ZMC408SCAN振鏡控制光纖激光器加工的方法

上一節(jié)介紹了控制器的激光相關(guān)的接口與如何實(shí)現(xiàn)激光的控制。本節(jié)介紹ZMC408SCAN控制激光振鏡的方法。

01激光與振鏡功能簡(jiǎn)介

ZMC408SCAN是正運(yùn)動(dòng)技術(shù)新推出的一款支持EtherCAT總線的開(kāi)放式激光振鏡運(yùn)動(dòng)控制器，集激光控制+振鏡控制+軸控于一體。支持16路運(yùn)動(dòng)軸的復(fù)雜的連續(xù)軌跡控制需求，可實(shí)現(xiàn)振鏡軸+脈沖軸+總線軸的混合插補(bǔ)。

ZMC408SCAN控制器上包含兩個(gè)SCAN振鏡接口，SCAN支持XY2-100振鏡協(xié)議，支持振鏡軸與運(yùn)動(dòng)軸聯(lián)合插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光輸出與運(yùn)動(dòng)的同步控制。

支持激光振鏡控制和振鏡反饋，配合不帶加減速的運(yùn)動(dòng)指令MOVESCAN，拐角處振鏡加工自動(dòng)延時(shí)，完成精準(zhǔn)高效的激光控制，提高激光加工設(shè)備的產(chǎn)能。

→激光器的接口可選LASER，EXIO擴(kuò)展IO口或OP輸出口。

→LASER激光電源接口支持連接 IPG、YLR、YLS 等類(lèi)型激光電源。

→EXIO擴(kuò)展接口目前可支持?jǐn)U展標(biāo)準(zhǔn)的YGA、SPI、FIBER等激光器類(lèi)型，通過(guò)EXIO擴(kuò)展接口連接擴(kuò)展板，轉(zhuǎn)換TTL信號(hào)后控制激光器的激光使能、紅光開(kāi)關(guān)以及8位數(shù)字量輸出口控制激光能量，接線完成還需使用指令配置EXIO擴(kuò)展接口，配置連接擴(kuò)展板的輸入/輸出信號(hào)。

→輸出口OUT0-7支持PWM功能，可靈活連接激光器。

02激光振鏡控制原理

1.什么是激光振鏡

激光振鏡是一種專(zhuān)門(mén)用于激光加工領(lǐng)域的特殊的運(yùn)動(dòng)器件，2D激光振鏡頭包含的主要元件是激光發(fā)生器，兩個(gè)電機(jī)和兩個(gè)振鏡片，它靠?jī)蓚€(gè)電機(jī)分別控制兩個(gè)振鏡片X和Y反射激光，形成XY平面的運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)電機(jī)使用控制器上的振鏡軸接口控制，示意圖如下。

激光振鏡不同于一般的電機(jī)，激光振鏡具有非常小的慣量，且在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中負(fù)載非常小，只需要帶動(dòng)反射鏡片，系統(tǒng)的響應(yīng)非?？臁?/p>

激光發(fā)生器的能量和開(kāi)關(guān)可采用PWM控制或模擬量控制，根據(jù)激光器的類(lèi)型選擇接線方式和控制方式。

2.SCAN振鏡接口

使用ZMC408SCAN控制器的SCAN振鏡軸接口連接激光振鏡頭，每個(gè)振鏡軸接口內(nèi)包含兩路振鏡通道信號(hào)，分別控制振鏡片X、Y的偏轉(zhuǎn)，從而控制了激光打到工件的位置，激光的開(kāi)關(guān)一般通過(guò)OP口控制，部分OP口支持PWM功能，通過(guò)PWM控制激光的能量和開(kāi)關(guān)。

SCAN振鏡接口采用25針母頭，針腳號(hào)說(shuō)明參見(jiàn)下表：

注意：

（1）2D振鏡默認(rèn)情況下，SCAN0的對(duì)應(yīng)2D振鏡Axis4，Axis5，SCAN1的對(duì)應(yīng)2D振鏡Axis6，Axis7；

（2）3D振鏡默認(rèn)情況下，SCAN0的對(duì)應(yīng)3D振鏡Axis4，Axis5，Axis8，SCAN1的對(duì)應(yīng)3D振鏡Axis6，Axis7，Axis9。

3.XY2-100振鏡協(xié)議

ZMC408SCAN支持XY2-100振鏡協(xié)議，刷新周期10us-50us，支持運(yùn)動(dòng)控制與振鏡聯(lián)合插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)口與控制器相連，通過(guò)XY2-100振鏡協(xié)議進(jìn)行控制振鏡軸的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)EtherCAT總線或者脈沖模式控制伺服軸運(yùn)動(dòng)。

ZMC408SCAN同時(shí)支持XY2-100E振鏡協(xié)議，支持瑞雷振鏡閉環(huán)，振鏡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)實(shí)施反饋MPOS的振鏡位置，可通過(guò)讀取的位置進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，并且會(huì)對(duì)應(yīng)報(bào)警。

