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1 路徑插補(bǔ)功能簡介
1.1 基本概念
插補(bǔ)的概念源于數(shù)控機(jī)床,。在數(shù)控機(jī)床中,，刀具不能嚴(yán)格地按照要求加工的曲線(直線)運(yùn)動(dòng)，只能用折線軌跡逼近所要加工的曲線,。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)依照一定方法確定刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的過程,，叫做插補(bǔ)。也可以說,，已知曲線上的某些數(shù)據(jù),，按照某種算法計(jì)算已知點(diǎn)之間的中間點(diǎn)的方法，或者稱為“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”,。插補(bǔ)的動(dòng)作過程：在每個(gè)插補(bǔ)周期（極短時(shí)間,，一般為毫秒級）內(nèi),，根據(jù)指令、進(jìn)給速度計(jì)算出一個(gè)微小直線段的數(shù)據(jù),，刀具沿著微小直線段運(yùn)動(dòng),，經(jīng)過若干個(gè)插補(bǔ)周期后，刀具從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn),，完成輪廓的加工,。
路徑運(yùn)動(dòng)初來自于機(jī)器人和CNC領(lǐng)域，用機(jī)器人編程語言或G-Code編程,。它是指在多維空間中,，通過一組軸的協(xié)作動(dòng)作，各軸之間無主從之分,，它們按照設(shè)定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,，實(shí)現(xiàn)路徑對象從起點(diǎn)到終點(diǎn)的的路徑軌跡運(yùn)動(dòng)。
路徑插補(bǔ)產(chǎn)生路徑的運(yùn)行軌跡,，計(jì)算插補(bǔ)周期內(nèi)的路徑插補(bǔ)點(diǎn),，并通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換獲得對應(yīng)插補(bǔ)周期內(nèi)插補(bǔ)點(diǎn)的各路徑軸設(shè)定值。
隸屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的單獨(dú)軸在S7 technology中被為路徑軸,，路徑軸通過路徑對象執(zhí)行路徑運(yùn)動(dòng),。參考圖1 路徑軸與路徑對象。
圖1 路徑軸與路徑對象
1.2 S7-Technology 路徑功能特點(diǎn)
S7-Technology 路徑插補(bǔ)功能概述：
> 從S7-Technology V4.2開始
> 允許進(jìn)行3軸插補(bǔ)操作
> 路徑插補(bǔ)可以通過直線,、圓弧,、多項(xiàng)式表示實(shí)現(xiàn)
> Move Path命令可以組成連續(xù)運(yùn)動(dòng)
> 支持多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
> 可以與外部位置值同步，實(shí)現(xiàn)傳送帶跟蹤功能
S7-Technology 路徑插補(bǔ)的技術(shù)特點(diǎn)：
> 所有的路徑軸都相互同步移動(dòng)
> 所有的路徑軸都同時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置
> 路徑軌跡的移動(dòng),，將會(huì)始終是以一個(gè)固定的合成速度進(jìn)行 (如果動(dòng)態(tài)
特性限制沒有被超越)
> 低速度性能的軸,，決定了整個(gè)軌跡的高動(dòng)態(tài)特性
路徑差補(bǔ)可以執(zhí)行多3軸之間的2D或者3D的線性、圓弧或者多項(xiàng)式插補(bǔ),，路徑差補(bǔ)工藝對象(TO) ,，適用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)控制范疇，一個(gè)共同的系統(tǒng)中,，可以存在多個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)控制結(jié)構(gòu),。同步于路徑軸的“同步軸”，仍然可以實(shí)現(xiàn)同步控制,，例如,，旋轉(zhuǎn)，凸輪開關(guān),，測量功能,。通過圖形化編輯器，可以簡便地設(shè)置機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)控制系統(tǒng)的參數(shù)；通過動(dòng)態(tài)特性輪廓窗口,，可以輕松定義路徑的動(dòng)態(tài)特性,；通過軌跡點(diǎn)表格，可以輕松定義路徑差補(bǔ),，計(jì)劃目的地路徑,。另外還可以定義保護(hù)防撞區(qū)域和實(shí)現(xiàn)傳送帶位置的精確跟蹤。
1.3 機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的選擇
T-CPU 所實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué),，等同于人們過去所熟悉機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué),。可以將它們分為如下兩種不同的類型,。參考圖2 在 T-CPU 中集成的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué),。
圖2 在 T-CPU 中集成的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)
不同的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)TCP (Tool Center Point，工具中心點(diǎn)或機(jī)械運(yùn)動(dòng)端點(diǎn))相同的路徑運(yùn)動(dòng)功能,。盡管在某些情況下,，不同的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)相同的路徑運(yùn)動(dòng)，但是,，如果機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)選擇不合理,，將有可能無法完成的路徑功能。所以,，必須根據(jù)實(shí)際的工藝需求選擇合適的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),，并在工廠布局中考慮該機(jī)構(gòu)的的合理安裝位置。參考圖3 不同機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化,。
圖3 不同機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化
2 路徑插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)方法
2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡介
常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型請參考圖 4 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,。
