基于ISP芯片的机床自动进给数控装置的设计

【摘　要】　介绍了应用Lattice公司的在系统可编程器件（ISP）来实现一种新型机床自动数控装置的方法。
    关键词：自动进给，数控装置，在系统可编程器件

1　引　言
　　随着微电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，数控机床应运而生，它是一种具有广泛通用性的高效率自动化机床。数控机床同一般自动化机床的区别在于：后者的自动化程度虽然很高，但它们主要依靠模板、凸轮、专用夹具和刀具、定程挡板等来实现顺序的加工动作及控制刀具相对于工件的移动距离，由于专用模板、夹具和刀具等辅件的生产要求较高，生产时间较长，生产成本高，因此它只适合于大批量生产。而数控机床既具有高效率的自动化特性，又具有广泛的通用性。数控机床在改变加工对象时，除重新选择相应刀具外，仅需更换一下控制介质，或改变一下控制介质的内容，即可进行新零件的加工。机床自动进给数控装置是运用数字电路控制机床自动进给的设备，其用途很广：如磨床的磨头从一端运动到另一端时实现自动进给，创床的创刀往返一个行程时完成自动进刀等。由于ISP器件是大规模集成电路器件，可以容纳大型数字系统并可反复编程，因此，用ISP器件来实现机床自动进给数控装置可实现体积小、成本低、可靠性好、耗电少、使用灵活方便等要求。ISP器件已经成为实现数控装置的重要器件。
2　机床自动数控装置的设计
    图1是实现机床自动进给的方框图。
    机床两端的适当位置安装了干簧管传感检测器，因此当刀具运动到机床一端时，检测器便发出一个电信号，此信号通过整形移位电路产生标准负脉冲信号，这个信号通过“控制脉冲形成电路”产生高电平输出，使“主控门”打开，信号源发出的脉冲信号通过主控门再经“放大器”放大后驱动“执行机构（进给机械装置）”。“执行机构”根据脉冲数量的多少决定进给量。脉冲信号同时还送到计数器进行计数。这个计数器是可预置的“可变进制计数器”。当计数脉冲等于预置数时，预置电路立刻发出“停止信号”，并送到控制脉冲形成电路，产生一个低电平输出信号封锁主控门，直到下一个信号脉冲到来之前，执行机构停止动作。同时，预置电路产生清零信号使计数器回到零状态，待下次进刀时再重新计数。

3　机床自动数控装置的实现方法
　　本控制系统的设计是采用基于ISP芯片的自顶向下的模块化设计方法，ISP芯片选用Lattice公司的ispLSI1032E器件，该器件有32个GLB，6000个PLD等效门，84个管脚，64个I／O端，8个直接输入端，最高工作频率为90MHz。设计工具选用Lattice公司和DATA I／O公司联合设计的isp Synario System应用开发软件，该软件是一套进行FPLD设计的高级设计工具，它基于Windows操作系统，支持多种模块设计输入方式，如：电路原理图、ABEL－HDL、VHDL语言、Verilog－HDL语言等。该软件支持逻辑功能仿真、器件时序仿真及逻辑综合，可用原理图、语言和混合法三种输入方式工作，它是一种先进的FPLD设计系统。在控制系统的数字部分，系统顶层设计包括子系统功能分配、内部功能块的联结和对外的接口关系，采用电路原理图输入。
　　本数字系统主体电路：信号源（外接晶振、R、C）、可变进制计数器、控制脉冲形成电路和主控门，这些都设计在Lattice公司生产的ispLSI1032E－70PLCC84器件内部。下面是用ABEL－HDL语言编写的可预置的8位二进制加法计数器电路：


    图2是用原理图编辑的可变进制计数器电路。
　　当计数器输出的8位二进制数同预置输入的8位二进制数相等时，比较器输出1电平，经反相器反相后输出0电平，发出停止信号到控制脉冲形成电路，使之发出低电平关闭主控门，直到下一个信号脉冲到来之前，执行机构停止工作。输出0电平同时经R－S触发器触发后发出0电平使计数器清零，待下次进刀时重新计数。
　　8位二进制比较器在4位二进制比较器基础上构成，4位二进制比较器可用原理图也可用ABEL－HDL语言设计。
    控制脉冲形成电路用原理图设计，见图3。

　　当刀具移动到一端时，干簧管检测整形电路发出低电平，使门电路1发出高电平，在停止信号未到来时，门电路2发出低电平，经门电路3反相后发出稳定的高电平，打开主控门让脉冲信号通过，同时送给驱动电路和计数器。
　　干簧管检测整形电路以干簧管作为传感器，例如：当磨头或刨刀运动到机床一端时，安装在刀具上的小磁铁正好接近干簧管使其吸引接地，产生负脉冲信号触发由施密特触发器构成的单稳态电路，然后再进行整形延时处理发出一定宽度的稳定的低电平。
　　脉冲信号用32768Hz石英晶振和分频器组成，分频器设在ISP器件内部，见图4。
　　放大部分采用晶体管放大电路，由它驱动直流灵敏继电器，当电流变化时继电器迅速动作，从而使交流接触器动作，进而使电动机通电，带动执行机构运转。

　　在顶图原理设计中，输入输出必须加缓冲器，锁定在ispLSI1032E的管脚上，本研究的技术路线是：数字系统部分设计→输入计算机产生JEDEC文件→下载到ISP器件里→设计外围电路、选择外围器件→绘制总原理图和接线图→安装、调试→测试、验证。
    本文介绍的采用在系统可编程逻辑器件设计的自动进给数控装置，不仅简化了硬件的开发和制造过程，而且使体积大大减小，提高了系统的可靠性。更重要的是仅仅通过改变软件设计，就可以改变进给量，实现不同数控装置的不同要求。

参考文献

1　徐志军．大规模可编程逻辑器件及其应用．成都：电子科技大学出版社，1999