单元二 华中数控系统特点及其接口功能解读
一、学习任务
1.通过自己查看数控系统，了解数控系统的接口数量和作用；
2.通过教师教授，初步掌握数控系统接口的功能；
3.通过演示，初步了解这些接口和其他元器件的连接关系；
4.通过讲解和演示，掌握PLC信号的输入/输出关系及PLC接口板的作用。
二、学习目标
1.知道华中数控系统人机接口的功能和作用；
2.掌握华中数控系统进给轴接口的功能和作用；
3.掌握华中数控系统主轴接口的功能和作用；
4.掌握华中数控系统PLC输入/输出接口的功能和作用；
5.掌握PLC地址的分配方法，理解PLC在数控机床上的作用。
三、着重关注的引导性问题
1.数控机床上有哪些输入/输出PLC信号，自己试着在机床上找找并和同组成员交流。
2.观察机床面板上按键的左上方有什么特点，它有什么作用？
3.如何分析PLC和外部输入/输出信号的交互？
4.观察数控系统后面的接口，写下这些接口的名称，并和同组成员思考这些接口的功能。
5.PLC输入接口为什么有两个？它们有什么作用？XS10和XS11有什么区别？
6.PLC输出接口为什么也有两个？它们有什么作用？XS20和XS21有什么区别？
7.数控系统的进给轴接口有哪两大类？它们的区别是什么？
8.说明串行接口、脉冲接口和模拟接口的区别，并列举各自的应用实例。
9.主轴接口的信号分类和含义是什么？
10.华中数控系统有哪些人机接口，指出这些接口的位置并比较它们的功能。
四、任务学习知识基础
通过上一单元的学习，学生已经对机床的电气结构有了一个初步了解，明白数控机床的六大组成部分，而数控机床之所以能自动加工零件，核心就是数控系统可以正确控制机床的每个电动机运行，电动机带动机床机械部件运行，从而加工出零件。所以在这一单元，我们要了解数控系统有哪些接口及这些接口的作用和功能。
（一）华中数控系统产品类型和功能
1.华中数控系统产品类型
华中数控系统是基于能用PC的数控装置，是武汉华中数控股份有限公司在国家“八五”、“九五”科技攻关的重大科技成果。华中数控系统发展为三大系列：世纪星系列、小博士系列和华中I型系列。因华中I型系列为高档高性能数控装置，为满足市场要求，开发了世纪星系列、小博士系列高性能经济型数控装置。世纪星系列采用通用原装进口嵌入式工业PC，彩色LCD液晶显示器，内置式PLC，可与多种伺服驱动单元配套使用。小博士系列为外配通用PC的经济型数控装置，具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可靠性好、性能价格比高、操作维护方便的特点。
2.华中数控系统主要技术指标
华中“世纪星”数控装置是在华中I型、华中2000系列数控系统的基础上，为满足用户对低价格、高性能、简单、可靠的要求而开发的数控系统。华中“世纪星”系列数控单元（HNC-21T 型、HNC-21/22M 型）采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置7.7寸或9.5寸彩色液晶显示屏和通用工业面板，全汉字操作界面、故障诊断与报警、多种形式的图形加工轨迹显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用。集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，可自由选配各种类型的脉冲接口、模拟接口交流伺服单元或步进电动机驱动器，内部已提供标准车床控制的PLC程序，用户也可自行编制PLC程序，采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，具有直线、圆弧、螺纹切削、刀具补偿、宏程序等功能，支持硬盘、电子盘等程序存储方式及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。主要应用于车、铣、加工中心等各种机床控制。
HNC-21/22M型铣削系统主要功能介绍如下：
① 最大联动轴数为4轴。
