数控机床手轮进给故障的排故思路

2014/11/5 15:02:59

0 引言

在数控机床的加工过程中，由于调整及慢速对刀的需要，通常需要频繁地使用手轮(即手摇脉冲发生器)来控制数控机床伺服轴的运动，因此，在数控机床的诸多故障中，手轮出现故障的次数较多，同时对该故障维修人员的维修水平要求也相对要高。本文以配备有FANUC0i-mate-TD数控系统的CK0625数控车床为例，系统地介绍了数控机床手轮故障的诊断与分析方法。

1 数控机床的参数、接口及PLC

1.1 数控机床的参数

数控机床的参数在数控机床工作中占有重要地位，而且起着至关重要的作用。它完成数控系统与机床结构和机床各种功能的匹配，决定着数控机床的各种功能。这些参数在数控系统中按一定的功能组进行分类，例如伺服轴配置参数、速度参数、主轴参数、有关手轮进给的参数、显示设置参数以及数据传输参数等等。

1.2 数控机床的PLC

PLC程序是用来控制数控机床的顺序动作。数控机床的PLC程序主要完成以下功能：

(1)编译功能：编译接口信号，控制机床的动作；

(2)机床外部输入输出信号的控制；

(3)伺服控制；

(4)其他外围设备的控制。

需要说明的是，FANUC公司将应用于数控机床上的PLC称为PMC。

1.3 数控机床的接口及接口信号

数控机床的接口是连接CNC、PLC以及机床的节点，节点是信息传递和控制的通道。这里所指的信息就是信号，由于是通过接口传递的信号，因此称之为接口信号(即I/O信号)。

可以看出，FANUC系统中在CNC、PLC及机床之间传输的接口信号共有四种类型，分别用X、Y、F和G表示。

由于接口信号数量繁多，因此必须用地址加以区分。地址由地址号(即字节号)和位号(0～7)组成。

2 数控机床的手轮

2.1 数控机床的运动分类

数控机床的运动共分为三大类，分别为伺服运动、主轴运动及辅助运动。其中，只有伺服轴的运动是在数控系统的直接控制下完成的，而其它两类运动则由PLC直接控制。

通过操作数控机床操作面板上的“轴选择及轴方向选择”按钮，可使用CNC来控制伺服轴的运动；除此之外，也可以用机床操作面板上的手轮来使CNC控制伺服轴的运动。

2.2 手轮的作用

使用手轮(即手摇脉冲发生器或手动脉波发生器)可实现数控机床伺服轴的运动。旋转手摇脉冲发生器时，可以使机床的伺服轴进行微量移动，因此，其主要用于数控机床伺服轴的微动调整(如对刀等)。

2.3 手轮操作步骤

当使用手轮对伺服轴进行运动控制时，可以按照如下的步骤进行操作：

(1)将机床操作面板上的“方式开关”选到“手轮”方式；

(2)用机床操作面板上的“轴选择开关”选中某个要移动的伺服轴；

(3)用机床操作面板上的“手轮进给倍率选择开关”选中轴移动的速度；

(4)旋转手轮，被选中的伺服轴将沿与手轮旋转方向对应的方向及速度移动。

2.4 手轮的工作原理

旋转手轮时，手轮会产生脉冲信号，并将其通过特殊的通道输入到数控系统，数控系统将根据脉冲信号的当量来控制伺服轴移动对应的距离。

所谓的脉冲当量，就是一个脉冲信号能使伺服轴移动的距离。手轮上一周共有100个等分刻度，每旋转一个刻度(一格)，手轮就会产生一个脉冲信号，而一个脉冲当量与机床操作面板上的“手轮进给倍率选择开关”选中的倍率相对应。

一般情况下，“手轮进给倍率选择开关”共有四个倍率档位，即有四种脉冲当量可供选择，它们是“最小输入增量×1”、“最小输入增量×10”、“最小输入增量×M”及“最小输入增量×N”。例如，若最小输入增量为0.001mm，当选择“最小输入增量×1”倍率档位时，手轮的脉冲当量为0.001mm，即手轮每转动一个刻度，数控系统将控制选定的伺服轴运行0.001mm的距离；当选择“最小输入增量×10”档位时，手轮的脉冲当量为0.01mm，即手轮每转动一个刻度，数控系统将控制选定的伺服轴运行0.01mm的距离，依此类推，若此时旋转手轮一圈，机床伺服轴将移动相当于100个刻度(即1mm)所对应的距离。

