（机械电子工程专业论文）基于stm32的计数器码盘组装机设计.pdf

摘要 摘要 计数器是枕械式里程表的重要组成部分 机械式里程表由于计数稳定 价 格低廉 在汽车 摩托车 农用车鼙程表中应用广泛 我国作为汽车和摩托车 的生产和消费大国 量程表计数器的需求和生产量很大 目前 在我国并没有 专门的自动化设备来组装计数器 计数器生产企业大多采用手动操作的简易机 械装置来组装计数器 生产过程中的自动化水平很低 生产效率低 计数器的 组装完全依靠人工操作 产品质量很难保证 本文针对计数器生产中存在麴问题 在机械结构设计 控制系统设计和控 制算法上找到了相应的解决途径 本课题开发一种自动化程度较高的计数器码 盘组装机 以替代手动劳动 实现计数器码盘组装的自动化 具有较高的生产 效率 并且对工件的质量进行精确控制 为实现计数器的自动组装 本文设计了专门的机械机构 并对计数器组装 机的工作流程进行了分析和研究 设计了专门的机械机构 用于实现自动组装 和位移测量 针对计数器组装枧实际的工作情沉 缨他其工作流理 并对不嗣 韵阶段采用不同的控制方法 以达到合理的控制效果 开发以s t m 3 2 为核心的控制系统 在控制系统硬件设计中 完成了微控制 器模块 液晶显示 位移测量等电路的设计 在此基础上为保证系统的稳定可 靠运行 加入了电源电流检测电路和温度检测电路 系统的软件设计方面 完 成了系统控制流程 人际交互界面 加速控制算法 模糊p i d 控制算法以及异 常检测和处理等功能模块的程序 通过加入硬件和软 牛抗于扰措藏 提离系统 的抗干扰能力 保证系统的可靠稳定运行 控制方法方面 为使执行机构快速平稳加速 研究了加速控制算法 为保 证产品质量和提高执行机构的控制精度 在闭环控制中加入模糊p i d 控制算法 并将控制算法在嵌入式s t m 3 2 上实现 在加速控制算法中 脉冲频率的获得不 用事先查表 丽是根据加速阶段的速度值由微控制器s t m 3 2 实时计算发送给步 进电机的脉冲频率 加速曲线可由棚关的参数来修改 通过对被控对象的分析 建立了被控对象的数学模型 将模糊控制和经典p i d 控制楣结合 褥到模糊p i d 控希l 算法 得到p i d 的三个控制参数的模糊控制规则 在计算机上利用m a t l a b 对模糊p i d 控制算法进行仿真 验证该方法的可行性 捅婴 一一 一 本课题设计并制作了计数器组装机的样机 在多次试验和现场调试 测试 系统的运行时间以及不同的控制方法对产品质量的影响 经过这些试验从而验 证了计数器组装机的生产效率较之前提高了一倍以上 产品质量得到了很好的 保证 得到了厂家的认可 关键词 计数器组装机s t m 3 2 模糊p i d 步进电机 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o u n t e ri st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h em e c h a n i c a lo d o m e t e ra n dd u et o c o u n ts t a b i l i t ya n dl o wp r i c e m e c h a n i c a lo d o m e t e ri su s e dw i d e l yi nc a r m o t o r c y c l e a n da g r i c u l t u r a lv e h i c l e s o u rc o u n t r yi sal a r g em a n u f a c t u r e ra n dc o n s u m e ro f a u t o m o b i l ea n dm o t o r b i k e a n dt h ef a c t o r i e sp r o d u c eag r e a tq u a n t i t yo fo d o m e t e r c o u n t e ri no r d e rt om e e td e m a n d a t p r e s e n t t h e r ei s n os p e c i a la u t o m a t i o n e q u i p m e n tt oa s s e m b l ec o u n t e r si nc h i n a c o u n t e rp r o d u c t i o nf a c t o r i e sm o s t l yu s e m a n u a lm e c h a n i c a ld e v i c et oa s s e m b l ec o u n t e r s a n dc o u n t e ra s s e m b l y d e p e n d s e n t i r e l yo na r t i f i c i a lo p e r a t i o n s ot h ea u t o m a t i o nl e v e la n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi s l o w t h ep r o d u c tq u a l i t yi sv e r yd i f f i c u l tt og u a r a n t e e t os o l v et h ep r o b l e m so fl o w p r o d u c t i v i t y t h ep o o rc o n s i s t e n c yo fp r o d u c t q u a l i t y a n dl a b o ri n t e n s i v e t h ew r i t e ro ft h i sa r t i c l ef o u n do u tt h ec o r r e s p o n d i n g s o l u t i o ni nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g n t h ec o n t r o l s y s t e md e s i g na n dc o n t r o l a l g o r i t h m i nt h i sp r o j e c t ah i 曲一l e v e la u t o m a t i o nm a c h i n ef o ra s s e m b l i n gc o u n t e r p l a t ei sd e v e l o p e da sas u b s t i t u t i o nt om a n u a ll a b o r w h i c hm