认知数控机床的冷却系统控制，能进行冷却系统控制分析，并掌握其工作原理。

在金属切削过程中，通常开启冷却液，冷却液具有减缓刀具磨损、提高工件表面质量、冲洗切屑等功能。

因此，冷却系统广泛应用在车床、铣床、加工中心、线切割等几乎所有的金属切削机床上，是机床重要的组成部分。

数控机床冷却系统的控制是由数控系统中的PLC来实现的。冷却按键作为输入信号连接数控系统，此信号经过PLC处理后控制数控系统输出一个冷却输出信号，此输出信号连接电气柜中的继电器线圈，继电器触点控制一个交流接触器线圈的吸合，此交流接触器的触点又来接通或者断开冷却泵电动机的动力线。按一次冷却按键，冷却泵通电；再按一次冷却按键，冷却泵停止。循环往复。

一、PLC简介

可编程序控制器（Programmable Controller，PC），为了不与个人计算机（也简称PC）混淆，通常将可编程序控制器称为PLC。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。

目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、应用场合最多的工业控制装置，并被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD／CAM）之一。

与一般微机控制系统最大的区别是，PLC必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围。

二、PLC的基本结构

PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC硬件系统的基本结构如图5－2－1所示。

图5－2－1 PLC硬件系统的基本结构示意

PLC的软件系统则包括系统软件和用户应用软件。

从广义上讲，可编程序控制器实质上是一种专用工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口，以及具有更直接的适用于工业控制要求的编程语言。

三、PLC的工作原理

1.PLC的工作过程

PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100 ms。PLC的工作过程如图5－2－2所示。

图5－2－2 PLC的工作过程

2.用户程序的循环扫描过程

PLC的工作过程与CPU的操作模式有关。CPU有两个操作模式：STOP模式和RUN模式。在扫描周期内，STOP模式和RUN模式的主要差别是：RUN模式下执行用户程序，而在STOP模式下不执行用户程序。PLC对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。

四、PLC控制程序的设计

1.PLC程序设计方法

1）PLC的编程语言

国际电工委员会（IEC）于1994年5月公布了可编程序控制器语言标准（IEC61131－3），详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：

（1）顺序功能图（Sequential function chart）。

（2）梯形图（Ladder diagram）。

（3）功能块图（Function block diagram）。

（4）指令表（Instruction list）。

（5）结构文本（Structured text）。

该标准中有两种图形语言——梯形图（LD）和功能块图（FBD）；还有两种文字语言——指令表（IL）和结构文本（ST）；顺序功能图（SFC）是一种结构块控制程序流程图。

梯形图是使用最多的图形编程语言，有PLC第一编程语言之称。梯形图采用类似于继电器触点、线圈的图形符号，容易理解和掌握。梯形图常被称为程序，梯形图的设计称为编程。梯形图也很适合于开关量逻辑控制。本教材也采用梯形图进行程序的编制。

2）PLC程序设计步骤

图5－2－3所示为PLC控制系统设计与调试的一般步骤。

图5－2－3 PLC控制系统设计与调试的一般步骤

2.PLC程序的模块化设计

机床的PLC控制程序可分为7个模块，即公用程序模块、主轴模块、坐标轴控制模块、润滑控制模块、自动换刀模块、报警模块和冷却控制模块。

3.输入输出分配

I／O分配表是设计梯形图程序的基础资料之一，也是设计PLC控制系统时必须首先完成的工作，会给PLC系统软件设计和系统调试带来很多方便。

在编制I／O分配表时，同类型的输入点或输出点尽量集中在一起，连续分配。本次程序开发所用I／O分配表如表5－2－1所示。

表5－2－1 输入输出设备与PLC输入输出端子分配一览

4.梯形图程序设计

一般在程序开发过程中采用FXGP_WIN－C编程软件。FXGP_WIN－C是在Windows操作系统下运行的FX系列PLC的专用编程软件，操作界面简单方便，在该软件中可通过梯形图、指令表及SFC符号来编写PLC程序。创建的程序可在串行系统中与PLC进行通信、文件传送、操作监控以及完成各种测试功能。

1）梯形图总体框图

图5－2－4所示为该控制系统的PLC梯形图程序的总体结构，它将程序分为公用程序、回原点程序、主轴控制程序、坐标轴控制程序、报警处理程序、定时润滑控制程序、冷却程序、自动换刀控制程序八个部分。

