EtherCAT：运动序列的最佳同步和精度

发布时间：2017-08-18 www.cechina.cn

　　保龄球机器人展示什么才是完美比赛
　　毋庸置疑，保龄球在美国是一项很受欢迎的体育运动。据估计，美国每年约有 7 千万人会去打保龄球；其中有超过两百万人是保龄球俱乐部成员，定期去打保龄球。作为一个联盟机构，"美国保龄球协会"（USBC）负责通过大量的材料和质量测试协调和确保这项运动的技术完善性。2010 年，协会通过由 ARM Automation 开发的高性能保龄球机器人 E.A.R.L. [强化自动保龄球发射器（Enhanced Automated Robot Launcher）]设立了一个里程碑。他们采用 Beckhoff 基于 PC 和 EtherCAT 的平台精确控制机器人。

　　多年来，美国保龄球协会一直站在保龄球新技术和新材料研发和测试的最前沿

　　总部位于德克萨斯洲奥斯汀的 ARM Automation 公司主要为具有挑战性的工业应用领域开发定制化自动化解决方案。公司成立于 1993，主要业务是为各个应用领域和建造机器人：植入物测试系统、用于搬运核材料的机器人、喷泉表演用水下机器人、针对 PC 生产的包装和装配线、针对仓库自动化的移动式机器人、半导体制造中使用的激光微加工刀具，等等。ARM Automation 的强项是根据客户的具体需求提供量身打造的解决方案。"ARM Automation 是唯一一家能够提供我们的所需要的机器人解决方案的公司。"USBC 国家管理协会总经理 Neil Stremmel 如此说道。
　　保龄球机器人模拟运动员的行为举止
　　E.A.R.L. 保龄球机器人的开发主要是为了对保龄球运动中的使用的产品和材料进行研究和测试。"根据对机器人数据的评估和分析能够推断出球的运动和得分之间的相互关系。"Neil Stremmel 解释道。"E.A.R.L. 能够复制几乎任何保龄球运动员的风格，这将帮助教练组演示每个保龄球运动员在比赛时现场情况是如何变化的，如何根据不断变化的保龄球比赛环境进行适当调整。"为了让保龄球运动员在比赛时因为某些条件的变化而对比赛结果产生影响的事情不再发生，USBC 曾引用了保龄球机器人 Harry。"但是 Harry 的重现性不够好，在调整测试条件（如位置的差别）时非常不灵活。"ARM Automation 公司总裁 Stephen Grupinski 在描述开始时的情况时说道。

　　E.A.R.L. 机器人运动控制系统由一根用于在整个保龄球道定位保龄球的直线轴、一个 5 轴定位机械手，一个磨球机和一个安装在卡爪上的释放机构组成

　　运动序列的最佳同步和精度
　　E.A.R.L. 机器人运动控制系统由一根用于在整个保龄球道定位保龄球的直线轴、一个 5 轴定位机械手，一个磨球机和一个安装在卡爪上的释放机构组成。看起来，机器人好像只需简单地挥一下手臂就可以抓住保龄球并将球打到球道里，事实上，每一个投掷测试都需要采集很多参数。典型的 E.A.R.L. 试验设置由下面几个部分组成：
　　|  根据保龄球重力中心定向机器人卡爪
　　|  球与球道相对的释放点（高度，与边界相对应的位置，球道宽度内的位置，顶角，球轨迹）
　　|  球释放速度和旋转速度
　　"机械和电气控制开发的最大挑战是对保龄球释放的定时。"ARM Automation 公司的项目工程师 Greg Wiese 解释道。USBC 释放球时需要的速度约为 24 mph 或 10.7 m/s。如果系统抖动有 1 ms，就相当于球倾角偏差一度，与边界偏差 12.7 mm（如果它超过这条线，则此次投掷无效或出界）。任何一点额外的抖动，球就可能会被投到天花板上，或撞到保龄球道里。
　　"由于采用了 EtherCAT 的分布式时钟功能，同步和精度都达到了最高。"ARM Automation 公司 CTO Joe Geisinger 说道。"这样就能够以毫秒精度协调外部 I/O 与驱动控制和定位：E.A.R.L. 机器人末端执行器的位置数据被传输给 EtherCAT 驱动器，以测定球释放的精确时间。位置测量非常精确，时间小于 1 ms，成功创建了每次投掷时球的正确倾角。在试验阶段，E.A.R.L. 能够在 250 μs 内完成一次位置扫描并释放一个保龄球。"
　　在数秒时间内即可完成参数调整
　　为了满足这一独特的机器人应用的严苛精度要求，ARM Automation 公司选择了 Beckhoff 基于 EtherCAT 和 PC 的控制系统。USBC 人员能够轻松通过控制面板输入他们的测试设置。有 11 个变量用于配置每次投掷，通过控制面板调整速度和拾取定向。机器人能够在不到 10 秒的时间内配置各个不同的参数。
　　控制系统由一台装有 TwinCAT NC PTP 软件和采用 Windows CE 操作系统的 Beckhoff C6920 工业 PC 构成。EtherCAT 用作 I/O 和驱动的通讯系统。操作界面使用的是带 12 英寸触摸屏的 Beckhoff CP6901 控制面板。

