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

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控制或模拟量控制，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：

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。

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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
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27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170

（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。

（4）视频演示

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。

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