,lu,lv,lw,angleonecircle,diru,dirv,zdirw) '選擇軸列表 BASE(Viraxis_x, Viraxis_y,Viraxis_v) '建立機(jī)械手正解 CONNREFRAME(33,tablenum, Axis_a,Axis_b,Axis_c)

若機(jī)械手正解建立成功，虛擬軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為34，此時只能操作關(guān)節(jié)軸在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)，手動運(yùn)動可通過RTSys軟件菜單欄的【工具】-【手動運(yùn)動】，待【手動運(yùn)動】界面彈出之后選擇關(guān)節(jié)軸軸編號(本文關(guān)節(jié)軸以軸0（U軸），軸1(V軸)，軸2(W軸))然后根據(jù)實(shí)際需求選擇點(diǎn)動或者寸動。虛擬軸會自動計算末端工作點(diǎn)位于直角坐標(biāo)系中的位置。

逆解建立：以Frame33模型為例。先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jī)械手參數(shù)從編號TableNum開始依次存儲到Table數(shù)組中 TABLE(TableNum,lu,lv,lw,angleonecircle,diru,dirv,zdirw) '選擇軸列表 BASE(Axis_a,Axis_b,Axis_c) '建立機(jī)械手逆解 CONNFRAME(33,tablenum, Viraxis_x, Viraxis_y,Viraxis_v)

若機(jī)械手逆解建立成功，關(guān)節(jié)軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為33，【手動運(yùn)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(yùn)動的軌跡在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(本文虛擬軸以軸3，軸4，軸5為例)，關(guān)節(jié)軸會自動計算在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中如何聯(lián)合運(yùn)動。

二、FRAME34-UVW對位平臺(PPR結(jié)構(gòu)-XXY)

結(jié)構(gòu)示意圖

A、電機(jī)方向及角度范圍

虛擬的XY滿足右手法則，角度正向與虛擬XY滿足右手法則，實(shí)際電機(jī)軸方向無要求，根據(jù)實(shí)際情況填寫結(jié)構(gòu)參數(shù)即可。

B、TABLE寄存器依次存入機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)

建立機(jī)械手連接時，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。FRAME34模型機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)說明如下。

從TableNum編號開始依次機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)U軸的距離參數(shù)，V軸的距離參數(shù)，W軸的距離參數(shù)，U軸零點(diǎn)時和X軸的角度，V軸零點(diǎn)時和X軸的角度，W軸零點(diǎn)時和X軸的角度，虛擬旋轉(zhuǎn)軸一圈脈沖數(shù)，U軸的方向，V軸的方向，W軸的方向到Table中。

TABLE(TableNum,Ru,Rv,Rw,Uangle,Vangle,Wangle,angleonecircle,diru,dirv,dirw)

C、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)置為電機(jī)走1°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)動精度，虛擬軸的脈沖當(dāng)量一般設(shè)置為1000，表示精度為小數(shù)點(diǎn)后3位。

D、確定機(jī)械手零點(diǎn)位置

FRAME34保證VW軸是水平的，并平行X軸，U平行Y軸。平臺上任意一點(diǎn)可作為零點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)參數(shù)正確即可。

E、建立機(jī)械手正逆解

正解建立：以FRAME34模型為例。先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(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【常用】-【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TableNum開始依次存儲到Table數(shù)組中 TABLE(TableNum,Ru,Rv,Rw,Uangle,Vangle,Wangle,angleonecircle,diru,dirv,dirw) '選擇軸列表 BASE(Viraxis_x, Viraxis_y,Viraxis_v) '建立機(jī)械手正解 CONNREFRAME(34,tablenum, Axis_a,Axis_b,Axis_c)

若機(jī)械手正解建立成功，虛擬軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為34，此時只能操作關(guān)節(jié)軸在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)，手動運(yùn)動可通過RTSys軟件菜單欄的【工具】-【手動運(yùn)動】，待【手動運(yùn)動】界面彈出之后選擇關(guān)節(jié)軸軸編號(本文關(guān)節(jié)軸以軸0（U軸），軸1(V軸)，軸2(W軸))然后根據(jù)實(shí)際需求選擇點(diǎn)動或者寸動。虛擬軸會自動計算末端工作點(diǎn)位于直角坐標(biāo)系中的位置。

逆解建立：以FRAME34模型為例。先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jī)械手參數(shù)從編號TableNum開始依次存儲到Table數(shù)組中 TABLE(TableNum,Ru,Rv,Rw,Uangle,Vangle,Wangle,angleonecircle,diru,dirv,dirw)'選擇軸列表 BASE(Axis_a,Axis_b,Axis_c) '建立機(jī)械手逆解 CONNFRAME(34,tablenum, Viraxis_x, Viraxis_y,Viraxis_v)

