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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，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)的動作過程：在每個插補(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)算出一個微小直線段的數(shù)據(jù)，刀具沿著微小直線段運(yùn)動，經(jīng)過若干個插補(bǔ)周期后，刀具從起點(diǎn)運(yùn)動到終點(diǎn)，完成輪廓的加工。
路徑運(yùn)動初來自于機(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)作動作，各軸之間無主從之分，它們按照設(shè)定的動態(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。
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。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
> 支持多種機(jī)械運(yùn)動學(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
> 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，將會始終是以一個固定的合成速度進(jìn)行 (如果動態(tài)
特性限制沒有被超越)
> 低速度性能的軸，決定了整個軌跡的高動態(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)動學(xué)控制范疇，一個共同的系統(tǒng)中，可以存在多個機(jī)械運(yùn)動學(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)動學(xué)控制系統(tǒng)的參數(shù)；通過動態(tài)特性輪廓窗口，可以輕松定義路徑的動態(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)動系統(tǒng)的選擇
T-CPU 所實(shí)現(xiàn)運(yùn)動學(xué)，等同于人們過去所熟悉機(jī)械運(yùn)動學(xué)?？梢詫⑺鼈兎譃槿缦聝煞N不同的類型。參考圖2 在 T-CPU 中集成的機(jī)械運(yùn)動學(xué)。
圖2 在 T-CPU 中集成的機(jī)械運(yùn)動學(xué)
不同的機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)TCP (Tool Center Point，工具中心點(diǎn)或機(jī)械運(yùn)動端點(diǎn))相同的路徑運(yùn)動功能。盡管在某些情況下，不同的機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)相同的路徑運(yùn)動，但是，如果機(jī)械運(yùn)動系統(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)動學(xué)模型簡介
常用的運(yùn)動學(xué)模型請參考圖 4 運(yùn)動學(xué)模型。
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圖 4 運(yùn)動學(xué)模型
下面介紹一些常用的運(yùn)動學(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，由多個運(yùn)動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。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，另一個關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)，用于完成機(jī)械末端在垂直平面的運(yùn)動。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。
圖9 路徑軸的定義
1. IPC 分類及介紹
IPC 分類
SIMATIC IPC 包含以下類型：
1．SIMATIC Rack PC（機(jī)架式 PC）
靈活、高性能的工業(yè) PC，用于安裝在 19" 機(jī)架上
2．SIMATIC Box PC（箱式 PC）
小型緊湊而強(qiáng)固的工業(yè) PC，用于標(biāo)準(zhǔn)安裝
3．SIMATIC Panel PC（平板式 PC）
強(qiáng)固、高性能的工業(yè) PC，具有絢麗的顯示器
1．1 SIMATIC Rack PC（機(jī)架式 PC）簡介
圖1
SIMATIC Rack PC (機(jī)架式 PC）
靈活的工業(yè) PC，適于安裝在 19 英寸控制柜內(nèi)
SIMATIC Rack PC（機(jī)架式 PC）能夠提供靈活、高可用性的工業(yè) PC 系統(tǒng)，用于需要 19" 規(guī)格、功能強(qiáng)體積小的應(yīng)用。
針對不同的需求，設(shè)備目前（截至07/2009）分為：
- SIMATIC 機(jī)架式 PC 547B - 采用 Intel Core 2 Duo 技術(shù)，以具有吸引力的價(jià)格提供*性能
- SIMATIC 機(jī)架式 PC 647B - 采用 Intel Core 2 Duo 技術(shù)，結(jié)構(gòu)極為緊湊，具有優(yōu)異的工業(yè)功能
- SIMATIC 機(jī)架式 PC 847B - 采用 Intel Core 2 Duo 技術(shù)，具有*的可擴(kuò)展性和優(yōu)異的工業(yè)功能
- SIMATIC 機(jī)架式 IPC 547C – 采用 Intel Core 2 Duo 技術(shù)，可選用SSD （固態(tài)驅(qū)動器）以獲得更高的穩(wěn)定性
1．2 SIMATIC Box PC（箱式 PC）簡介
圖2
SIMATIC Box PC (箱式 PC）
適合于安裝在機(jī)器、控制柜及控制臺中。由于它們的尺寸小，所以可以集成在空間有限的地方。
SIMATIC Box PC （SIMATIC 箱式 PC）能夠?yàn)闄C(jī)械工程師、工廠工程師和控制箱制造商提供極其強(qiáng)固的工業(yè) PC，用于要求功能強(qiáng)大而體積緊湊的應(yīng)用。
針對不同的需求，設(shè)備目前（截至07/2009）可分為：
- SIMATIC Microbox PC 427B – 超緊湊、免維護(hù)型:靈活的嵌入式工業(yè) PC
- SIMATIC 箱式 PC 627B – 在有限的空間里提供優(yōu)秀的性能/采用 Intel Core 2 Duo 技術(shù)
- SIMATIC 箱式 PC 827B – 高性能，高靈活性/使用 Intel Core 2 Duo 技術(shù)
- SIMATIC IPC 427C
1．3 SIMATIC Panel PC（平板式 PC）簡介
圖3
籍于其較高的工業(yè)兼容性，SIMATIC Panel PC 適用于標(biāo)準(zhǔn)控制機(jī)柜、控制臺，操作面板或直接應(yīng)用于機(jī)器。典型應(yīng)用于生產(chǎn)自動化和過程自動化。
針對不同的需求，可使用豐富的堅(jiān)固、高性能 SIMATIC Panel PC，設(shè)備目前（截至07/2009）可分為：
- SIMATIC Panel PC 477B embedded – 采用嵌入式技術(shù)的 Panel PC，結(jié)構(gòu)極其緊湊、堅(jiān)固，免維護(hù)
- SIMATIC 面板型 PC 577B – 工業(yè)功能和開放性，價(jià)格十分吸引人
- SIMATIC 面板型 PC 677B – 靈活、緊湊，可提供高的性能
- SIMATIC IPC 477C
- SIMATIC IPC 577C
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