【摘要】臺達高端PC-Based工業(yè)控制器 (PAC) 具有強大的運動控制功能，其中DDA功能是臺達運動控制卡提供的一種特殊運動指令，可以滿足各種軌跡運動的需求。本文以SCARA機器人控制為例，詳細講解如何透過DDA功能的應(yīng)用實現(xiàn)SCARA機器人直線、圓弧等插補運動。

[Abstract] Delta Programmable Automation Controller (PAC) is equipped with powerful motion control functions including DDA function (via Delta motion control card) which provides specific  l motion commands to achieve all kinds of track movement. By taking SCARA robot motion control as an example, this paper explains  the application of DDA function and control over SCARA motion interpolation such as straight-line or arc movement.    .

【關(guān)鍵字】Programmable Automation Controller (PAC)產(chǎn)品， DDA功能，SCARA機器人，插補運動

[Keywords] PAC product, DDA function, SCARA robot, motion interpolation 

前言

臺達高端PC-Based工業(yè)控制器(PAC)產(chǎn)品具備非常強大的DDA功能，雖然與該功能相關(guān)的API指令很少，但想要正確、應(yīng)用存在一定的難度，主要困難點包括：一、運動模型的建立問題，以SCARA機器人為例，必須根據(jù)SCARA的機構(gòu)原理搭建合理的機器人運動模型，實現(xiàn)機器人的正運動學(xué)控制與逆運動學(xué)控制。二、路徑規(guī)劃問題，良好的路徑規(guī)劃演算法可建立更加平滑的運動效果。本文針對以上兩個難點，詳細講解SCARA機器人的模型推導(dǎo)，及運動路徑規(guī)劃，最終通過DDA功能實現(xiàn)SCARA機器人平滑運動控制。

一、 DDA功能簡介

DDA功能是臺達運動控制卡提供的一種特殊指令，可以同時針對12個軸進行運動控制。當DDA功能開啟后，運動控制卡可以每毫秒執(zhí)行一筆DDA Table中的資料，其中DDA Table最大Buffer為1000筆數(shù)據(jù)，值得注意的是在Buffer執(zhí)行完畢之前，不接受其他指令（如：Sd_Stop等）。

與DDA功能相關(guān)的API指令主要有四個，包括開啟DDA填表功能 （enable_dda_mode）、向DDA Table中填寫資料（set_dda_data）、以及取得資料（get_dda_cnt）和清除資料（clear_dda_data）的輔助指令。

1.開啟DDA填表功能

_DMC_01_enable_dda_mode(U16 CardNo，U16 enable)

其中enable參數(shù)是unit16類型，每一個bit位代表一個從站，其中0表示DDA功能關(guān)閉，1表示DDA功能開啟，如圖1 所示，現(xiàn)需開啟從站1、2、3、4號四個軸DDA功能，只需讓Enable=15就可以了。

2.向DDA Table中填寫資料

_DMC_01_set_dda_data(U16 CardNo，U32* abs_pos)

開啟DDA功能后，DDA Table中暫無資料，從站無動作。當向DDA Table中寫入資料數(shù)據(jù)后，從站按資料信息進行動作。其中abs_pos是一個12軸的資料陣列。例如：現(xiàn)要對從站1、2、3、4 DDA Table發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

3.輔助指令

_DMC_01_get_dda_cnt(U16 CardNo，U16* dda_cnt)

該指令可以取得目前DDA Table尚存的資料筆數(shù)。

_DMC_01_clear_dda_data(U16 CardNo)

該指令用來將DDA Table中尚存的資料清除，及清空DDA Table中的資料。當DDA Table中的資料執(zhí)行結(jié)束前，其他的停止API是無效的，只有通過clear_dda_data指令清空DDA Table中的資料才能使伺服電機停止下來。

二、SCARA機器人

SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm) 中文譯名是選擇順應(yīng)性裝配機器手臂 ,這是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業(yè)機器人。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，特別適合于裝配工作。同時，SCARA串接的兩桿結(jié)構(gòu)，類似人的手臂，可以伸進有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動和取放物件。

1.SCARA機器人運動學(xué)模型

SCARA機器人具有四個軸和四個運動自由度，(包括X、Y、Z方向的平動自由度和繞Z軸的轉(zhuǎn)動自由度)。如圖3為SCARA機器人運動學(xué)模型。其中為第一關(guān)節(jié)角度，為第二關(guān)節(jié)角度，為第三關(guān)節(jié)伸縮長度，為第四關(guān)節(jié)角度。

