激光加工运动控制原理——振镜工作原理

1. 振镜工作原理 

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，只有两个小的反射镜片X 和 Y，分别用不同的电机控制偏转，系统的响应非常快。

 

 激光振镜运动两种基本的运动：一种为跳转运动，一种为打标运动。 

 

跳转运动的过程中，轴移动到要加工的位置，激光呈关闭状态，不影响轨迹的加工，因此可以以很大的速度运动。打标运动过程中，激光呈开启状态，进行轨迹的加工，因此用户需要根据实际加工要求设置合适的运动的速度。 

振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机（激光振镜），基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转电机不同，其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，故不能象普通电机一样旋转，只能偏转，偏转角与电流成正比。

 

 

2．振镜控制系统基本结构

振镜系统的由以上几个部分组成一个基础系统，其中振镜头主要元件为 X/Y 两个反射镜片、分别控制X/Y 镜片旋转的两个电机，根据实际需求还可加入人机操作系统、编码器等。

 

 

3．对控制器的基本要求 

因为激光打标机是靠 X/Y 振镜偏转的配合，将激光反射到工作台面上，进行精确的雕刻。而振镜的控制是由控制器开环控制的，所以要求必须为线性，即输入信号同偏转角度之间为线性关系。因振镜是快速精密机械，所以要求从一个工作状态到另一个工作状态要求加速度越大越好，这样打标空等时间就无限小。 

振镜运动采用缓冲区运动方式，即用户需要向轴运动缓冲区传递运动及工艺数据，然后启动缓冲区运动，运动控制器则会依次连续执行用户所传递的运动数据，直到所有的运动数据全部运动完成。 在激光振镜运动控制系统中不但有运动的控制，还有激光的控制。如何有效地处理振镜运动和激光开关的配合是一个很重要的问题，只有有效的协调了激光和运动的关系，才能运动出精确的轨迹。 

运动控制：打标运动时，激光会按照设定的打标速度沿着给定的打标轨迹运动，在执行打标相关指令 时，激光振镜运动控制器会自动开启激光。如果下一条仍是打标指令，激光一直呈开启状态，直到最后一 条打标指令结束，或缓存区指令执行完毕，中途在缓冲区若遇到跳转指令，则激光自动关闭，直到遇到打 标指令，激光才重新开启。开始运动前为保证打标轨迹正确需调整振镜坐标，同时清空缓冲区。 

激光控制：主要包括控制激光的开关控制与发出激光的时长，控制激光的开断使用 OP 指令，激光能量 的控制可根据激光器的不同，对应通过模拟量，数字量输出口，以及输出口 PWM 的占空比对应控制能量的 大小。

 

 

4．主要应用 

主要用于激光打标，包括激光切割、舞台灯光控制、激光打孔等。是一种非接触式、无污染、无磨损 的新标记工艺，采用自动化控制，可靠性大大提高。激光打标是利用高能量密度的激光束，随着激光束在 材料表面有规律的移动，同时控制激光束的开断，使目标材料表面发生物理或化学变化，激光束就可以在 材料表面加工出一个指定的图案。 

相比传统标记工艺，激光打标有如下优点： 标记速度快，字迹清晰。 非接触式加工，污染小，无磨损。 工作方便，防伪能力强。 高速自动运行，生产成本低，运行可靠。

 

 

5．ZMC408SCAN 控制器激光振镜接口

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运动控制。

控制器包含多种类型的激光接口，可通过8路高速输出口（支持PWM功能和PSO功能），实现高精度多轴联合运动与激光的同步控制。

内部集成了激光控制、振镜控制、总线轴/脉冲轴控制的独立式运动控制器。控制器本身支持4路脉冲轴控制和两组XY振镜轴接口（带振镜反馈），支持最多16路运动轴的复杂的连续轨迹控制需求，可实现振镜轴+脉冲轴+总线轴的混合插补。

控制器的接口说明如下表：

标识	接口	个数	说明
RS232	232串口	1个	采用MODBUS_RTU协议
RS485	485串口	1个	采用MODBUS_RTU协议
CAN	CAN总线	1个	连接CAN扩展模块或控制器
ETHERNET	网口	1个	采用MODBUS_TCP协议，通过交换机扩展网口个数，至少包含两路网口通道 默认IP地址192.168.0.11
EtherCAT	总线口	1个	EtherCAT总线接口，接EtherCAT总线驱动器和扩展模块
E+24V	主电源	1个	24V直流电源供电
UDISK	U盘接口	1个	插入U盘设备
IN	数字量输入	24个	NPN类型，内部24V供电，输入0-3具有锁存功能
OUT	数字量输出	12个	NPN类型，内部24V供电，输出0-7具有PWM功能，输出0-7具有精准输出和PSO功能
AD	模拟量输入	2个	分辨率12位，0-10V
DA	模拟量输出	2个	分辨率12位，0-10V
Axis	脉冲轴接口	4个	每个接口包含差分脉冲输出和差分编码器输入
SCAN	振镜接口	2个	激光振镜接口，带反馈，采用XY2-100协议
LASER	激光控制接口	1个	激光电源控制端口，支持IPG、YLR、YLS等类型激光电源
MPG	手轮接口	1个	5-24V手轮信号输入
EXIO	扩展IO接口	1个	灵活定制转接板，可扩展SPI、FIBER、YGA等其它类型激光电源控制接口

PC可通过串口和网口连接到控制器，下发指令给控制器处理。通过RS232、RS485和网口可与外部设备通讯。连接扩展的IO模块可使用EtherCAT或CAN总线接口。

具备标准的激光振镜接口SCAN和激光电源控制接口LASER，同时提供一个EXIO扩展接口灵活扩展外设。

 

运动与激光控制的参考架构如下图：

 

 

EXIO扩展IO接口：

激光电源控制接口除了定义好的LASER之外，还有个EXIO接口可灵活配置，做数字IO接口或其他激光器的转接口，转接板可灵活定制。

 

本次，激光加工运动控制原理——振镜工作原理，就分享到这里。