应用ZMC408SCAN开放式激光振镜运动控制器的C++开发

伺服与运动控制 2022-10-24 1678

伺服与运动控制

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描述

今天，正运动技术为大家分享一下应用ZMC408SCAN开放式激光振镜运动控制器的C++开发，实现激光振镜打标。

除了C++还支持使用其他上位机软件来开发，上位机程序运行时需要动态库“zmotion.dll”，上位机开发调试时可以把ZDevelop软件同时连接到控制器辅助调试。

01 ZMC408SCAN控制器介绍

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，专为工业激光+振镜+运动控制方面的应用而设计。通过EtherCAT总线和脉冲轴接口能实现多轴联动运动控制。

ZMC408SCAN支持ETHERNET、EtherCAT、USB、CAN、RS485、RS232等通讯接口，通过CAN、EtherCAT总线可以连接各个扩展模块，从而扩展数字量、模拟量或运动轴。

 

（1）ZMC408SCAN内置高精度PSO位置同步输出功能，在加工圆角、曲线部分时即使进行了减速调整，在高速加工的场合，也能控制激光输出的间距保持恒定；

（2）支持激光振镜控制和振镜反馈，包含2个振镜接口，支持2D振镜和3D振镜，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；

（3）通过指令在运动中灵活的调节激光开光/关光延时，响应快，精确到us级别的控制，且设置过程简单，大大缩短了工程师的调参时间；

（4）自带LASER激光器控制接口，支持IPG、YLR、YLS等类型激光电源，还带一个EXIO扩展IO接口，通过定制转接板，灵活控制市场上主流的各种激光器；

（5）支持PC同时控制16个ZMC408SCAN控制器同时工作，形成一种振镜阵列的激光加工；

（6）板载4路高速差分脉冲输出，并带4路高速差分编码器反馈，支持EtherCAT总线驱动器的控制，支持5轴XYZAC轴的插补，支持振镜轴与运动轴混合插补；

（7）支持直线插补、任意圆弧插补、空间圆弧、螺旋插补、电子凸轮、电子齿轮、同步跟随、虚拟轴设置等多种运动控制功能。

02 系统架构   接口

下图为ZMC408SCAN开放式激光控制器的参考架构，支持多种不同类型的激光器控制。

接口

03 上位机和控制器通讯   接口

上位机和控制器通讯调用正运动封装好的函数库，提供运动控制和激光控制等众多函数库接口，激光振镜的系统架构参见下图。

接口

本例采用EtherNET网口连接控制器，通过函数ZAux_OpenEth()建立通讯连接，用户可在设置好的界面中选择当前网段下的控制器IP完成连接，控制器出厂IP地址192.168.0.11，参见下图。

接口

04 激光控制   接口一、指令介绍

下面是我们程序中用到的接口函数，主要包含激光控制和激光振镜控制两部分，程序的实现可直接使用封装好的接口函数发送命令给控制器。

本例采用FIBER激光器和2D激光振镜，用到下面的函数接口：

ZAux_Direct_MoveScanAbs：振镜轴多轴绝对直线插补SCAN运动，不带加减速过程，我们这里用来控制振镜轴运动，通过小线段的形式拟合圆形轨迹；

ZAux_Direct_MoveOpDelay：缓冲输出延时，提前开光时将延时时间设置为负数；

ZAux_Direct_MoveDelay：缓冲输出延时，我们这里用来延时关光。

激光功率设置： 提供模拟量ZAux_Direct_SetDA、PWM的占空比ZAux_Direct_SetPwmDuty和频率ZAux_Direct_SetPwmFreq等方式控制 设置振镜轴拐角处自动延时：

ZAux_Direct_SetCornerMode

1.振镜轴直线插补

ZAux_Direct_MoveScanAbs绝对运动，ZAux_Direct_MoveScan相对运动。

指令27 ZAux_Direct_MoveScanAbs
指令原型 int32 __stdcall ZAux_Direct_MoveScanAbs(ZMC_HANDLE handle, int imaxaxises, int  *piAxislist,float  *pfDisancelist)
指令说明 振镜轴多轴相对直线插补Scan运动。
输入参数
参数名 描述
handle 连接句柄。
imaxaxises 运动轴数。
piAxislist 轴列表数组。
pfDisancelist 运动的距离列表。
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
详细说明 插补运动距离X=
运动时间T=X/主轴速度
插补运动时只有主轴速度参数有效，主轴是轴列表数组的第一个轴，运动参照这个轴的参数。