圖 4 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
下面介紹一些常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。直角坐標(biāo)機(jī)器人 (英文名：Cartesian coordinate robot),，大型的直角坐標(biāo)機(jī)器人也稱桁架機(jī)器人或龍門式機(jī)器人,，由多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系的、多用途的操作機(jī)器,。工作的行為方式主要是通過完成沿著X,、Y、Z軸上的線性運(yùn)動(dòng),。因末端操作工具的不同,，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動(dòng)化設(shè)備，完成如焊接,、搬運(yùn),、上下料、包裝,、碼垛、拆垛、檢測,、探傷,、分類、裝配,、貼標(biāo),、噴碼、打碼,、（軟仿型）噴涂等一系列工作,。參考圖5 直角坐標(biāo)機(jī)器人。
圖5 直角坐標(biāo)機(jī)器人
SCARA 機(jī)器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm）是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊工業(yè)機(jī)器人,。有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位,，另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié),，用于完成機(jī)械末端在垂直平面的運(yùn)動(dòng)。SCARA機(jī)器人在x,y方向上具有良好的順從性,、靈活性,，而在Z軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合于裝配工作,。SCARA機(jī)器人廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè),、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè),、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域,。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。 參考圖6 SCARA 機(jī)器人,。
圖6 SCARA 機(jī)器人
鉸鏈型機(jī)械臂：有很高的自由度,，可以多至5~6軸，適合于幾乎任何軌跡或角度的工作,，可以自由編程,，完成全自動(dòng)化的工作, 提高生產(chǎn)效率；可以代替很多不適合人力完成,、有害身體健康的復(fù)雜工作,，比如，汽車外殼點(diǎn)焊,。參考圖 7 鉸鏈型機(jī)械臂,。
圖7鉸鏈型機(jī)械臂
Delta 3D機(jī)器人：外形酷似一只蜘蛛，這種*的幾何結(jié)構(gòu)賦予了它們質(zhì)量輕,，強(qiáng)度大,，輕便靈活,，節(jié)省空間，高速,，敏捷,；適用于高速分揀。參考圖8 Delta 3D機(jī)器人,。
圖8 Delta 3D機(jī)器人
2.2 路徑插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)方法
首先需要做軸的定義,，選擇“Path interploation”。參考圖 9 路徑軸的定義,。
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圖9 路徑軸的定義
1. 模板介紹
1.1 總覽
ET200S 1 步進(jìn)模板輸出脈沖來控制步進(jìn)電機(jī) ,，輸出脈沖的數(shù)量決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離，輸出脈沖的頻率決定步進(jìn)電機(jī)的速度,。
模板訂貨號: 6ES7138-4DC00-0AB0
1.2 模板參數(shù)
圖. 1: 步進(jìn)電機(jī)模板
- 1 通道,，可控制1個(gè)步進(jìn)電機(jī)
- 數(shù)字量輸入的參考點(diǎn)開關(guān)
- 外部停止或者外部脈沖使能數(shù)字輸入
- 脈沖和方向信號時(shí)RS422的差分輸出模式
- 大輸出頻率: 204kHZ
- 大脈沖數(shù): 1048575
- 4 LED 狀態(tài)指示燈
- 2 操作模式：尋找參考點(diǎn)和增量模式
2. 模板接線
圖. 2: 步進(jìn)模板接線圖
- 端子1和5：脈沖差分信號
- 端子4和8：差分輸出的方向信號
- 端子2和3：外部停止或者外部脈沖使能數(shù)字量輸入ID。(功能選擇見 4.2 )
- 端子6和7：數(shù)字量輸入?yún)⒖键c(diǎn)開關(guān)
3. 硬件配置
步進(jìn)模板可以安裝在ET 200S接口模板或者 ET200S CPU后面,。
本文使用 IM151-7 CPU 為例,。
表 1: 軟件和硬件配置
圖. 3: ET200S 站的配置圖
4. 硬件和參數(shù)設(shè)置
4.1 硬件配置
1) 根據(jù)圖. 2 和圖. 3完成ET200S的接線
2) 打開STEP7，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目,，并插入一個(gè)S7-300站
3) 從硬件目錄中選擇IM151-7 CPU直接拖拽到站配置窗口
圖. 4: 插入IM151-7 CPU
4) 依次在4槽和5槽插入電源模板 PM-E DC24 和步進(jìn)模塊
圖. 5: 硬件配置
4.2 模板參數(shù)配置
圖. 6: 步進(jìn)模塊參數(shù)接口
4.2.1 模板參數(shù)說明
1) 組診斷：組診斷
2) 基準(zhǔn)頻率：基準(zhǔn)頻率,，以Hz為單位，標(biāo)識(shí)Fb
3) 增益 n: 增益系數(shù) n,，值范圍 1-255. 此增益系數(shù)決定啟動(dòng)/停止頻率 Fss,，并且計(jì)算公式為： Fss=Fb×n
4) 時(shí)間 i: 時(shí)間系數(shù) i, 值范圍 1-255. 該時(shí)間系數(shù)以Hz/ms決定加速和減速，計(jì)算公式為: a = Fb ×R / (i×0.128 ms)
5)功能 DI: 數(shù)字量輸入DI 功能可選,，可以被組態(tài)為外部脈沖輸入或者外部停止信號,，缺省是外部脈沖且已使能。
6) 外部 Stop, 限位 Stop: 外部 stop, 信號類型停止開關(guān). 接觸器觸點(diǎn)是常閉信號,，以確保該接觸器信號,，缺省是讀取常閉信號。
4.2.2 本文所例參數(shù)設(shè)置如下
本例參數(shù)配置見圖. 6.
1) 沒有激活組診斷
2) 基準(zhǔn)頻率 4Hz
3) 乘法系數(shù) 1, 啟動(dòng)/停止頻率 4Hz
4) 時(shí)間系數(shù) 1, 加速/ 減速 31.25 Hz/ms
5) 使能外部輸入脈沖
6) 外部輸入停止和限位信號為常閉類型
5. 編程
5.1 模板輸入/輸出地址分配
與其它ET200S功能塊類似,，1STEP步進(jìn)模板也通過直接讀寫I/O地址來對模板進(jìn)行控制和訪問的,。
反饋信號 (輸入), 占用 8 字節(jié). 如表 2 輸入地址分配所示。
控制信號 (輸出), 占用 8 字節(jié). 如表 3 輸出地址分配所示,。
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