步序控制器(Step Control Relay)是一种由特殊的“位存储器”构成的软件继电器，被广泛用于诸如自动刀具交换(ATC)、自动托板交换(APC)、数控系统和伺服装置的紧急停机、加电和断电等要求严格按一定顺序执行的控制任务。本文除对常用的几种ATC装置的换刀速度和操作性能作简要的比较外，还通过一个ATC控制程序作为实例来介绍步序控制器的功能和使用技巧。

ATC装置的分类

自动刀具交换装置(ATC)通常由机械手和刀库组成，它们在刀具交换过程中的各种动作和步序取决于机械手的类型和刀具还回刀库的方式。

目前比较广泛使用的ATC装置中，按其机械手的类型来分有“无手式”(主要靠进给轴和刀库的运动来实现刀具的交换)、“单爪式”(机械手上只有一个手爪，换刀时先将主轴上的刀具送回刀库；再将刀库中的刀具装入主轴)和“双爪式”(换刀时一个手爪从刀库中取新刀，另一手爪从主轴上卸原刀)。其中“双爪式”又可分为“同步式”和“分步式”两种，前者是指取刀和卸刀是在同一步完成的，新刀装入主轴和原刀还回刀库也是在另一步同时完成的；而后者则是分成多步完成上述动作的。

“无手式”ATC装置的结构最为简单，“单爪式”其次，“同步双爪式”的结构相对复杂，而“分步双爪式”的结构最为复杂。

从刀具还回刀库的方式来看，ATC装置可以分为“固定刀位式”、“随机刀位式”和“混合还刀式”三种。“固定刀位式”是指机床使用的刀具在刀库中都有自己固定的位置(刀套)，也就是说，从主轴上换下来的刀具必须还回原来的刀套位置。“随机刀位式”则是指还回刀库的刀具位置是任意的(就近)。而“混合还刀式”则是大直径刀具采用“固定刀位式”还刀，标准刀具采用“随机刀位式”还刀。

“固定刀位式”还刀的优点是刀具在刀库中的位置是固定的，操作人员对刀库中的刀具分布状况一目了然，他们可以根据加工程式中T代码后面的数字直接把刀具装入相应编号的刀套中，程编人员也可以根据刀具在刀库中的分布情况直接在加工程式中编写T指令；操作者也不必在手动装刀後检查和修改“刀套/刀号表”，给用户带来了很大的方便。

此外，由于刀具位置是固定的(刀具号等于刀套号)，操作不必在刀库中设立专用的大直径刀具区，只要不在大直径刀具的二个相邻刀位装入刀具，即可保证运行的安全，从而提高了刀库的刀位利用率。

“固定刀位式”还刀的缺点是刀库在还刀前还要为寻找原刀位作一次旋转定位，影响了还刀的速度。

“随机刀位式”还刀的优点是还刀速度快(刀库不需作第二次旋转定位)，缺点是刀库的现行刀具分布状况不直观(刀套中的刀具号是随时变化的)，操作者必须查找“刀套/刀号表”后才能确定刀库中的刀具位置是否与加工程式中的T指令(刀具号)一致；手动装刀后，必须认真检查和修改“刀套/刀号表”，否则就可能造成“错刀”事故。

此外，如果使用了大直径刀具，还要设立大直径刀具区，刀库的刀位利用率就会降低。

图1a到图1d是几种典型的ATC装置的换刀时序
图2　分步双爪式ATC装置机械手、刀库和主轴位置
图3　步序控制程序的工作流程

ATC装置的换刀速度比较

图1a描述了“无手”或“单爪”式ATC装置的刀具交换过程，这类ATC装置只能采用“固定刀位式”还刀，必须先将主轴上的原用刀具还回刀库，再转动刀库找到新刀后，将它装入主轴。

虽然这类装置的结构十分简单，但是整套动作都占用了加工时间，所以换刀速度最低。

图1b和图1c描述了同步双爪式ATC装置的刀具交换过程，前者采用“固定刀位式”还刀(大直径刀具时)，后者采用“随机刀位式”还刀(标准刀具时)。在这种ATC装置中从刀库取刀和从主轴卸刀是在同一步进行的，在采用“随机刀位式”还刀时，将新刀装入主轴和将原刀还回刀库可以连续在同一步进行，所以节省了时间，加快了换刀速度。

