基于数字集成计数器IC74191的数字化自动进给控制系统的设计

自动进给控制系统是数控机床等现代加工设备的重要组成部分。本文介绍了以中规模数字集成计数器IC74191为核心,以步进电机为执行元件的数字化自动进给控制系统,用电子设计自动化(EDA)软件进行了系统的研究和设计,给出了系统仿真和实验结果。

1 系统结构框图

数控机床等现代加工设备是采用自动控制、数字装置或计算机，全部或部分地取代一般通用机床加工零件时的人工控制。数控机床的各种控制功能，均是以数字和文字代码方式为控制指令。图1是自动进给系统的逻辑框图。

2 基于IC74191的自动进给控制系统的设计

图2是基于IC74191的自动进给驱动系统的电路图。集成计数器(74191)、4-16线译码器(74159)、编程开关[D][C][B][A]、译码显示器组成状态译码置零可编程计数器。741191的输出端QD，QC，QB，QA接74159的数码输入端，并在输出端翻译出相应的16个状态，再由74150通过编程开关[D][C][B][A]选中其中的一个数字，在74150的W端输出，经过一个非门电路送至74191的预置数控制端，就可以通过编程开关[D][C][B][A]使74191成为可编程可变进制计数器。表1是该计数器的编程状态表。

当刀具的进给当量设计为6个CLK脉冲时，如图2所示，编程开关取值[D][C][B][A]=0110，计数器的状态依次为0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，译码显示器显示出相应的十进制数为0，1，2，3，4，5，6，然后停止工作，等待下次进给启动信号的到来。S1，S2为常开延时打开定时开关，转换开关[X]代替位置检测装置，发出位置检测负脉冲信号。可编程计数器的编程状态表如表1所示。

图2中的4D触发器(74175)中的3D触发器构成进给脉冲分配器，即环形分配器。该系统的步进电动机采用三相六拍励磁方式，三相绕组的导电次序为U→UV→V→VW→W→WU→U。进给脉冲CLK到来之前，进给脉冲分配器先复位，再通过定时开关S2将其置成QUQVQW=100，即DU=1，DV=1，DW=0，第一个CLK脉冲过后，环形分配器输出为QUQV，QW=110，由此可列出进给脉冲分配器各输出端和驱动端状态如表2所示。

图3是进给当量CLK=9时的工作时序图。接通电源时，常开延时打开定时开关S1，ontime=0．5 ms然后打开，其输出接计数器清零端RD，实现通电清零。同时该时钟脉冲经过进给脉冲分配器、功率放大电路，驱动自动进给执行元件步进电机；当刀具达到预置进给位置时，利用74163的LOAD'端出现的下跳信号Ustop，作用在RS触发器上，并在7410的引脚8输出低电平，关闭控制门G，时钟脉冲被禁止，步进电动机停止转动，完成一个自动进给工作周期。

3 自动进给控制系统的仿真

对图2所示的数控机床自动进给驱动系统进行计算机仿真实验，双击虚拟数字逻辑分析仪图标，打开Clock setup对话框，调节内部时钟设置，如图4所示，使Internal clock rate="2" Hz，通过编程开关设定进给量，接通电源后，按转换开关[X]键，发出位置检测负脉冲信号，自动进给驱动系统开始工作，虚拟数字逻辑分析仪得到图3所示各点的波形。

步进电动机自动进给驱动系统是数控机床的核心部件，利用EDA软件对数控机床自动进给系统研究和设计，可根据工艺要求方便地改变电路及参数，观测仿真结果，缩短设计周期，为电路的设计与实现提供了基本依据。