2.设置开关光

输出状态为0关光，输出状态为1开光。

指令1 ZAux_Direct_SetOp
指令原型 int32 __stdcall ZAux_Direct_SetOp(ZMC_HANDLE handle, int ionum,uint32 iValue);
指令说明 打开输出口，参见软件手册里面的“OP”指令。
输入参数
参数名 描述
handle 连接句柄。
ionum 输入口编号。
piValue 设置的输出口的状态值。
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
详细说明 ZIO扩展板的IO通道号与拨码有关，起始值为（16 +拨码组合值*16），EIO总线扩展IO使用NODE_IO指令，只能设置为8的倍数，详细查看硬件手册。
注意IO映射编号要大于控制器自身最大的IO编号，不能与控制器的编号重合。
最多可操作32个输出口。

3.开关光延时

指令13 ZAux_Direct_MoveDelay
指令原型 int32  __stdcall  ZAux_Direct_MoveDelay(ZMC_HANDLE  handle, int  iaxis, int  itimems)
指令说明 运动缓冲里面写入延时。
输入参数
参数名 描述
handle 连接标识。
iaxis 轴号。
itimems 延时时间MS。
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
指令示例 ZAux_Direct_Single_Move(handle, 0, 100);//轴0正向运动100
ZAux_Direct_MoveDelay(handle, 0,1000);//轴0正向运动100后延时1s，才执行下一条缓冲
详细说明 前面的运动指令结束时速度会自动降为0，然后延时等待。

4.提前/延时开关光

正数时间延时，负数时间提前开关光。

指令14 ZAux_Direct_MoveOpDelay
指令原型 int32  __stdcall  ZAux_Direct_MoveOpDelay(ZMC_HANDLE handle, float uTime, int nAxis)
指令说明 轴缓冲中MOVEOP精准高速输出口提前/延时输出。
输入参数
参数名 描述
handle 连接标识。
uTime 延时时间MS,支持小数到us控制。
nAxis 轴号。
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
指令示例 ZAux_Direct_MoveOpDelay(handle,0,-1.5); //后面轴0的MOVE_OP输出口提前1.5ms动作。
ZAux_Direct_Single_Move(handle, 0, 100);//轴0正向运动100
ZAux_Direct_MoveOp(handle, 0,0, 1);//轴0正向运动100后把out0的状态置为1
详细说明 不影响插补轴速度曲线，只对MOVE_OP输出口进行延时操作，设置负值时表示提前输出。

5.设置激光能量（功率）

通过改变模拟量输出的电压值来控制激光能量大小。  

指令7 ZAux_Direct_SetDA
指令原型 int32 __stdcall ZAux_Direct_SetDA(ZMC_HANDLE handle, int ionum, float fValue);
指令说明 打开模拟量输出口，参见软件手册里面的“AOUT”指令。
输入参数
参数名 描述
handle 连接句柄。
ionum DA输出口编号。
fValue 设置值
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
详细说明 12位刻度值范围0~4095对应0~10V电压。
16位刻度值范围0~65536对应0~10V电压。

6.PWM占空比

通过设置PWM的占空比来调整激光频率，在开始打轨迹之前一定要先设置好。

指令4 ZAux_Direct_SetPwmDuty
指令原型 int32 __stdcall ZAux_Direct_SetPwmDuty(ZMC_HANDLE handle, int ionum, float fValue);
指令说明 pwm占空比设置，参见软件手册里面的“PWM_DUTY”指令。
输入参数
参数名 描述
handle 连接句柄。
ionum PWM口编号。
fValue 设置值
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
详细说明 PWM只能通过设置占空比为0来关闭，不能通过设置PWM频率为0实现，PWM频率一定要在PWM开关之前调整。
占空比指有效电平占整个周期的比例。
一个周期中先输出有效电平，再输出无效电平。
PWM的实际输出受输出口的控制，必须输出口打开，PWM才能输出，否则输出被屏蔽掉。可以先开PWM功能，然后再开输出口，这样实现激光电源的首脉冲抑制功能。

7.PWM频率

指令3 ZAux_Direct_SetPwmFreq
指令原型 int32 __stdcall ZAux_Direct_SetPwmFreq(ZMC_HANDLE handle, int
ionum, float fValue);
指令说明 pwm 频率设置， 参见软件手册里面的“ PWM_FREQ”指令。
输入参数
参数名 描述
handle 连接句柄。
ionum PWM口编号。
fValue 设置值
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
详细说明 PWM只能通过设置占空比为0来关闭，不能通过设置PWM频率为0实现，不要将频率设为0，PWM频率一定要在PWM开关之前调整。

