ZMC406硬件介绍

ZMC406是正运动推出的一款多轴高性能EtherCAT总线运动，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盘等通讯接口，ZMC系列运动可应用于各种需要脱机或联机运行的场合。

ZMC406支持6轴运动控制，最多可扩展至32轴，支持直线插补、任意圆弧插补、空间圆弧、螺旋插补、电子凸轮、电子齿轮、同步跟随等功能。

ZMC406支持PLC、Basic、HMI组态三种编程方式。PC上位机API编程支持C#、C++、LabVIEW、Matlab、Qt、Linux、VB.Net、Python等接口。

ZMC406支持6轴运动控制，可采用脉冲轴(带编码器反馈)或EtherCAT总线轴，通用IO包含24路输入口和12路输出口，模拟量AD/DA各两路，EtherCAT最快125us的刷新周期。

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此类运动与PCI运动控制卡相比具有如下优点：

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(1)不使用插槽，稳定性更好;(2)可以选用MINI电脑或ARM工控电脑，降低整体成本;(3)直接做接线板使用，节省空间;(4)上可以并行运行程序，与PC只需要简单交互，降低PC软件的复杂性等优势。 ZMC通过RTSys开发环境来调试，RTSys是一个方便的编程、编译和调试环境。RTSys可以通过串口、以太网、PCI和LOCAL与建立连接。应用程序可以使用VC，VB，VS，C++Builder，C#等软件来开发。调试时可以把RTSys软件同时连接到，程序运行时需要动态库zmotion.dll。Delta机械手支持3-4轴，关节轴1+关节轴2+关节轴3+[末端旋转轴4]。后缀带R的支持Delta机械手功能，例如ZMC406R。ZMC406R可以采用脱机的方式将编辑好的程序下载到上，可利用触摸屏示教的方式编辑想要运动的轨迹。也可以用PC API函数调用方式或者实时发送指令操作，在PC上位机C#，C++，Labview，Python等语言来开发Delta机械手的应用。

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机械手相关概念

1、关节轴与虚拟轴

(1)关节轴：是指实际机械结构中的旋转关节，在程序中一般显示旋转角度(某些结构也是平移轴)。由于电机与旋转关节会存在减速比，所以设置脉冲当量UNITS(电机走1mm或者1°需要的脉冲数)时要按照实际关节旋转一圈来设置，同时TABLE中填写结构参数时也要按照旋转关节中心计算，而不是按照电机轴中心计算。(2)虚拟轴：不是实际存在的，抽象为世界坐标系的6个自由度，依次为X、Y、Z、RX、RY、RZ。可以理解为直角坐标系的三个直线轴和三个旋转轴，用来确定机械手末端工作点的加工轨迹与坐标。

2、正解运动与逆解运动

(1)正解运动：通过操作关节坐标，再根据机械结构参数可以计算出末端位置在直角坐标系的空间位置，这个过程称为正解运动。此时操作的是实际关节轴，虚拟轴自动计算坐标。此时只能操作关节轴运动，正解模式一般用于手动调整关节位置或上电点位回零。(2)逆解运动：给定一个直角坐标系中的空间位置，反推出各关节轴坐标，这个过程称为逆解运动。此时操作的是虚拟轴，实际关节轴自动解算坐标并运动。使用CONNFRAME指令建立逆解模式，此指令作用在关节轴上，此时只能操作虚拟轴，对虚拟轴发送运动指令，可以在笛卡尔坐标系中做直线，圆弧，空间圆弧等运动，关节轴在CONNFRAME的作用下会自动运动到逆解后的位置。

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机械手使用操作步骤

1、确认电机转向是否正确。

3个关节轴向下旋转时为正向。末端旋转轴逆时针旋转为正向(俯视)。连接上机械手仿真工具，通过Rtsys软件菜单栏的【工具】-【手动运动】，以较小的速度分别操作3个关节轴移动，观察各个关节轴下杆移动过程中是否趋向末端工作点，若是则说明电机转向是正确的。

