利用EDA軟件實現步進電動機自動進給驅動系統(tǒng)的設計

自動進給控制系統(tǒng)是數控機床等現代加工設備的重要組成部分。要求以IC74191中規(guī)模數字集成計數器為核心，以步進電動機為執(zhí)行元件，設計一個數字化自動進給控制系統(tǒng)。用EDA軟件進行自動進給控制系統(tǒng)的研究和設計，創(chuàng)建系統(tǒng)的仿真電路，給出仿真實驗結果。要求刀具進給速度為2～5次／s；利用虛擬數字邏輯分析儀和示波器觀測各點的波形；進給脈沖的個數可由LED七段譯碼顯示器顯示。

1 、系統(tǒng)結構框圖

數控機床等現代加工設備是采用自動控制、數字裝置或計算機，全部或部分地取代一般通用機床加工零件時的人工控制。數控機床的各種控制功能，均是以數字和文字代碼方式為控制指令，并通過數字裝置的控制來實現的，自動進給數控系統(tǒng)是現代加工設備的核心部分，它由數字邏輯電路組合而成，廣泛應用于數控設備的自動進給控制系統(tǒng)中。圖1是自動進給系統(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、可編程計數器、進給脈沖分配器、放大驅動電路和步進電動機等組成。

2 、基于IC74191的自動進給控制系統(tǒng)的設計

圖2是基于IC74191的自動進給驅動系統(tǒng)的電路圖。集成計數器（74191）、4-16線譯碼器（74159）、16選1數據選擇器74150、編程開關［D］［C］［B］［A］、譯碼顯示器組成狀態(tài)譯碼置零可編程計數器。狀態(tài)譯碼置零可編程計數器要求7419l的預置數端D、C、B、A置零，即DCBA=0000。741191的輸出端QD，QC，QB，QA接74159的數碼輸入端，并在輸出端翻譯出相應的16個狀態(tài)（數字），再由74150通過編程開關［D］［C］［B］［A］選中其中的一個數字，在74150的W端輸出，經過一個非門電路送至74191的預置數控制端，即LOAD‘端，就可通過編程開關［D］［C］［B］［A］使74191成為可編程可變進制計數器。表1是該計數器的編程狀態(tài)表。

當刀具的進給當量設計為6個CLK脈沖時，如圖2所示，編程開關取值［D］［C］［B］［A］=0110，計數器的狀態(tài)依次為0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，譯碼顯示器顯示出相應的十進制數為0，1，2，3，4，5，6，然后停止工作，等待下次進給啟動信號的到來。自動進給控制電路由輸入端與非門（7410）（構成RS觸發(fā)器）、與非門G（自動進給控制門）、時鐘脈沖信號源Us等組成，Us是由555定時器構成自激多諧振蕩器，振蕩頻率設計為2～5 Hz，適于刀具進給速度為2～5次／s。S1，S2為常開延時打開定時開關，轉換開關［X］代替位置檢測裝置，發(fā)出位置檢測負脈沖信號?？删幊逃嫈灯鞯木幊虪顟B(tài)表如表1所示。

圖2中的4D觸發(fā)器（74175）中的3D觸發(fā)器構成進給脈沖分配器，即環(huán)形分配器，進給脈沖分配器是將進給脈沖按照一定順序輪流分配給步進電動機各相繞組的電路，其電路的形式和步進電動機的結構、型號及控制方式有關。該系統(tǒng)的步進電動機采用三相六拍勵磁方式，三相繞組的導電次序為U→UV→V→VW→W→WU→U。進給脈沖CLK到來之前，進給脈沖分配器先復位，再通過定時開關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，由此可列出進給脈沖分配器各輸出端和驅動端狀態(tài)如表2所示。各觸發(fā)器驅動端的驅動方程式分別為：

圖3是進給當量CLK=9時的工作時序圖。接通電源時，常開延時打開定時開關S1，ontime=0．5 ms然后打開，其輸出接計數器清零端RD，實現通電清零。同時定時開關S2將進給脈沖分配器置成QUQVQW=110，當刀具運動到預定位置時，位置檢測電路便會發(fā)出進給啟動負脈沖信號Ust，該信號通過7410構成的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門達到74163的時鐘輸入端，開始進行進給計數；同時該時鐘脈沖經過進給脈沖分配器、功率放大電路，驅動自動進給執(zhí)行元件步進電機；當刀具達到預置進給位置時，利用74163的LOAD’端出現的下跳信號Ustop，作用在RS觸發(fā)器上，并在7410的引腳8輸出低電平，關閉控制門G，時鐘脈沖被禁止，步進電動機停止轉動，完成一個自動進給工作周期。

3 、自動進給控制系統(tǒng)的仿真

對圖2所示的數控機床自動進給驅動系統(tǒng)進行計算機仿真實驗，雙擊虛擬數字邏輯分析儀圖標，打開Clock setup對話框，調節(jié)內部時鐘設置，如圖4所示，使Internal clock rate=2 Hz，通過編程開關設定進給量，接通電源后，按轉換開關［X］鍵，發(fā)出位置檢測負脈沖信號，自動進給驅動系統(tǒng)開始工作，虛擬數字邏輯分析儀得到圖3所示各點的波形。進給脈沖的個數可由七段譯碼顯示器LED顯示，見圖2。當編程開關取值［D］［C］［B］［A］=1111，輸出15個進給脈沖。仿真與實驗結果完全符合設計要求。

4 、結 語

步進電動機自動進給驅動系統(tǒng)是數控機床的核心部件，進給量的控制采用可編程可變進制計數器，編程邏輯開關代替機械波段開關，便于聯機聯網運行，提高工作穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命；利用EDA軟件對數控機床自動進給系統(tǒng)研究和設計，可根據工藝要求方便地改變電路及參數，觀測仿真結果，縮短了設計周期，為電路的設計與實現提供了基本依據。