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　　今天我們來學習一下，ZMC運動控制器SCARA機械手應(yīng)用快速入門。

　　控制器接線參考

 　　01 概述

　　SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文譯名：選擇順應(yīng)性裝配機器手臂)是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業(yè)機器人。SCARA機器人可以被制造成各種大小，最常見的工作半徑在100毫米至1000毫米之間，此類的SCARA機器人的凈載重量在1千克至200千克之間。SCARA系統(tǒng)在x,y方向上具有順從性，而在Z軸方向具有良好的剛度，還具有串接的兩桿結(jié)構(gòu)的特點，適用于搬取零件和裝配工作。故SCARA系統(tǒng)大量用于裝配印刷電路板、電子零部件、集成電路板，此外，塑料、汽車、電子產(chǎn)品、藥品和食品等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

　　ZMC運動控制器具有6軸、12軸、20軸、30軸、32軸、60軸、64軸等不同電機軸數(shù)的產(chǎn)品，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、虛擬軸設(shè)置、機械手指令等。本文使用ZMC運動控制器，介紹機械手指令CONNFRAME，在SCARA機械手的應(yīng)用。

　　ZMC運動控制器采用簡單易懂的BASIC程序來二次開發(fā)機械手程序，支持多文件多任務(wù)運行，支持自定義指令，同時提供了強大的ZDevelop開發(fā)環(huán)境，支持PC仿真運行和在線跟蹤調(diào)試，兼容VC的操作習慣，使得復(fù)雜的運動控制變得簡單明了。運動控制器的機械手程序也可以使用常見的PC上位機開發(fā)軟件，例如VC、VB、VS、C++、C#等，根據(jù)不同的開發(fā)環(huán)境，在正運動官網(wǎng)下載PC函數(shù)庫編程資料，找到對應(yīng)的dll連接庫以及相關(guān)文件，編程中使用 ZAux_ Direct_Connframe 和 ZAux_ Direct_Connreframe 指令建立機械手連接。

　　CONNFRAME指令使得在SCARA機械手運動的實現(xiàn)，在編程上簡易、方便;在運動過程中電機運動平滑、精準;客戶對ZMC產(chǎn)品性能及品質(zhì)得到了一致認可，正運動技術(shù)也會對不同客戶的不同需求定制特殊的指令及控制器型號。

 　　02 系統(tǒng)架構(gòu)

　　  01 SCARA 機械手

　　SCARA機械手支持2-4軸，大關(guān)節(jié)軸+小關(guān)節(jié)軸 [+Z 軸] [+末端旋轉(zhuǎn)軸]。

　　本系統(tǒng)應(yīng)用于標準4軸SCARA機械手，2個關(guān)節(jié)軸X，Y，一個上下Z軸，及一個末端旋轉(zhuǎn)軸R?？刂破餍枰С謾C械手功能，采用脫機的方式將編輯好的程序下載到控制器上(也可以用PC監(jiān)視或者實時發(fā)送指令操作)，可利用觸摸屏示教的方式編輯想要運動的軌跡。

　　  02 ZMC 運動控制器

　　ZMC406總線控制器是正運動技術(shù)推出的新一代網(wǎng)絡(luò)6軸運動控制器(可通過擴展模塊來擴展軸，支持多達32軸)，自帶6個脈沖軸接口。

　　支持RS232,RS485,以太網(wǎng),U盤,CAN, EtherCAT通訊接口。EtherCAT高達500us的刷新周期。通過EtherCAT總線，最多可擴展4096個隔離輸入或輸出口。輸出口輸出電流可達 300mA,可直接驅(qū)動部分電磁閥。每軸輸出脈沖頻率可達10MHz。采用優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議可以實現(xiàn)實時的運動控制。支持編碼器位置測量，可以配置為手輪輸入模式。單臺電腦支持多達256個ZMC控制器同時連接。

　　此運動控制器與PCI運動控制卡相比

　　具有如下優(yōu)點：

　　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 ZDevelop開發(fā)環(huán)境來調(diào)試，ZDevelop 是一個很方便的編程、編譯和調(diào)試環(huán)境。ZDevelop 可以通過串口、485、USB 或以太網(wǎng)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 ZDevelop 軟件同時連接到控制器，程序運行時需要動態(tài)庫 zmotion.dll。

