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一、引言

隨著工業技術的發展，工業機械手的功能和種類越來越豐富，其中并聯機械手也得到了廣泛的應用，特別是在物料分揀這類重復性高，強度大的功能上，與傳統的串聯機械手相比，成本低，性能高。本文主要介紹了并聯機械手結構，正運動總線控制器在三軸并聯機械手的應用以及控制過程的實現。

二、并聯機械手簡介

1.1結構組成及特點

傳統的機械手結構末端執行器與基座之間只有一條運動鏈，我們稱為串聯機械手，而并聯機械手末端執行器至少有兩條運動鏈與基座相連。根據運動鏈的條數n不同，把并聯機械手稱為n軸并聯機械手，常見的一般為3軸機械手或4軸機械手。

圖1三軸機械手                圖2四軸機械手

與串聯機械手相比，并聯機械手具備以下幾個優勢：

1.剛度大，多條運動鏈可以分享載荷。

2.精度高，誤差由多條運動鏈均分，不會像串聯結構那樣誤差累計。

3.運動平穩，主要部件都連接在基座，質心靠近不同的基座，所以運動慣量低。

4.成本低，結構基本都是標準件。

1.2基本參數

并聯機械手結構的基本參數定義如下圖。

圖3并聯機械手基本參數

R:大臂旋轉中心到基座中心的距離。

L1：大臂長度，兩端旋轉中心距離。

L2：小臂長度，兩端旋轉中心距離。

r：小臂末端連接中心到底座中心的距離。

LX:末端工作點相對于底座中心的X偏移，（負向為負數）。

LY:末端工作點相對于底座中心的Y偏移，（負向為負數）。

LZ:末端工作點相對于底座中心的Z偏移，（負向為負數）。

1.3主要應用

并聯機械手目前主要應用在零件檢測和物料分揀上，其結構特點使得運行時速度可以更快，提高生產效率。根據傳感器和控制程序的設置可以實現不同的功能,比如現在出現的三軸并聯機械手結構的3d打印機。

三、EtherCAT簡介

EtherCAT（以太網控制自動化技術）是一個以以太網為基礎的開放架構的現場總線系統，EtherCAT名稱中的CAT為ControlAutomationTechnology（控制自動化技術）首字母的縮寫。最初由德國倍福自動化有限公司(BeckhoffAutomationGmbH)研發。

EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環時間。通過一個以太網幀，可以交換高達1486字節的過程數據，幾乎相當于12000個數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。

與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實際位置和狀態。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。

利用EtherCAT技術的優異性能，可以實現用傳統現場總線系統所無法實現的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態數據與任何數據可并行傳輸。EtherCAT技術使得通訊技術與現代高性能的工業PC相匹配。總線系統不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數據傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現的性能。

四、正運動EtherCAT總線控制器

正運動技術有限公司致力于做更好的運動控制器，非總線的ZMC運動控制器采用華為IPD-CMM軟件開發流程開發，使得產品具備電信級的穩定性；結合了最新的控制理論及網絡控制技術；以太網,RS232,RS485,USB,CAN等多種接口；單控制器最多可以控制多達32個軸。同時結合了傳統PLC和運動控制卡，即可進行邏輯控制，又可進行運動控制，精簡了工業現場的控制設備。

而在發現了市場上對于EtherCAT總線控制器的需求后，正運動技術有限公司更進一步，潛心開發出了EtherCAT總線運動控制器、總線IO擴展和總線軸擴展等一系列產品。本次就采用ZMC464總線控制器對3軸并聯機械手進行控制，外觀如下圖。

圖4 ZMC464總線控制器

ZMC464在非總線運動控制器的基礎上，優化了以下幾點。

最多達64軸運動控制(3脈沖軸+64ECAT軸)；

支持最多達16軸同時直線插補、任意空間圓弧插補、螺旋插補；

支持多機臺同時聯動；

ECAT最快100us的刷新周期；

每軸最大輸出脈沖頻率8MHz；

EtherCAT總線控制器的出現，使得運動控制的響應速度更快，精度更高。現場接線更加簡潔、簡單，驅動器不再需要一一與控制器上的軸接口一一對應，只需要用網線串接驅動器即可，現場控制電箱體積更小。