② 可自由选配各种类型的脉冲接口、模拟接口交流伺服单元或步进电动机驱动单元及H5V系列串口式伺服驱动单元。
③ 除标准机床控制面板外，配置 40 路光电隔离开关量输入和 32 路开关量输出接口、手持单元接口、主轴控制与编码器接口。还可以扩展远程128路输入/128路输出端子板。
④ 采用7.7寸彩色液晶显示器（分辨率640×480），全汉字操作界面、故障诊断与报警、多种形式的图形加工轨迹显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用。
⑤ 采用国际标准G代码，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，具有直线、圆弧、螺旋线、固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序等功能。
⑥ 小线段连续加工功能，特别适合于CAD/CAM设计的复杂模具零件加工。
⑦ 加工断点保存/恢复功能，方便用户使用。
⑧ 超大程序加工能力，不需DNC，配置硬盘可直接加工单个达2GB的G代码程序。
⑨ 内置RS-232通信接口，轻松实现机床数据通信。
3.华中数控系统产品型号
如图2-1所示为华中数控系统型号说明图。
图2-1 华中数控系统型号说明图
（二）华中数控世纪星系统接口功能
计算机数控装置的接口是数控装置与数控系统的功能部件（主轴模块、进给伺服模块、PLC模块等）和机床进行信息传递、交换和控制的端口，称之为接口。接口在数控系统中占有重要的位置，不同功能模块与数控装置相连接，采用与其相对应的输入/输出（I/O）接口。
数控装置与数控系统各个功能模块和机床之间的来往信息和控制信息，不能直接连接，而要通过I/O接口电路连接起来，该接口电路的主要任务是：
① 进行电平转换和功率放大。因为一般数控装置的信号是TTL逻辑电路产生的电平，而控制机床的信号则不一定是TTL电平，而且负载较大，因此，要进行必要的信号电平转换和功率放大。
② 提高数控装置的抗干扰性能，防止外界的电磁干扰噪声而引起误动作。接口采用光电耦合器件或继电器，避免信号的直接连接。
③ 输入接口接收机床操作面板的各开关信号、按钮信号、机床上的各种限位开关信号及数控系统各个功能模块的运行状态信号，若输入是触点输入信号，注意要消除其抖动。
④ 输出接口是将机床各种工作状态灯的信息送至机床操作面板上显示，将控制机床辅助动作信号送至电柜，从而控制机床主轴单元、刀库单元、液压单元、冷却单元等继电器。
华中世纪星数控系统接口功能如图2-2所示。
图2-2 华中世纪星数控系统接口功能图
其中一种世纪星数控系统的接口实物布局图如图2-3所示。
图2-3 华中数控系统接口实物布局图
在图2-3中有连接各个进给轴的接口、主轴的控制接口，以及用于辅助控制的输入/输出接口，还提供了电源、键盘、以太网、软驱及RS-232的接口等。
（三）华中数控装置各接口引脚定义
① 电源接口XS1：如图2-4所示为电源接口引脚图，引脚6在内部已与数控装置的机壳接地端子相连。电源接口引脚含义见表2-1。
图2-4 电源接口引脚图
表2-1 电源接口引脚含义表
② 手持单元接口XS8：如图2-5所示为手持单元接口引脚图，手持单元接口引脚含义见表2-2。
图2-5 手持单元接口引脚图
表2-2 手持接口引脚含义表
③ 主轴控制单元XS9：如图2-6所示为主轴接口引脚图，主轴接口引脚含义见表2-3。
图2-6 主轴接口引脚图
表2-3 主轴接口引脚含义表
④ 开关量输入接口：如图2-7所示为开关量输入接口引脚图，输入接口引脚含义见表2-4。
图2-7 开关量输入接口引脚图
表2-4 输入接口引脚含义表
⑤ 开关量输出接口：如图2-8所示为开关量输出接口引脚图，输出接口引脚含义见表2-5。
图2-8 开关量输出接口引脚图
表2-5 输出接口引脚含义表
⑥ 进给轴控制接口：模拟式、脉冲式伺服和步进电动机驱动单元控制接口，如图2-9所示为进给轴接口引脚图，进给轴接口引脚含义见表2-6。
图2-9 进给轴接口引脚图
表2-6 进给轴接口引脚含义表
