數(shù)控機(jī)床電子手輪工作原理及故障分析

關(guān)進(jìn)良，岳維超，李術(shù)平，劉 松，張華鵬

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

0 引言

數(shù)控機(jī)床電子手輪（Manual Pulse Generator，MPG），又稱為手搖脈沖發(fā)生器，簡稱“手輪”或“手脈”。它是通過手搖脈沖編碼器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來控制機(jī)床各伺服軸的運(yùn)動(dòng)，脈沖的頻率和脈沖個(gè)數(shù)分別控制軸運(yùn)動(dòng)的速度和位移。手輪是數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)刀具微動(dòng)和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制等功能不可或缺的部件（如：工件對(duì)刀、幾何精度檢測(cè)等），直接影響著機(jī)床的實(shí)用性。

1 典型電子手輪介紹

數(shù)控機(jī)床手動(dòng)進(jìn)給一般有JOG（手動(dòng)）、手動(dòng)快速和手輪3種方式，當(dāng)對(duì)進(jìn)給軸進(jìn)行手動(dòng)位置控制或精準(zhǔn)微量調(diào)整時(shí)，一般選擇手輪方式。常見的手輪分為兩種：單個(gè)手搖脈沖發(fā)生器（一般直接嵌入在操作面板上）和手持型手輪（也稱為外掛式手輪），主要研究的是FANUC 數(shù)控機(jī)床的手持型手輪。

典型的手持型手輪除脈沖發(fā)生器外，一般還配有軸選開關(guān)（3～6 軸）、倍率開關(guān)（×1，×10，×100）、手輪使能鍵和指示燈等。使用手輪時(shí)，首先把機(jī)床的方式選擇開關(guān)調(diào)到手輪方式，按下手輪使能鍵，指示燈亮，使軸選開關(guān)選定在某個(gè)軸，并選擇某個(gè)倍率，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖發(fā)生器時(shí)即可實(shí)現(xiàn)機(jī)床各軸的手輪進(jìn)給，每當(dāng)發(fā)出1 個(gè)脈沖，機(jī)床便可移動(dòng)相對(duì)應(yīng)倍率的移動(dòng)量。需要注意的是，手搖脈沖發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)速度不要太快，最好應(yīng)控制在5 r/s 以下，否則可能出現(xiàn)當(dāng)手輪不旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)床還在繼續(xù)移動(dòng)的情況。

2 電子手輪工作原理

2.1 與手輪有關(guān)的PMC 地址信號(hào)（表1、表2）

從表1 可以看出，手輪軸選擇功能是通過PMC 信號(hào)HS1A、HS1B、HS1C 和HS1D 二進(jìn)制組合來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)軸的選擇，從表2可以看出，手輪倍率選擇功能是通過PMC 信號(hào)MP1、MP2 二進(jìn)制組合來實(shí)現(xiàn)不同倍率的選擇，其中×M、×N 是由參數(shù)7113、7114來設(shè)定的（比如這兩個(gè)參數(shù)可以分別填100 和1000），但通常情況下，為了避免手輪進(jìn)給速度過快而造成事故發(fā)生，參數(shù)7114 可填100 或者0。除以上信號(hào)外，實(shí)現(xiàn)手輪進(jìn)給的前提還需要先選擇“手輪方式”，即將PMC 信號(hào)G43.2（MD4）置為1。

表1 與手輪“軸選擇”有關(guān)的PMC 地址信號(hào)

表2 與手輪“倍率選擇”有關(guān)的PMC 地址信號(hào)

2.2 與手輪有關(guān)的參數(shù)部分（表3）

表3 與手輪運(yùn)行有關(guān)的參數(shù)表

表3 中參數(shù)，需要注意的是手輪最大速度參數(shù)1434，只有PMC 地址信號(hào)G23.3（HNDLF）為1 時(shí)此參數(shù)才能生效，否則由參數(shù)1424 來控制。

2.3 與手輪有關(guān)的硬件連接和PMC 地址分配

手輪的硬件連接如圖1 所示，手搖脈沖發(fā)生器經(jīng)可連接在I/O LINK 總線上的I/O 單元模塊上的JA3 或者JA58 上，值得注意的是連接手搖脈沖發(fā)生器的模塊必須為16 字節(jié)，對(duì)于這個(gè)16 字節(jié)模塊，Xm+0～Xm+11 用于輸入點(diǎn)，即使在實(shí)際使用中用不到這么多輸入點(diǎn)，但為了連接手搖脈沖發(fā)生器也需如此分配。Xm+12～Xm+14 用于3 個(gè)手搖脈沖發(fā)生器的輸入信號(hào)，Xm+15用于輸出信號(hào)的報(bào)警。如果機(jī)床只連接1 個(gè)手輪，搖動(dòng)手輪可以直觀地看出Xm+12 中信號(hào)的變化情況。另外，雖然手搖脈沖發(fā)生器的信號(hào)由PMC 來采集，但是PMC 并不對(duì)此信號(hào)進(jìn)行任何處理，PMC 采集完成后直接傳遞給CNC 來處理。

圖1 手輪硬件連接

3 電子手輪具體維修實(shí)例

（1）故障現(xiàn)象：某加工中心的手輪外觀良好且操作人員使用方法正確，但手輪失效，即機(jī)床選擇手輪方式，在正常操作使用手輪時(shí)，機(jī)床X、Y、Z 三軸無論處于何種倍率下，手搖手輪時(shí)機(jī)床各軸均沒有動(dòng)作。

（2）故障分析及解決方案：該加工中心采用FANUC 0i-MD數(shù)控系統(tǒng)，配有1 個(gè)手持型手輪。導(dǎo)致手輪失效的故障原因較多，硬件方面可能涉及到手輪本身元器件損壞、JA58 插頭松動(dòng)，內(nèi)部電纜斷裂或虛接等方面，軟件方面可能涉及到PMC 信號(hào)、機(jī)床參數(shù)以及地址分配等方面。

首先檢查硬件連接部分是否有虛接、松動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)檢查連接完好，其次結(jié)合PMC 地址信號(hào)G18.0～G18.3 和G19.4～G19.5，檢查軸選開關(guān)和倍率開關(guān)，軸選和倍率均正常，最后按照表3 中的參數(shù)依次檢查，發(fā)現(xiàn)參數(shù)7105 為1（其他參數(shù)正常），這要求手輪的脈沖發(fā)生器的PMC 地址分配需要手動(dòng)進(jìn)行設(shè)定，此時(shí)有兩種解決方案：①修改參數(shù)7105 由1→0，使機(jī)床對(duì)手輪自動(dòng)進(jìn)行PMC 地址分配；②在參數(shù)12300（第1 臺(tái)手輪的X 地址）中填上112（本手輪的PMC 地址是X112）。此次采用的是第一種解決方案，重啟機(jī)床后測(cè)試手輪，故障徹底排除，手輪恢復(fù)正常。

4 結(jié)語

手輪是數(shù)控機(jī)床必不可少的配件之一，電子手輪的故障排除看似簡單，其實(shí)牽涉到知識(shí)點(diǎn)比較多，包括PMC、參數(shù)以及硬件連接等，只要其中一點(diǎn)出現(xiàn)問題，都有可能造成手輪故障，只有從工作原理上理解了手輪的工作過程，并經(jīng)?？偨Y(jié)此類故障排查的思路和經(jīng)驗(yàn)，才有可能快速排除相關(guān)故障，從而提高數(shù)控機(jī)床利用率。