　　看起来，机器人好像只需简单地挥一下手臂就可以抓住保龄球并将球打到球道里，事实上，每一个投掷测试都需要采集很多参数

　　EtherCAT 集成运动控制和 I/O
　　ARM Automation 多年来一直是 EtherCAT 技术组织（ETG）的活跃成员，已经开发出 EtherCAT 从站设备。"几年前，我们就已经转向使用 EtherCAT，与传统的现场总线系统相比，它为我们带来了很多优势。"Stephen Grupinski 强调说道。"以太网物理特性，一般性能数据，客户对基于以太网的网络兴趣的逐步增加以及在同一个系统中将运动控制和 I/O 整合在一起的能力都是我们转向使用 EtherCAT 的重要原因。"EtherCAT 还让我们能够诊断总线，以检测物理层上是否有断链并精确测定故障位置。"Joe Geisinger 补充说道。"由于 TwinCAT 控制软件有开放的架构，有了它，就能够非常灵活地通过一个安装在 C6920 工业 PC 中的迷你 SERCOS 现场总线卡连接现有的 SERCOS 设备。"

　　USBC 人员能够通过带 12 英寸触摸屏的 Beckhoff CP6901 控制面板轻松输入测试设置有 11 个变量用于配置每次投掷，通过控制面板调整速度和拾取定向。机器人能够在不到 10 秒的时间内配置各个不同的参数

　　在 TwinCAT 基础上开发运动控制系统
　　E.A.R.L. 需要能够灵活采集各种设备的输入信息，并在一个灵活的环境中轻松与驱动器通讯。"TwinCAT 系统管理器和 EtherCAT 让我们能够做到这一切 - 我们能够轻松地将不同的平台整合在一起。"Joe Geisinger 继续说道。TwinCAT 自动化软件协调采集 I/O 和驱动器的位置数据，执行反向运动，生成下一个关节位置指令，并将新的位置指令和数据输出给驱动。ARM 为 E.A.R.L. 开发了一套在 TwinCAT 中运行的运动转换软件，并通过外部设定值生成器集成到 NC 中。"为此我们使用了 TwinCAT 的运动控制功能。"Joe Geisinger 解释说道。"我们使用 NC PTP 来控制运动轴并持续监控 EtherCAT 驱动器的状态。"保龄球机器人的安全机制也重新进行了改装，由 TwinCAT 监控所有安全设备。如果在运行过程中出了任何问题，驱动器会立即禁用，机器人进入安全状态，直到重新正确设定系统。E.A.R.L. 也被包围在一个防护笼中，四周全部安装了安全传感器、光栅和安全继电器，以确保达到最高安全水平。
　　测试条件达到最佳，操作更加简单
　　"我们现在在释放高度、轨迹、球速、转速和倾角上有更多的选项和更高的精度。"USBC 总经理 Stremmel 评论道。"E.A.R.L 能够处理直径较大且转速较快的球。与我们先前使用的机器人解决方案相比，E.A.R.L 的移动和设置的修改要简单很多，且精度也高很多。"ARM 始终将自动化技术与新工具和创新工艺相结合，以优化和提高其解决方案的性能。" Stephen Grupinski 解释并补充道："我们的应用本身就很复杂，而且经常需要为客户量身定制，因此需要一个灵活的控制平台，不管我们的客户有什么样的要求都能够马上完成配置。Beckhoff 开放、模块化的控制结构就是我们快速开发可靠的定制解决方案所需要的工具箱。"