1 引言
Delta 3D机构是一种典型的3杆并联机构,具有刚性强、精度高、承重能力大、自身负荷小等优点,广泛应用于高速抓取、搬运机器人平台。目前市场上已经有许多专门针对Delta 3D机构开发的运动控制系统。本文主要介绍采用西门子公司SIMOTION运动控制系统,通过调用SIMOTION内置的Delta 3D picker机器人模型,采用直线、圆弧、多项式等路径插补功能,实现抓取器的各种运动轨迹控制。
2 机械结构
抓取平台的主要结构如图所示,由驱动电机、静平台(固定电机)、动平台(固定抓取器)、主动臂(由电机驱动)、从动臂(碳纤维杆)和铰链等部件构成,如图1所示。
3 控制系统构成
平台的控制系统选用SIMOTION D435为控制核心,通过Profibus DP总线扩展系统I/O,通过工业以太网连接触摸屏和上位机。
由于Delta 3D机构需要完成3轴联动的路径插补功能,所以控制器选用运算能力强的D435和相应的SIMOTION D435多轴授权包(包括POS、GEAR、CAM授权)。为方便扩展试验平台的各种功能,分布式I/O采用了ET 200S-IM 151-1紧凑型32DI和IM 151-1高性能型接口模板,以及FESTO公司的CPX-Terminal系列阀岛,系统硬件配置如图2所示,系统网络配置如图3所示。
西门子公司的SIMOTION运动控制系统集成了传统的PLC和伺服驱动器。SIMOTION将运动控制、PLC和技术功能融合在一起,具备定位、同步操作、电子凸轮和插补等功能,用户可以像编辑PLC程序一样简单灵活地创建运动顺序。用户只要规划出抓取器的运动轨迹,设定运动参数,系统会自动计算并驱动伺服电机完成整个运动过程。
4 Delta 3D机构运动模型介绍
SIMOTION系统支持的Delta 3D机构运动模型如以图4、5、6所示[1]。
图中各字母的定义如下:
1) A1、A2、A3为三条主动臂的关节轴线。ZP为运动机构零点,位于A1、A2、A3三根关节轴线中垂线的交点,到轴线的距离均为d1。
2) G1、G2、G3、G4、G5、G6为连接铰链。EP为运动机构末点,位于G4、G5、G6三根铰链中垂线的交点,到铰链的距离均为d2。
3) A1G1、A2G2、A3G3为三条主动臂,长度均为L1。
4) G1G4、G2G5、G3G6为三条从动臂,长度均为L2。
对应于实际的抓取平台,d1为伺服电机输出轴线到静平台中心的垂直距离,d2为动平台铰链轴线到平台中心的垂直距离,L1 为主动臂轴线长度,L2为从动臂轴线长度。以上数据以抓取平台机械设计数据为准。
5 SIMOTION路径插补功能(Path interpolation)介绍
Simotion Scout提供三种路径插补功能块,分别是直线插补(_movePathLinear)、圆弧插补(_movePathCircular)、多项式插补(_movePathPolynomial)。三种路径插补的空间轨迹如图7所示[1]。
5.1 直线插补
直线插补(_movePathLinear)是最简单的轨迹控制,调用功能块Traverse path linearly,在参数设定菜单中输入运动目标点的空间坐标。程序运行时,系统会计算出从当前位置到目标点的直线轨迹。
5.2 圆弧插补
圆弧插补(_movePathCircular),调用功能块Traverse path circularly。圆弧插补有三种轨迹控制方式:
1、在二维平面中,基于圆弧半径、目标位置和运动方向的平面插补(Radius,end point and orientation)。
在参数设定界面中输入运动目标点的空间坐标位置和圆弧半径,系统会计算出从当前位置到目标点的圆弧轨迹。在输入圆弧半径时,请注意半径必须大于空间两点之间距离的一半。设定运动参数时还要确认运动轨迹的大小圆弧方式和运动方向。运动轨迹如图8所示。
2、在二维平面中,基于圆心坐标、旋转角度的平面插补(Center and angle)。
在参数设定界面中输入圆心坐标、旋转角度和运动方向,系统会计算出目标位置和从当前点到目标点的运行轨迹。运动轨迹如图9所示。
3、在二维平面或三维空间中,基于中间插补点和目标位置的插补(Immediate and end point)。
在参数设定界面输入目标点和中间插补点的空间坐标,系统会计算出从当前点经过中间插补点到达目标点的圆弧运动轨迹。如果选择在二维平面中进行基于中间插补点和目标位置的插补运动,请确保中间插补点和目标点的空间坐标在同一平面内,否则程序运行时系统会报错。运动轨迹如图10所示。
5.3 多项式插补
多项式插补(_movePathPolynomial),调用功能块Traverse path using polynomials。在一些复杂轨迹控制时,圆弧插补无法满足设计需求,这时就需要采用多项式插补的方式计算轨迹。
