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
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。
审核编辑:郭婷
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原文标题: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
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