⑦ 串行通信接口：连接数控系统和PC，将PC上的程序传入数控系统，如图2-10所示为串行通信接口引脚图。
图2-10 串行进给轴接口引脚图
（四）PLC地址的分配及PLC信号的查看
1.PLC地址分配
在系统程序、PLC程序中，机床输入的开关量信号定义为X（即各接口中的I信号）；输出到机床的开关量信号定义为Y（即各接口中的O信号）。将各个接口中的I/O开关量定义为系统程序中的X、Y变量，需要通过设置参数中的硬件配置参数和PMC系统参数实现。
HNC-21型数控装置的输入/输出开关量占用硬件配置参数中的三个部件：部件20、部件21、部件22；在PMC系统参数中再给各部件中的开关量分配占用的X、Y地址，即确定接口中各I/O信号与X/Y的对应关系。
部件 21 中的开关量输入信号设置为输入模块 0，共 30 组，则占用X[00]~X[29]，部件20中的开关量输入信号设置为输入模块1，共16组，则占用X[30]~X[45]，输入开关量总组数即为46组；部件21中的开关量输出信号设置为输出模块0，共28组，则占用Y[00]~Y[27]，部件22中的开关量输出信号设置为输出模块1，共2组，则占用Y[28]~Y[29]，部件20中的开关量输出信号设置为输出模块2，共8组，则占用Y[30]~Y[37]，输出总组数即为38组。
输入/输出开关量每8位占用一个字节。例如HNC-21型数控装置XS10接口的I0~I7开关量输入信号占用X[00]组，I0对应于X[00]的第0位，I1对应于X[00]的第1位，按以上参数设置，I/O开关量与X/Y的对应关系见表2-7。
表2-7 PLC地址分配表
HNC-21型数控装置的机床操作面板按钮共3排，如图2-11所示。
图2-11 面板按钮地址分配图
第一排有15个按钮，输入开关量信号依次为X[30]的第0~7位和X[31]的第0~6位，指示灯输出开关量信号依次为Y[30]的第0~7位和Y[31]的第0~6位。
第二排有14个按钮，输入开关量信号依次为X[32]和X[33]的第0~6位，指示灯输出开关量信号依次为Y[32]和Y[33]的第0~6位。
第三排有15个按钮，输入开关量信号依次为X[34]的第0~7位和X[35]的第0~6位，指示灯输出开关量信号依次为Y[34]的第0~7位和Y[35]的第0~6位。
2.PLC输入/输出信号查看方法
PLC在数控机床中应用通常有两种形式：一种为内装式，另一种为独立式。
独立式PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，具有独立完成控制功能的PLC。在采用这种应用方式时，可根据用户自己的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，并且可以很方便地对控制规模进行调整。
内装式PLC 也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的交换速度和较宽的信息通道。它们可共用一个CPU，也可以是单独的CPU。这种结构从软硬件整体上考虑，PLC和NC之间没有多余的导线连接，增加了系统的可靠性，而且NC和PLC之间易实现许多高级功能。PLC 中的信息也能通过CNC的显示器显示，这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。华中数控系统采用的就是内装式PLC。
既然PLC中的信息可以通过CNC的显示器显示，这样可以通过查看CNC相关界面，掌握PLC信息是否输入到了CNC系统或是CNC是否输出开关量信号控制外部强电回路。以华中数控系统为例，查看步骤如下：
首先进入系统主菜单界面，如图2-12所示。
图2-12 华中数控系统主菜单界面
按下“F10”键进入扩展菜单，如图2-13所示。
图2-13 华中数控系统扩展菜单界面
按下“F1”键进入和PLC相关的信息，如图2-14所示。
图2-14 华中数控系统PLC相关信息显示界面
装入PLC（F1）表示选择某一地址分配表输入CNC系统，使其生效；
