浅谈ZMC408SCAN激光接口与如何实现激光的控制

上一节介绍了ZMC408SCAN控制器的功能、硬件参数与硬件接口的特点等，本节主要介绍激光相关的接口与如何实现激光的控制。

激光控制可采用LASER激光电源接口，或通过EXIO扩展IO接口定制激光器转接板，通过EXIO_DIR指令配置转接板的IO端子是输入口还是输出口，参考激光器的手册，使用IO控制指令控制激光器的能量和开关。

01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，专为工业激光+振镜+运动控制方面的应用而设计。支持16路运动轴的复杂连续轨迹控制需求，可实现振镜轴+脉冲轴+总线轴的混合插补。

1.ZMC408SCAN的振镜功能

（1）XY2-100的振镜控制协议，刷新周期10us-50us；

（2）两组二轴激光振镜的直线插补、圆弧插补及连续轨迹加工等输出；

（3）简单的振镜工艺参数设置，降低客户的开发难度；

（4）振镜矫正功能、振镜反馈闭环，保证激光加工的精度。

2.ZMC408SCAN的激光控制

（1）1个LASER激光电源控制接口，支持IPG、YLR、YLS等类型激光器；

（2）1个EXIO可配置扩展IO接口，通过转接板可外置扩展YGA、FIBER等其他类型激光器；

（3）0-10V模拟量输出、高速PWM输出可控制激光能量；

（4）可实现PWM输出、模拟量输出与运动速度的同步。

3.ZMC408SCAN的运动控制

（1）8轴EtherCAT总线轴/脉冲轴/振镜轴控制，可混合插补；

（2）多维硬件位置比较输出，位置同步输出PSO功能；

（3）电子凸轮、同步跟随、直线插补、圆弧插补、连续轨迹加工、30+种机械手正逆解算法等；

（4）专用MPG手轮接口，支持 5-24V手轮输入。

02接口说明

控制器的接口说明如下表：

标识	接口	个数	说明
RS232	232串口	1个	采用MODBUS_RTU协议
RS485	485串口	1个	采用MODBUS_RTU协议
CAN	CAN总线	1个	连接CAN扩展模块或控制器
ETHERNET	网口	1个	采用MODBUS_TCP协议，通过交换机扩展网口个数，至少包含两路网口通道 默认IP地址192.168.0.11
EtherCAT	总线口	1个	EtherCAT总线接口，接EtherCAT总线驱动器和扩展模块
E+24V	主电源	1个	24V直流电源供电
UDISK	U盘接口	1个	插入U盘设备
IN	数字量输入	24个	NPN类型，内部24V供电，输入0-3具有锁存功能
OUT	数字量输出	12个	NPN类型，内部24V供电，输出0-7具有PWM功能，输出0-7具有精准输出和PSO功能
AD	模拟量输入	2个	分辨率12位，0-10V
DA	模拟量输出	2个	分辨率12位，0-10V
Axis	脉冲轴接口	4个	每个接口包含差分脉冲输出和差分编码器输入
SCAN	振镜接口	2个	激光振镜接口，带反馈，采用XY2-100协议
LASER	激光控制接口	1个	激光电源控制端口，支持IPG、YLR、YLS等类型激光电源
MPG	手轮接口	1个	5-24V手轮信号输入
EXIO	扩展IO接口	1个	灵活定制转接板，可扩展FIBER、YGA等其它类型激光电源控制接口

03参考架构

下图为ZMC408SCAN开放式激光控制器的参考架构：

→PC可通过串口和网口连接到控制器，下发指令给控制器处理，编程方式可选择正运动自主研发的ZDevelop开发环境或者常用的上位机开发方式。

→通过RS232、RS485和网口可与外部设备通讯。

→连接扩展的IO模块可使用EtherCAT或CAN总线接口。

→具备标准的激光振镜接口SCAN，激光电源控制接口LASER，同时提供一个EXIO扩展IO接口灵活扩展其他激光器；总线激光器可通过EtherCAT总线控制。

→运动控制可用的设备类型有激光振镜、脉冲伺服/步进驱动、EtherCAT总线驱动。

☉实现激光加工包含运动控制与激光控制两大部分。

ZMC408SCAN运动控制可使用常用的电机驱动设备或者激光振镜实现。

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。

04激光控制

激光器的控制接口可选LASER激光电源接口，或EXIO扩展IO接口通过定制转接板连接激光器。

ZMC408SCAN激光控制的方式有三种、PWM、模拟量和PSO位置同步输出控制自由选择，支持控制激光的能量、激光的开关和激光延时，不同的控制方式要使用支持该功能的输出口，并且使用对应的指令控制激光。