2、TABLE寄存器(上电后自动生成)依次存入机械手结构参数。建立机械手连接时，需要将机械结构参数按照如下次序依次填写到TABLE数组中。Delta机械手FRAME12模型机械结构参数说明如下。

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‘从TableNum编号开始依次机械手结构参数上间距半径、下间距半径、上杆长度、下杆长度、第一个关节轴旋转一圈的脉冲数、第二个关节轴旋转一圈的脉冲数、第三个关节轴旋转一圈的脉冲数、末端与下面中心点的X偏移、末端与下面中心点的Y偏移、末端与下面中心点的Z偏移、第四个关节轴旋转一圈的脉冲数到Table中。TABLE(TableNum,Top_R,Under_R,Top_L,Under_L,OneCirPules_J1,OneCirPules_J2,OneCirPules_J3,Offset_X,Offset_Y,Offset_Z,OneCirPules_J4)

3、设置关节轴参数及虚拟轴参数。

各轴的轴类型和脉冲当量(units)要设置正确，设置为电机走1°需要的脉冲数。虚拟轴的units跟实际发送脉冲数无关，用于设置运动精度，虚拟轴的1mm的脉冲数一般建议设置为1000，表示精度为小数点后3位。

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关节轴设置BASE(Axis_JList(0),Axis_JList(1),Axis_JList(2),Axis_JList(3))脉冲轴类型设置为1。若是总线轴类型，可设置为65 ATYPE = 1,1,1,1 UNITS = UnitsJList(0),UnitsJList(1),UnitsJList(2),UnitsJList(3)设置关节轴速度、加速度(一般设置为速度的10倍)、减速度(一般设置为速度的10倍)SPEED = SpeedJList(0),SpeedJList(1),SpeedJList(2),SpeedJList(3) ACCEL = ADSpeedJList(0),ADSpeedJList(1),ADSpeedJList(2),ADSpeedJList(3)DECEL = ADSpeedJList(0),ADSpeedJList(1),ADSpeedJList(2),ADSpeedJList(3)S曲线SRAMP = SrampJ(0),SrampJ(1),SrampJ(2),SrampJ(3)虚拟轴设置BASE(Axis_VList(0),Axis_VList(1),Axis_VList(2))虚拟轴轴类型设置为0ATYPE = 0,0,0虚拟轴脉冲当量设置为1000--表示精度为小数点后3位UNITS = 1000,1000,1000设置虚拟轴速度、加速度(一般设置为速度的10倍)、减速度(一般设置为速度的10倍)SPEED = SpeedVList(0),SpeedVList(1),SpeedVList(2)ACCEL = AccelV(0),AccelV(1),AccelV(2)DECEL = DecelV(0),DecelV(1),DecelV(2)S曲线SRAMP = SrampV(0),SrampV(1),SrampV(2)

4、移动各关节轴到规定的零点位置。

机械手算法建立时，需要有个零点位置作为参考。当Delta机械手各关节轴的连杆L1都处于水平位置时，认为是关节零点位置。实际现场机械手机台一般有定位销，没有定位销的话可以通过水平仪把连杆L1调整至水平。

5、根据需求建立正解或逆解控制机械手。

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机械手指令说明

不同的机械手模型参数是有差异的，可通过“正运动机械手指令手册说明”(文章末尾扫码查看)，查阅对应的机械手模型参数进行确认选择。本文以Delta的FRAME12模型(有末端旋转轴,使用关节轴操作旋转轴)为例介绍，机械手正解与逆解的指令说明如下。

1、CONNREFRAME -- 建立正解连接指令描述：将虚拟轴的坐标与关节轴的坐标关联，关节轴运动后，虚拟轴自动走到相应的位置。指令语法:CONNREFRAME(frame,tablenum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4) 参数说明:frame：坐标系类型。参考【正运动机械手指令手册说明】，frame是12，代表这款机械手模型是4轴Delta且关节轴操作末端旋转轴。Tablenum：存储机械手结构参数的TABLE起始位置，依次存储对应模型的机械手结构参数。Axis_J1：第1个关节轴轴号Axis_J2：第2个关节轴轴号Axis_J3：第3个关节轴轴号Axis_J4：第4个关节轴轴号