若機(jī)械手逆解建立成功，關(guān)節(jié)軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為33，【手動運(yùn)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(yùn)動的軌跡在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(本文虛擬軸以軸3，軸4，軸5為例)，關(guān)節(jié)軸會自動計算在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中如何聯(lián)合運(yùn)動。

三、FRAME37-UVW對位平臺(PPR結(jié)構(gòu)-YYX)

A、電機(jī)方向及角度范圍

虛擬的XY滿足右手法則，角度正向與虛擬XY滿足右手法則，實(shí)際電機(jī)軸方向無要求，根據(jù)實(shí)際情況填寫結(jié)構(gòu)參數(shù)即可。

B、TABLE寄存器依次存入機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)

建立機(jī)械手連接時，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。FRAME37模型機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)說明如下。

從TableNum編號開始依次機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)U軸的距離參數(shù)，V軸的距離參數(shù)，W軸的距離參數(shù)，U軸零點(diǎn)時和X軸的角度，V軸零點(diǎn)時和X軸的角度，W軸零點(diǎn)時和X軸的角度，虛擬旋轉(zhuǎn)軸一圈脈沖數(shù)，U軸的方向，V軸的方向，W軸的方向到Table中。

TABLE(TableNum,Ru,Rv,Rw,Uangle,Vangle,Wangle,angleonecircle,diru,dirv,dirw)。

C、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)置為電機(jī)走1°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)動精度，虛擬軸的脈沖當(dāng)量一般設(shè)置為1000，表示精度為小數(shù)點(diǎn)后3位。

D、確定機(jī)械手零點(diǎn)位置

FRAME37保證VW軸是水平的，并平行X軸，U平行Y軸。平臺上任意一點(diǎn)可作為零點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)參數(shù)正確即可。

E、建立機(jī)械手正逆解正解建立：

以FRAME37模型為例。先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(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【常用】-【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TableNum開始依次存儲到Table數(shù)組中 TABLE(TableNum,Ru,Rv,Rw,Uangle,Vangle,Wangle,angleonecircle,diru,dirv,dirw) '選擇軸列表 BASE(Viraxis_x, Viraxis_y,Viraxis_v) '建立機(jī)械手正解 CONNREFRAME(37,tablenum, Axis_a,Axis_b,Axis_c)

若機(jī)械手正解建立成功，虛擬軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為34，此時只能操作關(guān)節(jié)軸在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)，手動運(yùn)動可通過RTSys軟件菜單欄的【工具】-【手動運(yùn)動】，待【手動運(yùn)動】界面彈出之后選擇關(guān)節(jié)軸軸編號(本文關(guān)節(jié)軸以軸0（U軸），軸1(V軸)，軸2(W軸))然后根據(jù)實(shí)際需求選擇點(diǎn)動或者寸動。虛擬軸會自動計算末端工作點(diǎn)位于直角坐標(biāo)系中的位置。

逆解建立：以FRAME37模型為例。先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jī)械手參數(shù)從編號TableNum開始依次存儲到Table數(shù)組中 TABLE(TableNum,Ru,Rv,Rw,Uangle,Vangle,Wangle,angleonecircle,diru,dirv,dirw)'選擇軸列表 BASE(Axis_a,Axis_b,Axis_c) '建立機(jī)械手逆解 CONNFRAME(37,tablenum, Viraxis_x, Viraxis_y,Viraxis_v)

若機(jī)械手逆解建立成功，關(guān)節(jié)軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動類型)將顯示為33，【手動運(yùn)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(yùn)動的軌跡在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(本文虛擬軸以軸3，軸4，軸5為例)，關(guān)節(jié)軸會自動計算在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中如何聯(lián)合運(yùn)動。

??? 例程演示

RTSys軟件支持Basic，HMI與PLC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)計交互界面。

1、將程序下載到控制器運(yùn)行，先后點(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“UVW平臺”按鈕，根據(jù)實(shí)際硬件選擇對應(yīng)UVW類型和配置對應(yīng)機(jī)械參數(shù)。

3、選擇完UVW平臺類型和設(shè)置好機(jī)械參數(shù)后，點(diǎn)擊“機(jī)械參數(shù)”按鈕進(jìn)行軸參數(shù)配置。

4、設(shè)置好UVW平臺和軸參數(shù)后，點(diǎn)擊“手動運(yùn)動”進(jìn)行正逆解切換，和操作對應(yīng)軸進(jìn)行運(yùn)動。

本次，正運(yùn)動技術(shù)EtherCAT運(yùn)動控制器在UVW對位平臺中的應(yīng)用，就分享到這里。

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審核編輯 黃宇