背景介紹

在全球科技快速發(fā)展的浪潮下，半導(dǎo)體行業(yè)作為關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域，始終處于創(chuàng)新與變革的前言。同時(shí)對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求也在不斷提高。

例如激光加工技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用中，對(duì)于激光切割的速度和精度也作出了更高的要求。而運(yùn)動(dòng)緩沖則是一個(gè)可以快速提高實(shí)時(shí)性的有效手段。

本文主要通過使用正運(yùn)動(dòng)激光振鏡運(yùn)動(dòng)控制器ZMC408SCAN-V22介紹運(yùn)動(dòng)緩沖相關(guān)原理及其在激光加工中的應(yīng)用。

ZMC408SCAN-V22硬件介紹

ZMC408SCAN-V22是正運(yùn)動(dòng)技術(shù)推出的高性能雙振鏡運(yùn)動(dòng)控制器，集成了2個(gè)百兆以太網(wǎng)口，支持EtherCAT、EtherNET、CAN、RS232、RS485、24路通用數(shù)字輸入、20路通用數(shù)字輸出、2路通用模擬量輸出、2路通用模擬量輸入、4個(gè)本地差分脈沖軸接口、1個(gè)MPG手輪編碼器接口、2個(gè)帶反饋振鏡接口、1個(gè)LASER激光專用接口、1個(gè)FIBER激光器接口。開放式系統(tǒng)框圖如下所示：

ZMC408SCAN-V22總線控制器支持EtherCAT總線連接，支持最快500μs的刷新周期，支持最多達(dá)16軸運(yùn)動(dòng)控制，支持直線插補(bǔ)、任意圓弧插補(bǔ)、空間圓弧、螺旋插補(bǔ)、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨、虛擬軸設(shè)置等；采用優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制。

ZMC408SCAN-V22通過CAN、EtherCAT總線可以連接各個(gè)擴(kuò)展模塊，從而擴(kuò)展數(shù)字量、模擬量或運(yùn)動(dòng)軸?？梢栽赪indows，Linux，Mac，Android，Wince各種操作系統(tǒng)下開發(fā)，提供vc，c#，vb.net，labview等各種環(huán)境的dll庫。上位機(jī)軟件編程參考《ZMotion PC函數(shù)庫編程手冊(cè)》。

運(yùn)動(dòng)緩沖原理

在運(yùn)行運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，控制器提供了一個(gè)緩沖區(qū)來保存進(jìn)入運(yùn)動(dòng)緩沖的運(yùn)動(dòng)緩沖隊(duì)列。運(yùn)動(dòng)指令存到運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)里取出指令再執(zhí)行，省略了程序掃描的時(shí)間，大大提升了實(shí)時(shí)性，同時(shí)也使得程序能正常向下掃描，不會(huì)堵塞。

ZMotion運(yùn)動(dòng)控制器具有多級(jí)的運(yùn)動(dòng)緩沖，并且遵循先進(jìn)先出原則。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)緩沖開啟的時(shí)候，程序在掃描識(shí)別到程序任務(wù)的第一條運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，將運(yùn)動(dòng)指令分配到指定軸的運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)，電機(jī)開始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)程序繼續(xù)向下掃描到第二條運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，再往運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)中存，在不斷掃描存入運(yùn)動(dòng)指令的同時(shí)，從運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)中依次取出運(yùn)動(dòng)指令執(zhí)行。

運(yùn)動(dòng)緩沖原理參考下圖：

1.MTYPE，NTYPE分別是當(dāng)前運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)指令類型和MTYPE后面的第一條指令類型。

2.任意一段程序的運(yùn)動(dòng)指令都可以進(jìn)入任意軸的運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)，由軸號(hào)指定。

3.每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)都是獨(dú)立的，互不干擾。

如下圖：當(dāng)運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)還有空間，運(yùn)動(dòng)指令就會(huì)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)。然后可以通過MOVE_MARK設(shè)置標(biāo)識(shí)，表示下一條要調(diào)用的運(yùn)動(dòng)指令的MARK標(biāo)號(hào)，這個(gè)標(biāo)號(hào)會(huì)和運(yùn)動(dòng)指令一起寫入運(yùn)動(dòng)緩沖。等指令執(zhí)行完成后，則退出運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)，之前的下一條指令變成正在運(yùn)動(dòng)指令，循環(huán)往復(fù)，直到緩沖區(qū)沒有指令去執(zhí)行。