通过MOVE_OP精准输出指令在运动中灵活的调节激光开关/关光，MOVE_DELAY调节延时，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；

ZMC408SCAN的激光电源接口LASER内置输出口8控制激光器，输出可配置PWM，控制器的通用输出口OUT0-7支持PWM功能和PSO功能，PWM输出受正常输出功能的控制，只有输出口状态ON的时候PWM才能实际输出，可以用来控制激光能量。

ZMC408SCAN控制器存在模拟量输入输出各两路，可进行控制激光器能量输出，模拟量精度为12位，电压范围0-10V。

1.LASER激光电源接口

（1）接口说明

ZMC408SCAN控制器LASER激光电源接口功能：

A.LASER激光电源接口支持连接IPG、YLR、YLS等类型激光电源；

B.可通过直接控制器发送激光、红光、使能等输出信号进行操作激光器让激光器进行对应响应；

C.DB接口中带有1个PWM输出口；

D.可接收激光器信号，可显示IN信号并作出对应响应。

LASER激光电源接口采用DB25针公头，针脚说明参见下表：

 

针脚号	信号	操作口	说明
1、4、14	LAGND	LAGND	激光模拟信号参考地
2、3、13	NC	/	保留
5	Guide Control	OUT32	红光控制输出引脚,24V有效
6	ACON	OUT33	预留输出引脚,24V有效
7	LaserRequest	OUT28	激光请求输出，24V有效
8	Program start	OUT29	程序开始输出，24V有效
9	ERST	OUT30	激光器复位输出，24V有效
10	LASER ON	OUT31	激光器使能输出，24V有效
11	PWM/NC	OUT9	预留PWM信号，24V电平
12	Modulation-	/	调制信号-
15	LASER_AD/NC	AIN(2)	预留模拟量输入，0-10V，16位分辨率
16	LASER_DA/NC	AOUT(2)	预留模拟量输出，0-10V，16位分辨率
17	Error	IN44	激光器报警输入，24V有效
18	Emission EN	IN45	激光发射输入，24V有效
19	Pow Active	IN49	激光主电源已经启动，24V有效
20	Power ON	IN48	激光系统上电状态输入，24V有效
21	Laser standby	IN47	激光器已处于待机状态输入，24V有效
22	Ready	IN46	激光就绪状态输入，24V有效
23、25	EGND	EGND	各数字输入输出的参考地
24	Modulation+	OUT8	调制信号+，支持PWM，24V电平

 

注意：

A.上表的输入输出除PWM和Modulation之外其它信号作用支持自定义；

B.OUT(9)、AOUT(2)和AIN(2)为预留信号，标准型号中没有，如果需要请订货时选择特殊型号。

（2）接线参考

LASER激光电源接口内部电路图和与IPG200W光纤激光器的接线参考如下图所示：

A.LASER激光器接口接线原理如上图所示，数字IO接口除OUT8，OUT9外可自行定义；

B.对于需要模拟量输入的激光器有两种接线选项，对分辨率要求不高的可以选用控制器12位DA接口实现，对于分辨率要求较高的可以选择LASER接口中带16位DA的型号；

C.请使用屏蔽线接线，尤其是环境恶劣的场合，务必使屏蔽层充分接地。

（3）使用说明

A.请按照以上接线说明正确接线；

B.上电后请选用EtherNET、RS232（默认参数可直接连接）、RS485（默认参数可直接连接，硬件需使用转接头）三种任一种接口连接ZDevelop；

C.通过ZDevelop视图栏中输入输出窗口操作监控对应IO点；

D.通过ZDevelop视图栏中AD/DA窗口操作监控对应模拟量输入输出口；

E.通过ZDevelop在线命令发送指令PWM_FREQ(PWM编号)=频率，PWM_DUTY(PWM编号)=占空比。

参考BASIC例程：激光控制参考上节引脚说明。

 