8.振镜轴拐角延时

指令15 ZAux_Direct_SetCornerMode
指令原型 int32 __stdcall ZAux_Direct_SetCornerMode(ZMC_HANDLE handle, int iaxis, int iValue);
指令说明 设置振镜轴SCAN指令拐角延时模式。针对非Scan运动指令意义不同。
输入参数
参数名 描述
handle 连接句柄。
iaxis 轴号。
iValue 模式设置
位 值 描述
0 1 预留
1 2 自动拐角延时
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
详细说明 mode：不同的位代表不同的意义，位可以同时使用。
位 值 描述
0 1 预留
1 2 自动拐角延时
拐角延时时间以ZSmooth值为最大参考时间根据DECEL_ANGLE和STOP_ANGLE值线性的计算减速时间。
拐角时间=(拐角角度-DECEL_ANGLE)/（STOP_ANGLE-DECEL_ANGLE)*ZSmooth

9.拐角延时起始角度

指令16 ZAux_Direct_SetDecelAngle
指令原型 int32 __stdcall ZAux_Direct_SetDecelAngle(ZMC_HANDLE handle, int iaxis, float fValue);
指令说明 设置拐角减速角度，开始减速角度，单位为弧度。
输入参数
参数名 描述
handle 连接句柄。
iaxis 轴号。
fValue 设置的拐角减速角度。
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
详细说明 拐角延时时间以ZSMOOTH为参考，一定要设置合理的FORCE_SPEED。
角度转换弧度公式：角度值*(PI/180)
减速角度是指电机的参考角度相对上一条运动的变化值。如下图。
此角度值不是实际轨迹的角度，是换算到电机变换的角度，此角度值仅为参考。
接口
下一插补运动轨迹处于下方时取绝对值。
直线与圆弧相连时按照圆弧的切线方向计算角度。
与STOP_ANGLE一起使用，当实际运动的角度处于DECEL_ANGLE（上限）与STOP_ANGLE（下限）之间线性自动计算延时时间。

10.拐角延时结束角度

指令17 ZAux_Direct_SetStopAngle
指令原型 int32 __stdcall ZAux_Direct_SetStopAngle(ZMC_HANDLE handle, int iaxis, float pfValue);
指令说明 设置停止减速角度。
输入参数
参数名 描述
handle 连接句柄。
iaxis 轴号。
pfValue 停止减速角度。
输出参数 /
返回值 成功返回值为0，非0详见错误码说明。
详细说明 拐角延时时间以ZSMOOTH为参考，一定要设置合理的FORCE_SPEED。
角度转换弧度公式：角度值*(PI/180)
减速角度是指电机的参考角度相对上一条运动的变化值。如下图。
此角度值不是实际轨迹的角度，是换算到电机变换的角度，此角度值仅为参考。
接口
下一插补运动轨迹处于下方时取绝对值。
直线与圆弧相连时按照圆弧的切线方向计算角度。
与STOP_ANGLE一起使用，当实际运动的角度处于DECEL_ANGLE（上限）与STOP_ANGLE（下限）之间线性自动计算延时时间。。

二、程序流程

先建立控制器通讯，获取连接句柄，激光器选择及参数设置，然后编辑红光与激光口控制开关，运动参数设置，轨迹参数进行小线段处理，开始运动，停止运动。

接口接口

三、主要程序展示

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，后续的激光轨迹加工控制由按钮触发。

在运动之前我们要设置好空移速度、打标速度、开关光延时、轨迹圆半径、标刻行列数、圆心距等参数。运动开始直接调用这些相关参数执行，获取完轨迹后调用3次文件执行。

1.初始化408FIBER转换板针脚定义，不同激光器类型定义一套不同的输出口，输出口可以在选择激光器类型后对应在界面上进行修改。

408 FIBER转换板参数初始化程序：

 

