数控机床输入/输出(I/O)接口说明

数控机床I/O接口主要用来接收机床操作面板上的开关、按钮信号以及机床的各种限位开关信号，还用来把各种数控机床工作状态指示灯信号送到机床操作面板，把控制数控机床动作的信号送到强电柜。在CNC装置与数控机床及操作面板之间进行信号传递时，数控机床I/O接口是不可缺少的环节，其作用和要求如下。

①进行必要的电隔离，以防止干扰信号以及高压串入而损坏CNC装置。

②进行电平转换和功率放大。CNC装置的信号通常是TTL电平信号，而数控机床的控制信号往往不是TTL电平信号，而且有的负载比较大，往往需要进行必要的信号电平转换和功率放大。

下面介绍数控机床I/O接口中常用的器件及电路。

1.光耦合器

光耦合器是一种用得很广泛的I/O接口器件，这是由它的特点所决定的。

①光耦合器用光传递信号，因此可以使输入与输出在电气上完全隔离，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的耦合，即可进行电平转换。

③传递信号是单方向的，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。

数控机床上常用的光耦合器如图1-15所示。图1-15a所示为普通的用做信号隔离的光耦合器。它以发光二极管为输入端，光敏晶体管为输出端。这种光耦合器一般用来传递频率在100kHz以下的信号。图1-15b所示的光耦合器，其输出部分采用PIN型光敏二极管和高速开关管组合的复合结构，因此具有较高的响应速度。图1-15c所示的光耦合器，输出部分由光敏晶体管和放大晶体管构成达林顿输出，使其增益得到很大提高，因而可以用来直接驱动中、小功率的负载。图1-15d所示的光耦合器，其输出部分为光控晶闸管（有单、双向两种形式），常在交流大功率的隔离驱动中使用。

图1-15 常用的光耦合器

a）光敏晶体管输出 b）光敏二极管-高速开关管输出 c）光敏晶体管-放大晶体管输出 d）光控晶闸管输出

2.固态继电器（SSR）

固态继电器是由输入电路、隔离部分和输出电路组成的四端组件。施加触发信号则回路呈导通状态；无信号则呈阻断状态。固态继电器不仅实现了控制回路（输入端）与负载回路（输出端）之间的电隔离及信号耦合，而且具有小信号对大功率负载的驱动能力。与电磁继电器相比，由于固态继电器是由固态元件组成的无触点开关器件，因而具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快、使用方便等特点。

为了能够正确使用固态继电器，应对以下应用特性给予考虑。

①DCSSR用于控制直流负载，ACSSR用于控制交流负载。对交流负载的控制有过零和调相之分。(www.xing528.com)

②固态继电器和其他电子开关一样，具有一定的通导压降和阻断漏电流功能，其值与产品型号规格有关。

③负载短路易造成固态继电器的损坏，对此应特别给予注意。

④必须考虑瞬态过电压和断态电压变化率（du/dt）对固态继电器的影响。部分固态继电器产品内部已设置瞬态抑制网络，必要时可在外部设置适当的瞬态抑制电路。

固态继电器采用逻辑“1”输入驱动，国产的一些固态继电器要求0.5～20mA的驱动电流，最小工作电压可为3V，因此，可以直接由TTL电路（如54/74，54H/74H，54S/74S等系列）驱动。若采用CMOS电路，则需要加缓冲驱动器。

3.接口驱动电路

微型计算机I/O接口的驱动能力有限，不足以驱动数控机床的各类负载，必须对TTL等逻辑电路输出的电流或电压进行放大，方可驱动有关负载。驱动电路可以采用分立元件组成。常用的电路有以下几种。

1）功率晶体管驱动电路。晶体管作为开关元件使用时，其输出电流等于输入电流与增益之积。如果采用较低增益的晶体管，要获得大电流输出，则要求前级提供足够大的电流，这时，需要用集电极开路的缓冲器提供所需的驱动电流，如图1-16a所示。开关晶体管在饱和导通或截止状态时功耗很小，但在开关过程中，会因同时出现高电压、大电流而使瞬时功耗超过静态功耗几十倍，因此，在使用开关晶体管驱动时，应该保证其电压、电流、静态功耗与瞬时功耗均不超过允许值。

2）达林顿晶体管驱动电路。采用开关晶体管组成驱动电路时，为了获得足够大的驱动电流，常采用多级放大以提高增益。达林顿晶体管具有高输入阻抗和极高增益，因此可以获得比较大的输出电流。如图1-16b所示的驱动电路，功率开关驱动管是由两个晶体管直接耦合组成的达林顿晶体管，其增益等于原来两个晶体管增益的乘积。图中的R₁、R₂用于稳定电路的工作状态，续流二极管VD起保护达林顿晶体管的作用。

图1-16 几种接口驱动电路

a）功率晶体管驱动电路 b）达林顿晶体管驱动电路 c）功率场效应管驱动电路

图1-17 常用的输入/输出（I/O）电路

a）输入 b）输出

3）功率场效应管（VMOS）。早期的功率场效应管采用V形槽结构，故简称VMOS管。现在已采用先进的T型槽结构，简称TMOS管，但国内仍沿用YMOS管的名称。其特点是：具有很高的输入电阻（10⁸W左右），要求的输入功率非常小，可以直接由TTL、CMOS、运算放大器等器件驱动；开关速度很快，达10^－9s级，适合在高速、高频下工作；不会出现二次击穿，有很宽的安全工作区；其源漏电流呈负温度特性，可多管并联工作而无需均流电阻；线性好，增益高，失真很小。因此是一种比较理想的功率器件。功率场效应管驱动电路，如图1-16c所示。除了采用分立元件组成驱动电路外，目前还广泛采用集成驱动器。与由分立元件组成的驱动器相比，集成驱动器具有体积小、可靠性高等优点。

4.I／O接口电路实例

图1-17为常用的输入/输出（I/O）电路。光耦合器起隔离和电平转换作用。如图1-17a所示输入电路中，RC电路用于消除抖动。图1-17b为常用输出电路。