BASE(4,5) '选择振镜SCAN 0接口，对应轴号4,5 ATYPE = 21,21 '设置轴4,5为振镜轴类型UNITS = 200,200 '设置轴4,5脉冲当量为200个bit为单位DPOS =0,0 '轴位置清零CORNER_MODE = 2,2 '设置振镜轴拐角延时DECEL_ANGLE = 30*PI/180,30*PI/180 '设置轴拐角延时范围STOP_ANGLE = 90*PI/180,90*PI/180 '设置轴拐角延时范围ZSMOOTH = 1000,1000 '设置拐角延时最大延时时间1000usFORCE_SPEED = 100,100 '设置轴4,5 SCAN运动速度 100*200 bit/sMOVESCANABS(0,0) '振镜移动到中心零点位置TRIGGERBase(4,5)Aout(0)=2048          '12位模拟量输出口0设置激光器功率为50%，0-10V对应功率0-100%Op(29,ON)             '打开激光器使能IO    FORCE_SPEED = 2000    '空移速度MOVESCANABS(50,50) '空移到50,50位置MOVEOP_DELAY =-1.5 '提前1.5ms开光 ,延时开光使用MOVE_DELAYMOVE_PWM(8,0.5,10000) '设置PWM占空比0.5，频率10000KMOVE_OP(8,ON)         '出光FORCE_SPEED = 1000 '标刻速度MOVESCANABS(150,150)  '移到150,150位置MOVE_DELAY(2.5)      '延时关光2.5msMOVE_OP(8,OFF) '关光END

 

在振镜加工的运动指令应用领域，MOVESCAN与MOVESCANABS指令中，CORNER_MODE = 2此处用于开启振镜轴的拐角延时，ZSMOOTH用于设置拐角延时的最大时间，us单位，DECEL_ANGLE和STOP_ANGLE用于设置拐角延时的起始角度和角度，拐角延时的具体时间在这两个角度之间从0-ZSMOOTH线性分布。

示波器采样运动波形如下：在运动到位置50之前提前1.5ms开光，运动结束延时2.5ms光关。

2.EXIO扩展IO接口

（1）接口说明

ZMC408SCAN控制器上的激光电源控制接口除了定义好的LASER之外，还有个EXIO扩展IO接口可灵活配置，专门用来驱动市面上的主流激光器，EXIO扩展IO接口需要专用的转接板才能使用，该接口不可对接除专用转接板以外的任何负载，转接板可灵活定制。

EXIO扩展IO接口目前可支持扩展标准的YGA、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、激光开关、激光能量控制等。

硬件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。

EXIO扩展IO接口采用DB25针母头，引脚的说明如下表，主要包含0-19一共20个IO接口，IO可配置为输入或输出，配置完成IO编号参考右侧对应的输入/输出的编号说明（例如映射为数字输入，参考输入口一栏编号）。

 

接口编号	信号名称	信号说明	映射数字输入	映射数字输出
1	GND	内部数字地输出	/	/
2	EXIO_0	扩展IO0	67	53
3	EXIO_1	扩展IO1	64	50
4	EXIO_2	扩展IO2	59	9
5	EXIO_3	扩展IO3	57	43
6	GND	内部数字地输出	/	/
7	EXIO_4	扩展IO4	65	51
8	EXIO_5	扩展IO5	51	37
9	EXIO_6	扩展IO6	53	39
10	EXIO_7	扩展IO7	61	47
11	EXIO_8	扩展IO8	55	41
12	EXIO_9	扩展IO9	58	8
13	GND	内部数字地输出	/	/
14	EXIO_10	扩展IO10	66	52
15	EXIO_11	扩展IO11	68	54
16	EXIO_12	扩展IO12	56	42
17	EXIO_13	扩展IO13	60	46
18	EXIO_14	扩展IO14	62	48
19	EXIO_15	扩展IO15	63	49
20	EXIO_16	扩展IO16	50	36
21	EXIO_17	扩展IO17	52	38
22	EXIO_18	扩展IO18	54	40
23	EXIO_19	扩展IO19	69	55
24	GND	内部数字地输出	/	/
25	+5V	+5V电源输出	/	/

 

注意：

A.EXIO_0-EXIO_19均可配置成输入/输出口，所对应的编号如右边；

B.该接口中的信号不可直接连接负载，需定制转接板进行转换；

C.转接板可灵活定制，可根据需要设计通讯方式。

（2）IO配置方法

EXIO接口经转换板转接之后，参考对应激光器引脚，再通过指令EXIO_DIR进行配置IO输入输出，配置完成即可通过输出口相关指令控制对应的IO口。

EXIO_0-19均可配置成输入/输出口，所对应输入/输出口的编号参见上表，EXIO_DIR配置顺序参考OP或IN的编号。

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)