这类ATC装置还可以用在加工程式中提前编写T指令的方法，使刀库选刀动作提前完成(不占用加工时间)，来提高换刀的速度。但是，这类装置往往要求刀库随主轴一起移动，所以刀库的容量不能很大，只适合于中小型加工中心配用。

图1d描述了分步双爪式ATC装置的刀具交换过程(固定刀位法)，这种ATC装置的机械手左、右手爪是分步动作的，左爪用于取刀和还刀(刀库侧)，右爪用于卸刀和装刀(主轴侧)，取刀时将新刀从刀库送到换刀准备位；换刀时，将主轴上的原刀卸下后装入新刀(左、右爪的刀具交换)；还刀时，刀库旋转到原主轴刀具刀位后，左爪将原刀还回刀库。虽然这种ATC装置的结构复杂，换刀动作较多，但因为两个手爪的动作可以分步进行，所以经优化后，可以将“选刀”、“取刀”、“找还刀位”和“还刀”四组动作安排在加工时间进行，这样大大地缩短了换刀周期，提高了换刀速度，同时还保持了“固定刀位式”还刀的许多优点，成为一种比较受操作者欢迎的自动换刀装置。

分步双爪式ATC装置

操作步序

分步双爪式ATC装置的刀库可以自为一体、落地安装，所以容量很大(一般在60把刀以上)，广泛用于大型卧式加工中心。图2是这种ATC装置的机械手、刀库和主轴的相动位置图，其中：刀库换刀位的位置是固定的，机械手臂在X轴方向有左、中、右三个位置(图中为“臂在右端”)；在Z轴方向有伸出和收回二个位置(图中为“手臂收回”)，双爪可在X-Y平面上旋转180°，以实现左、右爪上的刀具在A、B两个位置上的变换。与右表一起可以看出它们在整个换刀过程中的动作和步序。表　分步双爪式ATC装置的换刀步序步号步名(步命令) 步状(步完成标记的组成) S01 起始步臂在中间手臂收回左爪夹紧 S02 刀库选刀(T) 臂在中间手臂收回选刀完成 S03 左爪松开臂在中间手臂收回左爪松开 S04 臂移左端左爪松开手臂收回臂在左端 S05 左爪夹紧臂在左端手臂收回左爪夹紧 S06 手臂伸出臂在左端左爪夹紧手臂伸出 S07 臂回中间左爪夹紧手臂伸出臂在中间 S08 手臂收回左爪夹紧臂在中手臂收回 S09 换刀(M06) 左爪夹紧臂在中间手臂收回 S10 回换刀点
主轴定向
右爪松开
刀库门开左爪夹紧臂在中间到换刀点
定向完成
右爪松开
刀库门开 S11 臂移右端右爪松开刀库门开臂在右端 S12 右爪夹紧刀库门开刀库门开右爪夹紧 S13 主轴松刀到换刀点右爪夹紧主轴松刀 S14 手臂伸出左爪夹紧右爪夹紧手臂伸出 S15 臂转180° 左爪夹紧右爪夹紧臂转完成 S16 手臂插入左爪夹紧到换刀点手臂收回 S17 主轴紧刀左爪夹紧到换刀点主轴紧刀 S18 右爪松开左爪夹紧主轴紧刀右爪松开 S19 臂回中间左爪夹紧右爪松开臂回中间 S20 刀库门开
右爪夹紧左爪夹紧臂回中间刀库门开
右爪夹紧 S21 还刀(M76) 左爪夹紧臂回中间刀库门关 S22 手臂伸出左爪夹紧臂回中间刀库门关 S23 刀库旋转臂回中间刀库门关找到还刀刀位 S24 臂移左端左爪夹紧手臂伸出臂在左端 S25 手臂收回左爪夹紧臂在左端手臂收回 S26 左爪松开臂在左端手臂收回左爪松开 S27 臂回中间手臂插入手臂收回左爪松开 S28 左爪夹紧臂在中间手臂收回左爪夹紧 S01 起始步臂在中间手臂收回左爪夹紧

