开放式激光振镜运动控制器ZMC408SCAN进行振镜矫正的方法与实现

伺服与运动控制 2022-10-31 1620

描述

01ZMC408SCAN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。

usb

（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振镜控制 usb

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，它靠两个振镜片反射激光，形成XY平面的运动。

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，系统的响应非常快，因此在振镜运动中可以不用考虑振镜加减速。振镜一般分模拟振镜与数字振镜，模拟振镜就是振镜驱动板是接收模拟信号方式，常用的模拟振镜信号是直流电压-5伏到+5伏变化的信号，对应的是电机摆动的角度，比如-5V到+5V对应-10度到+10度的电机摆动角度。

数字振镜采用数字信号进行控制，数字信号则符合XY2-100协议。数字量-32768~32767对应电机的最大摆动角度。

正运动针对振镜轴控制提供来一种专用的运动指令，通过ZAux_Direct_MoveScanAbs或者ZAux_Direct_MoveScan实现振镜的快速响应。

Scan运动指令相比普通运动指令控制不带加减速规划，支持us级别的时间控制。通过ZAux_Direct_SetForceSpeed设置的速度与矢量距离直接计算出运行时间。

目前正运动SCAN控制器支持1-2路XY2-100数字振镜轴的控制。

指令	说明
ZAux_Direct_SetAtype	设轴类型
ZAux_Direct_SetUnits	设置轴脉冲当量
ZAux_Direct_SetMegre	设置轴连续插补开关
ZAux_Direct_SetForceSpeed	设置振镜轴SCAN运动速度不带加减速
ZAux_Direct_MoveScan	振镜轴直线插补相对运动
ZAux_Direct_MoveScanAbs	振镜轴直线插补绝对运动
ZAux_Direct_MoveAddax	插补运动中设置运动叠加
ZAux_Direct_GetDpos	读取轴命令规划位置
ZAux_Direct_GetMpos	读取轴实际反馈位置
ZAux_Direct_GetEncoder	读取振镜轴原始位置数据
ZAux_Direct_GetAxisstatus	读取振镜轴状态
ZAux_Direct_StepRatio	设置振镜轴方向
ZAux_Direct_MoveSync	同步跟随运动

一、振镜轴配置

正运动SCAN控制器支持1-2路振镜轴，不同控制器映射的轴号及支持的振镜轴功能不同，不同振镜组对应轴号如下图。

通过指令ZAux_Direct_SetAtype设置对应振镜轴类型，振镜轴类型分为三种：

一种轴类型值为20（振镜类型，带振镜状态反馈，仅ZMC408SCAN支持）；

一种轴类型值为21（振镜轴控制类型）；

一种轴类型值为22（振镜类型，带振镜位置反馈，仅ZMC408SCAN支持）。

*表示不支持的功能。

控制器型号	SCAN0	SCAN1
	X轴	Y轴	Z轴(3D特殊固件)	X轴	Y轴	Z轴(3D特殊固件)
ZMC408SCAN	4	5	8	6	7	9
ZMC420SCAN	4	5	*	6	7	*
VPLC504SCAN	4	5	*	*	*	*

二、振镜矫正

1.重点说明

激光振镜扫描系统如下图所示，可见振镜扫描的实际工作范围由振镜的最大偏转角度与工作高度决定。因此振镜轴偏转角度对应输出-32768~32767与实际工作范围做单位映射时需要按照根据测试长度做比例映射。

usb

振镜扫描系统建立的坐标系是一个非正交的坐标系，实际的扫描场会造成枕型失真。由于振镜本身扫描造成的枕型失真如图（左），另外由于F-Theta平面场镜的使用，会造成输出轮廓的桶型失真如图（中），叠加以后输出的图形具有桶型和枕型双重失真如图（右）。

usb

为了使软件坐标与实际运行距离场地对应及输出轨迹不失真，则需要需要实时的对每一个数据点进行校正，通常采用查找表分段线性插值的方法进行位置校正，校正点越多实际输出位置越精准。

正运动SCAN控制器提供了BOX校正、多点校正等方法，不管是系数校正还是多点校正，校正点参数都是写到控制器内部系统数组TABLE寄存器的。因此在程序中有其他功能应用到TABLE寄存器时需要注意地址的合理分配。