void CZmc_fontToMoveDlg::OnCbnSelchangeComboLaser()
{
    // TODO: 在此添加控件通知处理程序代码
    UpdateData(TRUE);
    if(m_nLaserType == FIBER_408)  //408 FIBER转换板参数设置
    {
        char  cmdbuffAck[2048] = "";
        int iresult = ZAux_Execute(m_Handle,"EXIO_DIR(0, $8FFFF)",cmdbuffAck,2048);
        m_nEnableIO = 47;  //使能io
        m_nLaserIO = 8;    //出关io
        m_nRedIO = 48;     //红光io
        m_nAout = 3;       //功率io
        m_nPwmIo = 9;      //频率io
    }
    else if(m_nLaserType == YLR_408)
    {
        m_nEnableIO = 31;  //使能io
        m_nLaserIO = 8;    //出关io
        m_nRedIO = 32;     //红光io
        m_nAout = 2;       //功率io
        m_nPwmIo = 9;      //频率io
    }
    else if(m_nLaserType == YAG_408)  //408 YAG转换板参数设置
    {
        char  cmdbuffAck[2048] = "";
        int iresult = ZAux_Execute(m_Handle,"EXIO_DIR(0, $AFBBF)",cmdbuffAck,2048);
        m_nEnableIO = 47;   //使能io
        m_nLaserIO = 8;     //出关io
        m_nRedIO = 48;      //红光io
        m_nAout = 3;        //功率io
        m_nPwmIo = 9;      //频率io
    }
    else if(m_nLaserType == FIBER_504)    //504
    {
        m_nEnableIO = 5;    //使能io
        m_nLaserIO = 6;     //出关io
        m_nRedIO = 28;     //红光io
        m_nAout = 2;      //功率io
        m_nPwmIo = 7;     //频率io
    }
    UpdateData(FALSE);
}
2.设置拐角延时与激光功率，再调用运动执行，程序如下。 
void CZmc_fontToMoveDlg::OnBnClickedBtnMove()
{
    // TODO: 在此添加控件通知处理程序代码
    UpdateData(TRUE);
    //设置拐角减速此ZSMOOTH为拐角延时
    int iresult = ZAux_Direct_SetCornerMode(m_Handle,SCAN_AxisX,2);  
    //设置精准输出
    iresult = ZAux_Direct_SetParam(m_Handle,"AXIS_ZSET",SCAN_AxisX,3);      
    //设置拐角延时
    iresult = ZAux_Direct_SetZsmooth(m_Handle,SCAN_AxisX,m_nCorDelay);      
    //设置拐角起始角度，减速时间在DecelAngle-StopAngle线性变化
    iresult = ZAux_Direct_SetDecelAngle(m_Handle,SCAN_AxisX,0);            //设置拐角结束角度
    iresult = ZAux_Direct_SetStopAngle(m_Handle,SCAN_AxisX,90/180*3.1415926);  
     //设置激光功率
    iresult = ZAux_Direct_SetDA(m_Handle,m_nAout,m_nAoutVal);          
    //设置激光频率
    iresult = ZAux_Direct_SetPwmDuty(m_Handle,m_nPwmIo,0.5);        
    iresult = ZAux_Direct_SetPwmFreq(m_Handle,m_nPwmIo,m_nPwmFreq);    
    //获取轨迹数据，(0,0)为圆外接起点，5*5间距画半径为5的小圆
    Cal_WorkData(m_fStartX, m_fStartY, m_nStepDis, m_nColNum, m_nRowNum, m_fRadius);     
    Run_3FileMode();
}

 

3.圆弧转小线段是将我们的设置的圆弧轨迹转换为小线段存起来，然后转换后由3次文件的形式加载执行。

圆弧转小线段程序如下：

 

void CZmc_fontToMoveDlg::Cal_WorkData(float fStartX, float fStartY, float iStepDis, int iColNum, int iRowNum, float fRadius)
{
    //圆弧转小线段
    int ilen = -1;
    double ArcX;
    double ArcY;
    //获取单个整圆转换长度
    int iret = ZMotionOptimize_TransArcSeges(m_Handle,fStartX - fRadius, fStartY,  fStartX + fRadius, fStartY + 2 * fRadius, 0, -2 * PI, m_refDistance, &ArcX, &ArcY, &ilen);
    if (iret != 0 || ilen < 0)
    {
        CString StrErr;
        StrErr.Format("圆弧转小线段失败错误码：%d",iret);
        MessageBox(StrErr);
        return;
    }
    double *ArcToLineX;
    double *ArcToLineY;
    ArcToLineX = (double*)malloc(sizeof(double)*ilen);
    ArcToLineY = (double*)malloc(sizeof(double)*ilen);
    //获取数据
    iret = ZMotionOptimize_TransArcSeges(m_Handle, fStartX - fRadius, fStartY, fStartX + fRadius, fStartY + 2 * fRadius, 0, -2 * PI, m_refDistance, ArcToLineX, ArcToLineY, &ilen);
    //轨迹总长度
    m_GraphTotalLen = ilen * iColNum * iRowNum;
    m_GraphData  = (struct_GraphPos*)malloc(sizeof(struct_GraphPos)*m_GraphTotalLen);    //申请分配内存
    //填写数据
    int iAcr = 0;
    for (int icol = 0; icol < iColNum ; icol++)
    {
        for(int irow = 0 ;irow


	 



	4.这里程序完成空移，然后移动完成之前，如果下一条运动指令执行的是轨迹运动，那么提前将激光打开。



	 