右表是根据机械设计人员提供的ATC动作循环表和电控时序图(其中详细描述了换刀过程的步序和每一步输出的动作命令以及步命令完成後各个机械部件位置检测器的状态)编写的，其中所列的步状态可作为各步动作完成标记使用，除本步发出的动作命令完成后相应的机械部件位置检测器的状态外，步状态中还包含了一些以前完成的、为保证下步动作安全的机械部件位置检测器的状态。

本文介绍的分步双爪式ATC装置的刀具交换过程由“取刀”(S02~S08)、“换刀”(S10~S20)和“还刀”(S22~S28)三个基本循环组成。完成后停在第S01步。

“取刀”循环由加工程式中的T命令(S02步)起动(T代码后面的数字表示此后加工时要使用的刀具所在的刀套号)，所选刀具到达换刀准备位置后(S08步)结束，此循环可与加工同时进行。

“换刀”循环由加工程式中的M06指令(S09步)起动，在所选刀具装入主轴；机械手左爪带着换下的原刀回到中间位置；刀库门关上；右爪夹紧后(S20步)结束。

“换刀”循环结束后，M06指令完成，系统进入加工状态。

“还刀”循环在“换刀”循结束后开始(也可用M76指令起动)，在刀库定位到原主轴刀具刀套所在位置；刀具还回刀库；手臂回到中间；左爪夹紧(S28步)后结束，此循环也与加工同时进行。

步序控制器

在采用梯形图语言编写PLC控制程式时，经常把存储器的一个“位”称为继电器，如果该“位”的状态为“1”，就认为它的线圈得电，如果该“位”的状态为“0”，就认为它的线圈失电。这与常用的硬体继电器不同，虽然由“位存储器”构成的“软继电器”的“线圈”只有一个，但它的“常开”和“常闭”接点的个数却是“不限的”。

步序控制器是一种用特殊的“位存储器”构成的“软继电器”，其特点是同组的步序控制器中同时只能有一个为“1”状态，也就是说，其中有一个“位存储器”被置“1”时，其馀的就自动被清为“0”。这种“1”的唯一性是步序控制程式可靠性的基本保证。

用步序控制器编写的步序控制程式的工作流程如图3所示。

步序控制程式由步进命令、路径选择、步动作命令和步完成标记等部分组成，其工作流程是：在“步进”命令的驱动下，按选定的路径进入目标步并产生和发送相应的步动作命令，在该步动作完成後再在“步进”命令的驱动下进入下一步，直到“结束步”为止。
梯形图控制程式

图4a是与表1所列的“取刀”循环(S02~S08步)的步完成标记程式相应的梯形图。其中，S02F~S08F是相应步的步完成标记，它们用於图4b所示的路径选择程式中。图4a　步完成标记梯形图
图4b　路径选择程序梯形图图4c　步动作输出程序

图4b是与表1所列的“取刀”循环中的路径选择程式相应的梯形图。其中，“步进命令”由各种用途的M指令(如M06、M76等)或手动操作命令(如ATC单步操作等)产生，以满足各种不同控制的需要。

在各步的步完成标记产生后，步序控制程式就按照设定的路径进入下一个目标步。

图4c是与表1所列的“取刀”循环中的S02~S08步的步命令输出程式相应的梯形图。从表1可见：机械手的有些动作在整个刀具交换过程中是多次使用的，所以可以采用“或”的方式一起编写。

步序控制程式中的步命令输出后，ATC装置即执行本步的规定动作，刀具的交换的全过程就是由这些顺序执行的规定动作构成的。

从上面所举的实例中可以看出，步序控制技术是一种思路明确、结构严密、方法规范的PLC程式设计方法，用这种方法编写的顺序控制程式不仅可靠性好，而且可读性强，便于设计和维修人员掌握，这些对机械故障的追踪和排除也都是十分重要的手段。

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步序控制器在ATC控制程序中的应用

ATC装置的分类

ATC装置的换刀速度比较

分步双爪式ATC装置

步序控制器