认知数控机床常见的CNC接口，掌握其功能及结构特点，能够掌握其工作原理。

一、CNC装置的接口电路

数控装置与机床及机床电气设备之间的接口有三种类型：

第一类：与驱动控制器和测量装置之间的连接电路负责由CNC装置至伺服单元、伺服电动机、位置检测、速度检测之间的信息控制，属于数字控制、伺服控制和检测控制。

第二类：电源及保护电路由数控机床强电线路中的电源控制电路构成。强电线路是由电源变压器、继电器、接触器、保护开关、熔断器等连接而成的，为驱动单元、主轴电动机、辅助电动机（如风扇电动机、切削液泵电动机、换刀电动机等）、电磁铁、电磁阀、离合器等功率执行元件供电。

强电线路不能与低压下工作的控制电路或弱电线路直接连接，只能通过中间继电器、热保护器、控制开关等连接。用继电器控制回路或PLC控制中间继电器，用中间继电器的触点给接触器接通强电，以控制主回路（强电线路）。

第三类：开／关信号和代码连接电路。此电路供给CNC装置与机床参考点、限位、面板开关等，以及一些辅助功能输出控制连接的信号。

当数控机床没有用PLC时，这些信号在CNC装置与机床间直接传送。当数控机床带有PLC时，这些信号除一些高速信号外，均通过PLC输入／输出。

二、机床I／O接口

功能：用来接收机床操作面板上的开关、按钮信号及机床的各种限位开关信号，用来把机床工作状态指示灯信号送到机床操作面板，把控制机床动作的信号送到强电柜。

要求：

（1）进行必要的电隔离，防止干扰信号串入，防止高压串入对CNC装置造成损坏。

（2）进行电平转换和功率放大。

1.光电耦合器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电—光—电转换器件，它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。光电耦合器如图3－2－1所示。

图3－2－1 光电耦合器

（a）普通型光电耦合器；（b）高速型光电耦合器；（c）达林顿输出光电耦合器；（d）可控硅输出光电耦合器

特点：

（1）使用光传递信号，可使输入和输出在电气上隔离，抗干扰能力强，特别是抗电磁干扰能力强。

（2）可用于电位不同的电路间耦合，即可进行电平转换。

（3）传递信号单方向，寄生反馈小，传递信号的频带宽。

（4）响应速度快，易与逻辑电路配合。

（5）无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高。

2.簧式继电器

簧式继电器主要由两个磁性簧片组成，在磁场作用下它们接触导通。

特点：控制电流小，触点开关电流大；具有隔离作用，又有电平转换和驱动作用。

其中，固态继电器如图3－2－2所示，是由输入电路、隔离部分和输出部分组成的四端组件。施加触发信号呈导通状态，无信号则呈阻断状态。

图3－2－2 固态继电器

特点：无触点开关器件，因而工作可靠、寿命长、抗干扰能力强、开关速度快。

由于计算机I／O口驱动能力有限，需要用专门的驱动电路来驱动数控机床的各类负载，如图3－2－3所示。其分类如下：

图3－2－3 接口驱动电路

典型的分立元件电路（图3－2－4）包括功率晶体管驱动电路、达林顿晶体管驱动电路、功率场效应管，如集成驱动器中使用了达林顿反向缓冲器带逻辑门集成。

图3－2－4 分立元件电路

（a）功率晶体管；（b）达林顿晶体管；（c）功率场效应管

三、标准输入输出设备接口

常见的标准输入输出设备及其接口：键盘及其接口、LED及其接口、串行数据通信及其接口、异步传输接口和同步传输接口。

1.键盘及其接口

键盘有两种：一种是全编码键盘，其键码全由硬件提供，但是这种方式的硬件结构复杂、成本高；另一种是非编码键盘，这种键盘多采用矩阵方式，利用软件识别键码及完成各种键功能处理，包括去抖动、防止串键等。这种方式的硬件开销低、灵活性大、应用比较广泛。

