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：

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