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编者按

针对西门子数控系统使用传统有线手轮受到连接线的约束，而目前大部分无线手轮又无法实时显示机床坐标，带来操作上的安全隐患的问题，介绍了国产实时显示电子手轮在西门子840D sl系统上的应用，既能摆脱有线的束缚，又能够实时显示机床坐标，满足数控机床特别是中大型机床的使用需求。

PART 1序言

数控机床电子手轮是数控机床不可缺少的部件，刀具微调、工件对刀等功能通常需要通过手轮操作来实现[1]。电子手轮主要由编码单元、坐标轴选单元、增量倍率单元和控制按键单元等组成，用于手摇方式向数控机床发送指令，控制数控机床移动。

目前应用的手轮主要有两类：有线电子手轮和无线电子手轮。有线电子手轮具有价格低，工作性能稳定等优点，但受到信号传输线缆制约，在面对大型数控机床时操作有诸多不便，且手轮接线处容易破损，长期使用可能存在安全隐患。无线电子手轮摆脱了线缆连接的束缚，在大型复杂机床上可以自由移动，但目前市场上的无线电子手轮没有机床轴坐标的实时显示功能，当操作人员远离机床显示屏操作电子手轮时，无法实时了解机床坐标情况，给机床操作带来了不便，也存在一定的安全隐患[2，3]。

为此，本文作者选择了一种工作性能稳定，并且能够实时显示机床坐标的国产实时无线电子手轮，在大型机床上使用操作方便，提高了工作效率。

PART 2

国产西门子实时显示手轮介绍

本次使用的无线电子手轮适用于西门子数控系统808、828D、840D sl和ONE，其硬件由两部分组成：电子手轮和接收器。手轮通过S7协议与西门子系统S7系列的PLC通信，实时显示PLC对应寄存器坐标值，支持6轴实时坐标显示；支持6个自定义按钮，对应西门子PLC地址，可自由编程；并且6个自定义按钮可以控制6个开关量输出；无线传输距离空旷40m，动跳频技术，可同时使用32套设备。

PART 3

无线实时手轮的硬件配置

在西门子840D sl系统中，无线手轮通过以太网接收器和PLC相连（见图1），使得手轮的接线更加简单。

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图1  无线手轮连接示意

手轮把按键数据无线传给接收器，接收器通过网线把按键写入PLC系统DB区；接收器把需要显示的数据从指定的DB区读取出来，再把数据返回给手轮显示屏幕。用户可以在手轮上自定义读写DB区基地址，这样手轮就可以读写PLC的DB区数据。

接收器支持西门子S7协议，适用于PLC S7-200、PLC S7-300和PLC S7-1200。

用户可以通过PLC连接配置工具将接收器配置成服务器模式和客户端模式。配置后，XWGP-ETS接收器就可以通过标准的S7协议和PLC通信。

PART 4无线实时手轮应用连接

无线实时手轮接收器外观如图2所示，在无线手轮背后安装两节5号电池就可以正常使用。

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图2  无线实时手轮接收器外观

手轮脉冲信号接线，用西门子信号线6FX8002-2CP00-1AC5，从西门子操作面板MCP背后的X60接口接到无线接收器的脉冲信号输出端口；无线接收器电源连接到系统相同的DC24V电源；急停信号输出可以与系统面板MCP上的急停按钮进行串接。

接收器下端的倍率输出、轴选输出和自定义按键输出可以接到PLC的IO点进行控制；使用S7通信模式时，轴选、倍率和自定义按键可以直接通过X130和PLC进行通信读写，无需连接，这样可以大大简化接线。

以太网口通过网线连接到西门子840D sl NCU上的X130口。

PART 5手轮的软件设置

使用手轮自带的网络配置工具配置接收的IP地址等参数（见图3）。先刷新网卡，然后选择搜索设备，再选择设备名称；为设备配置参数，填好参数；单击配备设置参数，等待配置完成。

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图3  配置接收器IP地址

将PC机网段设置为与上一步设置的接收器IP相同的网段。打开电脑的控制面板，单击网络与Internet，再单击网络共享中心，然后单击更改适配器设置，右键单击对应链接网口，单击属性，双击选择Internet协议版本4（TCP/IPv4），设置IP地址为192.168.1.X，子网掩码为255.255.255.0。

打开DB块设置软件（WGP-ETS），设置接收器读写地址等参数，如图4所示。

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图4  接收器读写地址设置

设置成功后，关闭DB块设置软件，打开无线手轮的网络配置工具，配置接收器通信模式。先刷新网卡，再单击搜索设备，选择设备名称。

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图5  配置接收器通信模式

如图5所示配置接收器通信模式，参数填好后，单击配置设备参数，等待配置完成。此时通过网线与PLC连接，便可通信。目的IP设置为192.168.1.100，后续在数控系统上也需要设置这个地址。

PART 6数控系统端840D sl设置

在数控系统端依次选择MENU SELECT→诊断→TCP/IP总线→TCP/IP诊断，进入TCP/IP设置画面，在“NCU公司网络X130”中将IP地址设置为前文无线接收器上设置的目的IP地址：192.168.1.100。

PART 7无线实时手持单元的程序调试

手轮实时显示机床坐标需要通过PLC与机床NC进行数据交换来实现，利用840Dsl数控系统PLC程序功能块FB2来读取数控系统NC上各轴机械坐标MCS值、进给速度F和操作模式显示。

