自動進(jìn)給控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床等現(xiàn)代加工設(shè)備的重要組成部分。要求以IC74191中規(guī)模數(shù)字集成計(jì)數(shù)器為核心,以步進(jìn)電動機(jī)為執(zhí)行元件,設(shè)計(jì)一個數(shù)字化自動進(jìn)給控制系統(tǒng)。用EDA軟件進(jìn)行自動進(jìn)給控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì),創(chuàng)建系統(tǒng)的仿真電路,給出仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。要求刀具進(jìn)給速度為2~5次/s;利用虛擬數(shù)字邏輯分析儀和示波器觀測各點(diǎn)的波形;進(jìn)給脈沖的個數(shù)可由LED七段譯碼顯示器顯示。
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,并通過數(shù)字裝置的控制來實(shí)現(xiàn)的,自動進(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)備的自動進(jìn)給控制系統(tǒng)中。圖1是自動進(jìn)給系統(tǒng)的邏輯框圖。它由位置檢測電路、控制脈沖生成電路、控制門、脈沖源、可編程計(jì)數(shù)器、進(jìn)給脈沖分配器、放大驅(qū)動電路和步進(jìn)電動機(jī)等組成。
2 、基于IC74191的自動進(jìn)給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
圖2是基于IC74191的自動進(jìn)給驅(qū)動系統(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個狀態(tài)(數(shù)字),再由74150通過編程開關(guān)[D][C][B][A]選中其中的一個數(shù)字,在74150的W端輸出,經(jīng)過一個非門電路送至74191的預(yù)置數(shù)控制端,即LOAD‘端,就可通過編程開關(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CLK脈沖時,如圖2所示,編程開關(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)給啟動信號的到來。自動進(jìn)給控制電路由輸入端與非門(7410)(構(gòu)成RS觸發(fā)器)、與非門G(自動進(jìn)給控制門)、時鐘脈沖信號源Us等組成,Us是由555定時器構(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為常開延時打開定時開關(guān),轉(zhuǎn)換開關(guān)[X]代替位置檢測裝置,發(fā)出位置檢測負(fù)脈沖信號??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)電動機(jī)各相繞組的電路,其電路的形式和步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、型號及控制方式有關(guān)。該系統(tǒng)的步進(jìn)電動機(jī)采用三相六拍勵磁方式,三相繞組的導(dǎo)電次序?yàn)閁→UV→V→VW→W→WU→U。進(jìn)給脈沖CLK到來之前,進(jìn)給脈沖分配器先復(fù)位,再通過定時開關(guān)S2將其置成QUQVQW=100,即DU=1,DV=1,DW=0,第一個CLK脈沖過后,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)動端狀態(tài)如表2所示。各觸發(fā)器驅(qū)動端的驅(qū)動方程式分別為:
圖3是進(jìn)給當(dāng)量CLK=9時的工作時序圖。接通電源時,常開延時打開定時開關(guān)S1,ontime=0.5 ms然后打開,其輸出接計(jì)數(shù)器清零端RD,實(shí)現(xiàn)通電清零。同時定時開關(guān)S2將進(jìn)給脈沖分配器置成QUQVQW=110,當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動到預(yù)定位置時,位置檢測電路便會發(fā)出進(jìn)給啟動負(fù)脈沖信號Ust,該信號通過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G打開,使時鐘脈沖CLK通過G門達(dá)到74163的時鐘輸入端,開始進(jìn)行進(jìn)給計(jì)數(shù);同時該時鐘脈沖經(jīng)過進(jìn)給脈沖分配器、功率放大電路,驅(qū)動自動進(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,利用74163的LOAD’端出現(xiàn)的下跳信號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G,時鐘脈沖被禁止,步進(jìn)電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動,完成一個自動進(jìn)給工作周期。
3 、自動進(jìn)給控制系統(tǒng)的仿真
對圖2所示的數(shù)控機(jī)床自動進(jìn)給驅(qū)動系統(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Clock setup對話框,調(diào)節(jié)內(nèi)部時鐘設(shè)置,如圖4所示,使Internal clock rate=2 Hz,通過編程開關(guān)設(shè)定進(jìn)給量,接通電源后,按轉(zhuǎn)換開關(guān)[X]鍵,發(fā)出位置檢測負(fù)脈沖信號,自動進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)開始工作,虛擬數(shù)字邏輯分析儀得到圖3所示各點(diǎn)的波形。進(jìn)給脈沖的個數(shù)可由七段譯碼顯示器LED顯示,見圖2。當(dāng)編程開關(guān)取值[D][C][B][A]=1111,輸出15個進(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
步進(jìn)電動機(jī)自動進(jìn)給驅(qū)動系統(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,編程邏輯開關(guān)代替機(jī)械波段開關(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軟件對數(shù)控機(jī)床自動進(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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