（1）常见键盘识别方法有行扫描法和线反转法。

①行扫描法：按行扫描键盘，检查列的输出，由行列信号的组合确定被按下的键，如图3－2－5所示。

图3－2－5 行扫描法示例

例：N1.2键。

行输出：0010

列输入：1101

②线反转法：行列线交换输入、输出，两步获取按键键号。

例：N1.2键。若D3～D0为列输入线，D7～D4为行输出线，则输入代码为1011；若D3～D0为行输出线，D7～D4为列输入线，则输出代码为1101，如图3－2－6所示。

图3－2－6 线反转法示例

（2）去抖动和多键保护。

如图3－2－7所示，按键是机械触点，故而存在抖动，用硬件和软件方法消除。但多采用软件，即检测到键按下时，执行一个延时程序再确认键的闭合。而多键保护，也需要软件作用，包括双键同时按下保护、几个键连锁等。

图3－2－7 去抖时序

2.LED及其接口

LED数码管又称为半导体数码管，它是由多个LED按分段式封装制成的。LED数码管有两种形式：共阴型和共阳型，如图3－2－8所示。

图3－2－8 LED数码管的两种形式

1）限流电阻

一般LED的工作电流为2～20 mA，而驱动电压如果选5 V的话，则需要连接合适的限流电阻，如图3－2－9所示。

图3－2－9 限流电阻

（a）低电平驱动；（b）高电平驱动

当工作电流为10 mA时：

2）7段LED字型码

7段LED字型码的编码如表3－2－1所示，在表中有共阳极和共阴极两种接法的数值。

表3－2－1 7段LED字型码

3）LED工作方式

静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每位数码管的8个字段分别与一个8位I／O口地址相连，如图3－2－10所示。

图3－2－10 静态显示LED接法(www.daowen.com)

特点：功耗大，占硬件资源多；亮度大，适合室外场合。

动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I／O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I／O口线控制。为保证连续显示，刷新周期选择50 ms左右。动态显示LED接法如图3－2－11所示。

图3－2－11 动态显示LED接法

3.串行数据通信及接口

1）物理层协议

该层提供通信介质和连接的机械、电气、功能和规程等特性，以便在数据链路实体间建立、维护和拆除物理连接。

机械特性：插头座的大小、形状和针的数目。

电气特性：电压值、逻辑电平及其他电气参数。

功能特性：规定每根线的功能及含义。

规程特性：规定各种事件按什么次序出现。

（1）典型接口标准：RS232C。

电气特性分为在数据线TXD和RXD上和控制线和状态线RTS、CTS、DSR、DTR和DCD上的表现。

在数据线TXD和RXD上：逻辑1＝－3～－15 V；逻辑0＝＋3～＋15 V。

在控制线和状态线RTS、CTS、DSR、DTR和DCD上：信号有效＝＋3～＋15 V；信号无效＝－3～－15 V。

因此RS232C与TTL逻辑电平是不同的。

由于RS232C电平和TTL逻辑电平是不一样的，因此如果它们间要通信的话，必须首先进行电平转换，这需要有分离元件电路和集成芯片电路，常用的集成芯片有MC1488、MC1489以及MAX232，如图3－2－12～图3－2－14所示。

图3－2－12 分离元件电平转换电路

图3－2－13 MC1488／1489转换电路

图3－2－14 MAX232转换电路

（2）常见的RS232C接口有25针和9针，其接口形式如图3－2－15所示。

图3－2－15 RS232C接口

（a）25针RS232C接口；（b）9针RS232C接口

（3）RS232C功能引脚定义如表3－2－2所示。

表3－2－2 RS232C功能引脚定义

RS232常见连接方式如图3－2－16所示，有简单连接和完全连接，其中简单连接由于接线简单快捷，在实际中应用较为广泛。

图3－2－16 RS232常见连接方式

（a）最简连接；（b）最简连接；（c）完全连接

2）链路层协议

通过差错检测与恢复等措施将直接连接的两个节点间可能出错的物理连接改成无差错的数据链路，主要包括异步串行数据链路协议、同步数据链路控制及高级数据链路控制协议等。

常见的数据通信方式，如图3－2－17所示。

图3－2－17 常见的数据通信方式

（a）串行通信；（b）并行通信

串行通信：每个时刻只传送1位数据，速度慢，但硬件要求低，比较适合远距离数据传输。

并行通信：2个设备之间同时传送多位数据，它的传送速度快，但对硬件要求高。

4.异步传输接口和同步传输接口

在数据的串行传输中，介质一次传送1位数据。这时，发送器和接收器对这些数据必须有相同的时序安排（如信号速度、信号宽度等），即接收方必须知道它所接收的每位的开始时间和结束时间。用来控制时序的常用技术有异步传输和同步传输。这里的定时多用波特率表示。