图5－2－4 PLC梯形图程序的总体结构

最大限度地满足被控对象的控制要求，是PLC应用程序设计的一大原则。在构思出这个程序主体的框架后，接下来就是以它为主线，逐一编写各子程序。

2）辅助功能M代码PMC控制

辅助系统梯形图如图5－2－5所示。

图5－2－5 辅助系统梯形图

五、数控车床PLC

在数控车床中，位置控制是由位置控制器来实现的。而其他的大部分动作即辅助机械动作的控制如主轴启停、换向，换刀控制、冷却和润滑系统的运行以及报警监测等功能则可由可编程序控制器（PLC）来实现。

1.数控车床PLC的信息传递

通过PLC来实现车床电气控制系统的各项功能，需要将各种控制和检测信号通过按钮和检测元件输入PLC，再通过PLC内部程序的运算将结果输出到各种执行设备，完成电气控制系统对于车床的控制。这涉及PLC与数控装置、机床之间的信息交换。可编程序控制器与CNC机床的强电、CNC数控装置I／O口的连接可归纳为下列三部分：

1）PLC输入输出端与机床面板信号连接

CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关和指示灯等，按钮、旋钮开关直接与可编程序控制器的输入端接线柱相连，指示灯直接与PLC输出端接线柱相连。

2）PLC输出端与机床强电信号连接

PLC在CNC机床中的主要作用是控制强电部分，如主控电源、伺服电源、刀架电动机正转、润滑电动机等。每个电动机的运行程序控制逻辑都固化在PLC中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。

3）PLC输入端与CNC机床数控装置I／O口的连接

可编程序控制器输出端的通断是由其输入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC机床数控装置与可编程序控制器的连接是通过软开关直接控制PLC输入端的通断，以决定PLC输出端的状态。从数控装置I／O口的信息流向分析，可以分为两种情况：一是数控装置从I／O口输出指令，控制PLC完成相应的动作；另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装置的I／O口是输入信号，数控装置根据输入信号的性质做出相应的控制。

2.数控车床中PLC的功能(www.daowen.com)

1）PLC对辅助功能的处理

目前，数控机床程序中，有关机床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面已趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的CNC机床ISO代码。归纳起来有4种功能：第一种是准备功能，即所谓的G代码；第二种是辅助功能，即所谓的M代码；第三种是刀具功能，即所谓的T代码；第四种是转速功能，即所谓的S代码。其中，G功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置的I／O接口实现的；M功能主要控制机床强电部分，包括主轴换向、冷却液开关等功能；T功能与刀具的选择和补偿有关。

（1）M功能的处理：M指令主要有M02（程序停止）、M03（主轴顺时针旋转）、M04（主轴逆时针旋转）、M05（主轴停止）、M06（准备换刀）等。其中一部分是由数控系统本身的硬件和软件来实现的，还有一部分需要数控装置与PLC相结合来实现。

（2）T功能的处理：在PLC上实现的主要是刀具选择。当遇到包含某个刀具编码的换刀指令时，对应的数控装置I／O口变成高电平，数控系统将T代码指令输送给PLC，PLC经过译码指令进行译码后，检索刀号，然后控制换刀装置进行换刀。

（3）S功能的处理：S功能主要完成对主轴转速的控制，常用的有代码法和直接指定法。代码法是S后面跟两位数字，这些数字不直接表示主轴转速的大小，而是机床主轴转速数列的序号；直接指定法是S后面直接就是主轴转速的大小，例如S1500表示主轴转速是1 500 r／min。

2）PLC的控制对象

数控系统可以分为两部分：控制伺服电动机和主轴电动机动作系统部分的NC和控制辅助电气部分的PLC。数控机床PLC主要完成数控机床的顺序控制，包括对NC、机床及操作面板传来的信号进行处理，实施急停及超程信号的监控，并且完成对主轴、刀架、冷却、润滑等功能的控制。

（1）操作信号处理：接收操作面板上的信号和NC部分传来的数控信号以控制数控系统的运行。

（2）主轴控制：控制主轴的启动、停止及正反转。

（3）坐标轴控制：控制坐标轴的伺服驱动及限位开关等。

（4）换刀控制：实现对程序换刀的控制。

（5）冷却控制：实现程序控制冷却系统的启动、停止。

（6）润滑控制：实现定时润滑的控制。

3.用PLC实现车床电气控制系统的功能

从本质上讲，基于PLC的机床电气控制系统对机床的控制思路仍然与继电器—接触器控制系统是一致的，只是在控制手段上采用了先进的控制设备。

PLC控制系统的优点在于根据加工工艺要求的不同，相应地修改程序就可以实现。车床电气控制系统属于广泛的应用系统，不针对特殊的加工工艺。因此PLC内部的程序只需要对每个控制按钮发出的信号做出相应的动作即可。