a k e st h ea u t o m a t i o no f c o u n t e rp l a t ea s s e m b l y ah i g h e rp r o d u c t i v i t yc a nb eo b t a i n e d a n di ta l s om a k et h e c o n t r o lt ot h eq u a l i t yo f p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y i nt h i sa r t i c l e t or e a l i z et h ea u t o m a t i o no fc o u n t e rp l a t ea s s e m b l y t h es p e c i a l m e c h a n i c a ls t r u c t u r ei sd e s i g n e da n da n a l y s e sa b o u tt h ew o r k i n gp r o c e s so fm a c h i n e f o ra s s e m b l i n gc o u n t e rp l a t ea r ed o n e t or e a l i z et h ea u t o m a t i o no fc o u n t e r p l a t e a s s e m b l ya n dm e a s u r e m e n to fd i s p l a c e m e n t t h es p e c i a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r ei su s e d 0 琏t h eb a s i so fa c t u a lo p e r a t i o no fa s s e m b l i n gc o u n t e rp l a t e t h ew o r kp r o c e s si s r e f i n e d a n dd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o di su s e di nd i f f e r e n ts t a g e st oa c h i e v er e a s o n a b l e c o n t r o e 往 e c t c o n t r o ls y s t e mb a s e do ns t m3 2h a sb e e nd e v e l o p e d i nt h eh a r d w a r ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e m t h ew r i t e ro ft h i sa r t i c l eh a dc o m p l e t e dt h em i c r oc o n t r o l l e rm o d u l e 1 1 i a b s t r a c t l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t c i r c u i td e s i g n e t c o nt h i sb a s i s f o r e n s u r i n gs y s t e mw o r ks t a b l ya n dr e l i a b l y t h ep o w e re l e c t r i cc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t a n dt e m p e r a t u r ed e t e c t i o nc i r c u i tw e r ea d d e d i nt h es o f t w a r ed e s i g no fc o n t r o l s y s t e m t h es y s t e mc o n t r o lp r o c e s s h u m a ni n t e r f a c es o f t w a r e a c c e l e r a t i o nc o n t r o l a l g o r i t h m f u z z yp 1 dc o n t r o la l g o r i t h m a n o m a l yd 文e a i o na n dt r e a t m e n ts o f t w a r eo f f u n c t i o nm o d u l ea n ds oo na r ec o m p l e t e d t h ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e si nh a r d w a r e a n ds o f t w a r ei m p r o v et h es y s t e mo fa n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n de n s u r et h a tt h e s y s t e mi sr e l i a b l ea n ds t a b l eo p e r a t i o n i nc o n t r o la l g o r i t h m a c c e l e r a t i o nc o n t r o la l g o r i t h mi sm s e a r c h e df o rt h er a p i d e n f o r c e m e n ta g e n c i e ss m o o t ha c c e l e r a t i o n a n df u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mi su s e di n c l o s e dl o o pc o n t r o lt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c ta n di m p r o v et h ec o n t r o l p r e c i s i o n o ft h e a c t u a t o r i na c c e l e r a t i o no fc o n t r o la l g o r i t h m l o o p u pt a b l ei n a d v a n c et h a tm i c r