基于ISP芯片的機床自動進給數(shù)控裝置的設(shè)計

1　引　言
　　隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床應(yīng)運而生，它是一種具有廣泛通用性的高效率自動化機床。數(shù)控機床同一般自動化機床的區(qū)別在于：后者的自動化程度雖然很高，但它們主要依靠模板、凸輪、專用夾具和刀具、定程擋板等來實現(xiàn)順序的加工動作及控制刀具相對于工件的移動距離，由于專用模板、夾具和刀具等輔件的生產(chǎn)要求較高，生產(chǎn)時間較長，生產(chǎn)成本高，因此它只適合于大批量生產(chǎn)。而數(shù)控機床既具有高效率的自動化特性，又具有廣泛的通用性。數(shù)控機床在改變加工對象時，除重新選擇相應(yīng)刀具外，僅需更換一下控制介質(zhì)，或改變一下控制介質(zhì)的內(nèi)容，即可進行新零件的加工。機床自動進給數(shù)控裝置是運用數(shù)字電路控制機床自動進給的設(shè)備，其用途很廣：如磨床的磨頭從一端運動到另一端時實現(xiàn)自動進給，創(chuàng)床的創(chuàng)刀往返一個行程時完成自動進刀等。由于ISP器件是大規(guī)模集成電路器件，可以容納大型數(shù)字系統(tǒng)并可反復(fù)編程，因此，用ISP器件來實現(xiàn)機床自動進給數(shù)控裝置可實現(xiàn)體積小、成本低、可靠性好、耗電少、使用靈活方便等要求。ISP器件已經(jīng)成為實現(xiàn)數(shù)控裝置的重要器件。
2　機床自動數(shù)控裝置的設(shè)計
??? 圖1是實現(xiàn)機床自動進給的方框圖。
??? 機床兩端的適當(dāng)位置安裝了干簧管傳感檢測器，因此當(dāng)?shù)毒哌\動到機床一端時，檢測器便發(fā)出一個電信號，此信號通過整形移位電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)負(fù)脈沖信號，這個信號通過“控制脈沖形成電路”產(chǎn)生高電平輸出，使“主控門”打開，信號源發(fā)出的脈沖信號通過主控門再經(jīng)“放大器”放大后驅(qū)動“執(zhí)行機構(gòu)（進給機械裝置）”?！皥?zhí)行機構(gòu)”根據(jù)脈沖數(shù)量的多少決定進給量。脈沖信號同時還送到計數(shù)器進行計數(shù)。這個計數(shù)器是可預(yù)置的“可變進制計數(shù)器”。當(dāng)計數(shù)脈沖等于預(yù)置數(shù)時，預(yù)置電路立刻發(fā)出“停止信號”，并送到控制脈沖形成電路，產(chǎn)生一個低電平輸出信號封鎖主控門，直到下一個信號脈沖到來之前，執(zhí)行機構(gòu)停止動作。同時，預(yù)置電路產(chǎn)生清零信號使計數(shù)器回到零狀態(tài)，待下次進刀時再重新計數(shù)。

3　機床自動數(shù)控裝置的實現(xiàn)方法
　　本控制系統(tǒng)的設(shè)計是采用基于ISP芯片的自頂向下的模塊化設(shè)計方法，ISP芯片選用Lattice公司的ispLSI1032E器件，該器件有32個GLB，6000個PLD等效門，84個管腳，64個I／O端，8個直接輸入端，最高工作頻率為90MHz。設(shè)計工具選用Lattice公司和DATA I／O公司聯(lián)合設(shè)計的isp Synario System應(yīng)用開發(fā)軟件，該軟件是一套進行FPLD設(shè)計的高級設(shè)計工具，它基于Windows操作系統(tǒng)，支持多種模塊設(shè)計輸入方式，如：電路原理圖、ABEL－HDL、VHDL語言、Verilog－HDL語言等。該軟件支持邏輯功能仿真、器件時序仿真及邏輯綜合，可用原理圖、語言和混合法三種輸入方式工作，它是一種先進的FPLD設(shè)計系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)的數(shù)字部分，系統(tǒng)頂層設(shè)計包括子系統(tǒng)功能分配、內(nèi)部功能塊的聯(lián)結(jié)和對外的接口關(guān)系，采用電路原理圖輸入。
　　本數(shù)字系統(tǒng)主體電路：信號源（外接晶振、R、C）、可變進制計數(shù)器、控制脈沖形成電路和主控門，這些都設(shè)計在Lattice公司生產(chǎn)的ispLSI1032E－70PLCC84器件內(nèi)部。下面是用ABEL－HDL語言編寫的可預(yù)置的8位二進制加法計數(shù)器電路：


??? 圖2是用原理圖編輯的可變進制計數(shù)器電路。
　　當(dāng)計數(shù)器輸出的8位二進制數(shù)同預(yù)置輸入的8位二進制數(shù)相等時，比較器輸出1電平，經(jīng)反相器反相后輸出0電平，發(fā)出停止信號到控制脈沖形成電路，使之發(fā)出低電平關(guān)閉主控門，直到下一個信號脈沖到來之前，執(zhí)行機構(gòu)停止工作。輸出0電平同時經(jīng)R－S觸發(fā)器觸發(fā)后發(fā)出0電平使計數(shù)器清零，待下次進刀時重新計數(shù)。
　　8位二進制比較器在4位二進制比較器基礎(chǔ)上構(gòu)成，4位二進制比較器可用原理圖也可用ABEL－HDL語言設(shè)計。
??? 控制脈沖形成電路用原理圖設(shè)計，見圖3。

　　當(dāng)?shù)毒咭苿拥揭欢藭r，干簧管檢測整形電路發(fā)出低電平，使門電路1發(fā)出高電平，在停止信號未到來時，門電路2發(fā)出低電平，經(jīng)門電路3反相后發(fā)出穩(wěn)定的高電平，打開主控門讓脈沖信號通過，同時送給驅(qū)動電路和計數(shù)器。
　　干簧管檢測整形電路以干簧管作為傳感器，例如：當(dāng)磨頭或刨刀運動到機床一端時，安裝在刀具上的小磁鐵正好接近干簧管使其吸引接地，產(chǎn)生負(fù)脈沖信號觸發(fā)由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路，然后再進行整形延時處理發(fā)出一定寬度的穩(wěn)定的低電平。
　　脈沖信號用32768Hz石英晶振和分頻器組成，分頻器設(shè)在ISP器件內(nèi)部，見圖4。
　　放大部分采用晶體管放大電路，由它驅(qū)動直流靈敏繼電器，當(dāng)電流變化時繼電器迅速動作，從而使交流接觸器動作，進而使電動機通電，帶動執(zhí)行機構(gòu)運轉(zhuǎn)。

　　在頂圖原理設(shè)計中，輸入輸出必須加緩沖器，鎖定在ispLSI1032E的管腳上，本研究的技術(shù)路線是：數(shù)字系統(tǒng)部分設(shè)計→輸入計算機產(chǎn)生JEDEC文件→下載到ISP器件里→設(shè)計外圍電路、選擇外圍器件→繪制總原理圖和接線圖→安裝、調(diào)試→測試、驗證。
??? 本文介紹的采用在系統(tǒng)可編程邏輯器件設(shè)計的自動進給數(shù)控裝置，不僅簡化了硬件的開發(fā)和制造過程，而且使體積大大減小，提高了系統(tǒng)的可靠性。更重要的是僅僅通過改變軟件設(shè)計，就可以改變進給量，實現(xiàn)不同數(shù)控裝置的不同要求。