步序控制器(Step Control Relay)是一種由特殊的“位存儲(chǔ)器”構(gòu)成的軟件繼電器，被廣泛用于諸如自動(dòng)刀具交換(ATC)、自動(dòng)托板交換(APC)、數(shù)控系統(tǒng)和伺服裝置的緊急停機(jī)、加電和斷電等要求嚴(yán)格按一定順序執(zhí)行的控制任務(wù)。本文除對(duì)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(gè)ATC控制程序作為實(shí)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(dòng)刀具交換裝置(ATC)通常由機(jī)械手和刀庫組成，它們?cè)诘毒呓粨Q過程中的各種動(dòng)作和步序取決于機(jī)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(jī)械手的類型來分有“無手式”(主要靠進(jìn)給軸和刀庫的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀具的交換)、“單爪式”(機(jī)械手上只有一個(gè)手爪，換刀時(shí)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(shí)一個(gè)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(shí)完成的；而后者則是分成多步完成上述動(dòng)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(duì)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(jī)刀位式”和“混合還刀式”三種。“固定刀位式”是指機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)刀具采用“隨機(jī)刀位式”還刀。
“固定刀位式”還刀的優(yōu)點(diǎn)是刀具在刀庫中的位置是固定的，操作人員對(duì)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(hào)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(dòng)裝刀後檢查和修改“刀套/刀號(hào)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(hào)等于刀套號(hào))，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(gè)相鄰刀位裝入刀具，即可保證運(yùn)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(diǎn)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(jī)刀位式”還刀的優(yōu)點(diǎn)是還刀速度快(刀庫不需作第二次旋轉(zhuǎn)定位)，缺點(diǎn)是刀庫的現(xiàn)行刀具分布狀況不直觀(刀套中的刀具號(hào)是隨時(shí)變化的)，操作者必須查找“刀套/刀號(hào)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(hào))一致；手動(dòng)裝刀后，必須認(rèn)真檢查和修改“刀套/刀號(hào)表”，否則就可能造成“錯(cuò)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(huì)降低。
圖1a到圖1d是幾種典型的ATC裝置的換刀時(shí)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(dòng)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(dòng)作都占用了加工時(shí)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(shí))， 后者采用“隨機(jī)刀位式”還刀(標(biāo)準(zhǔn)刀具時(shí))。在這種ATC裝置中從刀庫取刀和從主軸卸刀是在同一步進(jìn)行的，在采用“隨機(jī)刀位式”還刀時(shí)，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(jìn)行，所以節(jié)省了時(shí)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(dòng)作提前完成(不占用加工時(shí)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(dòng)，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(jī)械手左、右手爪是分步動(dòng)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(shí)將新刀從刀庫送到換刀準(zhǔn)備位；換刀時(shí)，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(shí)，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(dòng)作較多，但因?yàn)閮蓚€(gè)手爪的動(dòng)作可以分步進(jìn)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(dòng)作安排在加工時(shí)間進(jìn)行，這樣大大地縮短了換刀周期，提高了換刀速度，同時(shí)還保持了“固定刀位式”還刀的許多優(yōu)點(diǎn)，成為一種比較受操作者歡迎的自動(dòng)換刀裝置。
圖2 分步雙爪式ATC裝置機(jī)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(jī)械手、刀庫和主軸的相動(dòng)位置圖，其中：刀庫換刀位的位置是固定的，機(jī)械手臂在X軸方向有左、中、右三個(gè)位置(圖中為“臂在右端”)；在Z軸方向有伸出和收回二個(gè)位置(圖中為“手臂收回”)， 雙爪可在X-Y平面上旋轉(zhuǎn)180°，以實(shí)現(xiàn)左、右爪上的刀具在A、B兩個(gè)位置上的變換。與表1一起可以看出它們?cè)谡麄€(gè)換刀過程中的動(dòng)作和步序。
表1是根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供的ATC動(dòng)作循環(huán)表和電控時(shí)序圖(其中詳細(xì)描述了換刀過程的步序和每一步輸出的動(dòng)作命令以及步命令完成後各個(gè)機(jī)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(dòng)作完成標(biāo)記使用，除本步發(fā)出的動(dòng)作命令完成后相應(yīng)的機(jī)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(dòng)作安全的機(jī)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(gè)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(dòng)(T代碼后面的數(shù)字表示此后加工時(shí)要使用的刀具所在的刀套號(hào))，所選刀具到達(dá)換刀準(zhǔn)備位置后(S08步)結(jié)束，此循環(huán)可與加工同時(shí)進(jìn)行。
“換刀”循環(huán)由加工程式中的M06指令(S09步)起動(dòng)，在所選刀具裝入主軸；機(jī)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(jìn)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(dòng))，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(shí)進(jìn)行。
步序控制器
在采用梯形圖語言編寫PLC控制程式時(shí)，經(jīng)常把存儲(chǔ)器的一個(gè)“位”稱為繼電器，如果該“位”的狀態(tài)為“1”，就認(rèn)為它的線圈得電，如果該“位”的狀態(tài)為“0”，就認(rèn)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(chǔ)器”構(gòu)成的“軟繼電器”的“線圈”只有一個(gè)，但它的“常開”和“常閉”接點(diǎn)的個(gè)數(shù)卻是“不限的”。
步序控制器是一種用特殊的“位存儲(chǔ)器”構(gòu)成的“軟繼電器”，其特點(diǎn)是同組的步序控制器中同時(shí)只能有一個(gè)為“1”狀態(tài)，也就是說，其中有一個(gè)“位存儲(chǔ)器”被置“1”時(shí)，其馀的就自動(dòng)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(jìn)命令、路徑選擇、步動(dòng)作命令和步完成標(biāo)記等部分組成，其工作流程是：在“步進(jìn)”命令的驅(qū)動(dòng)下，按選定的路徑進(jìn)入目標(biāo)步并產(chǎn)生和發(fā)送相應(yīng)的步動(dòng)作命令，在該步動(dòng)作完成後再在“步進(jìn)”命令的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)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(biāo)記程式相應(yīng)的梯形圖。其中，S02F~S08F是相應(yīng)步的步完成標(biāo)記，它們用於圖4b所示的路徑選擇程式中。
圖4a 步完成標(biāo)記梯形圖
圖4b 路徑選擇程序梯形圖
圖4c 步動(dòng)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(jìn)命令”由各種用途的M指令(如M06、M76等)或手動(dòng)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(biāo)記產(chǎn)生后，步序控制程式就按照設(shè)定的路徑進(jìn)入下一個(gè)目標(biāo)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(jī)械手的有些動(dòng)作在整個(gè)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(dòng)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(dòng)作構(gòu)成的。
從上面所舉的實(shí)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(yán)密、方法規(guī)范的PLC程式設(shè)計(jì)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(qiáng)，便于設(shè)計(jì)和維修人員掌握，這些對(duì)機(jī)械故障的追蹤和排除也都是十分重要的手段。
