开放式激光振镜运动控制器:C++快速开发

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今天，正运动技术为大家分享一下应用ZMC408SCAN开放式激光振镜运动控制器的C++开发，实现激光振镜打标，可在文章末尾扫码获取例程源码。

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。
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。



（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：

ZAux_Direct_MoveScanAbs：振镜轴多轴绝对直线插补SCAN运动，不带加减速过程，我们这里用来控制振镜轴运动，通过小线段的形式拟合圆形轨迹；ZAux_Direct_MoveOpDelay：缓冲输出延时，提前开光时将延时时间设置为负数；ZAux_Direct_MoveDelay：缓冲输出延时，我们这里用来延时关光。

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    }elseif(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    }elseif(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    }elseif(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,90/180*3.1415926);       //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，5*5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 + iStepDis * irow  ;                m_GraphData[iAcr * ilen + i].fposy = (float)ArcToLineY + 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：



video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2619208335883681793
代码获取地址
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正运动技术背靠蓬勃发展的制造业，与时俱进，富有创新，致力于智能制造设备商和终端用户不断提升技术应用和制造水平。经过众多合作伙伴多年的应用开发，产品广泛应用于国内外的3C电子、半导体、印刷包装、纺织服装、激光加工、机械加工、机器人、新能源、医疗保健、舞台娱乐等领域。



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