使用多项式插补时,需提供运动起点、终点的几何微分数据,既起点和终点的运动切线向量(tangential vector)和曲率向量(curvature vector),如图11所示。
为获取插补运动起点和终点的向量,Simotion Scout提供了一组专用的系统功能块(_getLinearPathGeometricData)、(_getCirculaPathGeomericData)和(_getPolynomialPathGeomerticData),分别用于直线插补、圆弧插补和多项式插补。用户也可以在参数设定界面直接输入起点和终点的向量。
在参数设定界面输入目标点空间坐标,调用通过功能块获取的插补运动起点和终点的运动向量,系统会计算出多项式插补的运动轨迹。
6 控制系统功能介绍
6.1 配置带有路径插补(Path interpolation)功能的轴
由于Delta 3D平台的三根驱动轴的运动控制采用了路径插补功能,所以在配置轴时必须激活轴的路径插补功能(Path interpolation)。
6.2 建立路径对象(PATH OBJECTS)
完成三根驱动轴的配置后,在Simotion Scout的项目浏览器中建立路径对象(PATH OBJECTS)。通过interconnections界面(如图12所示),将配置好的三根轴分配给建立的路径对象。在路径对象的专家列表(Expert List,如图13所示)中输入Delta 3D机构运动模型的机械参数,建控制系统与机械结构之间的关联。
6.3 系统零点设置(Home axis)
三条主动臂的驱动电机采用的是绝对值编码器,在抓取平台安装好之后,只需要设置一次零点,将机械零点与系统零点统一。
机械零点的位置是三条主动臂均为水平位置(φA1=φA2=φA3=90°)。通过点动驱动电机使主动臂到达水平位置。Scout提供了专用的点动命令(_mc_jog)用于控制电机运行。用户可以按照工艺要求设定点动命令的各I/O点。
当主动臂到达水平位置后,调用Single axis commands命令集中的回零(Home axis)命令设定电机的绝对值编码器。
根据主动臂的机械结构(如图14所示),回零类型(Homing type)为带偏置的绝对值标准(Absolute encoder calibration with specification of the position value),将零点偏置(Home Position coordinates)设定为-5.575°。
当三台主动臂驱动电机都完成回零设置,Delta 3D机构的机械零点就与伺服运动控制系统的电子零点统一,控制系统可以通过读取绝对编码器的值判定抓取器的空间位置。
6.4 运动轨迹规划
抓取平台最初的实验轨迹是一个二维平面内的类门字框轨迹,整个抓取器和负载的全重为14公斤,轨迹如图15所示。
抓取器的运行轨迹由五个点(A、B、C、D、E)构成闭环回路。具体流程为,抓取器从E点出发,向下运行至A点,抓取物体后,向上运行至B点,转向运行至C点,释放物体后向上运行至D点,最后返回E点。其中从D2点到E2点的弧形轨迹采用的是多项式插补方式,其它各段都采用的是直线插补方式。
按照多项式插补的要求,D2和E2分别为插补轨迹的起点和终点。D-D2和E2-E两段为直线运动,因此D2、E2两点的切线向量(tangential vector)和曲率向量(curvature vector)由直线D-D2和E2-E确定。在多项式插补运动参数设定界面,直接输入D点和D2点的空间坐标,系统即可计算出插补起点D2点的切线向量和曲率向量。输入E2点和E点的空间坐标,系统即可计算插补终点E2的切线向量和曲率向量。
如果D-D2和E2-E两段为圆弧或多项式插补方式,为获取D2、E2两点的切线和曲率向量必须使用前文介绍的Simotion Scout提供的专用系统功能块。
7 结束语
目前Delta 3D 抓取平台主要担负各种抓取装置的实验平台,所以运行轨迹以类门字框为主,Simotion系统提供的直线插补功能在定位精度、动态响应方面都完全满足实验需要。在今后的实验中,将会调整抓取器的运动空间,减少各种干涉因素,尝试进行圆弧插补和更复杂的多项式插补,充分发挥Simotion系统在运动控制方面的各种优势。
参考文献:
[1] 西门子公司.SIMOTION Motion Control Technology Object Path Interpolation Function Manual[Z].北京:西门子公司,2007.
作者简介:尤晨(1976-),男,工程师,长期从事食品、饮料机械的研究与开发工作。