开放式激光振镜运动控制器：C++快速开发(运动延时指令激光设置)

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

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。

03 上位机和控制器通讯

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。

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。

04 激光控制

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：

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。

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。

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。

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,90/1803.1415926); //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，55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<iRowNum;irow++) { for (int i = 0; i < ilen; i++) { m_GraphData[iAcr ilen + i].itype = 1; if (i == 0) { m_GraphData[iAcr ilen + i].itype = 0; //空移起点 } m_GraphData[iAcr ilen + i].fposx = (float)ArcToLineX[i] + iStepDis irow ; m_GraphData[iAcr ilen + i].fposy = (float)ArcToLineY[i] + iStepDis icol; } iAcr++; } } free(ArcToLineX); free(ArcToLineY);}

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)\n",SCAN_AxisX,SCAN_AxisY); //设置打标轴 strcat(cmdbuff, tempbuff); //空移到起点 sprintf(tempbuff, "FORCE_SPEED = %f\n",m_dEmpSpeed); //设置空移速度 strcat(cmdbuff, tempbuff); sprintf(tempbuff, "MOVESCANABS(%f,%f)\n",(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\n",m_nStartDelay/1000); strcat(cmdbuff, tempbuff); } else { sprintf(tempbuff, "MOVE_DELAY(%f)\n",m_nStartDelay/1000); strcat(cmdbuff, tempbuff); } //开光 sprintf(tempbuff, "MOVE_OP(%d,1)\nMOVE_DELAY(10)\nMOVE_OP(%d,1)\n",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\n",m_dSpeed); //设置打标速度 strcat(cmdbuff, tempbuff); sprintf(tempbuff, "MOVESCANABS(%f,%f)\n",(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\n",m_dEmpSpeed); //设置空移速度 strcat(cmdbuff, tempbuff); sprintf(tempbuff, "MOVESCANABS(%f,%f)\n",(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\nMOVE_DELAY(%f)\n",m_nLastDelay/1000); strcat(cmdbuff, tempbuff); } else { sprintf(tempbuff, "MOVEOP_DELAY = %f\n",m_nLastDelay/1000); strcat(cmdbuff, tempbuff); } //关光 sprintf(tempbuff, "MOVE_OP(%d,OFF)\n",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。

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）。

XY模式下的轨迹，轨迹包括了圆形打标轨迹和空走轨迹：

实际效果运行视频：

视频加载中...

代码获取地址

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。

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