步序控制器(Step Control Relay)是一種由特殊的“位存儲器”構(gòu)成的軟件繼電器，被廣泛用于諸如自動刀具交換(ATC)、自動托板交換(APC)、數(shù)控系統(tǒng)和伺服裝置的緊急停機、加電和斷電等要求嚴格按一定順序執(zhí)行的控制任務(wù)。本文除對常用的幾種ATC裝置的換刀速度和操作性能作簡要的比較外，還通過一個ATC控制程序作為實例來介紹步序控制器的功能和使用技巧。
ATC裝置的分類
自動刀具交換裝置(ATC)通常由機械手和刀庫組成，它們在刀具交換過程中的各種動作和步序取決于機械手的類型和刀具還回刀庫的方式。
目前比較廣泛使用的ATC裝置中，按其機械手的類型來分有“無手式”(主要靠進給軸和刀庫的運動來實現(xiàn)刀具的交換)、“單爪式”(機械手上只有一個手爪，換刀時先將主軸上的刀具送回刀庫；再將刀庫中的刀具裝入主軸)和“雙爪式”(換刀時一個手爪從刀庫中取新刀，另一手爪從主軸上卸原刀)。其中“雙爪式”又可分為“同步式”和“分步式”兩種，前者是指取刀和卸刀是在同一步完成的，新刀裝入主軸和原刀還回刀庫也是在另一步同時完成的；而后者則是分成多步完成上述動作的。
“無手式”ATC裝置的結(jié)構(gòu)最為簡單，“單爪式”其次，“同步雙爪式”的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，而“分步雙爪式”的結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。
從刀具還回刀庫的方式來看，ATC裝置可以分為“固定刀位式”、“隨機刀位式”和“混合還刀式”三種。“固定刀位式”是指機床使用的刀具在刀庫中都有自己固定的位置(刀套)，也就是說，從主軸上換下來的刀具必須還回原來的刀套位置。“隨機刀位式”則是指還回刀庫的刀具位置是任意的(就近)。而“混合還刀式”則是大直徑刀具采用“固定刀位式”還刀，標準刀具采用“隨機刀位式”還刀。
“固定刀位式”還刀的優(yōu)點是刀具在刀庫中的位置是固定的，操作人員對刀庫中的刀具分布狀況一目了然，他們可以根據(jù)加工程式中T代碼后面的數(shù)字直接把刀具裝入相應(yīng)編號的刀套中，程編人員也可以根據(jù)刀具在刀庫中的分布情況直接在加工程式中編寫T指令；操作者也不必在手動裝刀後檢查和修改“刀套/刀號表”，給用戶帶來了很大的方便。
此外，由于刀具位置是固定的(刀具號等于刀套號)，操作不必在刀庫中設(shè)立專用的大直徑刀具區(qū)，只要不在大直徑刀具的二個相鄰刀位裝入刀具，即可保證運行的安全，從而提高了刀庫的刀位利用率。
“固定刀位式”還刀的缺點是刀庫在還刀前還要為尋找原刀位作一次旋轉(zhuǎn)定位，影響了還刀的速度。
“隨機刀位式”還刀的優(yōu)點是還刀速度快(刀庫不需作第二次旋轉(zhuǎn)定位)，缺點是刀庫的現(xiàn)行刀具分布狀況不直觀(刀套中的刀具號是隨時變化的)，操作者必須查找“刀套/刀號表”后才能確定刀庫中的刀具位置是否與加工程式中的T指令(刀具號)一致；手動裝刀后，必須認真檢查和修改“刀套/刀號表”，否則就可能造成“錯刀”事故。
此外，如果使用了大直徑刀具，還要設(shè)立大直徑刀具區(qū)，刀庫的刀位利用率就會降低。
圖1a到圖1d是幾種典型的ATC裝置的換刀時序
ATC裝置的換刀速度比較
圖1a描述了“無手”或“單爪”式ATC裝置的刀具交換過程，這類ATC裝置只能采用“固定刀位式”還刀，必須先將主軸上的原用刀具還回刀庫，再轉(zhuǎn)動刀庫找到新刀后，將它裝入主軸。
雖然這類裝置的結(jié)構(gòu)十分簡單，但是整套動作都占用了加工時間，所以換刀速度最低。
圖1b和圖1c描述了同步雙爪式ATC裝置的刀具交換過程，前者采用“固定刀位式”還刀(大直徑刀具時)， 后者采用“隨機刀位式”還刀(標準刀具時)。在這種ATC裝置中從刀庫取刀和從主軸卸刀是在同一步進行的，在采用“隨機刀位式”還刀時，將新刀裝入主軸和將原刀還回刀庫可以連續(xù)在同一步進行，所以節(jié)省了時間，加快了換刀速度。
這類ATC裝置還可以用在加工程式中提前編寫T指令的方法，使刀庫選刀動作提前完成(不占用加工時間)，來提高換刀的速度。但是，這類裝置往往要求刀庫隨主軸一起移動，所以刀庫的容量不能很大，只適合于中小型加工中心配用。
圖1d描述了分步雙爪式ATC裝置的刀具交換過程(固定刀位法)，這種ATC裝置的機械手左、右手爪是分步動作的，左爪用于取刀和還刀(刀庫側(cè))，右爪用于卸刀和裝刀(主軸側(cè))，取刀時將新刀從刀庫送到換刀準備位；換刀時，將主軸上的原刀卸下后裝入新刀(左、右爪的刀具交換)；還刀時，刀庫旋轉(zhuǎn)到原主軸刀具刀位后，左爪將原刀還回刀庫。雖然這種ATC裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀動作較多，但因為兩個手爪的動作可以分步進行，所以經(jīng)優(yōu)化后，可以將“選刀”、“取刀”、“找還刀位”和“還刀”四組動作安排在加工時間進行，這樣大大地縮短了換刀周期，提高了換刀速度，同時還保持了“固定刀位式”還刀的許多優(yōu)點，成為一種比較受操作者歡迎的自動換刀裝置。