緩沖多條運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，為了判斷當(dāng)前運(yùn)動(dòng)執(zhí)行到哪一條，提供MOVE_MARK運(yùn)動(dòng)標(biāo)號(hào)和MOVE_CURMARK當(dāng)前運(yùn)動(dòng)標(biāo)號(hào)指令。

MOVE_MARK運(yùn)動(dòng)標(biāo)號(hào)每掃描一條運(yùn)動(dòng)指令+1；

MOVE_CURMARK指令為當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的標(biāo)號(hào)，提示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)到第幾條運(yùn)動(dòng)指令，所有運(yùn)動(dòng)完成后為-1。

當(dāng)前運(yùn)動(dòng)完成后會(huì)自動(dòng)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)內(nèi)的下一條運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)指令全部執(zhí)行完后，運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)為空，或者使用CANCEL/RAPIDSTOP指令清空運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)。

擴(kuò)展說明

上圖中的FORCE_SPEED、ENDMOVE_SPEED和STRATMOVE_SPEED指令屬于SP運(yùn)動(dòng)指令。SP指令也屬于運(yùn)動(dòng)指令，使用SP運(yùn)動(dòng)指令(如MOVESP、MOVECIRCSP等直接在運(yùn)動(dòng)指令后方加上SP)時(shí)，SP速度FORCE_SPEED、ENDMOVE_SPEED和STRATMOVE_SPEED會(huì)隨SP運(yùn)動(dòng)指令寫入運(yùn)動(dòng)緩存區(qū)。

SP運(yùn)動(dòng)指令與運(yùn)動(dòng)指令的區(qū)別：

MOVE(100)的速度是SPEED=100，MOVESP(100)的速度是FORCE_SPEED=200。具體見下圖：

運(yùn)動(dòng)緩沖在激光加工中的應(yīng)用

通過上面的介紹，大家對(duì)運(yùn)動(dòng)緩沖應(yīng)該有了基本的認(rèn)識(shí)，下面我們來介紹運(yùn)動(dòng)緩沖在激光加工中的應(yīng)用。

在激光處理的應(yīng)用場景中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不僅需要解決機(jī)床的軸向運(yùn)動(dòng)問題，而且還必須準(zhǔn)確控制激光輸出。

例如激光功率，焦點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)速度，輔助氣體，材料吸收等，都需要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行操作和輸出。對(duì)于激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡控制，它必須非常準(zhǔn)確。保證任何數(shù)據(jù)參數(shù)都不會(huì)丟失。否則，工件的處理無法正常完成。工件的邊緣將產(chǎn)生毛刺，更嚴(yán)重可能導(dǎo)致工件損壞。

下圖為模擬激光加工工藝的軌跡，通過運(yùn)動(dòng)緩沖可最大程度保證運(yùn)動(dòng)到固定點(diǎn)開光、關(guān)光的精確性。

正運(yùn)動(dòng)激光控制使能、出光等控制都是通過通用的IO輸出指令進(jìn)行控制。

以開光操作為例：必須等待軸空移到設(shè)定的開光位置后才能控制輸出口開光，所以必須使用MOVE_OP運(yùn)動(dòng)緩沖輸出指令而不是使用OP普通輸出指令，運(yùn)動(dòng)緩沖使得該軸前面其他運(yùn)動(dòng)指令執(zhí)行完畢同時(shí)到達(dá)開光點(diǎn)才執(zhí)行開光操作，保證了運(yùn)動(dòng)的時(shí)序。

如下圖：

開始刻蝕圖形時(shí)，執(zhí)行空移到起點(diǎn)位置、開光、直線、調(diào)光等操作，這些指令都會(huì)依次放入運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)，按照先進(jìn)先出的順序執(zhí)行。

在激光加工應(yīng)用場景中，采用插補(bǔ)緩沖中控制激光器的方式不僅可以保證運(yùn)動(dòng)時(shí)序，還可以通過MOVE_PWM或者M(jìn)OVE_AOUT等運(yùn)動(dòng)緩沖指令調(diào)節(jié)激光器的輸出功率控制激光器出光的強(qiáng)弱，從而滿足更多的工藝需求和提高加工的效果。