　　  03 實現(xiàn)方案

　　方案采用正運動ZMC406型號控制器，實現(xiàn)了SCARA機械手精準、平滑的運動。

　　在支持機械手功能的控制平臺上，通過指令建立機械手實際關(guān)節(jié)軸與虛擬軸的連接，給虛擬軸發(fā)送運動控制指令，通過機械手算法自動計算關(guān)節(jié)軸的運動路徑，從而控制關(guān)節(jié)軸運動。

　　將機械手上的關(guān)節(jié)軸依次接到控制器的脈沖軸接口上。

　　  01 機械手相關(guān)概念

　　  1)關(guān)節(jié)軸與虛擬軸

　　關(guān)節(jié)軸

　　關(guān)節(jié)軸是指實際機械結(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)。

　　由于電機與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)會存在減速比，所以設(shè)置UNITS時要按照實際關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)一圈來設(shè)置，同時TABLE中填寫結(jié)構(gòu)參數(shù)時也要按照旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中心計算，而不是按照電機軸中心計算。

　　虛擬軸

　　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(zhuǎn)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

　　正解

　　通過操作關(guān)節(jié)坐標，再根據(jù)機械結(jié)構(gòu)參數(shù)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(guān)節(jié)軸，虛擬軸自動計算坐標。

　　控制器使用CONNREFRAME指令建立正解模式，此指令作用在虛擬軸上，此時只能操作關(guān)節(jié)軸，關(guān)節(jié)軸也可以做各種運動，但實際運動的軌跡不是直線圓弧，正解模式一般用于手動調(diào)整關(guān)節(jié)位置或上電點位回零。

　　逆解

　　給定一個直角坐標系中的空間位置，反推出各關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)軸上，此時只能操作虛擬軸，對虛擬軸發(fā)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(guān)節(jié)軸在CONNFRAME的作用下會自動運動到逆解后的位置。

　　  02 機械手指令

　　實現(xiàn)指令：CONNFRAME--建立逆解連接

　　描述：將當前關(guān)節(jié)坐標系的目標位置與虛擬坐標系的位置關(guān)聯(lián);關(guān)節(jié)坐標系的運動最大速度受SPEED參數(shù)的限制;當關(guān)節(jié)軸告警等出錯時，此運動會被CANCEL。

　　語法：CONNFRAME(frame，tablenum，viraxis0，viraxis1)

　　frame：坐標系類型，1-scara，(如需針對特殊的機械手類型定制，請聯(lián)系廠家)。

　　tablenum：存儲轉(zhuǎn)換參數(shù)的TABLE位置，frame=1時，以此存放：第一個關(guān)節(jié)軸長度，第二個關(guān)節(jié)軸長度，第一個關(guān)節(jié)軸一圈脈沖數(shù)，第二個關(guān)節(jié)軸一圈脈沖數(shù)。

　　viraxis0：虛擬坐標系第一個軸

　　viraxis1：虛擬坐標系第二個軸

　　實現(xiàn)指令：CONNREFRAME--建立正解連接

　　描述：將虛擬軸的坐標與關(guān)節(jié)軸的坐標關(guān)聯(lián)，關(guān)節(jié)軸運動后，虛擬軸自動走到相應(yīng)的位置。

　　語法：CONNREFRAME(frame，tablenum，viraxis0，viraxis1)

　　frame: 坐標系類型， 1- scara，(如需針對特殊的機械手類型定制，請聯(lián)系廠家)。

　　tablenum: 存儲轉(zhuǎn)換參數(shù)的TABLE位置，frame=1時，以此存放：第一個關(guān)節(jié)軸長度，第二個關(guān)節(jié)軸長度，第一個關(guān)節(jié)軸一圈脈沖數(shù)，第二個關(guān)節(jié)軸一圈脈沖數(shù)。