3 影响手轮正常工作的因素

原则上，影响手轮正常工作的因素应分为软件和硬件两个方面。

3.1 硬件方面

影响手轮正常工作的硬件因素主要包括手轮装置的硬件连接以及手轮控制信号的连接是否正确。本文以配备有FANUC0i-mate-TD数控系统的CK0625数控车床为例进行论述。

3.1.1 手轮装置的硬件连接

在CK0625数控车床上，手轮装置是通过机床PMC的I/O接口与数控系统之间进行连接的。其中，HA和HB分别是手轮产生的相位差为90°的脉冲信号。信号的数量与数控系统控制伺服运行的距离相对应；HA和HB信号相位的超前或落后，则与数控系统控制伺服轴运行的方向对应。0V和+5V是手轮的工作电源，来自于数控系统侧，若该5V电源丢失，那么，即使手轮旋转，也不会发出HA和HB的脉冲信号。

可以通过接口信号状态显示页面某个接口信号地址的状态组合的变化，以监控手轮是否向数控系统发送HA和HB的脉冲信号。在文中提到的CK0625数控车床中，这个监控手轮信号状态的接口地址为X20。那么，当手轮旋转并正常向数控系统输入HA和HB的脉冲信号时，地址X20的所有八位信号的状态都会发生“0”和“1”的变化。手轮背面的HA1、HB1、+5V、0V四个信号线与系统I/O接口侧插头JA3中的1、2、9、12端子相连接。

3.1.2 手轮控制信号的功能连接

硬件方面的另一类因素主要指手轮控制信号的功能连接是否正确。本文在“手轮操作步骤”一节中提到了数控机床的操作面板上与手轮工作有关的几个开关，它们将产生手轮工作时所需要的控制信号，并通过信号线输入PLC的接口中。这些信号的接口地址及功能组合如下：

(1)轴选择信号。在文中提到的数控车床上，其机床操作面板上的“轴选择开关”(SA4)所产生信号的接口地址为X11.6和X11.7。当X轴被选中时，接口信号的状态分别为：X11.6为“1”、X11.7为“0”；而如果Z轴被选中，则接口信号的状态分别为：X11.6为“0”、X11.7为“1”。

(2)手轮倍率开关信号。本文提到的数控车床上，其手轮倍率旋钮只有“×1”、“×10”、“×M”三个倍率档。该旋钮(SA3)接口信号的地址为X12.0和X12.1。

3.2 软件方面

软件方面主要指与手轮工作有关的参数设置是否正确。在FANUC0i-(mate)-D系列数控系统中，与手轮工作有关的主要参数有8131#0及7113#两个参数。其中，8131#0用于定义是否使用手轮。当其被设置成0时，表示机床不使用手轮；设置成1时，表示机床使用手轮(需要注意的是：设定此参数后，继续操作前应关断电源，再开机)；而7113#则是用来定义手轮进给倍率旋钮的档位为“最小输入增量×M”时的M值。

4 手轮进给故障分析思路

当使用手轮无法控制数控机床伺服轴的运动时，维修人员可以根据上述对手轮工作条件的描述，来确定该故障的分析思路。

首先可以确认是否在所有倍率下，所有轴都不动。若是，再依次确认：

(1)确认数控系统的工作方式是否为“手轮工作方式”。若正确，则进行下一步检查。

(2)检查与手轮进给有关的参数8131#0是否为“1”。若正确，则进行下一步检查。

(3)在接口信号状态诊断页面检查手轮的“轴选择开关”(SA4)接口信号状态是否正确。若不正确，可进行硬件连接的检查。若正确，则进行下一步检查。

(4)在接口信号状态诊断页面观察：当旋转手轮时，表示手轮正常工作的接口信号X20的状态是否都有变化。若地址X20的所有信号的状态都不变化或有个别位的状态没有变化。

其次，若只是在“×M”倍率档所有轴不动，那么就要检查与手轮进给有关的参数7113#是否为设置。按照倍率的变化规律，该参数建议设置为“100”。

若只是个别轴无法用手轮移动，则在接口信号状态诊断页面检查手轮的“轴选择开关”(SA4)接口信号状态是否正确。若不正确，请进行硬件连接的检查。

5 结语

本文通过对数控机床的参数、接口及PLC及其关系进行介绍，从硬件和软件方面分析了影响手轮正常工作的主要因素，最后给出了在使用手轮无法控制数控机床伺服轴的运动时，维修人员根据本文对手轮工作条件的描述，来确定手轮无法控制数控机床伺服轴运动故障的分析思路。

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