2、CONNFRAME -- 建立逆解连接

指令描述：将当前关节坐标系的目标位置与虚拟坐标系的位置关联;关节坐标系的运动最大速度受SPEED参数的限制;当关节轴告警等出错时，此运动会被CANCEL。指令语法：CONNFRAME(frame,tablenum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4) 参数说明：frame：坐标系类型。参考【正运动机械手指令手册说明】，frame是12，代表这款机械手模型是4轴Delta且关节轴操作末端旋转轴。Tablenum：存储机械手结构参数的TABLE起始位置，依次存储对应模型的机械手结构参数。Axis_Vx：第1个虚拟轴轴号Axis_Vy：第2个虚拟轴轴号Axis_Vz：第3个虚拟轴轴号Axis_J4：第4个关节轴轴号

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Delta机械手模式建立

1、正解建立

以Delta机械手的Frame12模型为例。先将机械手结构参数从某个Table起始编号依次存储到Table数组中，然后选择对应模型的轴列表，使用CONNREFRAME指令建立正解模式。

指令说明可通过Rtsys软件菜单栏的【常用】-【帮助文档】-【RTBasic帮助】-【索引】，在查找栏搜索CONNREFRAME即可查看。

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将机械手参数从编号TableNum开始依次存储到Table数组中TABLE(TableNum,Top_R,Under_R,Top_L,Under_L,OneCirPules_J1,OneCirPules_J2,OneCirPules_J3,Offset_X,Offset_Y,Offset_Z,OneCirPules_J4)选择轴列表BASE(Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4)建立机械手正解CONNREFRAME(FrameType,TableNum,Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4)

若机械手正解建立成功，虚拟轴MTYPE(当前运动类型)将显示为34，此时只能操作关节轴在关节坐标系中调整机械手姿态，手动运动可通过RTSys软件菜单栏的【工具】-【手动运动】，待【手动运动】界面弹出之后选择关节轴轴编号(本文关节轴以轴0，轴1，轴2，末端旋转轴轴3为例)，然后根据实际需求选择点动或者寸动。虚拟轴会自动计算末端工作点位于直角坐标系中的位置。

2、逆解建立

以Delta机械手的Frame12模型为例。先将机械手结构参数从某个Table起始编号依次存储到Table数组中，然后选择对应模型的轴列表，使用CONNFRAME指令建立正解模式。指令说明可通过Rtsys软件工具栏的【常用】-【帮助文档】-【RTBasic帮助】-【索引】，在查找栏搜索CONNFRAME查看。

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将机械手参数从编号TableNum开始依次存储到Table数组中TABLE(TableNum,Top_R,Under_R,Top_L,Under_L,OneCirPules_J1,OneCirPules_J2,OneCirPules_J3,Offset_X,Offset_Y,Offset_Z,OneCirPules_J4)选择轴列表BASE(Axis_J1,Axis_J2,Axis_J3,Axis_J4) 建立机械手逆解CONNFRAME(FrameType,TableNum,Axis_Vx,Axis_Vy,Axis_Vz,Axis_J4)

若机械手逆解建立成功，关节轴MTYPE(当前运动类型)将显示为33，【手动运动】界面操作虚拟轴方法同上。此时加工工艺指令只能操作虚拟轴，事先编辑好运动的轨迹在直角坐标系中运动(本文虚拟轴以轴10，轴11，轴12为例)，关节轴会自动计算在关节坐标系中如何联合运动。

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程序编辑

RTSys软件支持Basic，HMI与PLC混合编程，本例程采用Basic结合HMI界面混合编程进行演示。可通过RTSys软件菜单栏的【HMI】-【工具箱】，选择控件进行拖拉摆放，设计交互界面。

