ZMC408SCAN振镜控制光纤激光器加工
上一节介绍了控制器的激光相关的接口与如何实现激光的控制。本节介绍ZMC408SCAN控制激光振镜的方法。
01 激光与振镜功能简介
ZMC408SCAN是正运动技术新推出的一款支持EtherCAT总线的开放式激光振镜运动控制器，集激光控制+振镜控制+轴控于一体。支持16路运动轴的复杂的连续轨迹控制需求，可实现振镜轴+脉冲轴+总线轴的混合插补。
ZMC408SCAN控制器上包含两个SCAN振镜接口，SCAN支持XY2-100振镜协议，支持振镜轴与运动轴联合插补运动，实现激光输出与运动的同步控制。
支持激光振镜控制和振镜反馈，配合不带加减速的运动指令MOVESCAN，拐角处振镜加工自动延时，完成精准高效的激光控制，提高激光加工设备的产能。
→激光器的接口可选LASER，EXIO扩展IO口或OP输出口。
→LASER激光电源接口支持连接 IPG、YLR、YLS 等类型激光电源。
→EXIO扩展接口目前可支持扩展标准的YGA、SPI、FIBER等激光器类型，通过EXIO扩展接口连接扩展板，转换TTL信号后控制激光器的激光使能、红光开关以及8位数字量输出口控制激光能量，接线完成还需使用指令配置EXIO扩展接口，配置连接扩展板的输入/输出信号。
→输出口OUT0-7支持PWM功能，可灵活连接激光器。
02 激光振镜控制原理
1.什么是激光振镜
激光振镜是一种专门用于激光加工领域的特殊的运动器件，2D激光振镜头包含的主要元件是激光发生器，两个电机和两个振镜片，它靠两个电机分别控制两个振镜片X和Y反射激光，形成XY平面的运动，这两个电机使用控制器上的振镜轴接口控制，示意图如下。
激光振镜不同于一般的电机，激光振镜具有非常小的惯量，且在运动的过程中负载非常小，只需要带动反射镜片，系统的响应非常快。
激光发生器的能量和开关可采用PWM控制或vwin 量控制，根据激光器的类型选择接线方式和控制方式。
2.SCAN振镜接口
使用ZMC408SCAN控制器的SCAN振镜轴接口连接激光振镜头，每个振镜轴接口内包含两路振镜通道信号，分别控制振镜片X、Y的偏转，从而控制了激光打到工件的位置，激光的开关一般通过OP口控制，部分OP口支持PWM功能，通过PWM控制激光的能量和开关。
SCAN振镜接口采用25针母头，针脚号说明参见下表：
|
针脚号 |
信号 |
说明 |
|
1 |
Clk- |
时钟信号- |
|
14 |
Clk+ |
时钟信号+ |
|
2 |
SYNC- |
同步信号- |
|
15 |
SYNC+ |
同步信号+ |
|
3 |
X- |
振镜 X 通道信号- |
|
16 |
X+ |
振镜 X 通道信号+ |
|
4 |
Y- |
振镜 Y 通道信号- |
|
17 |
Y+ |
振镜 Y 通道信号+ |
|
5 |
Z- |
振镜 Z 通道信号- |
|
18 |
Z+ |
振镜 Z 通道信号+ |
|
6 |
Y RETURN- |
振镜 Y 通道反馈信号- |
|
19 |
Y RETURN+ |
振镜 Y 通道反馈信号+ |
|
7 |
Z RETURN- |
振镜 Z 通道反馈信号- |
|
20 |
Z RETURN+ |
振镜 Z 通道反馈信号+ |
|
8 |
X RETURN- |
振镜 X 通道反馈信号- |
|
21 |
X RETURN+ |
振镜 X 通道反馈信号+ |
|
9 |
NC |
/ |
|
22 |
||
|
10 |
||
|
23 |
GND |
信号地 |
|
11 |
||
|
24 |
||
|
12 |
NC |
/ |
|
25 |
||
|
13 |
注意：
（1）2D振镜默认情况下，SCAN0的对应2D振镜Axis4，Axis5，SCAN1的对应2D振镜Axis6，Axis7；
（2）3D振镜默认情况下，SCAN0的对应3D振镜Axis4，Axis5，Axis8，SCAN1的对应3D振镜Axis6，Axis7，Axis9。
3.XY2-100振镜协议
ZMC408SCAN支持XY2-100振镜协议，刷新周期10us-50us，支持运动控制与振镜联合插补运动。上位机通过网口与控制器相连，通过XY2-100振镜协议进行控制振镜轴的运动，通过EtherCAT总线或者脉冲模式控制伺服轴运动。
ZMC408SCAN同时支持XY2-100E振镜协议，支持瑞雷振镜闭环，振镜运动过程中会实施反馈MPOS的振镜位置，可通过读取的位置进行对应处理实现闭环，并且会对应报警。
4.激光振镜控制过程
振镜运动采用缓冲区运动方式，即用户需要向轴运动缓冲区传递运动及工艺数据，然后启动缓冲区运动，运动控制器则会依次连续执行用户所传递的运动数据，直到所有的运动数据全部运动完成。
