背景介紹   

在全球科技快速發展的浪潮下，半導體行業作為關鍵的技術領域，始終處于創新與變革的前言。同時對于實時性的要求也在不斷提高。

例如激光加工技術在半導體行業的應用中，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動激光振鏡運動控制器ZMC408SCAN-V22介紹運動緩沖相關原理及其在激光加工中的應用。

ZMC408SCAN-V22硬件介紹

ZMC408SCAN-V22是正運動技術推出的高性能雙振鏡運動控制器，集成了2個百兆以太網口，支持EtherCAT、EtherNET、CAN、RS232、RS485、24路通用數字輸入、20路通用數字輸出、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16軸運動控制，支持直線插補、任意圓弧插補、空間圓弧、螺旋插補、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨、虛擬軸設置等；采用優化的網絡通訊協議可以實現實時的運動控制。

ZMC408SCAN-V22通過CAN、EtherCAT總線可以連接各個擴展模塊，從而擴展數字量、模擬量或運動軸。可以在Windows，Linux，Mac，Android，Wince各種操作系統下開發，提供vc，c#，vb.net，labview等各種環境的dll庫。上位機軟件編程參考《ZMotion PC函數庫編程手冊》。

運動緩沖原理

在運行運動指令時，控制器提供了一個緩沖區來保存進入運動緩沖的運動緩沖隊列。運動指令存到運動緩沖區，在緩沖區里取出指令再執行，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運動控制器具有多級的運動緩沖，并且遵循先進先出原則。當運動緩沖開啟的時候，程序在掃描識別到程序任務的第一條運動指令時，將運動指令分配到指定軸的運動緩沖區，電機開始運動，此時程序繼續向下掃描到第二條運動指令時，再往運動緩沖區中存，在不斷掃描存入運動指令的同時，從運動緩沖區中依次取出運動指令執行。

運動緩沖原理參考下圖：

1.MTYPE，NTYPE分別是當前運行的運動指令類型和MTYPE后面的第一條指令類型。

2.任意一段程序的運動指令都可以進入任意軸的運動緩沖區，由軸號指定。

3.每個軸的運動緩沖區都是獨立的，互不干擾。

如下圖：當運動緩沖區還有空間，運動指令就會進入運動緩沖區。然后可以通過MOVE_MARK設置標識，表示下一條要調用的運動指令的MARK標號，這個標號會和運動指令一起寫入運動緩沖。等指令執行完成后，則退出運動緩沖區，之前的下一條指令變成正在運動指令，循環往復，直到緩沖區沒有指令去執行。

緩沖多條運動指令時，為了判斷當前運動執行到哪一條，提供MOVE_MARK運動標號和MOVE_CURMARK當前運動標號指令。

MOVE_MARK運動標號每掃描一條運動指令+1；

MOVE_CURMARK指令為當前運動的標號，提示當前運動到第幾條運動指令，所有運動完成后為-1。

當前運動完成后會自動執行運動緩沖區內的下一條運動。運動指令全部執行完后，運動緩沖區為空，或者使用CANCEL/RAPIDSTOP指令清空運動緩沖區。

擴展說明

上圖中的FORCE_SPEED、ENDMOVE_SPEED和STRATMOVE_SPEED指令屬于SP運動指令。

SP指令也屬于運動指令，使用SP運動指令(如MOVESP、MOVECIRCSP等直接在運動指令后方加上SP)時，SP速度FORCE_SPEED、ENDMOVE_SPEED和STRATMOVE_SPEED會隨SP運動指令寫入運動緩存區。

SP運動指令與運動指令的區別：

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

運動緩沖在激光加工中的應用

通過上面的介紹，大家對運動緩沖應該有了基本的認識，下面我們來介紹運動緩沖在激光加工中的應用。

在激光處理的應用場景中，運動控制系統不僅需要解決機床的軸向運動問題，而且還必須準確控制激光輸出。

例如激光功率，焦點，運動速度，輔助氣體，材料吸收等，都需要運動控制系統執行操作和輸出。對于激光束的運動軌跡控制，它必須非常準確。保證任何數據參數都不會丟失。否則，工件的處理無法正常完成。工件的邊緣將產生毛刺，更嚴重可能導致工件損壞。