选择变量需要用NC变量选择器NCvar Selector选择需要读写的NC系统变量，生成数据背景数据块DB120。因为要读取轴坐标，所以需要选择以下几个相关的NC变量。

1）C1_SMA_actToolBasePos1：轴的机械坐标MCS。

2）C1_SEMA_feedRateOvr1：进给率倍率值。

3）B1_S_opMode：有效运行方式。

各轴的坐标值需要实时显示，因此必须实时读取上述变量的值，但是根据FB2的启动条件Req的要求，该信号必须有跳变才能启动下次读取，因此要随时读取数据就必须建立一个连续周期的脉冲。这次采用的是NCU硬件CPU 317-2PN/DP的时钟存储器，被组态为时钟存储器的字节中的每一位都可生成方波脉冲。时钟存储器字节提供了8种不同的频率，其范围从0.5Hz（慢）到10Hz（快）。这些位可作为控制位（尤其在与沿指令结合使用时），用于在用户程序中周期性触发动作。在程序中指定M0存储器分配作为时钟存储器，因此M0.0即为周期0.1s脉冲，频率10Hz。具体程序如下。

CALL FB2，DB121

Req :=M0.0/启动条件

Num Var ·=8

Addr1 :=“POS”.C1_SMA_actToolBasePos1_2 //读轴1机床坐标

Unit1 :=

Column1:=

Line1 :=

Addr2 :=“POS”.C1_SMA_actToolBasePos2_2机床坐标

Unit2 :=

Column2:=

Line2 :=

Addr3 :=“POS”.C1_SMA_actToolBasePos3_2机床坐标

Unit3 :=

Column3:=

Line3 :=

Addr4 :=“POS”.C1_SMA_actToolBasePos4_2机床坐标

Unit4 :=

Column4:=

Line4 :=

Addr5 :=“POS”.C1_SMA_actToolBasePos5_2机床坐标

Unit5 :=

Column5:=

Line5 :=

Addr6 :=“POS”.C1_SMA_actToolBasePos6_2机床坐标

Unit6 :=

Column6:=

Line6 :=

Addr7 :=“POS”.C1_SEMA_feedRateOvr1_1//读倍率

Unit7 :=

Column7:=

Line7 :=

Addr8 :=“POS”.B1_S_opMode_3//读机床操作

Unit8 :=

Column8:=

Line8 :=

Error :=M131.0 //FB2出错标志

NDR :=M131.1 //FB2完成标志

State :=MW132//FB2读状态

RD1 :=DB9033.DBD0 //轴1坐标地址

RD2 :=DB9033.DBD4 //轴2坐标地址

RD3 :=DB9033.DBD8//轴3坐标地址

RD4 :=DB9033.DBD12//轴4坐标地址

RD5 :=DB9033.DBD16//轴5坐标地址

RD6 :=DB9033.DBD20//轴6坐标地址

RD7 :=DB9033.DBD48//轴倍率地址

RD8 :=DB9033.DBD52//操作模式地址

通过功能块FB2的调用，把手轮显示屏上需要显示的值读取到已定义的数据块DB9033中。PLC程序编写完毕后，将该FC程序块以及该FC块用到的数据块DB120、DB121、DB9033和DB9034等一起下载到控制系统中，当激活手轮时，手轮显示屏就能实时显示当前所选轴的坐标值。通过轴选开关，切换不同的轴，显示屏上显示的内容也会相应切换到当前所选轴的坐标，如图6所示。

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图6  无线实时手轮显示机床坐标

对于手轮轴选和倍率控制信号，由于采用了S7与NCU进行通信的方式，手轮轴选和倍率旋钮都是通过总线通信，不需要像传统手轮一样占用I/O点进行控制，避免复杂的连接。直接利用无线接收器设定软件中设定的写地址，只需将原来手轮程序中用到的PLC输入点更换为对应的DB地址，就可以进行正常编程。WGP-ETS与西门子840D sl写数据说明见表1。

表1  WGP-Ets与西门子840D sl写数据说明

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PART 8结束语

使用国产无线实时显示电子手轮，由于使用了总线通信，因此不需要繁琐的布线，减少了故障点，节约了大量成本。通过简单的按钮和旋钮，用户可以轻松地控制设备，提高操作的效率。对于大型机床操作人员来说有直观的界面和易于操作的控制功能，也减少了线缆的缠绕和拖动，提升了操作的安全性。该方案已经在产品设计时使用，并在用户处得到验证，可在机床设计应用中广泛推广。

参考文献：

[1] 陈坤火，林述温，陈平斌. 基于FPGA的开放式数控系统手持单元接口的设计[J]. 现代制造工程，2019（10）：148-152.

[2] 武建龙，孙永超，吴艳华. HT2手持单元在西门子840D sl数控系统中的应用[J]. 金属加工（冷加工），2014（11）：54-55.

[3] 张鸶懿. 基于西门子840D sl的可定制机床人机界面设计[D] .重庆：重庆大学，2024.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2024年第4期60~63页，作者：宜昌长机科技有限责任公司 王乐强，黄帅，刘敏 ，原标题：《国产实时显示电子手轮在西门子840D sl系统上的应用》。

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☞来源：金属加工 ☞编辑：王佳慧 ☞责任校对：徐裴裴 ☞审核人：吴晓兰

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