在激光振镜运动控制系统中不但有运动的控制，还有激光的控制。如何有效地处理振镜运动和激光开关的配合是一个很重要的问题，只有有效的协调了激光和运动的关系，才能运动出精确的轨迹。
运动控制：打标运动时，激光会按照设定的打标速度沿着给定的打标轨迹运动，在执行打标相关指令时，激光振镜运动控制器会自动开启激光。如果下一条仍是打标指令，激光一直呈开启状态，直到最后一条打标指令结束，或缓存区指令执行完毕，中途在缓冲区若遇到跳转指令，则激光自动关闭，直到遇到打标指令，激光才重新开启。开始运动前为保证打标轨迹正确需调整振镜坐标，同时清空缓冲区。
激光控制：主要包括控制激光的开关控制与发出激光的时长，控制激光的开断使用OP指令，激光能量的控制可根据激光器的不同，对应通过模拟量，数字量输出口，以及输出口PWM的占空比对应控制能量的大小。
5.激光振镜控制架构
ZMC408SCAN开放式激光振镜控制系统的参考架构如下图：
实现激光加工包含运动控制与激光控制两大部分。
激光振镜控制系统的控制过程可选正运动的API函数库通过常用上位机环境控制，或正运动自主研发的ZDevelop开发环境，或第三方用户程序。
激光振镜用于直接控制激光的轨迹，选用支持标准XY2-100协议的产品。
激光控制可通过LASER、支持PWM功能的OUT输出口或者EXIO扩展接口接标准的激光器。
工件需要运动时可采用脉冲轴或EtherCAT总线轴控制，支持与激光振镜轴联合插补。
ZMC408SCAN上的SCAN0对应的2D振镜轴号为4和5，SCAN1对应的振镜轴号为6和7，ATYPE轴类型设为21（振镜的轴类型），振镜轴的运动控制与脉冲型驱动器的控制方法相同，可使用常用的MOVE等一系列运动控制指令。
同时额外封装了MOVESCAN（MOVESCANABS绝对运动）振镜运动指令，MOVESCAN与MOVE指令区别是此指令不带加减速，支持微秒级别的时间控制，响应速度更快。
03 激光振镜控制实例
例程用ZDevelop软件开发，以ZMC408SCAN控制FIBER激光器为例，分为运动控制和激光控制两部分。
运动控制部分采用SCAN0接口控制2D激光振镜，振镜轴对应轴号为4和5。
激光控制部分采用EXIO扩展IO接口扩展，通过标准Fiber转接板连接激光器。
1.控制器与激光振镜接线
采用标准的配线完成控制器与激光振镜接线，接线参考图如下：
（1）SCAN振镜轴接口接线原理如上图所示，请使用差分接线标准，注意信号规格相互匹配；
（2）请使用屏蔽双绞线接线，尤其是环境恶劣的场合，务必使屏蔽层充分接地。
2.控制器与激光器接线参考
控制器与转接板、激光器与转接板均采用标准DB25线直连，配线简单方便，转接板与激光器采用统一接口，采用专用线缆直连。接线参考图如下：
Fiber激光器转接板输出接口说明如下表，通过EXIO_DIR设置好IO方向后，便可通过右侧的IO编号控制激光器。
|
针脚号 |
信号 |
说明 |
IO控制信号 |
|
1 |
D0 |
功率设定位D0 |
OUT36 |
|
2 |
D1 |
功率设定位D1 |
OUT37 |
|
3 |
D2 |
功率设定位D2 |
OUT38 |
|
4 |
D3 |
功率设定位D3 |
OUT39 |
|
5 |
D4 |
功率设定位D4 |
OUT40 |
|
6 |
D5 |
功率设定位D5 |
OUT41 |
|
7 |
D6 |
功率设定位D6 |
OUT42 |
|
8 |
D7 |
功率设定位D7 |
OUT43 |
|
9 |
LATCH |
功率锁存信号，上升沿有效。 |
OUT46 |
|
10 |
NC |
保留 |
/ |
|
11 |
STA2 |
报警状态反馈(输入接口) |
IN68 |
|
12 |
NC |
保留 |
/ |
|
13 |
NC |
保留 |
/ |
|
14、15 |
GND |
数字参考地 |
/ |
|
16 |
STA0 |
报警状态反馈(输入接口) |
IN66 |
|
17 |
+5V |
+5V输出，100mA左右，不用时悬空 |
/ |
|
18 |
M0 |
主振荡器开关信号 |
OUT47 |
|
19 |
GATE |
激光器调制信号 |
OUT8 |
|
20 |
PRR |
激光频率信号 |
OUT9 |
|
21 |
STA1 |
报警状态反馈(输入接口) |
IN67 |
|
22 |
RED LIGHT |
红光信号 |
OUT48 |
|
23 |
EMSTOP |
急停信号 |
OUT49 |
|
24、25 |
NC |