下圖為模擬激光加工工藝的軌跡，通過運動緩沖可最大程度保證運動到固定點開光、關光的精確性。

正運動激光控制使能、出光等控制都是通過通用的IO輸出指令進行控制。

以開光操作為例：必須等待軸空移到設定的開光位置后才能控制輸出口開光，所以必須使用MOVE_OP運動緩沖輸出指令而不是使用OP普通輸出指令，運動緩沖使得該軸前面其他運動指令執行完畢同時到達開光點才執行開光操作，保證了運動的時序。

如下圖：開始刻蝕圖形時，執行空移到起點位置、開光、直線、調光等操作，這些指令都會依次放入運動緩沖區，按照先進先出的順序執行。

在激光加工應用場景中，采用插補緩沖中控制激光器的方式不僅可以保證運動時序，還可以通過MOVE_PWM或者MOVE_AOUT等運動緩沖指令調節激光器的輸出功率控制激光器出光的強弱，從而滿足更多的工藝需求和提高加工的效果。

運動緩沖在激光加工應用場景示例

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

正運動SCAN系列運動控制器不僅可以對電機進行控制，同時還可以對激光振鏡進行運動控制，來完成振鏡的定位和插補運動，并且在運動過程中可以實現激光器控制、IO控制、DA控制、PWM控制等工藝操作，同時振鏡軸與電機軸之間也可以做插補軌跡運動。（注：帶SCAN的控制器才能設置軸類型為21）

1.MOVESCANABS(pos1[,pos2] [,pos3]…) - 振鏡直線運動指令。

（1）pos1：第一個軸的運動坐標，絕對位置

（2）pos2：下一個軸的運動坐標，絕對位置

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

（1）end1：終點第一個軸運動坐標，絕對位置

（2）end2：終點第二個軸運動坐標，絕對位置

（3）centre1：圓心第一個軸運動坐標，絕對位置

（4）centre2：圓心第二個軸運動坐標，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》（資料聯系正運動工作人員獲取）

RAPIDSTOP(2) '清除緩沖區
WAIT IDLE
'1，初始部分，設置振鏡軸參數，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 '設置振鏡軸類型
UNITS = 1000,1000 '設置振鏡軸脈沖當量
MERGE = ON '開啟連續插補
AXIS_ZSET = 3 '開啟精準輸出
'拐角延時參數設置
CORNER_MODE = 2 '設置拐角模式
DECEL_ANGLE = 60 * (PI/180) '設置起始弧度0-60不處理60-90等比減速
STOP_ANGLE = 90 * (PI/180) '設置停止弧度大于90延時
LASER_SET(1,1) '設置能量并口
MOVE_OP(49,ON) '打開激光器急停信號（根據實際情況設置）
MOVE_OP(47,ON) '打開使能
'2，功率設置（功率設置可以多次穿插在運動中間，實現不同圖層的操作）
MOVE_OP(46,OFF) '設置拐角延時(單位 us)
ZSMOOTH = 500
MOVE_AOUT(3,128) '設置功率（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，標刻圖形
FORCE_SPEED = 1000 '設置空移速度 1000Units/s
MOVESCANABS(50,0) '空移到起點
MOVE_OP(44,ON) '開光
MOVESCANABS(150,0)
MOVE_PWM(11,0.5,50000) '調光(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) '調光(圓弧結束恢復原來的頻率）
MOVESCANABS(100,-100)
MOVE_OP(44,OFF) '關光
'4，結束部分
MOVESCANABS(0,0) '振鏡回零
WAIT IDLE
MOVE_DELAY(0.1,1) '結束延時

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閉，與此同時也提供了MOVE_OP運動緩沖輸出指令，這兩種指令區別如下：

1.普通輸出指令程序掃描到該行指令便執行輸出。

2.運動緩沖中輸出指令在程序掃描之后，將其存入運動緩沖區，運動緩沖區按先進先出的順序依次取出指令執行，直到取出該輸出指令時才會執行輸出。例如在激光應用場景中，如果不使用運動緩沖，當掃描到上一條運動指令，就會出現還沒運動完畢，程序就掃描到輸出指令，這時就會立刻執行輸出，導致實際開關光的位置不是在我們預想的點位位置執行。