根據(jù)SCARA機器人運動學(xué)模型，在卡迪爾坐標系下就可以建立SCARA機器人數(shù)學(xué)模型：

其中：

、、為SCARA末端點位坐標

為第一關(guān)節(jié)臂長

為第二關(guān)節(jié)臂長

該模型下，當時，SCARA機器人工作在右手系；當時，SCARA機器人工作在左手系。

以臺達SCARA機器人DRS40L機械結(jié)構(gòu)為例，第一關(guān)節(jié)與第二關(guān)節(jié)伺服電機帶有減速機，第三關(guān)機伺服電機帶動螺紋絲桿，進而可以得到伺服電機編碼器反饋位置與各關(guān)節(jié)角度或長度關(guān)系：

其中：

為關(guān)節(jié)角度

為關(guān)節(jié)長度

為編碼器反饋位置

為電子齒輪比分子

為電子齒輪比分母

為減速器減速比

為絲桿螺紋間距

通過以上推導(dǎo)，就可以將伺服電機編碼器位置量與SCARA機器人末端空間位置坐標一一對應(yīng)起來。

2.SCARA機器人逆運動學(xué)模型

根據(jù)上節(jié)給出的SCARA機器人運動模型，反推逆運動學(xué)模型為：

計算出各關(guān)節(jié)量后就能反推出各關(guān)節(jié)伺服電機編碼器位置量：

只需要將計算得到的各關(guān)節(jié)伺服位置、、、寫入DDA Table中，SCARA機器人末端就可以到達指定坐標點位。

如果想用DDA功能實現(xiàn)對SCARA機器人的運動控制，需要知道SCARA機器人運動過程中每毫秒各關(guān)節(jié)伺服位置應(yīng)是多少，將連續(xù)的伺服位置量寫入DDATable中，就可以實現(xiàn)想要的SCARA機器人運動控制。

三、PC-Based工業(yè)控制器 (PAC) 產(chǎn)品控制SCARA機器人運動控制

在生產(chǎn)制造過程中，機器人可以取代工人實現(xiàn)物品的搬運、設(shè)備的組裝、質(zhì)量檢測等。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會要求機器人安裝規(guī)定的路徑、額定的速度等來適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場需求，如：直線運動、圓弧運動、P to P等；

1.控制系統(tǒng)架構(gòu)

在此采用臺達SCARA機器人DRS40L、主機型PC-Based 工業(yè)控制器MH1-S30D、伺服驅(qū)動器&馬達ASDA-A2，搭建測試平臺，并設(shè)計MovL、MovP、MovArc、V_Move、Emg_Stop、Sd_Stop、HandType_Change等運動控制指令，Get_Position、Get_Joint_Ang、Get_Real_Speed、Get_Servo_Spd等狀態(tài)監(jiān)控指令?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)如圖4所示：

由于SCARA運動控制指令較多，但實現(xiàn)方法相同，在此我們以MovL指令為例，詳細說明DDA功能如何實現(xiàn)SCARA機器人MovL運動。為了方便說明DDA功能的使用，在設(shè)計運動控制指令時以T型加減速設(shè)計。

2.SCARA機器人直線插補指令

Scara_MovL(P,StartVel,MaxVel,EndVel,AccL,DecL)

其中：P為空間點位坐標。

MovL程序流程圖如圖5，該指令會觸發(fā)Timer_Event事件，Timer_Event事件主要負責(zé)完成運動過程中的插補運算，并將計算得到的各關(guān)節(jié)放入DDATable中，如圖6。

3.直線插補運動整機測試

完成直線插補程序后進行整機測試，如圖7所示，為SCARA機器人從移動至?xí)r與關(guān)節(jié)的回授位置曲線和速度曲線：

結(jié)束語

依據(jù)上述程序流程設(shè)計，采用DDA功能實現(xiàn)SCARA機器人直線插補指令、圓弧插補指令、減速停止指令、單軸運動指令等，并整機測試通過。PAC產(chǎn)品具備的DDA功能可以作為一種解決特殊路徑、奇異運動模型的方法，大幅提升PAC產(chǎn)品的功能屬性，使PAC產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。