保留 |
/ |
D0和D7一共8位组合设置激光器的功率，激光出光口为OUT8，激光出光前先设置好激光器的功率并打开激光使能开关OUT47，红光的开关为OUT48。
→EXIO扩展IO配置
说明：采用EXIO接口扩展后， 均需要使用EXIO_DIR指令对扩展IO进行方向配置才可正常使用。
按上节接线完成后，配置好EXIO扩展IO接口的IO方向之后才能控制激光器，扩展IO功能设置EXIO_DIR(0, $8FFFF)。
指令语法：
EXIO_DIR(isel, dirbit)Isel：0(指定激光器类型)dirbit: 按位设置是否输出, 0- 输入, 1-输出 (自定义配置转接口对应的信号类型)
控制器与激光器的接线参考图如下：
3.激光控制说明
例如某激光器的控制端口针脚说明如下表，对比上表可知，Fiber-DB25头转接板输出接口采用与该激光器匹配的标准端口，针脚定义一致，可直接与该激光器相连，再通过OUT引脚控制激光器。
主要控制端子说明：
功率信号定义：设置针 1～8 的 TTL 信号，通过 TTL 信号的组合来设置泵浦激光二极管的电流，从而控制激光器的输出功率。通过 1～8 针可以设置 0～255 范围内的编码，对应于 0～100％的功率输出。
电源：针17和GND组成激光器控制端口的供电回路，采用5V直流供电。
4.打标应用例程
编程界面如下图，采用Basic和HMI混合编程，Basic完成控制过程，HMI编写界面。
初始化定义相关变量，初始化轴参数，配置好FIBER转接板的方向为输出，后续的激光加工控制由HMI界面的按钮触发。
D0和D7一共8位组合设置激光器的功率，通过AOUT3配置激光功率；激光出光口为OUT8，激光出光前先设置好激光器的功率并打开激光使能开关OUT47，红光的开关为OUT48。
（1）Basic程序如下
'**********************************************************HMI初始化
Global Sub Sub_HmiInit()
Sub_VarDefine() '定义变量
Sub_AxisInit() '初始轴参数
Sub_SetExioFiber 'Fiber转化板参数设置
End Sub
'**********************************************************HMI刷新扫描
Global Sub Sub_HmiScan()
End Sub
'**********************************************************变量定义初始化
Global Sub Sub_VarDefine()
Global Const Gc_AxisX = 4
Global Const Gc_AxisY = 5
Global Const Gc_Out_Laser = 8 '出光OUT口
Global Const Gc_Out_LaserEnable = 47 '激光使能
Global Const Gc_Out_Red = 48 '红灯
Global Const Gc_Aout_Laser = 3 '激光能量模拟量输出口
Global Gv_StartDelay '开光延时us
Gv_StartDelay = 1000
Global Gv_LastDelay '关光延时us
Gv_LastDelay = 1000
Global Gv_CorDelay '拐角延时us
Gv_CorDelay = 1000
Global Gv_JumpDelay '跳转延时us
Gv_JumpDelay = 1000
Global Gv_LaserPower '激光功率0-2^8
Gv_LaserPower = 128
Global Gv_EmpSp '空移速度
Gv_EmpSp = 10000
Global Gv_WorkSp '加工速度
Gv_WorkSp = 5000
Global Gv_WorkMode '加工模式 0-红光 1-激光
Gv_WorkMode = 0
Global Gv_MarkSize '标刻大小
Gv_MarkSize = 80
End Sub
'**********************************************************轴参数初始化
Global Sub Sub_AxisInit()
base(Gc_AxisX,Gc_AxisY)
Atype = 21,21 '轴类型 振镜轴
Units = 500,500 '脉冲当量
speed = 100,100 '运动速度