運(yùn)動(dòng)緩沖在激光加工應(yīng)用場景示例

使用該例程需選擇帶SCAN的控制器型號(hào)。（本文以ZMC408SCAN-V22為例）

正運(yùn)動(dòng)SCAN系列運(yùn)動(dòng)控制器不僅可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)還可以對(duì)激光振鏡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，來完成振鏡的定位和插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，并且在運(yùn)動(dòng)過程中可以實(shí)現(xiàn)激光器控制、IO控制、DA控制、PWM控制等工藝操作，同時(shí)振鏡軸與電機(jī)軸之間也可以做插補(bǔ)軌跡運(yùn)動(dòng)。（注：帶SCAN的控制器才能設(shè)置軸類型為21）

1.MOVESCANABS(pos1[,pos2] [,pos3]…) - 振鏡直線運(yùn)動(dòng)指令。

（1）pos1：第一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，絕對(duì)位置

（2）pos2：下一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，絕對(duì)位置

2.MSCANCIRCABS(end1,end2,centre1,centre2,direction) - 振鏡圓心畫弧指令。

（1）end1：終點(diǎn)第一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，絕對(duì)位置

（2）end2：終點(diǎn)第二個(gè)軸運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，絕對(duì)位置

（3）centre1：圓心第一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，絕對(duì)位置

（4）centre2：圓心第二個(gè)軸運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，絕對(duì)位置

（5）direction：0-逆時(shí)針，1-順時(shí)針

例程中其他指令介紹見《激光振鏡控制編程手冊(cè)》（資料聯(lián)系正運(yùn)動(dòng)工作人員獲?。?/p>

RAPIDSTOP(2)'清除緩沖區(qū)
WAITIDLE
'1，初始部分，設(shè)置振鏡軸參數(shù)，開啟激光使能等等的初始化操作
BASE(4,5) '選擇振鏡軸,振鏡X軸4，振鏡Y軸5
ATYPE = 21,21 '設(shè)置振鏡軸類型
UNITS = 1000,1000 '設(shè)置振鏡軸脈沖當(dāng)量
MERGE = ON '開啟連續(xù)插補(bǔ)
AXIS_ZSET = 3 '開啟精準(zhǔn)輸出
'拐角延時(shí)參數(shù)設(shè)置
CORNER_MODE = 2 '設(shè)置拐角模式
DECEL_ANGLE = 60 * (PI/180) '設(shè)置起始弧度0-60不處理60-90等比減速
STOP_ANGLE = 90 * (PI/180) '設(shè)置停止弧度大于90延時(shí)
LASER_SET(1,1) '設(shè)置能量并口
MOVE_OP(49,ON) '打開激光器急停信號(hào)（根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置）
MOVE_OP(47,ON) '打開使能
'2，功率設(shè)置（功率設(shè)置可以多次穿插在運(yùn)動(dòng)中間，實(shí)現(xiàn)不同圖層的操作）
MOVE_OP(46,OFF) '設(shè)置拐角延時(shí)(單位 us)
ZSMOOTH = 500
MOVE_AOUT(3,128) '設(shè)置功率（50% 0 - 255）
MOVE_PWM(11,0.5,60000) '功率鎖存信號(hào)（Fiber 激光器處于鎖存模式下使用）
MOVE_OP(46,ON)
'3，標(biāo)刻圖形
FORCE_SPEED = 1000 '設(shè)置空移速度 1000Units/s
MOVESCANABS(50,0) '空移到起點(diǎn)
MOVE_OP(44,ON) '開光
MOVESCANABS(150,0)
MOVE_PWM(11,0.5,50000) '調(diào)光(畫圓弧時(shí)速度比直線慢，有能量堆積，需要降頻）
MSCANCIRCABS(150,-100,150,-50,1)
MOVE_PWM(11,0.5,60000) '調(diào)光(圓弧結(jié)束恢復(fù)原來的頻率）
MOVESCANABS(100,-100)
MOVE_OP(44,OFF) '關(guān)光
'4，結(jié)束部分
MOVESCANABS(0,0) '振鏡回零
WAIT IDLE
MOVE_DELAY(0.1,1) '結(jié)束延時(shí)