1）异步串行接口通信方式（图3－2－18）

图3－2－18 异步串行接口通信方式

异步通信是指以字符为单位传送数据，用起始位和停止位标识每个字符的开始和结束字符，两次传送时间间隔不固定。

2）同步串行接口通信方式（图3－2－19）

图3－2－19 同步串行接口通信方式

采用同步传送，在数据块开始处要用同步字符来指示，并在发送端和接收端之间用时钟来实现同步，即为加快传输，去掉异步通信时的那些标志位，而采用同步字符表示。

认知发那科0i－D系列CNC接口，其中发那科0i－D背面接口如图3－2－20所示，发那科0i－D背面实物如图3－2－21所示。

图3－2－20 发那科0i－D背面接口示意

图3－2－21 发那科0i－D背面实物

（1）FSSB光缆一般接COP10A左边插口。

（2）风扇、电池、软键、MDI等在系统出厂时都已经连接好，不要改动，但可以检查是否在运输过程中有松动的地方。如果有，则需要重新连接牢固，以免出现异常现象。

（3）电源线输入插座［CP1］，机床厂家需要提供外部＋24 V直流电源。具体接线为（1——24 V，2——0 V，3——地线），注意：正、负极性不要搞错。

（4）RS232接口用来与计算机接口连接，一共有两个接口。一般接左边，右边（232－2口）为备用接口。如果不和计算机连接，可不接此线（使用存储卡就可以替代232口，且传输速度和安全性都要比232口优越）。

（5）串行主轴／编码器JA41的连接，如果使用FANUC的主轴放大器，那么这个接口是连接放大器的指令线；如果主轴使用的是变频器（指令线由JA40模拟主轴接口连接），则这里连接主轴位置编码器。对于车床一般要接编码器，如果是FANUC的主轴放大器，编码器连接到主轴放大器的JYA2，那么要注意这两种接法的信号线是不同的。

（6）I／O－Link［JD51A］（相当于0i－C的JD1A）是连接到I／O模块或机床操作面板的，必须连接，注意必须按照从JD51A到JD1B的顺序连接，也就是从JD51A出来，到JD1B止，下一个I／O设备也是从这个JD1A连接到另一个I／O的JD1B。如果不是按照这个顺序，则会出现通信错误或者检测不到I／O设备。

（7）存储卡插槽（在系统的正面），用于连接存储卡，可对参数、程序、梯形图等数据进行输入／输出操作，也可以进行DNC加工。

根据任务完成过程中的表现，填写表3－2－3。

表3－2－3 任务评价

840D系统的接口简介

840D系统的MMC、HHU、MCP都通过一根MPI电缆挂在NCU上面，MPI是西门子PLC的一个多点通信协议，因而该协议具有开放性，而OPI是840D系统针对NC部分的部件的一个特殊的通信协议，是MPI的一个特例，不具有开放性，它比传统的MPI通信速度快，MPI的通信速度是187.5 KB波特率，而OPI是1.5 MB。NCU上面除了一个OPI端口外，还有一个MPI，一个Profibus接口，Profibus接口可以接所有的具有Profibus通信能力的设备。Profibus的通信电缆和MPI的电缆一样，都是一根双芯的屏蔽电缆。840D系统接口如图3－2－22和图3－2－23所示。

图3－2－22 840D系统接口1

图3－2－23 840D系统接口2

在MPI、OPI和Profibus的通信电缆两端都要接终端电阻，阻值是220Ω，所以要检测电缆的好坏情况，可以在NCU端打开插座的封盖，测量A、B两线间的电阻。在正常情况下，它应该为110Ω。