Accel = 10000,10000 '加速度
AXIS_ZSET = 3,3 '开启精准输出
End Sub
'**********************************************************切换红光
Global Sub Sub_Btn_Red()
if op(Gc_Out_Red) THEN
op(Gc_Out_Red,OFF)
ELSE
op(Gc_Out_Red,ON)
endif
End Sub
'**********************************************************切换出光
Global Sub Sub_Btn_Laser()
if op(Gc_Out_Laser) THEN
Aout(Gc_Aout_Laser) = 0
op(Gc_Out_Laser,OFF)
DELAY(100)
op(Gc_Out_LaserEnable,OFF)
ELSE
Aout(Gc_Aout_Laser) = Gv_LaserPower '设置能量
op(Gc_Out_LaserEnable,ON) '打开激光使能
DELAY(100)
op(Gc_Out_Laser,ON) '出光
endif
End Sub
'**********************************************************fiber转换板处理
GLOBAL SUB Sub_SetExioFiber()
'修改扩展接口方向为输出
EXIO_DIR(0, $FFFFF)
END SUB
'**********************************************************空移到起点
Global Sub Sub_MoveEmp(StartX,StartY)
base(Gc_AxisX,Gc_AxisY)
FORCE_SPEED = Gv_EmpSp
MOVESCANABS(StartX,StartY) '空移到起点
MOVE_DELAY(Gv_JumpDelay/1000) '跳转延时
if Gv_WorkMode =1 then
MOVE_OP(Gc_Out_Laser, ON)
ELSE
MOVE_OP(Gc_Out_Red, ON)
endif
MOVE_DELAY(Gv_StartDelay/1000) '开光延时
End Sub
'**********************************************************直线运动
'XPos 运行结束点X坐标
'YPos 运行结束点Y坐标
'If_End 是否最后的结束点，是启动关光参数
Global Sub Sub_MoveLine(XPos,YPos,If_End)
FORCE_SPEED = Gv_WorkSp
MOVESCANABS(XPos,YPos) '运动到加工点
if(If_End) then
MOVE_DELAY(Gv_LastDelay/1000) '关光延时
if Gv_WorkMode =1 then
MOVE_OP(Gc_Out_Laser, OFF)
ELSE
MOVE_OP(Gc_Out_Red, OFF)
endif
endif
End Sub
'**********************************************************画矩形运动
'XPos 运行结束点X坐标
'YPos 运行结束点Y坐标
'If_End 是否最后的结束点，是启动关光参数
Global Sub Sub_MoveRect(StartX, StartY, EndX,EndY,If_End)
FORCE_SPEED = Gv_WorkSp
MOVESCANABS(StartX,EndY)
MOVE_DELAY(Gv_CorDelay/1000)
MOVESCANABS(EndX, EndY)
MOVE_DELAY(Gv_CorDelay/1000)
MOVESCANABS(EndX, StartX)
MOVE_DELAY(Gv_CorDelay/1000)
MOVESCANABS(StartX, StartY)
if(If_End) then
MOVE_DELAY(Gv_LastDelay/1000) '关光延时
if Gv_WorkMode =1 then
MOVE_OP(Gc_Out_Laser, OFF)
ELSE
MOVE_OP(Gc_Out_Red, OFF)
endif
endif
End Sub
