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。同時對于實時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，對于激光切割的速度和精度也作出了更高的要求。而運(yùn)動緩沖則是一個可以快速提高實時性的有效手段。

　　本文主要通過使用正運(yùn)動激光振鏡運(yùn)動控制器ZMC408SCAN-V22介紹運(yùn)動緩沖相關(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)動技術(shù)推出的高性能雙振鏡運(yùn)動控制器，集成了2個百兆以太網(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個本地差分脈沖軸接口、1個MPG手輪編碼器接口、2個帶反饋振鏡接口、1個LASER激光專用接口、1個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)議可以實現(xiàn)實時的運(yùn)動控制。

　　ZMC408SCAN-V22通過CAN、EtherCAT總線可以連接各個擴(kuò)展模塊，從而擴(kuò)展數(shù)字量、模擬量或運(yùn)動軸?？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》。

　　運(yùn)動緩沖原理

　　在運(yùn)行運(yùn)動指令時，控制器提供了一個緩沖區(qū)來保存進(jìn)入運(yùn)動緩沖的運(yùn)動緩沖隊列。運(yùn)動指令存到運(yùn)動緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)里取出指令再執(zhí)行，省略了程序掃描的時間，大大提升了實時性，同時也使得程序能正常向下掃描，不會堵塞。ZMotion運(yùn)動控制器具有多級的運(yùn)動緩沖，并且遵循先進(jìn)先出原則。當(dāng)運(yùn)動緩沖開啟的時候，程序在掃描識別到程序任務(wù)的第一條運(yùn)動指令時，將運(yùn)動指令分配到指定軸的運(yùn)動緩沖區(qū)，電機(jī)開始運(yùn)動，此時程序繼續(xù)向下掃描到第二條運(yùn)動指令時，再往運(yùn)動緩沖區(qū)中存，在不斷掃描存入運(yùn)動指令的同時，從運(yùn)動緩沖區(qū)中依次取出運(yùn)動指令執(zhí)行。運(yùn)動緩沖原理參考下圖：

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

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

　　3.每個軸的運(yùn)動緩沖區(qū)都是獨(dú)立的，互不干擾。

　　如下圖：當(dāng)運(yùn)動緩沖區(qū)還有空間，運(yùn)動指令就會進(jìn)入運(yùn)動緩沖區(qū)。然后可以通過MOVE_MARK設(shè)置標(biāo)識，表示下一條要調(diào)用的運(yùn)動指令的MARK標(biāo)號，這個標(biāo)號會和運(yùn)動指令一起寫入運(yùn)動緩沖。等指令執(zhí)行完成后，則退出運(yùn)動緩沖區(qū)，之前的下一條指令變成正在運(yùn)動指令，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)動指令時，為了判斷當(dāng)前運(yùn)動執(zhí)行到哪一條，提供MOVE_MARK運(yùn)動標(biāo)號和MOVE_CURMARK當(dāng)前運(yùn)動標(biāo)號指令。MOVE_MARK運(yùn)動標(biāo)號每掃描一條運(yùn)動指令+1;

　　MOVE_CURMARK指令為當(dāng)前運(yùn)動的標(biāo)號，提示當(dāng)前運(yùn)動到第幾條運(yùn)動指令，所有運(yùn)動完成后為-1。

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

　　擴(kuò)展說明

　　上圖中的FORCE_SPEED、ENDMOVE_SPEED和STRATMOVE_SPEED指令屬于SP運(yùn)動指令。SP指令也屬于運(yùn)動指令，使用SP運(yùn)動指令(如MOVESP、MOVECIRCSP等直接在運(yùn)動指令后方加上SP)時，SP速度FORCE_SPEED、ENDMOVE_SPEED和STRATMOVE_SPEED會隨SP運(yùn)動指令寫入運(yùn)動緩存區(qū)。SP運(yùn)動指令與運(yùn)動指令的區(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)動緩沖在激光加工中的應(yīng)用

　　通過上面的介紹，大家對運(yùn)動緩沖應(yīng)該有了基本的認(rèn)識，下面我們來介紹運(yùn)動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)動控制系統(tǒng)不僅需要解決機(jī)床的軸向運(yùn)動問題，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)動速度，輔助氣體，材料吸收等，都需要運(yùn)動控制系統(tǒng)執(zhí)行操作和輸出。對于激光束的運(yùn)動軌跡控制，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)動緩沖可最大程度保證運(yùn)動到固定點(diǎn)開光、關(guān)光的精確性。

　　正運(yùn)動激光控制使能、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)動緩沖輸出指令而不是使用OP普通輸出指令，運(yùn)動緩沖使得該軸前面其他運(yùn)動指令執(zhí)行完畢同時到達(dá)開光點(diǎn)才執(zhí)行開光操作，保證了運(yùn)動的時序。

