基于IC74191的自動(dòng)進(jìn)給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
數(shù)控機(jī)床等現(xiàn)代加工設(shè)備是采用自動(dòng)控制、數(shù)字裝置或計(jì)算機(jī)，全部或部分地取代一般通用機(jī)床加工零件時(shí)的人工控制。數(shù)控機(jī)床的各種控制功能，均是以數(shù)字和文字代碼方式為控制指令，并通過(guò)數(shù)字裝置的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，自動(dòng)進(jìn)給數(shù)控系統(tǒng)是現(xiàn)代加工設(shè)備的核心部分，它由數(shù)字邏輯電路組合而成，廣泛應(yīng)用于數(shù)控設(shè)備的自動(dòng)進(jìn)給控制系統(tǒng)中。圖1是自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的邏輯框圖。它由位置檢測(cè)電路、控制脈沖生成電路、控制門(mén)、脈沖源、可編程計(jì)數(shù)器、進(jìn)給脈沖分配器、放大驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。
2 基于IC74191的自動(dòng)進(jìn)給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
圖2是基于IC74191的自動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電路圖。集成計(jì)數(shù)器(74191)、4-16線譯碼器(74159)、16選1數(shù)據(jù)選擇器74150、編程開(kāi)關(guān)[D][C][B][A]、譯碼顯示器組成狀態(tài)譯碼置零可編程計(jì)數(shù)器。狀態(tài)譯碼置零可編程計(jì)數(shù)器要求7419l的預(yù)置數(shù)端D、C、B、A置零，即DCBA=0000。741191的輸出端QD，QC，QB，QA接74159的數(shù)碼輸入端，并在輸出端翻譯出相應(yīng)的16個(gè)狀態(tài)(數(shù)字)，再由74150通過(guò)編程開(kāi)關(guān)[D][C][B][A]選中其中的一個(gè)數(shù)字，在74150的W端輸出，經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)電路送至74191的預(yù)置數(shù)控制端，即LOAD'端，就可通過(guò)編程開(kāi)關(guān)[D][C][B][A]使74191成為可編程可變進(jìn)制計(jì)數(shù)器。表1是該計(jì)數(shù)器的編程狀態(tài)表。
當(dāng)?shù)毒叩倪M(jìn)給當(dāng)量設(shè)計(jì)為6個(gè)CLK脈沖時(shí)，如圖2所示，編程開(kāi)關(guān)取值[D][C][B][A]=0110，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)依次為0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，譯碼顯示器顯示出相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為0，1，2，3，4，5，6，然后停止工作，等待下次進(jìn)給啟動(dòng)信號(hào)的到來(lái)。自動(dòng)進(jìn)給控制電路由輸入端與非門(mén)(7410)(構(gòu)成RS觸發(fā)器)、與非門(mén)G(自動(dòng)進(jìn)給控制門(mén))、時(shí)鐘脈沖信號(hào)源Us等組成，Us是由555定時(shí)器構(gòu)成自激多諧振蕩器，振蕩頻率設(shè)計(jì)為2～5 Hz，適于刀具進(jìn)給速度為2～5次／s。S1，S2為常開(kāi)延時(shí)打開(kāi)定時(shí)開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)[X]代替位置檢測(cè)裝置，發(fā)出位置檢測(cè)負(fù)脈沖信號(hào)?？删幊逃?jì)數(shù)器的編程狀態(tài)表如表1所示。
圖2中的4D觸發(fā)器(74175)中的3D觸發(fā)器構(gòu)成進(jìn)給脈沖分配器，即環(huán)形分配器，進(jìn)給脈沖分配器是將進(jìn)給脈沖按照一定順序輪流分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的電路，其電路的形式和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、型號(hào)及控制方式有關(guān)。該系統(tǒng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用三相六拍勵(lì)磁方式，三相繞組的導(dǎo)電次序?yàn)閁→UV→V→VW→W→WU→U。進(jìn)給脈沖CLK到來(lái)之前，進(jìn)給脈沖分配器先復(fù)位，再通過(guò)定時(shí)開(kāi)關(guān)S2將其置成QUQVQW=100，即DU=1，DV=1，DW=0，第一個(gè)CLK脈沖過(guò)后，環(huán)形分配器輸出為QUQV，QW=110，由此可列出進(jìn)給脈沖分配器各輸出端和驅(qū)動(dòng)端狀態(tài)如表2所示。各觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)端的驅(qū)動(dòng)方程式分別為：
[!--empirenews.page--] 圖3是進(jìn)給當(dāng)量CLK=9時(shí)的工作時(shí)序圖。接通電源時(shí)，常開(kāi)延時(shí)打開(kāi)定時(shí)開(kāi)關(guān)S1，ontime=0．5 ms然后打開(kāi)，其輸出接計(jì)數(shù)器清零端RD，實(shí)現(xiàn)通電清零。同時(shí)定時(shí)開(kāi)關(guān)S2將進(jìn)給脈沖分配器置成QUQVQW=110，當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，位置檢測(cè)電路便會(huì)發(fā)出進(jìn)給啟動(dòng)負(fù)脈沖信號(hào)Ust，該信號(hào)通過(guò)7410構(gòu)成的RS觸發(fā)器在7410的引腳8輸出高電平Uo，將控制門(mén)G打開(kāi)，使時(shí)鐘脈沖CLK通過(guò)G門(mén)達(dá)到74163的時(shí)鐘輸入端，開(kāi)始進(jìn)行進(jìn)給計(jì)數(shù)；同時(shí)該時(shí)鐘脈沖經(jīng)過(guò)進(jìn)給脈沖分配器、功率放大電路，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)進(jìn)給執(zhí)行元件步進(jìn)電機(jī)；當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到預(yù)置進(jìn)給位置時(shí)，利用74163的LOAD'端出現(xiàn)的下跳信號(hào)Ustop，作用在RS觸發(fā)器上，并在7410的引腳8輸出低電平，關(guān)閉控制門(mén)G，時(shí)鐘脈沖被禁止，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一個(gè)自動(dòng)進(jìn)給工作周期。
3 自動(dòng)進(jìn)給控制系統(tǒng)的仿真
對(duì)圖2所示的數(shù)控機(jī)床自動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，雙擊虛擬數(shù)字邏輯分析儀圖標(biāo)，打開(kāi)Clock setup對(duì)話框，調(diào)節(jié)內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置，如圖4所示，使Internal clock rate=2 Hz，通過(guò)編程開(kāi)關(guān)設(shè)定進(jìn)給量，接通電源后，按轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)[X]鍵，發(fā)出位置檢測(cè)負(fù)脈沖信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始工作，虛擬數(shù)字邏輯分析儀得到圖3所示各點(diǎn)的波形。進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)可由七段譯碼顯示器LED顯示，見(jiàn)圖2。當(dāng)編程開(kāi)關(guān)取值[D][C][B][A]=1111，輸出15個(gè)進(jìn)給脈沖。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。
4 結(jié) 語(yǔ)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部件，進(jìn)給量的控制采用可編程可變進(jìn)制計(jì)數(shù)器，編程邏輯開(kāi)關(guān)代替機(jī)械波段開(kāi)關(guān)，便于聯(lián)機(jī)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，提高工作穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命；利用EDA軟件對(duì)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)，可根據(jù)工藝要求方便地改變電路及參數(shù)，觀測(cè)仿真結(jié)果，縮短了設(shè)計(jì)周期，為電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了基本依據(jù)。
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