圖2 分步雙爪式ATC裝置機械手、刀庫和主軸位置
操作步序
分步雙爪式ATC裝置的刀庫可以自為一體、落地安裝，所以容量很大(一般在60把刀以上)，廣泛用于大型臥式加工中心。圖2是這種ATC裝置的機械手、刀庫和主軸的相動位置圖，其中：刀庫換刀位的位置是固定的，機械手臂在X軸方向有左、中、右三個位置(圖中為“臂在右端”)；在Z軸方向有伸出和收回二個位置(圖中為“手臂收回”)， 雙爪可在X-Y平面上旋轉(zhuǎn)180°，以實現(xiàn)左、右爪上的刀具在A、B兩個位置上的變換。與表1一起可以看出它們在整個換刀過程中的動作和步序。
表1是根據(jù)機械設(shè)計人員提供的ATC動作循環(huán)表和電控時序圖(其中詳細描述了換刀過程的步序和每一步輸出的動作命令以及步命令完成後各個機械部件位置檢測器的狀態(tài))編寫的，其中所列的步狀態(tài)可作為各步動作完成標記使用，除本步發(fā)出的動作命令完成后相應(yīng)的機械部件位置檢測器的狀態(tài)外，步狀態(tài)中還包含了一些以前完成的、為保證下步動作安全的機械部件位置檢測器的狀態(tài)。
本文介紹的分步雙爪式ATC裝置的刀具交換過程由“取刀”(S02~S08)、“換刀”(S10~S20)和“還刀”(S22~S28)三個基本循環(huán)組成。完成后停在第S01步。
“取刀”循環(huán)由加工程式中的T命令(S02步)起動(T代碼后面的數(shù)字表示此后加工時要使用的刀具所在的刀套號)，所選刀具到達換刀準備位置后(S08步)結(jié)束，此循環(huán)可與加工同時進行。
“換刀”循環(huán)由加工程式中的M06指令(S09步)起動，在所選刀具裝入主軸；機械手左爪帶著換下的原刀回到中間位置；刀庫門關(guān)上；右爪夾緊后(S20步)結(jié)束。
“換刀”循環(huán)結(jié)束后，M06指令完成，系統(tǒng)進入加工狀態(tài)。
“還刀”循環(huán)在“換刀”循結(jié)束后開始(也可用M76指令起動)，在刀庫定位到原主軸刀具刀套所在位置；刀具還回刀庫；手臂回到中間；左爪夾緊(S28步)后結(jié)束，此循環(huán)也與加工同時進行。
步序控制器
在采用梯形圖語言編寫PLC控制程式時，經(jīng)常把存儲器的一個“位”稱為繼電器，如果該“位”的狀態(tài)為“1”，就認為它的線圈得電，如果該“位”的狀態(tài)為“0”，就認為它的線圈失電。這與常用的硬體繼電器不同，雖然由“位存儲器”構(gòu)成的“軟繼電器”的“線圈”只有一個，但它的“常開”和“常閉”接點的個數(shù)卻是“不限的”。
步序控制器是一種用特殊的“位存儲器”構(gòu)成的“軟繼電器”，其特點是同組的步序控制器中同時只能有一個為“1”狀態(tài)，也就是說，其中有一個“位存儲器”被置“1”時，其馀的就自動被清為“0”。這種“1”的唯一性是步序控制程式可靠性的基本保證。
用步序控制器編寫的步序控制程式的工作流程如圖3所示。
步序控制程式由步進命令、路徑選擇、步動作命令和步完成標記等部分組成，其工作流程是：在“步進”命令的驅(qū)動下，按選定的路徑進入目標步并產(chǎn)生和發(fā)送相應(yīng)的步動作命令，在該步動作完成後再在“步進”命令的驅(qū)動下進入下一步，直到“結(jié)束步”為止。
梯形圖控制程式
圖4a是與表1所列的“取刀”循環(huán)(S02~S08步)的步完成標記程式相應(yīng)的梯形圖。其中，S02F~S08F是相應(yīng)步的步完成標記，它們用於圖4b所示的路徑選擇程式中。
圖4a 步完成標記梯形圖
圖4b 路徑選擇程序梯形圖
圖4c 步動作輸出程序
圖4b是與表1所列的“取刀”循環(huán)中的路徑選擇程式相應(yīng)的梯形圖。其中，“步進命令”由各種用途的M指令(如M06、M76等)或手動操作命令(如ATC單步操作等)產(chǎn)生，以滿足各種不同控制的需要。
在各步的步完成標記產(chǎn)生后，步序控制程式就按照設(shè)定的路徑進入下一個目標步。
圖4c是與表1所列的“取刀”循環(huán)中的S02~S08步的步命令輸出程式相應(yīng)的梯形圖。從表1可見：機械手的有些動作在整個刀具交換過程中是多次使用的，所以可以采用“或”的方式一起編寫。
步序控制程式中的步命令輸出后，ATC裝置即執(zhí)行本步的規(guī)定動作，刀具的交換的全過程就是由這些順序執(zhí)行的規(guī)定動作構(gòu)成的。
從上面所舉的實例中可以看出，步序控制技術(shù)是一種思路明確、結(jié)構(gòu)嚴密、方法規(guī)范的PLC程式設(shè)計方法，用這種方法編寫的順序控制程式不僅可靠性好，而且可讀性強，便于設(shè)計和維修人員掌握，這些對機械故障的追蹤和排除也都是十分重要的手段。