下面通過例子幫助理解兩種輸出的區別。

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坐標偏移至0
UNITS=100 '脈沖當量
SPEED=100 '速度
ACCEL=1000 '加速度
DECEL=1000 '減速度
TRIGGER '觸發示波器采樣
OP(0,3,$0) '關閉輸出口0-3
DELAY(1000) '延時
MOVE(100) '直線插補相對距離100
MOVE_OP(1,ON) '運動緩沖中輸出
OP(0,ON) '普通輸出

例子運行效果：延時1s后，程序掃描到OP指令，輸出口0立即執行輸出。

MOVE_OP把IO操作指令填入運動緩沖區，所以在運行完MOVE(100)之后，輸出口1才輸出。

運動緩沖區堵塞

每個軸的運動緩沖空間是有限的，當掃描太多運動指令放入運動緩沖區時，多級運動緩沖區全部被塞滿，如果程序繼續掃描到更多的運動指令，程序也會被堵塞，直到運動指令依次完成并退出，運動緩沖區有了空位，運動指令才會繼續進入運動緩沖區。

例：以ZMC408CE控制器為例，默認為4096個運動緩沖，下圖例程中顯示該控制器的運動緩沖區最多能存493條圓弧插補指令，下載程序后打印i的值為492，表示當前FOR循環并未執行完，程序堵塞了。

下圖中，當從運動緩沖區取出部分運動指令執行之后，緩沖區有了空間，FOR循環繼續執行，并存入運動指令到運動緩沖區。指令執行退出運動緩沖區后，只要運動緩沖區的空間足夠，新的運動指令則會繼續一條一條往運動緩沖區中存入。

每個軸的運動緩沖都是獨立的，互不干擾，且緩沖區大小相同，通過指令REMAIN_BUFFER(MTYPE) AXIS(n)查看某個軸的剩余可用緩沖區的個數。

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

不同的運動指令占用的緩沖空間是不同的，越復雜的運動占用的運動緩沖空間越多。

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

例如：ZMC408CE控制器，運動緩沖區大小為4096，緩沖區一次性可緩沖的MOVE直線插補指令和MOVECIRC圓弧插補指令個數是不同的。可參考下圖：

注：插補運動緩沖在主軸的運動緩沖區。

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

如下例：例子中共有四條MOVE運動指令，但是運動緩沖區最多只能裝3條直線插補指令。MOVE(60,40)占用軸0的MTYPE，軸0還能緩沖2個運動指令，軸0剩余緩沖數為0。此時運動緩沖區滿，那么在MOVE(60,40)執行完之前MOVE(60,50)是無法進入運動緩沖區的。

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        '設置軸類型
DPOS=0,0         '軸0軸1坐標偏移至0
UNITS=100,100    '設置脈沖當量
SPEED=100,100    '設置速度
ACCEL=1000,1000  '設置加速度
DECEL=1000,1000  '設置減速度
MERGE=ON         '開啟連續插補
TRIGGER          '觸發示波器采樣
LIMIT_BUFFERED=3 '軸0/1運動緩沖區可緩沖運動指令個數設置為3
MOVE(60,40)     '進入MTYPE,Buffer0
MOVE(70,50)     '進入NTYPE,Buffer1
MOVE(50,40)     'Buffer2
MOVE(60,50)     '緩沖區滿，暫不進入
?"軸0當前緩沖指令個數="MOVES_BUFFERED(0)   '結果2
?"軸0剩余緩沖區個數="REMAIN_BUFFER(1) AXIS(0) '結果0
?"軸1剩余緩沖區個數="REMAIN_BUFFER(1) AXIS(1) '結果3
END

如下圖：等MOVE(60,40)運動完成，MOVE(60,50)才能進軸0的運動緩沖區。

插補運動緩沖在主軸軸0里，故軸1的運動緩沖區是沒有指令的，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：

其他運動緩沖指令

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

教學視頻可點擊→“運動緩存在精密激光加工中的應用”查看。

本次，正運動技術運動緩沖在精密加工中的應用，就分享到這里。

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