　　axis0：關(guān)節(jié)坐標系第一個軸

　　axis1：關(guān)節(jié)坐標系第二個軸

　　FRAME描述：Frame = 1，SCARA，如下圖，旋轉(zhuǎn)軸為關(guān)節(jié)軸，末端對應(yīng)位置為虛擬的位置。

　　  03 機械手使用操作步驟

　  　1)確認電機轉(zhuǎn)向是否正確。

　　電機方向及角度范圍定義，各關(guān)節(jié)電機正向如下圖藍色箭頭所示。

　　  2)確認機械手各關(guān)節(jié)軸對應(yīng)到控制器指令參數(shù)的軸次序。

　　選擇各個關(guān)節(jié)軸軸號和對應(yīng)的虛擬軸軸號。

　　  3) TABLE中設(shè)置好機械結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。

　　建立機械手連接時，需要將機械結(jié)構(gòu)參數(shù)按照如下次序依次填寫到 TABLE數(shù)組中。

　　  4)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量要設(shè)置正確。機械手的所有虛擬軸和關(guān)節(jié)軸的長度單位要求統(tǒng)一，一般都是 mm單位。

　　虛擬軸的UNITS跟實際發(fā)送脈沖數(shù)無關(guān)，用于設(shè)置運動精度，虛擬軸的一個 mm的脈沖數(shù)一般建議設(shè)置為1000，表示精度為小數(shù)點后3位。

　　  5)移動各關(guān)節(jié)軸到規(guī)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，同時需要確定好電機轉(zhuǎn)向。

　　SCARA的零點位置為兩個關(guān)節(jié)軸的零點時成一條直線，此時指向虛擬 X 軸的正向。

　　坐標方向：當關(guān)節(jié)軸為0零點的位置時，虛擬軸零點的坐標為(L1+L2,0)，上下伸縮軸零點位置無特殊要求。

　　建立逆解連接之后虛擬軸的DPOS坐標自動校正為(L1+L2,0)。

　　  6)使用CONNREFARME指令建立正解模式。

　　正解模式：

　　BASE(Viraxis_x, Viraxis_y, [Viraxis_v] [,Viraxis_z])

　　CONNREFRAME(1,tablenum, Axis_a,Axis_b[, Axis_c][,Axis_d])

　　WAIT LOADED

　　建立成功后，虛擬軸MTYPE將顯示為34，IDLE顯示為0。此時只能操作關(guān)節(jié)軸在關(guān)節(jié)坐標系中運動，虛擬軸會自動計算末端工作點位于直角坐標系中的位置。

　　  7)操作關(guān)節(jié)軸調(diào)整機械手姿態(tài)，確認在運動中不會發(fā)生干涉(某些結(jié)構(gòu)只有一個姿態(tài))。

　　機械手姿態(tài)在數(shù)學上來說，是同一組虛擬軸數(shù)值有多組關(guān)節(jié)軸的解。即機械手在笛卡爾坐標系中運動到某一坐標點A，可以有多種運動軌跡，這些運動軌跡就對應(yīng)著不同姿態(tài)。

　　SCARA機械手有兩個姿態(tài)，左手姿態(tài)和右手姿態(tài)，只可在正解模式下移動關(guān)節(jié)軸選擇。

　　當前姿態(tài)通過指令FRAME_STATUS指令查詢。

　　在逆解模式下運行時，由于機械結(jié)構(gòu)的問題，會產(chǎn)生無法運動到某一位置或剛體干涉的問題，此時就需要進行姿態(tài)的調(diào)整。

　　機械手姿態(tài)只能在正解模式下操作關(guān)節(jié)軸進行調(diào)整。

　　  8)使用 CONNFARME 指令切換為逆解模式。

　　逆解模式：

　　BASE(Axis_a, Axis_b [,Axis_c] [,Axis_d])

　　CONNFRAME(1,tablenum, Viraxis_x, Viraxis_y, [Viraxis_v] [,Viraxis_z]) WAIT LOADED

　　建立成功后，關(guān)節(jié)軸 MTYPE 將顯示為 33，IDLE 顯示為 0。此時只能操作虛擬軸在直角坐標系中運動，關(guān)節(jié)軸會自動計算在關(guān)節(jié)坐標系中如何聯(lián)合運動。

　　  9) 選擇虛擬軸，發(fā)送運動指令使用。

　　BASE(Viraxis_x, Viraxis_y[,Viraxis_v] [,Viraxis_z])