（1）Box系数校正

系数校正指的是根据振镜输出图形枕/桶形失真、平行四边形失真、梯形失真、比例缩放几种情况进行系数调整校正。

通过调用ZScan_CorrectFactor进行系数校正。先控制振镜绘制出一个正方形校正图形，根据校正图形的失真按下图情况调整对应的系数参数，根据标刻长度与测量长度调整缩放系数，直到实际标刻的尺寸与设置一致时认为校正成功，校正系以是填写的变化量，通常以0值为参考基准变化。

usb

（2）9点校正

9点校正指的是根据在工作范围内标刻3*3的表格，根据每个点的理论位置与实际位置来进行振镜校正。

先控制振镜预绘制出一个3*3校正表格图形，按下图所示P1-P9的顺序填入X坐标与Y坐标实际测量值，填入P1点的理论标刻与P9点的理论坐标，通过调用ZScan_Correct9进行9点校正。需重新标刻测试，直到实际标刻与理论值达到预期精度范围。

usb

（3）25点校正

25点校正指的是根据在工作范围内标刻5*5的表格，校正过程与9点校正相同，通过调用ZScan_Correct25进行25点校正。校正点数越多校正精度也越高。

2.振镜指令介绍

指令	说明
ZScan_Correct9	振镜9点校正
ZScan_Correct25	振镜25点校正
ZScan_CorrectFactor	振镜系数校正
ZScan_CancelCorrect	取消振镜校正

（1）振镜轴9点矫正

指令20

ZScan_Correct9

指令原型

int32 __stdcall ZScan_Correct9(ZMC_HANDLE handle, int nScanNum, double *pdXMeasurePt, double *pdYMeasurePt, int nScanExChange, int nRowColPtNum, double dUnits, double dTheoryLeft, double dTheoryBottom, double dTheoryRight, double dTheoryTop, double dScaleRatio, int nTableStart);

指令说明

振镜轴9点校正

输入参数

参数名	描述
handle	连接句柄。
nScanNum	振镜编号。
pdXMeasurePt	测量的点的X坐标（长度为9）
pdYMeasurePt	测量的点的Y坐标（长度为9）
nScanExChange	XY振镜安装时是否交换了位置
nRowColPtNum	行和列方向的点的数量（必须为奇数，建议值为11、21等）
dUnits	振镜轴的脉冲当量
dTheoryLeft	校正理论范围左极限坐标
dTheoryBottom	校正理论范围下极限坐标
dTheoryRight	校正理论范围右极限坐标
dTheoryTop	校正理论范围上极限坐标
dScaleRatio	缩放倍率
nTableStart	数据存储的TABLE起始位置

输出参数

返回值

成功返回值为0
50-控制器链接错误
51-校正点太少
52-校正点数不正确
53-校正失败

指令示例

参见“振镜控制功能”章节。

详细说明

（2）振镜轴25点矫正

指令21

ZScan_Correct25

指令原型

int32 __stdcall ZScan_Correct25(ZMC_HANDLE handle, int nScanNum, double *pdXMeasurePt, double *pdYMeasurePt, int nScanExChange, int nRowColPtNum, double dUnits, double dTheoryLeft, double dTheoryBottom, double dTheoryRight, double dTheoryTop, double dScaleRatio, int nTableStart);

指令说明

振镜轴25点校正

输入参数

参数名	描述
handle	连接句柄。
nScanNum	振镜编号。
pdXMeasurePt	测量的点的X坐标（长度为9）
pdYMeasurePt	测量的点的Y坐标（长度为9）
nScanExChange	XY振镜安装时是否交换了位置
nRowColPtNum	行和列方向的点的数量（必须为奇数，建议值为11、21等）
dUnits	振镜轴的脉冲当量
dTheoryLeft	校正理论范围左极限坐标
dTheoryBottom	校正理论范围下极限坐标
dTheoryRight	校正理论范围右极限坐标
dTheoryTop	校正理论范围上极限坐标
dScaleRatio	缩放倍率
nTableStart	数据存储的TABLE起始位置

输出参数

返回值

成功返回值为0
50-控制器链接错误
51-校正点太少
52-校正点数不正确
53-校正失败

指令示例

参见“振镜控制功能”章节。

详细说明

（3）振镜轴系数矫正

指令22

ZScan_CorrectFactor

指令原型

int32 __stdcall ZScan_CorrectFactor(ZMC_HANDLE handle, int nScanNum, double dMaxBoxX, double dMaxBoxY, double dCorrectBoxX, double dCorrectBoxY, double dOffsetX, double dOffsetY, double *pdFactorX, double *pdFactorY, int nScanExChange, int nRowColPtNum, double dUnits, double dScaleRatio, int nTableStart);

指令说明

振镜轴系数校正

输入参数

参数名	描述
handle	连接句柄。
nScanNum	振镜编号。
dMaxBoxX	X方向最大校正区域
dMaxBoxY	Y方向最大校正区域
dCorrectBoxX	X方向实际校正区域
dCorrectBoxY	Y方向实际校正区域
dOffsetX	X方向偏移量
dOffsetY	Y方向偏移量
pdFactorX	X方向校正系数（长度为4，分别为：缩放系数、桶型/枕型畸变系数、平行四边形畸变系数、梯形畸变系数）
pdFactorY	Y方向校正系数（长度为4，分别为：缩放系数、桶型/枕型畸变系数、平行四边形畸变系数、梯形畸变系数,畸变系数范围-0.3~0.3）
nScanExChange	XY振镜安装时是否交换了位置(0-未交换，1-交换)
nRowColPtNum	行和列方向的点的数量（必须为奇数，建议值为11、21等）
dUnits	振镜轴的脉冲当量
dScaleRatio	缩放倍率
nTableStart	数据存储的TABLE起始位置