4.激光振鏡控制過(guò)程

振鏡運(yùn)動(dòng)采用緩沖區(qū)運(yùn)動(dòng)方式，即用戶(hù)需要向軸運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)傳遞運(yùn)動(dòng)及工藝數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)緩沖區(qū)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制器則會(huì)依次連續(xù)執(zhí)行用戶(hù)所傳遞的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，直到所有的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)全部運(yùn)動(dòng)完成。

在激光振鏡運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中不但有運(yùn)動(dòng)的控制，還有激光的控制。如何有效地處理振鏡運(yùn)動(dòng)和激光開(kāi)關(guān)的配合是一個(gè)很重要的問(wèn)題，只有有效的協(xié)調(diào)了激光和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，才能運(yùn)動(dòng)出精確的軌跡。

運(yùn)動(dòng)控制：打標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，激光會(huì)按照設(shè)定的打標(biāo)速度沿著給定的打標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)，在執(zhí)行打標(biāo)相關(guān)指令時(shí)，激光振鏡運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟激光。如果下一條仍是打標(biāo)指令，激光一直呈開(kāi)啟狀態(tài)，直到最后一條打標(biāo)指令結(jié)束，或緩存區(qū)指令執(zhí)行完畢，中途在緩沖區(qū)若遇到跳轉(zhuǎn)指令，則激光自動(dòng)關(guān)閉，直到遇到打標(biāo)指令，激光才重新開(kāi)啟。開(kāi)始運(yùn)動(dòng)前為保證打標(biāo)軌跡正確需調(diào)整振鏡坐標(biāo)，同時(shí)清空緩沖區(qū)。

激光控制：主要包括控制激光的開(kāi)關(guān)控制與發(fā)出激光的時(shí)長(zhǎng)，控制激光的開(kāi)斷使用OP指令，激光能量的控制可根據(jù)激光器的不同，對(duì)應(yīng)通過(guò)模擬量，數(shù)字量輸出口，以及輸出口PWM的占空比對(duì)應(yīng)控制能量的大小。

5.激光振鏡控制架構(gòu)

ZMC408SCAN開(kāi)放式激光振鏡控制系統(tǒng)的參考架構(gòu)如下圖：

實(shí)現(xiàn)激光加工包含運(yùn)動(dòng)控制與激光控制兩大部分。

激光振鏡控制系統(tǒng)的控制過(guò)程可選正運(yùn)動(dòng)的API函數(shù)庫(kù)通過(guò)常用上位機(jī)環(huán)境控制，或正運(yùn)動(dòng)自主研發(fā)的ZDevelop開(kāi)發(fā)環(huán)境，或第三方用戶(hù)程序。

激光振鏡用于直接控制激光的軌跡，選用支持標(biāo)準(zhǔn)XY2-100協(xié)議的產(chǎn)品。

激光控制可通過(guò)LASER、支持PWM功能的OUT輸出口或者EXIO擴(kuò)展接口接標(biāo)準(zhǔn)的激光器。

工件需要運(yùn)動(dòng)時(shí)可采用脈沖軸或EtherCAT總線軸控制，支持與激光振鏡軸聯(lián)合插補(bǔ)。

ZMC408SCAN上的SCAN0對(duì)應(yīng)的2D振鏡軸號(hào)為4和5，SCAN1對(duì)應(yīng)的振鏡軸號(hào)為6和7，ATYPE軸類(lèi)型設(shè)為21（振鏡的軸類(lèi)型），振鏡軸的運(yùn)動(dòng)控制與脈沖型驅(qū)動(dòng)器的控制方法相同，可使用常用的MOVE等一系列運(yùn)動(dòng)控制指令。

同時(shí)額外封裝了MOVESCAN（MOVESCANABS絕對(duì)運(yùn)動(dòng)）振鏡運(yùn)動(dòng)指令，MOVESCAN與MOVE指令區(qū)別是此指令不帶加減速，支持微秒級(jí)別的時(shí)間控制，響應(yīng)速度更快。

03激光振鏡控制實(shí)例

例程用ZDevelop軟件開(kāi)發(fā)，以ZMC408SCAN控制FIBER激光器為例，分為運(yùn)動(dòng)控制和激光控制兩部分。

運(yùn)動(dòng)控制部分采用SCAN0接口控制2D激光振鏡，振鏡軸對(duì)應(yīng)軸號(hào)為4和5。

激光控制部分采用EXIO擴(kuò)展IO接口擴(kuò)展，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Fiber轉(zhuǎn)接板連接激光器。