位置及輸出波形圖

速度及輸出波形圖 XY模式圖

普通輸出與運(yùn)動(dòng)緩沖中輸出

在編寫程序過程中，通常會(huì)使用OP指令操作輸出口的打開或者關(guān)閉，與此同時(shí)也提供了MOVE_OP運(yùn)動(dòng)緩沖輸出指令，這兩種指令區(qū)別如下：

1.普通輸出指令程序掃描到該行指令便執(zhí)行輸出。

2.運(yùn)動(dòng)緩沖中輸出指令在程序掃描之后，將其存入運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)，運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)按先進(jìn)先出的順序依次取出指令執(zhí)行，直到取出該輸出指令時(shí)才會(huì)執(zhí)行輸出。例如在激光應(yīng)用場景中，如果不使用運(yùn)動(dòng)緩沖，當(dāng)掃描到上一條運(yùn)動(dòng)指令，就會(huì)出現(xiàn)還沒運(yùn)動(dòng)完畢，程序就掃描到輸出指令，這時(shí)就會(huì)立刻執(zhí)行輸出，導(dǎo)致實(shí)際開關(guān)光的位置不是在我們預(yù)想的點(diǎn)位位置執(zhí)行。

下面通過例子幫助理解兩種輸出的區(qū)別。

RAPIDSTOP(2) '停止所有軸
WAIT IDLE(0) '等待軸0停止
BASE(0) '選擇軸0
DPOS=0 '軸0坐標(biāo)偏移至0
UNITS=100 '脈沖當(dāng)量
SPEED=100 '速度
ACCEL=1000 '加速度
DECEL=1000 '減速度
TRIGGER '觸發(fā)示波器采樣
OP(0,3,$0) '關(guān)閉輸出口0-3
DELAY(1000) '延時(shí)
MOVE(100) '直線插補(bǔ)相對(duì)距離100
MOVE_OP(1,ON) '運(yùn)動(dòng)緩沖中輸出
OP(0,ON) '普通輸出

例子運(yùn)行效果：延時(shí)1s后，程序掃描到OP指令，輸出口0立即執(zhí)行輸出。

MOVE_OP把IO操作指令填入運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)，所以在運(yùn)行完MOVE(100)之后，輸出口1才輸出。

運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)堵塞

每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)緩沖空間是有限的，當(dāng)掃描太多運(yùn)動(dòng)指令放入運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)時(shí)，多級(jí)運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)全部被塞滿，如果程序繼續(xù)掃描到更多的運(yùn)動(dòng)指令，程序也會(huì)被堵塞，直到運(yùn)動(dòng)指令依次完成并退出，運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)有了空位，運(yùn)動(dòng)指令才會(huì)繼續(xù)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)。

例：以ZMC408CE控制器為例，默認(rèn)為4096個(gè)運(yùn)動(dòng)緩沖，下圖例程中顯示該控制器的運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)最多能存493條圓弧插補(bǔ)指令，下載程序后打印i的值為492，表示當(dāng)前FOR循環(huán)并未執(zhí)行完，程序堵塞了。

下圖中，當(dāng)從運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)取出部分運(yùn)動(dòng)指令執(zhí)行之后，緩沖區(qū)有了空間，F(xiàn)OR循環(huán)繼續(xù)執(zhí)行，并存入運(yùn)動(dòng)指令到運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)。指令執(zhí)行退出運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)后，只要運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)的空間足夠，新的運(yùn)動(dòng)指令則會(huì)繼續(xù)一條一條往運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)中存入。

每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)緩沖都是獨(dú)立的，互不干擾，且緩沖區(qū)大小相同，通過指令REMAIN_BUFFER(MTYPE) AXIS(n)查看某個(gè)軸的剩余可用緩沖區(qū)的個(gè)數(shù)。

ZMC4系列運(yùn)動(dòng)控制器每個(gè)軸可支持多達(dá)4096段運(yùn)動(dòng)緩沖(不同型號(hào)的控制器緩沖個(gè)數(shù)有區(qū)別，具體情況參見控制器《用戶手冊(cè)》說明或使用?*max打印查看)，可以手動(dòng)設(shè)置LIMIT_BUFFERED運(yùn)動(dòng)緩沖限制。