输出参数

返回值

成功返回值为0
50-控制器链接错误
51-校正点太少
52-校正点数不正确
53-校正失败

指令示例

参见“振镜控制功能”章节。

详细说明

（4）取消振镜矫正

指令23

ZScan_CancelCorrect

指令原型

int32 __stdcall ZScan_CancelCorrect(ZMC_HANDLE handle, int nScanNum, int nScanExChange, double dUnits, double dScaleRatio, int nTableStart);

指令说明

取消振镜校正

输入参数

参数名	描述
handle	连接句柄。
nScanNum	振镜编号。
nScanExChange	XY振镜安装时是否交换了位置(0-未交换，1-交换)
dUnits	振镜轴的脉冲当量
dScaleRatio	缩放倍率
nTableStart	数据存储的TABLE起始位置

输出参数

返回值

成功返回值为0
50-控制器链接错误
51-校正点太少
52-校正点数不正确
53-校正失败

指令示例

参见“振镜控制功能”章节。

详细说明

03程序展示 usb

九点矫正与25点矫正过程相同，但25点矫正精度更高，可通过九点矫正例程改写25点矫正。

1.九点矫正程序如下

ZMC_HANDLE handle = NULL; //连接句柄 int rtn = ZAux_OpenEth("192.168.0.11", &handle); //连接控制器 if(CheckError(rtn,"ZAux_OpenEth")) return; //检查函数返回 for(int iAxis = 4;iAxis<6;iAxis++) { rtn = ZAux_Direct_SetAtype(handle,iAxis,21); //设置轴为振镜轴 if(CheckError(rtn,"ZAux_Direct_SetAtype")) return; rtn = ZAux_Direct_SetUnits(handle,iAxis,500); //设置轴脉冲当量 if(CheckError(rtn,"ZAux_Direct_SetUnits")) return; } rtn = ZScan_CancelCorrect(handle,0,-1,-1,200,1,1000); //取消振镜校正if(CheckError(rtn,"ZScan_CancelCorrect")) return; double m_dXMeasurePt[9] = {-51.5,0,49.5,-52.9,0,50.1,-51.8,0,49.0}; double m_dYMeasurePt[9] = {-51.5,-51.0,-53.0,0,0,0,51.9,51.5,53.9}; rtn = ZScan_Correct9(handle,0,m_dXMeasurePt,m_dYMeasurePt,0,21,500,-50,-50,50,50,1,1000); //振镜0 9点校正,校正数据存储在系统数组TABLE(1000 - 1004+21*21*2) if(CheckError(rtn,"ZScan_CorrectFactor")) return; rtn = ZAux_Close( handle); //关闭连接,释放句柄 if(CheckError(rtn,"ZAux_Close")) return; handle = NULL;2.系数矫正例程如下ZMC_HANDLE handle = NULL; //连接句柄 int rtn = ZAux_OpenEth("192.168.0.11", &handle); //连接控制器 if(CheckError(rtn,"ZAux_OpenEth")) return; //检查函数返回 for(int iAxis = 4;iAxis<6;iAxis++) { rtn = ZAux_Direct_SetAtype(handle,iAxis,21); //设置轴为振镜轴 if(CheckError(rtn,"ZAux_Direct_SetAtype")) return; rtn = ZAux_Direct_SetUnits(handle,iAxis,500); //设置轴脉冲当量 if(CheckError(rtn,"ZAux_Direct_SetUnits")) return; } rtn = ZScan_CancelCorrect(handle,0,-1,-1,200,1,1000); //取消振镜校正if(CheckError(rtn,"ZScan_CancelCorrect")) return; double m_dMaxBox[2] = {131,131}; //最大校正区域 double m_dCorrectBox[] = {131,131}; //实际校正区域 double m_dOffset[2] = {0,0}; //偏移量一般用于红光偏移 double m_pdFactor[2][4] = {{1,0,0,0},{1,0,0,0}}; //校正系数缩放系数、桶型/枕型畸变系数、平行四边形畸变系数、梯形畸变系数 rtn = ZScan_CorrectFactor(handle,0,m_dMaxBox[0],m_dMaxBox[1],m_dCorrectBox[0],m_dCorrectBox[1],m_dOffset[0],m_dOffset[1],&m_pdFactor[0][0],&m_pdFactor[1][0],0,21,1,1,500,1,1000); //振镜0系数校正,校正数据存储在系统数组TABLE(1000 - 1004+21*21*2) if(CheckError(rtn,"ZScan_CorrectFactor")) return; rtn = ZAux_Close( handle); //关闭连接,释放句柄 if(CheckError(rtn,"ZAux_Close")) return; handle = NULL;

04振镜矫正工具 usb 振镜矫正工具包含了多种矫正方式，9点矫正、25点矫正、系数矫正、多点矫正、文件矫正。

usb