1.控制器與激光振鏡接線

采用標(biāo)準(zhǔn)的配線完成控制器與激光振鏡接線，接線參考圖如下：

（1）SCAN振鏡軸接口接線原理如上圖所示，請(qǐng)使用差分接線標(biāo)準(zhǔn)，注意信號(hào)規(guī)格相互匹配；

（2）請(qǐng)使用屏蔽雙絞線接線，尤其是環(huán)境惡劣的場(chǎng)合，務(wù)必使屏蔽層充分接地。

2.控制器與激光器接線參考

控制器與轉(zhuǎn)接板、激光器與轉(zhuǎn)接板均采用標(biāo)準(zhǔn)DB25線直連，配線簡(jiǎn)單方便，轉(zhuǎn)接板與激光器采用統(tǒng)一接口，采用專(zhuān)用線纜直連。接線參考圖如下：

Fiber激光器轉(zhuǎn)接板輸出接口說(shuō)明如下表，通過(guò)EXIO_DIR設(shè)置好IO方向后，便可通過(guò)右側(cè)的IO編號(hào)控制激光器。

D0和D7一共8位組合設(shè)置激光器的功率，激光出光口為OUT8，激光出光前先設(shè)置好激光器的功率并打開(kāi)激光使能開(kāi)關(guān)OUT47，紅光的開(kāi)關(guān)為OUT48。

→EXIO擴(kuò)展IO配置

說(shuō)明：采用EXIO接口擴(kuò)展后， 均需要使用EXIO_DIR指令對(duì)擴(kuò)展IO進(jìn)行方向配置才可正常使用。

按上節(jié)接線完成后，配置好EXIO擴(kuò)展IO接口的IO方向之后才能控制激光器，擴(kuò)展IO功能設(shè)置EXIO_DIR(0, $8FFFF)。

指令語(yǔ)法：EXIO_DIR(isel, dirbit) Isel：0(指定激光器類(lèi)型) dirbit: 按位設(shè)置是否輸出, 0- 輸入, 1-輸出 (自定義配置轉(zhuǎn)接口對(duì)應(yīng)的信號(hào)類(lèi)型)

控制器與激光器的接線參考圖如下：

3.激光控制說(shuō)明

例如某激光器的控制端口針腳說(shuō)明如下表，對(duì)比上表可知，F(xiàn)iber-DB25頭轉(zhuǎn)接板輸出接口采用與該激光器匹配的標(biāo)準(zhǔn)端口，針腳定義一致，可直接與該激光器相連，再通過(guò)OUT引腳控制激光器。

主要控制端子說(shuō)明：

功率信號(hào)定義：設(shè)置針 1～8 的 TTL 信號(hào)，通過(guò) TTL 信號(hào)的組合來(lái)設(shè)置泵浦激光二極管的電流，從而控制激光器的輸出功率。通過(guò) 1～8 針可以設(shè)置 0～255 范圍內(nèi)的編碼，對(duì)應(yīng)于 0～100％的功率輸出。

電源：針17和GND組成激光器控制端口的供電回路，采用5V直流供電。

4.打標(biāo)應(yīng)用例程

編程界面如下圖，采用Basic和HMI混合編程，Basic完成控制過(guò)程，HMI編寫(xiě)界面。

初始化定義相關(guān)變量，初始化軸參數(shù)，配置好FIBER轉(zhuǎn)接板的方向?yàn)檩敵?，后續(xù)的激光加工控制由HMI界面的按鈕觸發(fā)。

D0和D7一共8位組合設(shè)置激光器的功率，通過(guò)AOUT3配置激光功率；激光出光口為OUT8，激光出光前先設(shè)置好激光器的功率并打開(kāi)激光使能開(kāi)關(guān)OUT47，紅光的開(kāi)關(guān)為OUT48。

（1）Basic程序如下

通過(guò)HMI界面可設(shè)置激光加工的參數(shù)，選擇紅光模式或者激光模式加工，并且能調(diào)整振鏡軸的速度，標(biāo)刻幅面的大小，標(biāo)刻的軌跡如界面右側(cè)所示。

操作流程：基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置-出光模式選擇-點(diǎn)擊”九點(diǎn)標(biāo)定“按鈕開(kāi)始打標(biāo)，運(yùn)動(dòng)時(shí)點(diǎn)擊”停止 “按鈕停止運(yùn)動(dòng)并關(guān)閉出光。

（3）運(yùn)動(dòng)效果通過(guò)示波器可采樣振鏡軸的運(yùn)動(dòng)波形，采樣振鏡軸4和軸5的位置，激光輸出口OP(8)的狀態(tài)，若為紅光模式，采樣OP(48)。

按上圖的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，XY模式下的兩個(gè)振鏡軸的插補(bǔ)軌跡如下，軌跡包含打標(biāo)和空走兩部分，打標(biāo)軌跡為三部分，十字線+方框+XY字符。

XYZ模式下波形圖如下，加入激光輸出OP(8)的狀態(tài)為Z軸參數(shù)，上半部分圖形為打標(biāo)軌跡，下半部分的圖形為空走軌跡。

審核編輯：郭婷