　　如下圖：開始刻蝕圖形時，執(zhí)行空移到起點(diǎn)位置、開光、直線、調(diào)光等操作，這些指令都會依次放入運(yùn)動緩沖區(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)動時序，還可以通過MOVE_PWM或者M(jìn)OVE_AOUT等運(yùn)動緩沖指令調(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。(本文以ZMC408SCAN-V22為例)正運(yùn)動SCAN系列運(yùn)動控制器不僅可以對電機(jī)進(jìn)行控制，同時還可以對激光振鏡進(jìn)行運(yùn)動控制，來完成振鏡的定位和插補(bǔ)運(yùn)動，并且在運(yùn)動過程中可以實現(xiàn)激光器控制、IO控制、DA控制、PWM控制等工藝操作，同時振鏡軸與電機(jī)軸之間也可以做插補(bǔ)軌跡運(yùn)動。(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)動指令。

　　(1)pos1：第一個軸的運(yùn)動坐標(biāo)，絕對位置

　　(2)pos2：下一個軸的運(yùn)動坐標(biāo)，絕對位置

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

　　(1)end1：終點(diǎn)第一個軸運(yùn)動坐標(biāo)，絕對位置

　　(2)end2：終點(diǎn)第二個軸運(yùn)動坐標(biāo)，絕對位置

　　(3)centre1：圓心第一個軸運(yùn)動坐標(biāo)，絕對位置

　　(4)centre2：圓心第二個軸運(yùn)動坐標(biāo)，絕對位置

　　(5)direction：0-逆時針，1-順時針

　　例程中其他指令介紹見《激光振鏡控制編程手冊》(資料聯(lián)系正運(yùn)動工作人員獲取)

　　RAPIDSTOP(2) '清除緩沖區(qū)WAIT IDLE'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5ATYPE = 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LASER_SET(1,1) '設(shè)置能量并口MOVE_OP(49,ON) '打開激光器急停信號(根據(jù)實際情況設(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)動中間，實現(xiàn)不同圖層的操作)MOVE_OP(46,OFF) '設(shè)置拐角延時(單位 us)ZSMOOTH = 500MOVE_AOUT(3,128) '設(shè)置功率(50% 0 - 255)MOVE_PWM(11,0.5,60000) '功率鎖存信號(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/sMOVESCANABS(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 IDLEMOVE_DELAY(0.1,1) '結(jié)束延時

　　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)動緩沖中輸出

　　在編寫程序過程中，通常會使用OP指令操作輸出口的打開或者關(guān)閉，與此同時也提供了MOVE_OP運(yùn)動緩沖輸出指令，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)動緩沖中輸出指令在程序掃描之后，將其存入運(yùn)動緩沖區(qū)，運(yùn)動緩沖區(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才會執(zhí)行輸出。例如在激光應(yīng)用場景中，如果不使用運(yùn)動緩沖，當(dāng)掃描到上一條運(yùn)動指令，就會出現(xiàn)還沒運(yùn)動完畢，程序就掃描到輸出指令，這時就會立刻執(zhí)行輸出，導(dǎo)致實際開關(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0DPOS=0 '軸0坐標(biāo)偏移至0UNITS=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0-3DELAY(1000) '延時MOVE(100) '直線插補(bǔ)相對距離100MOVE_OP(1,ON) '運(yùn)動緩沖中輸出OP(0,ON) '普通輸出

　　例子運(yùn)行效果：延時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)動緩沖區(qū)堵塞

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

　　例：以ZMC408CE控制器為例，默認(rèn)為4096個運(yùn)動緩沖，下圖例程中顯示該控制器的運(yùn)動緩沖區(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)動緩沖區(qū)取出部分運(yùn)動指令執(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)動指令到運(yùn)動緩沖區(qū)。指令執(zhí)行退出運(yùn)動緩沖區(qū)后，只要運(yùn)動緩沖區(qū)的空間足夠，新的運(yùn)動指令則會繼續(xù)一條一條往運(yùn)動緩沖區(qū)中存入。

　　每個軸的運(yùn)動緩沖都是獨(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)查看某個軸的剩余可用緩沖區(qū)的個數(shù)。

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

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

　　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)。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)指令個數(shù)是不同的?？蓞⒖枷聢D：

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

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

　　如下例：例子中共有四條MOVE運(yùn)動指令，但是運(yùn)動緩沖區(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個運(yùn)動指令，軸0剩余緩沖數(shù)為0。此時運(yùn)動緩沖區(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1ATYPE=1,1 '設(shè)置軸類型DPOS=0,0 '軸0軸1坐標(biāo)偏移至0UNITS=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)動緩沖區(qū)可緩沖運(yùn)動指令個數(shù)設(shè)置為3MOVE(60,40) '進(jìn)入MTYPE,Buffer0MOVE(70,50) '進(jìn)入NTYPE,Buffer1MOVE(50,40) 'Buffer2MOVE(60,50) '緩沖區(qū)滿，暫不進(jìn)入?"軸0當(dāng)前緩沖指令個數(shù)="MOVES_BUFFERED(0) '結(jié)果2?"軸0剩余緩沖區(qū)個數(shù)="REMAIN_BUFFER(1) AXIS(0) '結(jié)果0?"軸1剩余緩沖區(qū)個數(shù)="REMAIN_BUFFER(1) AXIS(1) '結(jié)果3END

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

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

　　示波器波形如下：

　　其他運(yùn)動緩沖指令

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

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

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