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正运动EtherCAT总线控制器在并联机械手上的应用

导读: 本文主要介绍了并联机械手结构,正运动总线控制器在三轴并联机械手的应用以及控制过程的实现。

一、引言:

随着工业技术的发展,工业机械手的功能和种类越来越丰富,其中并联机械手也得到了广泛的应用,特别是在物料分拣这类重复性高,强度大的功能上,与传统的串联机械手相比,成本低,性能高。本文主要介绍了并联机械手结构,正运动总线控制器在三轴并联机械手的应用以及控制过程的实现。

二、并联机械手简介

1.1结构组成及特点

传统的机械手结构末端执行器与基座之间只有一条运动链,我们称为串联机械手,而并联机械手末端执行器至少有两条运动链与基座相连。根据运动链的条数n不同,把并联机械手称为n轴并联机械手,常见的一般为3轴机械手或4轴机械手。

正运动EtherCAT总线控制器在并联机械手上的应用

图1 三轴机械手图

正运动EtherCAT总线控制器在并联机械手上的应用

图2 四轴机械手

与串联机械手相比,并联机械手具备以下几个优势:

1.刚度大,多条运动链可以分享载荷。

2.精度高,误差由多条运动链均分,不会像串联结构那样误差累计。

3.运动平稳,主要部件都连接在基座,质心靠近不同的基座,所以运动惯量低。

4.成本低,结构基本都是标准件。

1.2基本参数

并联机械手结构的基本参数定义如下图。

正运动EtherCAT总线控制器在并联机械手上的应用

图3 并联机械手基本参数

R:大臂旋转中心到基座中心的距离。

L1:大臂长度,两端旋转中心距离。

L2:小臂长度,两端旋转中心距离。

r:小臂末端连接中心到底座中心的距离。

LX:末端工作点相对于底座中心的X偏移,(负向为负数)

LY: 末端工作点相对于底座中心的Y偏移,(负向为负数)

LZ: 末端工作点相对于底座中心的Z偏移,(负向为负数)

1.3主要应用

并联机械手目前主要应用在零件检测和物料分拣上,其结构特点使得运行时速度可以更快,提高生产效率。根据传感器和控制程序的设置可以实现不同的功能,比如现在出现的三轴并联机械手结构的3d打印机。

三、EtherCAT简介

EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统,EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology(控制自动化技术)首字母的缩写。开始由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。

EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs,其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧,可以交换高达1486字节的过程数据,几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。

与100个伺服轴的通讯只需100μs。在此期间,可以向所有轴提供设置值和控制数据,并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1微秒。

利用 EtherCAT 技术的优异性能,可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样,通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT技术使得通讯技术与现代高性能的工业PC相匹配。总线系统不再是控制理念的瓶颈。分布式I/O的数据传递超过了只能由本地I/O接口才能实现的性能。

四、正运动EtherCAT总线控制器

正运动技术有限公司致力于做更好的运动控制器,非总线的ZMC运动控制器采用华为 IPD-CMM 软件开发流程开发,使得产品具备电信级的稳定性;结合了新的控制理论及网络控制技术; 以太网,RS232,RS485, USB,CAN 等多种接口;单控制器最多可以控制多达 32 个轴。同时结合了传统PLC和运动控制卡,即可进行逻辑控制,又可进行运动控制,精简了工业现场的控制设备。

而在发现了市场上对于EtherCAT总线控制器的需求后,正运动技术有限公司更进一步,潜心开发出了EtherCAT总线运动控制器、总线IO扩展和总线轴扩展等一系列产品。本次就采用ZMC464总线控制器对3轴并联机械手进行控制,外观如下图。

正运动EtherCAT总线控制器在并联机械手上的应用

图4 ZMC464总线控制器

ZMC464在非总线运动控制器的基础上,优化了以下几点。

最多达 64 轴运动控制(3 脉冲轴+64ECAT 轴);

支持最多达 16 轴同时直线插补、 任意空间圆弧插补、 螺旋插补 ;

支持多机台同时联动;

ECAT 最快 100us 的刷新周期;

每轴最大输出脉冲频率 8MHz;

EtherCAT总线控制器的出现,使得运动控制的响应速度更快,精度更高。现场接线更加简洁、简单,驱动器不再需要一一与控制器上的轴接口一一对应,只需要用网线串接驱动器即可,现场控制电箱体积更小。

五、正运动控制方案

本方案使用的3轴并联机械手如下图5,基本参数如图6。

正运动EtherCAT总线控制器在并联机械手上的应用

图5 使用的三轴并联机械手

正运动EtherCAT总线控制器在并联机械手上的应用

图6 机械手基本参数

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