手把手带你运用ZMC300E绘图

▌序言

ZMC300E（点击理解详情）是广州致远电子株式会社开拓的最新一代智能总线型 EtherCAT 主站掌握器，利用A8内核的AM335X为处理器核心，合营Xenomai高实时性Linux系统，支持作为EtherCAT主站利用，其通讯可实现ms周期任务抖动15s以内，可知足运动掌握器的高实时性哀求。

图1 ZMC300E掌握器

可以看到，运动掌握器的强项是EtherCAT实时通信，紧张事情便是发号施令，通过网络命令多个电驱和电机事情。
普通的说，运动掌握器干脑力活，动口不动手，电驱和电机干体力活，专干重活累活。

那么，运动掌握器凭什么当上智力担当的？原来运动掌握器是打算好手，拥有三大绝活算法：轨迹插补，速率方案，运动前瞻。
凭借这三大绝活，运动掌握器就能指挥电驱和电机完成各种运动任务。

▌算法事理

接下来大略地先容运动掌握器的三大绝活算法：轨迹插补，速率方案，运动前瞻。
这三大算法包含较多子类别的算法，本文只对最根本最实用的子算法进行先容，后面实战绘图也会用到这些算法：轨迹插补-直线插补，速率方案-梯形速率方案，运动前瞻-拐角减速。

1. 轨迹插补

运动任务的核心任务便是绘制各种轨迹，运动掌握器的看家本领便是轨迹插补。
插补算法根据给定的信息进行数字打算，不断打算出参与运动的各坐标轴的进给指令，然后分别驱动各自相应的实行部件产生折衷运动，以使被控机器部件按空想的路线与速率移动。
插补最常见的两种办法是直线插补和圆弧插补。
插补运动至少须要两个轴参与，进行插补运动时，首先须要建立坐标系，将方案轴映射到相应的坐标系中，运动掌握器根据坐标映射关系，掌握各轴运动，实现哀求的运动轨迹。
直线运动的插补示意图如下，插补运动中由起始点处沿 X 方向走一小段（给一个脉冲当量轴走一段固定间隔），创造终点在实际轮廓的下方，则下一条线段沿 Y 方向走一小段，此时如果线段终点还在实际轮廓下方，则连续沿 Y 方向走一小段，直到在实际轮廓上方往后，再向 X 方向走一小段，依次循环类推，直达到到轮廓终点为止。

图2 直线插补示意图

除了直线插补，ZMC300E还支持多种轨迹插补：圆弧插补，椭圆弧插补，渐开线插补，螺旋线插补，贝塞尔曲线插补。

2. 速率方案

运动掌握器还可以为轨迹插补授予速率方案。
速率方案这里特指，在已知运动的出发点和终点和完全路径的情形下，基于给定的韶光约束, 最大速率约束和最大加速度减速率约束的条件，设计运动速率随韶光的曲线。
常见的速率方案算法有梯形速率方案算法，S形速率方案算法。
梯形速率曲线，也称为直线加减速或T型加减速。
其算法十分大略单纯，方案周期耗时短，有利于缩减系统的连续运行韶光，从而提高系统的运动掌握速率，履行起来比较随意马虎，运用广泛。

图3 梯形速率方案-速率示意图

该速率由3段组成，第一个段黄色段是加速段，第二段（绿色段）是匀速段，第三段（黄色段）是减速段。

图4 梯形速率方案-位移示意图

图5 梯形速率方案-加速度示意图

除了梯形速率方案，ZMC300E还支持多种S型速率方案：加加速度（二次加速度）给定条件的S型速率方案，波折韶光给定条件的S型速率方案，和加减速韶光和波折韶光给定条件的S型速率方案。

3. 运动前瞻

运动掌握器能够更加高效方案运动，这哀求运动掌握器支持连续插补运动，支持运动前瞻。

这里给一个矩形绘图作为连续插补的示例。
一个普通的矩形轨迹如下图。

图6 矩形轨迹该矩形含有四段轨迹。

利用梯形速率方案，可以得到以下的速率曲线，可以看到，由4段曲线组成。

图7 不开启运动前瞻的速率-韶光示意图不开启连续插补和运动前瞻，每段速率都减速到零。
纵轴为速率，横轴为韶光。
下图是开启连续插补的速率-韶光图。
速率是通过位置和发射韶光推算出来的，不完备精确，速率涌现毛刺是正常的。

图8 连续插补速率-韶光示意图

开启连续插补，每段速率不再减速到0。
可以看到，韶光比较不开启运动前瞻更短。
但是有个严重问题：拐角处的速率是最大值，过高的速率可能影响电机和刀具稳定性。

图9 运动前瞻速率-韶光示意图

开启连续插补和运动前瞻，拐角减速，每段速率不再减速到0，而是根据拐角角度决定速率。
可以看到，韶光比较不开启运动前瞻更短，比较连续插补更长，避免刀具高速通过拐角处的问题。

运动掌握器的运动前瞻功能可以根据用户的运动路径自动打算出平滑的速率方案，以防止轨迹的拐角处速度过快。
运动前瞻包括三种模式：拐角减速、倒角、小圆限速，而这三种模式也可稠浊利用。
拐角减速会根据夹角大小确定拐角处的最大速率，倒角则会设置前后两个轨迹在拐角处的倒角，而小圆限速则会对半径小于设置值的圆弧轨迹进行限速。

▌实战绘图

先容完了算法事理，接下来我们利用ZMC300E运动掌握器来进行实战绘图。

首先把运动掌握器和画笔平台利用网线连接。
画笔平台是一个3轴的龙门架，可以在xyz三轴空间移动，夹具上只有一根常见的铅笔。

图10 画笔平台

选择一幅SVG格式图片作为我们画图的图案，这里我们选择的是致远电子公司的logo图片。

图11 Logo图片

对付输入图片，我们可以把矢量图解析成多个笔画，每个笔画解析成直线弯曲相连，这样就可以得到对应绘图轨迹。
G代码（G-code）是最为广泛利用的打算机数控编程措辞，紧张在打算机赞助制造中用于掌握自动机床。

我们利用开源工具svg_to_gcode，把svg文件转成G代码文件。

图12 G代码文件

查看G代码文件，可以看到都是G1指令，解释都是直线插补命令。
这解释我们只用直线插补命令就能完成绘图。
对应的绘图图案如下，不同的颜色对应不同的笔划，可以看到图片包含十八笔的仿真笔画图。

图13 笔画轨迹图片

每一笔划都要有进笔（笔尖触及纸张），作画（笔尖写字）和退笔（笔尖阔别纸张）。
G代码中进笔对应M3指令（进刀），退笔对应M5指令（退刀）。
这样才能书写多个笔划。

目标图形统共有十八笔的笔画，要想作画就得先对笔画进行排序。
这里利用最直不雅观的笔划排序算法，先左后右，先上后下。
加入笔画的连接，可以得到以下的笔画仿真绘图。

图14 连笔笔画绘图

可以看到，仿真效果大体上符合我们的预期。
我们就可以在运动掌握器中运行G代码脚本。
利用ssh连接运动掌握器，启动掌握程序。
设置左下方为原点，沿着纸张往右边写字，纸张宽度至少280mm，高度60mm。
利用梯形速率方案，配置最大速率100mm/s，最大加速度和最大减速率为100mm/s^2。
进笔和退笔，对应z轴高下的运动，进笔量和退笔量都设为10mm。
为了提高绘图效率，开启了连续插补，运动前瞻和拐角减速。

图15 绘图

可以看到，我们利用ZMC300E掌握器俊秀地完成了绘图。

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