'**********************************************************
Global Sub Sub_Move9Point()
Local dScanSize
dScanSize = Gv_MarkSize
MOVE_Aout(Gc_Aout_Laser,Gv_LaserPower) '设置能量
MOVE_op(Gc_Out_LaserEnable,ON) '打开激光使能
MOVE_DELAY(10)
TRIGGER
'绘制横线
Sub_MoveEmp((-dScanSize/2 - dScanSize/10), 0)
Sub_MoveLine((dScanSize/2 + dScanSize/10), 0,TRUE)
'绘制竖线
Sub_MoveEmp(0, (-dScanSize/2 - dScanSize/10))
Sub_MoveLine(0,(dScanSize/2 + dScanSize/10),TRUE)
'矩形
Sub_MoveEmp(-dScanSize/2, -dScanSize/2)
Sub_MoveRect(-dScanSize/2, -dScanSize/2, dScanSize/2, dScanSize/2,TRUE)
'绘制X
Sub_MoveEmp((dScanSize/2-0.06*dScanSize), -0.02*dScanSize)
Sub_MoveLine((dScanSize/2-0.02*dScanSize), -0.08*dScanSize,TRUE)
Sub_MoveEmp((dScanSize/2-0.02*dScanSize), -0.02*dScanSize)
Sub_MoveLine((dScanSize/2-0.06*dScanSize), -0.08*dScanSize,TRUE)
'绘制Y
Sub_MoveEmp(0.02*dScanSize, (dScanSize/2-0.02*dScanSize))
Sub_MoveLine(0.04*dScanSize, (dScanSize/2-0.05*dScanSize),TRUE)
Sub_MoveEmp(0.06*dScanSize, (dScanSize/2-0.02*dScanSize))
Sub_MoveLine(0.04*dScanSize, (dScanSize/2-0.05*dScanSize),FALSE)
Sub_MoveLine(0.04*dScanSize, (dScanSize/2-0.08*dScanSize),TRUE)
'回原点
FORCE_SPEED = Gv_EmpSp
MOVESCANABS(0,0) '空移到原点
MOVE_Aout(Gc_Aout_Laser,0) '关闭能量
MOVE_op(Gc_Out_LaserEnable,OFF) '关闭激光使能
End Sub
'**********************************************************
Global Sub Sub_Bnt_TaskRun() '九点标定按钮
STOPTASK 1
RUNTASK 1,Sub_Move9Point
End Sub
'**********************************************************
Global Sub Sub_Btn_TaskStop() '停止按钮
STOPTASK 1
base(Gc_AxisX,Gc_AxisY)
Cancel(2)
End Sub
（2）HMI界面如下
通过HMI界面可设置激光加工的参数，选择红光模式或者激光模式加工，并且能调整振镜轴的速度，标刻幅面的大小，标刻的轨迹如界面右侧所示。
操作流程：基础参数设置-出光模式选择-点击”九点标定“按钮开始打标，运动时点击”停止 “按钮停止运动并关闭出光。
（3）运动效果
通过示波器可采样振镜轴的运动波形，采样振镜轴4和轴5的位置，激光输出口OP(8)的状态，若为红光模式，采样OP(48)。
按上图的运动参数，XY模式下的两个振镜轴的插补轨迹如下，轨迹包含打标和空走两部分，打标轨迹为三部分，十字线+方框+XY字符。
XYZ模式下波形图如下，加入激光输出OP(8)的状态为Z轴参数，上半部分图形为打标轨迹，下半部分的图形为空走轨迹。
本次，正运动技术开放式激光振镜运动控制器(四)：ZMC408SCAN振镜控制光纤激光器加工，就分享到这里。
审核编辑：汤梓红
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