在本次例程中均先在bas文件中定义全局的SUB子函数，编辑子函数的功能(工程源码见文章末尾)需求然后使用控件绑定，控件的动作均选择调用函数。操作流程如下图。

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应用例程

1、需求描述

Delta机械手逆解建立时以零点位置为参考，确定一个安全高度。基本动作为机械手上升到安全高度去固定的取料点上方，然后下降打开Op口通过真空吸的方式去取料，延时抬升到安全高度然后运动到固定的2*2码盘位置，下降到码盘位置关闭Op进行放料，然后抬升依次循环直到将码盘放满后停止。

2、加工代码

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启动标志位置1StartFlag = 1LOCAL SafeHigh,i安全高度SafeHigh = DPOS(Axis_VList(2))-25行,列LOCAL Row,Col固定的取料点位置LOCAL SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SrcBorrow_ZSrcBorrow_X = 5SrcBorrow_Y = 5SrcBorrow_Z = SafeHigh-20选择虚拟轴BASE(Axis_VList(0),Axis_VList(1),Axis_VList(2))设置加工的速度、加速度、减速度SPEED = SpeedVList(0)ACCEL = AccelV(0)DECEL = DecelV(0)打开连续插补MERGE = ON每次启动临时总数清零TmpSum = 0运动到零点位置参考的安全高度MOVEABS(0,0,SafeHigh)FOR Col=1 TO 2 FOR Row=1 TO 2 运动到取料点上方 MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SafeHigh) 下降到取料点 MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SrcBorrow_Z) 打开Op口吸附取料 MOVE_OP(8,ON) 延时 MOVE_DELAY(300) 上升到安全高度 MOVEABS(SrcBorrow_X,SrcBorrow_Y,SafeHigh) 运动到码盘放料点上方位置 MOVEABS(-5*Row,5*Col,SafeHigh) 下降到码盘放料点位置 MOVEABS(-5*Row,5*Col,SrcBorrow_Z) 关闭Op口进行放料 MOVE_OP(8,OFF) 延时 MOVE_DELAY(300) 上升到安全高度 MOVEABS(-5*Row,5*Col,SafeHigh) 临时总数自增 TmpSum = TmpSum+1 NEXTNEXT等待所有轴停止WAIT UNTIL IDLE(Axis_VList(0)) AND IDLE(Axis_VList(1)) AND IDLE(Axis_VList(2))DELAY(10)RAPIDSTOP(2)DELAY(10)启动标志位置0StartFlag = 0

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调试分析

1、将程序下载到运行，先后点击RTSys软件菜单栏的【工具】-【插件】-【XPLC SCREEN】。

2、待交互界面弹出后，在主界面机械手模式选择”机械手正解”。

3、建立正解连接之后，打开正运动机械手仿真软件ZRobotView，点击“连接”弹出”连接”窗口，然后选择连接的方式(仿真工具支持串口和网口连接)。这里以网口连接为例，在IP栏选择的IP然后进行连接。

4、连接成功后，仿真工具上方会显示当前机械手类别，程序中存入Table中的机械手结构参数仿真工具也可以查看，且构建出相应参数的机械手模型。

5、切换到RTSys编程软件，先后点击菜单栏的【常用】-【示波器】。待示波器窗口弹出后选择XYZ模式，从三维空间观察动作演示效果。数据源选择DPOS(规划位置)，数据源编号选择虚拟轴轴号。示波器参数确认后，先后点击【停止】-【启动】-【手动触发】。

6、切换到交互界面，在主界面机械手模式选择”机械手逆解”，建立逆解模式。然后点击“启动”，进行需求工艺的加工流程。

7、切换到RTSys软件的示波器界面观察加工效果，Delta机械手每次来回取放料过程，始终保持在安全高度下进行升降，这样确保在实际加工的平稳性。

完整代码获取地址

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本次，正运动技术EtherCAT运动Delta机械手应用，就分享到这里。