　　MOVE(dis_x, dis_y [,dis_v] [,dis_z])

　  　04 應(yīng)用例程

　　例如在某自動焊接設(shè)備上加工如下圖所示的工件，SCARA機械手的2個關(guān)節(jié)軸L1、L2長均為250，需要焊接的軌跡為跑道型，1為初始零點，此時關(guān)節(jié)軸坐標為(0,0)，虛擬軸坐標為(500,0)。

　　由零點運動到起始加工點，在運動第2段時需要起焊，關(guān)節(jié)軸先回到起始位置然后運動到工件上方同時Z軸下降，打開起焊IO，延時50ms(因為焊接的液體打開需要一定時間，否則起始點處會漏焊)，然后按軌跡運行。完成跑道焊接后IO關(guān)閉，Z軸上升。

　　加工指令代碼：

　　BASE(6,7,8)                         '啟動逆解連接后，使用運動指令控制虛擬軸運行

　　MOVEABS(300,0,20)          '第1段直線，從零點(500,0,0)運動到(300,0,20)

　　MOVE_OP(0,1)                   '打開起焊IO

　　MOVE_DELAY(50)              '延時50ms

　　MOVEABS(300,100,20)      '第2段直線，從起始焊接點(300,0,20)運動到(300,100,20)

　　MOVECIRCABS(200,100,250,100,0) '第3段圓弧，(300,100,20)運動到(200,100,20)

　　MOVEABS(200,-100,20)     '第4段直線，從(200,100,20)運動到(200,-100,20)

　　MOVECIRCABS(300,-100,250,-100,0) '第5段圓弧，(200,-100,20)運動到(300,-100,20)

　　MOVEABS(300,0,20)          '第6段直線，從(300,-100,20)運動到(300,0,20)

　　MOVE_OP(0,0)                   '加工完成，關(guān)閉IO

　　MOVEABS(300,0,50)          'Z軸上升

　　示波器采樣軌跡：

　　SCARA機械手應(yīng)用例程如下：

　　'**********電機、機械手參數(shù)定義**********

　　DIM L1             '大臂長度

　　DIM L2             '小臂長度

　　DIM L3             'X方向偏移

　　DIM ZDis          '旋轉(zhuǎn)軸一圈，z軸移動距離

　　L1=250

　　L2=250

　　L3=0

　　ZDis=0

　　DIM u_m1         '電機1一圈脈沖數(shù)

　　DIM u_m2         '電機2一圈脈沖數(shù)

　　DIM u_mz         '電機z一圈脈沖數(shù)

　　DIM u_mv         '電機v一圈脈沖數(shù)

　　u_m1=3600

　　u_m2=3600

　　u_mz=3600

　　u_mv=3600

　　DIM i_1             '關(guān)節(jié)1傳動比

　　DIM i_2             '關(guān)節(jié)2傳動比

　　DIM i_z             '關(guān)節(jié)z傳動比

　　DIM i_v             '關(guān)節(jié)v傳動比

　　i_1=2

　　i_2=2

　　i_z=2

　　i_v=2

　　DIM u_j1         '關(guān)節(jié)1實際一圈脈沖數(shù)

　　DIM u_j2 '        關(guān)節(jié)2實際一圈脈沖數(shù)

　　DIM u_jz         '關(guān)節(jié)z實際一圈脈沖數(shù)

　　DIM u_jv         '關(guān)節(jié)v實際一圈脈沖數(shù)

　　u_j1=u_m1*i_1

　　u_j2=u_m2*i_2

　　u_jz=u_mz*i_z

　　u_jv=u_mv*i_v

　　DIM p_z         'z軸螺距

　　p_z=1.5

　　'*************關(guān)節(jié)軸設(shè)置*************

　　BASE(0,1,2,3)                         '選擇關(guān)節(jié)軸號

　　ATYPE=1,1,1,1                       '軸類型設(shè)為脈沖軸

　　UNITS=u_j1/360,u_j2/360,u_jv/360,u_jz/p_z '把z軸units設(shè)成1mm的脈沖數(shù)，其余軸設(shè)成1°的脈沖數(shù)