//空移到打标点起始点
void CZmc_fontToMoveDlg::Zscan_Z3pFile_StartString(struct_GraphPos *iGraphData)
{
    char  cmdbuff[2048] = "";      
    char  tempbuff[2048] = "";
    //生成命令
    sprintf(tempbuff, "BASE(%d,%d)
",SCAN_AxisX,SCAN_AxisY);    //设置打标轴
    strcat(cmdbuff, tempbuff);
    //空移到起点
    sprintf(tempbuff, "FORCE_SPEED = %f
",m_dEmpSpeed);    //设置空移速度
    strcat(cmdbuff, tempbuff);
    sprintf(tempbuff, "MOVESCANABS(%f,%f)
",(*iGraphData).fposx,(*iGraphData).fposy);    //移动
    strcat(cmdbuff, tempbuff);
    //设置提前开光
    if (m_nStartDelay < 0)      //提前出光
    {
        sprintf(tempbuff, "MOVEOP_DELAY = %f
",m_nStartDelay/1000);
        strcat(cmdbuff, tempbuff);
    }
    else
    {
        sprintf(tempbuff, "MOVE_DELAY(%f)
",m_nStartDelay/1000);
        strcat(cmdbuff, tempbuff);
    }
    //开光
    sprintf(tempbuff, "MOVE_OP(%d,1)
MOVE_DELAY(10)
MOVE_OP(%d,1)
",m_nEnableIO,m_nLaserIO);  
    strcat(cmdbuff, tempbuff);
    //判断命令长度是否发送
    strcat(g_MoveStr,cmdbuff);
    Zscan_Z3pFile_Down();
}


 //生成打标直线段字符串
void CZmc_fontToMoveDlg::Zscan_Z3pFile_LineString(struct_GraphPos *iGraphData)
{
    char  cmdbuff[2048] = "";      
    char  tempbuff[2048] = "";
    //生成命令
    //空移到起点
    sprintf(tempbuff, "FORCE_SPEED = %f
",m_dSpeed);    //设置打标速度
    strcat(cmdbuff, tempbuff);
    sprintf(tempbuff, "MOVESCANABS(%f,%f)
",(*iGraphData).fposx,(*iGraphData).fposy);    //移动
    strcat(cmdbuff, tempbuff);
    //判断命令长度是否发送
    strcat(g_MoveStr,cmdbuff);
    Zscan_Z3pFile_Down();
}



	 



	5.延时关光是在打标轨迹完成后，将激光延时关闭。



	延时关光程序如下：



	 


void CZmc_fontToMoveDlg::Zscan_Z3pFile_EndString(struct_GraphPos *iGraphData)
{
    char  cmdbuff[2048] = "";      
    char  tempbuff[2048] = "";
    //生成命令
    sprintf(tempbuff, "FORCE_SPEED = %f
",m_dEmpSpeed);    //设置空移速度
    strcat(cmdbuff, tempbuff);
    sprintf(tempbuff, "MOVESCANABS(%f,%f)
",(*iGraphData).fposx,(*iGraphData).fposy);    //移动
    strcat(cmdbuff, tempbuff);
    //延时关光
    if(m_nLastDelay >0)
    {
        //延时关光
        sprintf(tempbuff, "MOVEOP_DELAY = 0
MOVE_DELAY(%f)
",m_nLastDelay/1000);
        strcat(cmdbuff, tempbuff);
    }
    else
    {
        sprintf(tempbuff, "MOVEOP_DELAY = %f
",m_nLastDelay/1000);
        strcat(cmdbuff, tempbuff);
    }
    //关光
    sprintf(tempbuff, "MOVE_OP(%d,OFF)
",m_nLaserIO);  
    strcat(cmdbuff, tempbuff);
    //判断命令长度是否发送
    strcat(g_MoveStr,cmdbuff);
    Zscan_Z3pFile_Down();
}



	 



	四、最终效果



	首先点击下拉框选择控制器IP，点击连接，依次设置好激光器参数、运动参数，设置好后输入打轨迹的参数，点击运动开始打圆形轨迹，点击停止结束。



	接口



	通过Zdevelop软件的示波器采样运动结果：先从其他位置空移到起始位置，然后提前1ms开光，走完一个圆形轨迹，关闭激光（延时关光），再空移到下一个圆形轨迹的起点，开光（提前1ms开光）,又走完一个轨迹后，关光（延时5ms关光），如此循环执行，直到设置的行列数打完停止（打轨迹中也能点击停止）。



	接口



	XY模式下的轨迹，轨迹包括了圆形打标轨迹和空走轨迹：



	接口



	 



	本次，正运动技术开放式激光振镜运动控制器：C++快速开发 ，就分享到这里。　　



	      审核编辑：彭静
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