通过PLC来实现车床电气控制系统的各项功能，需要将各种控制和检测信号通过按钮和检测元件输入PLC，再通过PLC内部程序的运算将结果输出到各种执行设备，完成电气控制系统对于车床的控制。每个功能的输入信号都可以通过控制面板上的按钮进行操作，输出则可以通过接触器、电磁阀等执行机构完成。基于PLC的车床电气控制系统功能分解如图5－2－6所示。

图5－2－6 PLC车床电气控制系统功能分解

4.利用PLC代替继电器—接触器控制方式的优越性

1）可维护性好

采用PLC进行控制后，由于采用了专用芯片及集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，机床控制电路的接线量大为减少，故障率大大降低。可维护性好，基本上无须维护。

2）可靠性高

PLC的平均无故障工作时间高达300 000 h（约34.2年），所以其可靠性高。而采用继电器—接触器控制方式机床的控制则因为存在大量机械触点，工作电压和工作电流较大，可靠性较差。

3）提高机床柔性

当机床加工程序发生变化时，只需要修改PLC的程序就可以进行新的加工，更改较方便，机床的柔性很好。

4）性价比高

交流接触器的额定寿命为800～1 600 h，远低于PLC，再考虑到因更换坏掉的接触器所耽误的工时，从经济性角度来看，用PLC也是很合算的（PLC价格与I／O点数成正比，而机床所要用的I／O点数并不多）。

5）可联网通信

由于PLC具有通信功能，采用可编程序控制器进行机床改造后，可以与其他智能设备联网通信，在今后的进一步技术改造升级中，可根据需要联入工厂自动化网络中，提高工厂自动化水平。

以CAK4085di数控车床为例，完成其冷却泵电气控制系统分析和梯形图分析。

1.分析冷却控制系统的组成

数控车床冷却系统的组成：手动按钮（或自动程序）→PMC冷却梯形图→电气驱动→触发信号→处理信号→执行信号。

2.分析冷却控制系统

CAK4085di数控车床冷却泵电气控制电路如图5－2－7所示。

图5－2－7 数控车床冷却泵电气控制电路

1）冷却泵主电路分析

控制电路中KM3交流接触器线圈通电，在冷却泵主电路中交流接触器KM3主触点吸合，冷却电动机旋转，带动冷却泵工作。

2）冷却泵控制电路分析

当有手动或自动冷却指令时，由系统中PLC输出通过I／O模块接口Y2.0有效，KA1继电器线圈通电，继电器常开触点闭合，KM3交流接触器线圈通电，在冷却泵主电路中交流接触器KM3主触点吸合。

3）冷却控制梯形图分析

冷却是根据加工任务来选用的，通过操作面板上的冷却启动和停止按钮来进行控制。在急停生效时，冷却输出禁止。冷却控制梯形图如图5－2－8所示。

图5－2－8 冷却控制梯形图

根据任务完成过程中的表现，填写表5－2－2。

表5－2－2 任务评价

润滑系统

1.数控机床润滑系统的电气控制要求

（1）首次开机时，自动润滑15 s。

（2）机床运行时，达到间隔固定时间自动润滑一次，而且润滑间隔时间可由用户通过PMC参数进行调整。

（3）加工过程中，可通过机床操作面板上的润滑手动开关控制。

（4）润滑油过低时，系统出现报警提示，系统不能循环启动。

2.润滑系统电气控制线路分析

CAK4085di数控车床润滑系统电气控制电路如图5－2－9所示。启动机床润滑泵开关，由数控系统PMC通过I／O模块控制输出接口Y2.6有效时，输出继电器KA7线圈获电，常开触点闭合，集中润滑装置（润滑泵）接通220 V电源，机床实现润滑控制。SL10为润滑系统油面下限检测开关，通过I／O模块的输入口X7.7输入系统润滑油过低报警信号。当润滑油过低时，X7.7有效，系统出现报警提示，并通过PMC切断机床循环启动回路。

图5－2－9 数控车床润滑系统电气控制电路

3.润滑系统的故障分析

故障：数控车床润滑泵不工作。

数控车床润滑泵不工作的故障分析和诊断流程如图5－2－10所示。

图5－2－10 数控车床润滑泵不工作的故障分析和诊断流程