五、正運動控制方案

本方案使用的3軸并聯機械手如下圖5，基本參數如圖6。

圖5使用的三軸并聯機械手                                       圖6機械手基本參數

對于并聯機械手的控制而言，最為關鍵的是如何將關節軸坐標系轉換為笛卡爾坐標系，操作末端執行器在笛卡爾坐標系中運動，關節軸要能夠自動解算出響應的關節軸坐標，這個過程就是逆解，需要編寫相應的算法。

為了更方便的使用，正運動已經將不同的機械結構算法進行了封裝，使用的時候只需要設置好然機械結構的參數，然后使用CONNFRAME指令調用3軸并聯機械手結構即可。建立連接后，我們就可以通過操作3個虛擬軸使末端執行器移動到笛卡爾坐標系中的指定位置，此時3個關節軸會自動解算需要旋轉的角度。

本方案主要實現直線運動和圓弧運動。

1.控制器接線

使用網線通過EtheaCAT接口將ZMC464與伺服驅動器連接，驅動器要支持EtherCAT總線驅動，這里使用的是邁信EP3驅動器。連接好第一個驅動器后，用網線依次串接剩余驅動器即可，如下圖。

圖7 ZMC464總線控制器接線

2.控制器設置

ZMC總線控制器通過axis_address指令可以設置驅動器綁定的軸號。通過atype()指令可以設置軸的控制類型。本方案采用atype=65位置閉環模式控制機械手。

可以通過DRIVER類型指令直接對驅動器設置，比如drive_mode可以設置驅動器的控制模式（對應驅動器數據字典）。DRIVE_CONTROLWORD設置驅動功能。

也可以通過SDO_READ和SDO_WRITE直接對驅動器進行讀寫。

3.控制程序

過程控制的程序可以通過Zdevelop編寫，使用了Zbasic編程環境。根據需要的功能，可以自定義編寫相應功能的SUB，使程序結構更清晰易讀。本方案包含的功能主要有機械手結構正解逆解的切換、相對絕對模式的切換、G代碼操作、手動操作等。

運動時的實時參數也可通過zdevelop的軸參數查看。

圖8 軸參數列表

3.HMI人機界面

正運動開發了自己的HMI人機界面和手持盒，并加入到ZDevelop編程軟件中，與basic聯合編程，使得在basic編程的同時也可以進行HMI界面設計，程序將一同下載到控制器。通過網線連接控制器與手持盒，會自動顯示出hmi界面。

圖9 HMI界面

4.機械手運動方式

程序中建立了與標準G代碼功能相同的自定義G代碼，如下圖。

圖10 G代碼

操作者可以直接使用G代碼來編寫運動程序，控制3軸機械手的運動軌跡，實現了脫離PC端編程。本方案中主要使用了G01直線運動和G02順圓指令，在笛卡爾坐標系中運動軌跡為，原點位置(0,0,-294)->(0,0,-450)->(180,0,-450)->(180,0,-450)->順時針畫整圓->回原點(0,0,-294)。

5.控制器報警

總線控制器連接好驅動器后，要通過寫指令使驅動器使能并綁定軸號，如果編寫軸指令數量與連接的驅動器數量不一致時，驅動器不會使能，預防因漏接多接可能引起的事故。同時，在運行過程中，如果斷開某一驅動器，運動會立即停止并報警；如果連接新的驅動器，不會對新連接的驅動器操作，直到斷電重啟并修改程序。

可以在命令行輸入?*ethercat，來查看驅動器狀態。

圖11 驅動器狀態

六、結論

通過一段時間的測試，使機械手在不同的速度下運行時都能保持平穩準確。綜上所述，ZMC總線控制器通過basic編寫過程程序，通過HMI組態環境編寫人機界面，二者結合，更加方便了多軸運動控制的實現，而且總線控制器響應速度快，接線簡單方便，在多軸聯動控制方面更具優勢。

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