不同的運(yùn)動(dòng)指令占用的緩沖空間是不同的，越復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)占用的運(yùn)動(dòng)緩沖空間越多。

如下表所示：MTYPE為1表示MOVE直線插補(bǔ)指令，MTYPE為2表示MOVEABS直線插補(bǔ)指令（絕對(duì)）。MTYPE為3表示MHELICAL螺旋插補(bǔ)指令，MTYPE為4表示MOVECIRC圓弧插補(bǔ)指令。

例如：ZMC408CE控制器，運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)大小為4096，緩沖區(qū)一次性可緩沖的MOVE直線插補(bǔ)指令和MOVECIRC圓弧插補(bǔ)指令個(gè)數(shù)是不同的?？蓞⒖枷聢D：

注：插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)緩沖在主軸的運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)。

為了讓大家更好理解運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)的概念，本例將軸的運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)可緩沖運(yùn)動(dòng)指令個(gè)數(shù)限制為3（LIMIT_BUFFERED=3）。LIMIT_BUFFERED的作用是限定運(yùn)動(dòng)緩沖個(gè)數(shù)，不能超過控制器的最大值。（可通過？*max查看控制器運(yùn)動(dòng)緩沖個(gè)數(shù)最大值）

如下例：例子中共有四條MOVE運(yùn)動(dòng)指令，但是運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)最多只能裝3條直線插補(bǔ)指令。MOVE(60,40)占用軸0的MTYPE，軸0還能緩沖2個(gè)運(yùn)動(dòng)指令，軸0剩余緩沖數(shù)為0。此時(shí)運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)滿，那么在MOVE(60,40)執(zhí)行完之前MOVE(60,50)是無法進(jìn)入運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)的。

RAPIDSTOP(2)    '停止所有軸   
WAIT IDLE(0)    '等待軸0停止
WAIT IDLE(1)    '等待軸1停止
BASE(0,1)        '選擇軸0，軸1
ATYPE=1,1        '設(shè)置軸類型
DPOS=0,0         '軸0軸1坐標(biāo)偏移至0
UNITS=100,100    '設(shè)置脈沖當(dāng)量
SPEED=100,100    '設(shè)置速度
ACCEL=1000,1000  '設(shè)置加速度
DECEL=1000,1000  '設(shè)置減速度
MERGE=ON         '開啟連續(xù)插補(bǔ)
TRIGGER'觸發(fā)示波器采樣
LIMIT_BUFFERED=3'軸0/1運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)可緩沖運(yùn)動(dòng)指令個(gè)數(shù)設(shè)置為3
MOVE(60,40)     '進(jìn)入MTYPE,Buffer0
MOVE(70,50)     '進(jìn)入NTYPE,Buffer1
MOVE(50,40)     'Buffer2
MOVE(60,50)'緩沖區(qū)滿，暫不進(jìn)入
?"軸0當(dāng)前緩沖指令個(gè)數(shù)="MOVES_BUFFERED(0)   '結(jié)果2
?"軸0剩余緩沖區(qū)個(gè)數(shù)="REMAIN_BUFFER(1) AXIS(0) '結(jié)果0
?"軸1剩余緩沖區(qū)個(gè)數(shù)="REMAIN_BUFFER(1)AXIS(1)'結(jié)果3
END

如下圖：等MOVE(60,40)運(yùn)動(dòng)完成，MOVE(60,50)才能進(jìn)軸0的運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)。

插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)緩沖在主軸軸0里，故軸1的運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)是沒有指令的，軸1剩余緩沖大小為3。每條MOVE指令占用一個(gè)緩沖空間。

示波器波形如下：

其他運(yùn)動(dòng)緩沖指令

下表為部分常見的運(yùn)動(dòng)緩沖指令，如需了解更多可參考《RTBasic編程手冊(cè)》。

教學(xué)視頻可點(diǎn)擊→“運(yùn)動(dòng)緩存在精密激光加工中的應(yīng)用”查看。

本次，正運(yùn)動(dòng)技術(shù)運(yùn)動(dòng)緩沖在精密加工中的應(yīng)用，就分享到這里。

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審核編輯 黃宇