自動進(jìn)給控制系統(tǒng)是數(shù)控機床等現(xiàn)代加工設(shè)備的重要組成部分。要求以IC74191中規(guī)模數(shù)字集成計數(shù)器為核心，以步進(jìn)電動機為執(zhí)行元件，設(shè)計一個數(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，創(chuàng)建系統(tǒng)的仿真電路，給出仿真實驗結(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)控機床等現(xiàn)代加工設(shè)備是采用自動控制、數(shù)字裝置或計算機，全部或部分地取代一般通用機床加工零件時的人工控制。數(shù)控機床的各種控制功能，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)電動機等組成。

2 、基于IC74191的自動進(jìn)給控制系統(tǒng)的設(shè)計

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)譯碼置零可編程計數(shù)器。狀態(tài)譯碼置零可編程計數(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)制計數(shù)器。表1是該計數(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。可編程計數(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)電動機各相繞組的電路，其電路的形式和步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)、型號及控制方式有關(guān)。該系統(tǒng)的步進(jìn)電動機采用三相六拍勵磁方式，三相繞組的導(dǎo)電次序為U→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，其輸出接計數(shù)器清零端RD，實現(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\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；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)控機床自動進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行計算機仿真實驗，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。仿真與實驗結(jié)果完全符合設(shè)計要求。

4 、結(jié) 語

步進(jìn)電動機自動進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心部件，進(jìn)給量的控制采用可編程可變進(jìn)制計數(shù)器，編程邏輯開關(guān)代替機械波段開關(guān)，便于聯(lián)機聯(lián)網(wǎng)運行，提高工作穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命；利用EDA軟件對數(shù)控機床自動進(jìn)給系統(tǒng)研究和設(shè)計，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)計周期，為電路的設(shè)計與實現(xiàn)提供了基本依據(jù)。