示例：

 

EXIO_DIR(0, $8FFFF) '扩展FIBER转接板IO配置EXIO_DIR(0, $FCBFE) '扩展YAG转接板IO配置（3）EXIO扩展IO接口使用步骤转接板接线参考如下图：

 

A.选择相应的转接板使用配套专用转接线连接转接板和控制器EXIO接口；

B.上电后请选用EtherNET、RS232、RS485三种任一种接口连接ZDevelop；

C.对控制器EXIO（0-19）号端口进行配置，使转接板所占用数字输入/输出口均得到使能；

D.使用FIBER转接板IO配置指令EXIO_DIR(0,$8FFFF)、YAG转接板IO配置指令EXIO_DIR(0,$FCBFE)；

E.自定义所使能的数字IO口，通过二次开发，实现控制器对激光器的功能控制。

3.FIBER激光器转接板输出接口

（1）接口说明

ZMC408SCAN-FIBER转接板采用DB25公头接口，可控制JPT、MOPA、IPG、YLP、YLPN、创鑫、锐科等激光器。扩展IO配置EXIO_DIR(0,$8FFFF)。

FIBER激光器转接板输出接口说明如下表：

 

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	/

 

（2）接线参考

FIBER激光器转接板内部电路图和与MEPT-200P激光器的接线参考如下图所示：

A.以上为MFPT-200P的接线示例，具体选择对接的引脚也可以此为参考自行定义；

B.建议采用带屏蔽层的接线，并且使屏蔽层充分接地（机壳）。

（3）使用说明

A.请按照以上接线说明正确接线；

B.上电后请选用EtherNET、RS232（默认参数可直接连接）、RS485（默认参数可直接连接，硬件需使用转接头）三种任一种接口连接ZDevelop；

C.通过ZDevelop在线命令发送指令EXIO_DIR(0,$8FFFF)；

D.通过ZDevelop视图栏中输入输出窗口操作监控对应IO点；

E.通过ZDevelop视图栏中AD/DA窗口操作监控对应模拟量输入输出口；

F.通过ZDevelop在线命令发送指令 PWM_FREQ(PWM编号) = 频率，PWM_DUTY(PWM编号) = 占空比。

参考BASIC例程:

 

EXIO_DIR(0,$8FFFF) '设置EXIO扩展类型为FIBER转接板类型BASE(4,5) '选择振镜SCAN 0接口，对应轴号4,5ATYPE = 21,21 '设置轴4,5为振镜轴类型UNITS = 200,200 '设置轴4,5脉冲当量为200个bit为单位DPOS =0,0CORNER_MODE = 2,2 '设置振镜轴拐角延时DECEL_ANGLE = 30*PI/180,30*PI/180STOP_ANGLE = 90*PI/180,90*PI/180ZSMOOTH = 1000,1000 '设置拐角延时最大延时时间1000usFORCE_SPEED = 100,100 '设置轴4,5SCAN运动速度100*200 bit/sMOVESCANABS(0,0)     '振镜移动到中心零点位置BASE(4,5)OP(47,ON) '打开激光器使能IOAOUT(3)=$80 '$为16进制，根据激光器手册，设置功率为128，对应50%功率输出，AOUT(3)按位配置针脚1-8的电平状态OP(46,OFF) '触发功率锁存,修改功率OP(46,ON) TRIGGERFORCE_SPEED = 2000 '空移速度MOVESCANABS(50,50) '空移到50,50位置MOVEOP_DELAY =-1.5 '提前1.5mS开光 ,延时开光使用MOVE_DELAYMOVE_PWM(9,0.5,10000) '设置PWM占空比0.5，频率10000KMOVE_OP(8,ON)       '出光，PWM生效FORCE_SPEED = 1000 '标刻速度MOVESCANABS(150,150) '移到150,150位置MOVE_DELAY(2.5) '延时关光2.5msMOVE_OP(8,OFF) '关光END

 

在振镜加工的运动指令应用领域，MOVESCAN与MOVESCANABS指令中，CORNER_MODE = 2此处用于开启振镜轴的拐角延时，ZSMOOTH用于设置拐角延时的最大时间，us单位，DECEL_ANGLE和STOP_ANGLE用于设置拐角延时的起始角度和角度，拐角延时的具体时间在这两个角度之间从0-ZSMOOTH线性分布。