编辑PLC（F2）表示对PLC的地址进行编辑，重新分配PLC地址，不过要装入PLC才能生效；
输入/输出（F3）表示只显示机床侧的信号，查看外部机床侧的信号，主要是查看机床输入到PMC的X寄存器和PMC输出到机床的Y寄存器的状态；
状态显示（F4）表示可以查看7类寄存器的状态，X、Y、F、G、R、P、B寄存器。
按下“F4”键进入机床状态显示图，如图2-15所示。
图2-15 华中数控系统PLC状态显示界面
按下“F1”键进入机床输入到PMC的状态显示，如图2-16所示。
图2-16 机床输入到PMC的状态显示界面
例如：X[30]表示一个字节，每个字节包括八个位X[30].0~X[30].7，每一位对应外部一开关量，在华中数控系统内专门有一个PLC标准头文件，可以对PLC的开关量进行地址定义，出厂时这些地址已经设置好，在机床电气使用说明书里有详细记载，默认设置是X[30].0 表示按钮“自动”，X[30].1表示按钮“单段”，X[30].2表示按钮“手动”，以此排列，直到X[30].7表示按钮“刀位转换”。
当没有按钮按下时，X[30]=00000000B，图2-16的状态就是没有任何按钮按下的情况。
当“刀位转换”按钮按下时，X[30]=10000000B，松开按钮时X[30]=00000000B，因此可以通过查看机床输入到PMC的状态显示图可以知道外部开关信号是否输入到了CNC系统。
在图2-14界面按下“F3”可进入图2-17所示界面，左边表示输入信号状态图，右边表示输出信号状态图，和图2-16不同，显示的是每个字节的大图形方式，用8个小圆圈表示字节的每个位，高电平表示输入信号到达了CNC系统（输入）或输出信号已经输出控制外部电器（输出），用红色表示，低电平表示输入信号没有到达CNC系统（输入）或应该输出的信号没有输出控制外部电器（输出），用黄色表示。默认是低电平，也就是高电平是有效电平。
图2-17 PLC输入/输出状态显示界面
五、单元学习活动
本单元主要是熟悉并掌握华中数控系统接口的功能和作用，为后续数控机床的电气连接打下基础。通过自学、教师讲授获取数控系统接口的功能后，再经过自己对实际机床的查看了解这些接口的具体含义及应用方法，最后要求以小组为单位解读本组的学习成果，也就是每个小组推荐一名代表对学习成果做总结发言。本单元学习活动计划见表2-8。
表2-8 本单元学习活动计划
数控接口基础知识内容的阅读学习，注意如下学习方法要点：
① 标记其中提到但并未进行相关解释的专业概念，查阅以前的学习材料后加注释义；
② 对尚不熟悉而又难以查阅到的概念着重标记，根据自己的理解尝试对其加注释义；
③ 对有疑虑的问题，尽量提出产生疑虑的因果关系；
④ 对知识基础中某些概念表述有不同见解的，尝试提出自己的见解。
六、单元学习的资源要求
（一）学习所需的场所、设备及工具
本单元学习不涉及到车间机床设备的电气部分，整个学习活动可在数控原理实训室开展。
数控原理实训室应配置工具展柜和资料柜，以提供常用电工工具和仪器仪表、机床常用电气元件实物和阅读学习所需要的各类资料。
根据个性教学的特殊需要，最好配置能进行网络资料查询的电脑。
（二）技术资料
设备使用说明书、维护保养手册、电气原理图、电气元件安装图和接线图，安全操作规程、岗位职能要求及相关管理资料等；开展单元学习活动所需的学习指南、卡片纸及课业工作页（课业练习）等。
七、单元学习的考核评价
单元学习的考核评价不要仅仅局限于对学习结果的考评，而且要更加注重工作学习活动的参与过程。考评围绕学习活动的各个环节，从参与程度、工作学习态度、学习方法与技巧、小组合作情况、目标实现状况等全面考评，本单元主要考评项目的组成参考如下。
成果评定：根据课业学习及工作页内容完成的质量情况进行评定，占60%；
学生自评：学生根据评分标准，对实施过程进行自评，给出相应的成绩，占10%；
学生互评：学生间互相交流，互相评价，占10%；
教师评价：教师根据学生的学习态度、工作态度、团队协作精神、出勤率、敬业爱岗和职业道德等情况，并结合工作任务实施过程的各个环节进行评价，占20%。