　　DPOS=0,0,0,0                       '設(shè)置關(guān)節(jié)軸的位置，此處要根據(jù)實際情況來修改。

　　SPEED=100,100,100,100      '速度參數(shù)設(shè)置

　　ACCEL=1000,1000,1000,1000

　　DECEL=1000,1000,1000,1000

　　CLUTCH_RATE=0,0,0,0          '使用關(guān)節(jié)軸的速度和加速度限制

　　'*************虛擬軸設(shè)置*************

　　BASE(6,7,8,9)

　　ATYPE=0,0,0,0                                             '設(shè)置為虛擬軸

　　TABLE(0,L1,L2,u_j1,u_j2,u_jv, L3,ZDis)          '根據(jù)手冊說明填寫參數(shù)

　　UNITS=1000,1000 ,u_jv/360,1000               '運動精度，要提前設(shè)置，中途不能變化

　　SPEED=200,200,200,200                              '速度參數(shù)設(shè)置

　　ACCEL=1000,1000,1000,1000

　　DECEL=1000,1000,1000,1000

　　SRAMP=100,100,100,100         'S曲線

　　MERGE=ON                              '開啟連續(xù)插補

　　CORNER_MODE=2                   '啟動拐角減速

　　DECEL_ANGLE=15*(PI/180)      '開始減速的角度 15度

　　STOP_ANGLE=45*(PI/180)       '降到最低速度的角度45度

　　'*************建立機械手連接*************

　　WHILE 1

    　　IF SCAN_EVENT(IN(0))>0 THEN     '輸入0上升沿觸發(fā)

        　　'建立正解，操作關(guān)節(jié)軸調(diào)整機械手姿態(tài)

        　　BASE(6,7,8,9)                              '選擇虛擬軸號

        　　CONNREFRAME(1,0,0,1,2,3)       '第0/1軸作為關(guān)節(jié)軸，啟動正解連接。

        　　WAIT LOADED                            '等待運動加載

        　　?"正解模式"

        　　ELSEIF SCAN_EVENT(IN(0))<0 THEN '輸入0下降沿觸發(fā)

        　　'建立逆解，操作虛擬軸運行加工程序

        　　BASE(0,1,2,3)                             '選擇關(guān)節(jié)軸號

        　　CONNFRAME(1,0,6,7,8,9)          '第6/7軸作為虛擬的XY軸，啟動逆解連接。

        　　WAIT LOADED                           '等待運動加載，此時會自動調(diào)整虛擬軸的位置。

        　　?"逆解模式"

        　　BASE(6,7,8)                                 '啟動逆解連接后，使用運動指令控制虛擬軸運行

        　　TRIGGER

        　　MOVEABS(300,0,20)                         '第1段直線，從零點(500,0,0)運動到(300,0,20)

        　　MOVE_OP(0,1)                                  '打開起焊IO

        　　MOVE_DELAY(50)                             '延時50ms

        　　MOVEABS(300,100,20)                     '第2段直線，從起始焊接點(300,0,20)運動到(300,100,20)

        　　MOVECIRCABS(200,100,250,100,0)  '第3段圓弧，(300,100,20)運動到(200,100,20)

        　　MOVEABS(200,-100,20)                    '第4段直線，從(200,100,20)運動到(200,-100,20)

        　　MOVECIRCABS(300,-100,250,-100,0) '第5段圓弧，(200,-100,20)運動到(300,-100,20)

        　　MOVEABS(300,0,20)                         '第6段直線，從(300,-100,20)運動到(300,0,20)

        　　MOVE_OP(0,0)                                  '加工完成，關(guān)閉IO

        　　MOVEABS(300,0,50)                         'Z軸上升

    　　ENDIF

　　WEND

　  　05 機械手仿真軟件

　　將程序下載到控制器運行，建立正解或逆解連接之后，打開正運動機械手仿真軟件ZRobotView，點擊“連接”彈出下方窗口，選擇控制器IP，沒有控制器可連接到仿真器查看效果。

　　選擇控制器IP之后連接即可顯示出如下機械手模型，此時可運行運動指令或手動調(diào)試，查看機械手的運行情況。

　　機械手仿真軟件的效果參見視頻尾部演示部分。

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