示波器采样运动波形如下：

4.YGA激光器转接板输出接口

（1）接口说明

ZMC408SCAN-YAG转接板采用DB25公头接口，实际IO口控制功能支持自定义功能可控制，下表按UW-YAG类型激光器映射功能。扩展IO功能设置EXIO_DIR(0, $FCBFE)。

YGA激光器转接板输出接口说明如下表：

 

针脚号	信号	说明	IO控制信号
1	EGND	外部供电24V负极	/
2	SCH 1	工作状态1	OUT8
3	SCH 2	工作状态2	OUT41
4	SCH 4	工作状态4	OUT47
5	SCH 8	工作状态8	OUT39
6	SCH 16	工作状态16	OUT37
7	EGND	外部供电24V负极	/
8	LD	红光指示开关	OUT51
9	MAIN-SHUTTER-IN	主快门	OUT43
10	START	开光	OUT9
11	SHUTTER1	分快门1	OUT50
12	REMOTER-EQUEST	外控开关	OUT53
13	EGND	外部供电24V负极	/
14、15、16	预留	/	/
17	/	自定义	OUT36
18	/	自定义	OUT49
19	/	自定义	OUT48
20	TROUBLE-OUT	故障报警	IN60
21	READY	激光准备好状态	IN56
22	/	自定义	IN68
23	/	自定义	IN66
24	EGND	外部供电24V负极	/
25	E24V	外部供电24V正极	/

 

（2）接线参考

YGA激光器转接板内部电路图和与UW-075激光焊接机的接线参考如下图所示：

A.以上为UW-075的接线示例，具体选择对接的引脚也可以此为参考自行定义；

B.建议采用带屏蔽层的接线，并且使屏蔽层充分接地（机壳）。

（3）使用说明

A.请按照以上接线说明正确接线；

B.上电后请选用EtherNET、RS232（默认参数可直接连接）、RS485（默认参数可直接连接，硬件需使用转接头）三种任一种接口连接ZDevelop；

C.通过ZDevelop在线命令发送指令EXIO_DIR(0,$FCBFE)；

D.通过ZDevelop视图栏中输入输出窗口操作监控对应IO点；

E.通过ZDevelop视图栏中AD/DA窗口操作监控对应模拟量输入输出口。

参考BASIC例程:

 

EXIO_DIR(0,$FCBFE) '设置EXIO扩展类型为YAG转接板类型BASE(4,5) '选择振镜SCAN 0接口，对应轴号4,5ATYPE = 21,21       '设置轴4,5为振镜轴类型UNITS = 200,200       '设置轴4,5脉冲当量为200个bit为单位DPOS =0,0CORNER_MODE = 2,2 '设置振镜轴拐角延时DECEL_ANGLE = 30*PI/180,30*PI/180STOP_ANGLE = 90*PI/180,90*PI/180ZSMOOTH = 1000,1000 '设置拐角延时最大延时时间1000usFORCE_SPEED = 100,100 '设置轴4,5 SCAN运动速度 100*200 bit/sMOVESCANABS(0,0)     '振镜移动到中心零点位置TRIGGERBASE(4,5)OP(53,ON) '设置激光器为外控模式OP(8,ON) '选择工作模式1OP(41,OFF)OP(47,OFF)OP(39,OFF)OP(37,OFF)FORCE_SPEED = 2000 '空移速度MOVESCANABS(50,50) '空移到50,50位置MOVEOP_DELAY =-1.5 '提前1.5ms开光 ,延时开光使用MOVE_DELAYMOVE_OP(43,ON) '选择主快门MOVE_OP(9,ON)       '出光FORCE_SPEED = 1000 '标刻速度MOVESCANABS(150,150)  '移到150,150位置MOVE_DELAY(2.5) '延时关光2.5msMOVE_OP(9,OFF) '关光END

 

在振镜加工的运动指令应用领域，MOVESCAN与MOVESCANABS指令中，CORNER_MODE = 2此处用于开启振镜轴的拐角延时，ZSMOOTH用于设置拐角延时的最大时间，us单位，DECEL_ANGLE和STOP_ANGLE用于设置拐角延时的起始角度和角度，拐角延时的具体时间在这两个角度之间从0-ZSMOOTH线性分布。

示波器采样运动波形如下：

本次，正运动技术开放式激光振镜运动控制器(二)：ZMC408SCAN激光控制方式，就分享到这里。

编辑：黄飞