oc o n t r o l l e rs t m 3 2r e a l t i m ec a l c u l a t e ds e n dt op u l s ef r e q u e n c yo f t h es t e p p i n gm o t o r a n da c c e l e r a t i o nc u r v e sc a l lb er e l a t e dt or e v i s et h ep a r a m e t e r s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o l l e do b je c t am a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ec o n t r o l l e d o b j e c tw a sc o n s t r u c t e d a n df u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mi so b t a i n e db yc o m b i n a t i o n o ff u z z yc o n t r o la n dc l a s s i c a lp i dc o n t r o l s t h r o u g ht h eo nt h ec o m p u t e rt ou s eo f m a t l a bf u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h ms i m u l a t i o na n a l y s i s v e r i f yt h ef u z z yp i d c o n t r o le f f e c ti sg o o da n ds t a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yi sc l e a r l ys u p e r i o rc o n v e n t i o n a l p i dc o n t r 0 1 i nt h i sa r t i c l e ap r o t o t y p eo fc o u n t e ra s s e m b l em a c h i n ew a sd e s i g n e da n d p r o d u c e d w h i c hc o u l dm e a s u r e t h eo p e r a t i o nt i m ea n dt h ei m p a c to fd i f f e r e n tc o n t r o l m e t h o dt ot h eq u a l i t yo fp r o d u c t s t h r o u g ht e s t s a n dv e r i f yt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y o ft h ec o u n t e ra s s e m b l em a c h i n ew a si n c r e a s e dm o r et h a n10 0 t h ep r o d u c tq u a l i t y w a sg u a r a n t e e dp e r f e c t l ya n do b t a i n e dt h em a n u f a c t u r e r sa p p r o v a l k e y w o r d s c o u n t e ra s s e m b l em a c h i n e s t m 3 2 f u z z yp i d s t e p p i n gm o t o r i v 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 计数器是机械式里程表的重要组成部分 机械式里程表由于计数稳定 量 大价格低廉 在汽车 摩托车 农用车里程表中应用广泛 我国作为汽车和摩 托车的生产和消费大国 里程表计数器的需求和生产量很大 除满足国内市场 外 大量销售到国外 然而目前我国计数器的生产自动化水平很低 计数器的 组装完全由人工操作 产品质量很难保证 计数器由六个数字码盘 齿轮 齿轮固定架 固定轴和铜垫组成 计数器 实物图如图1 1 所示 在实际的生产中 需要将六个数字码盘在一根轴和铜垫组 装起来 并且保证铜垫和数字码盘之间的间隙在合理的范围之内 计数器的间 隙一般控制在0 1 7 0 2 3 r a m 在我国没有专门的自动化设备来组装计数器 目 前大多数企业是采用简单的机械装置来组装计数器的 上海某一家计数器生产 厂家采用的简易机械式组装装置如图1 2 所示 图1 1 计数器实物图图1 2 简易机械式组装装置 目前生产中 采用简易机械式组装装置组装计数器的过程是 首先工人将 齿轮放入齿轮固定架中 然后将末尾数字码盘穿入轴中 依次穿入齿轮架 码 盘 将轴放入工作台的定位孔中 操作手柄向下压 将码盘压紧 读出百分表 上的读数记为西 将手柄抬起回到初始位置 套上铜垫 铜垫的厚度记为h 此 时工人要计算出下次压下的位置记为 巩 斛j 其中占为预期的间隙值 再 1 绪论 次操作手柄压下铜垫到 d l h 占 位置时停止 实际的生产中 工人在手工操作压杆压入铜垫时 由于施加的压力每次都 会有差别 从而导致生产出来的计数器的间隙值差别很大 工人操作手柄的同 时还要计算下次压入的位置 需要时刻看着百分表上的读数 对工人的要求比 较高 完成一个工件的组装需要较长的时间 为保证产品质量 计数器组装后 需要专人对产品全部检测 不合格的产品拆丌后重新组装 这样就加重了产品 检测的任务和生产的重复性 从而造成人力物力的浪费 检测计数器质量的装 置如图1 3 所示 图1 3 计数器检测装置 1 2 计数器生产中存在的问题及解决方法 1 2 1 计数器生产中存在的问题 目前 在我国没有专门的自动化设备来组装计数器 生产计数器的企业大 多采用手动操作的简易机械装置来组装计数器 简易机械装置虽然造价较低 但是在实际的生产中 采用这种装置生产的计数器 产品的质量很难保证 目 前计数器生产中主要存在如下问题 问题一 生产效率低 采用手工组装计数器的方式 组装一个产品 工人 需要压下两次手柄才能完成 而且在第一次压入手柄后需要记住当前的百分表 的读数 并计算出下一次需要压入的位置 组装一个产品所用的时间约6 1 0 秒 钟 生产的时间太长 l 绪论 问题二 产品的质量很难保证 采用手工组装计数器 由于工人的熟练程 度以及每次压入时施加的压力都不尽相同 会造成工件的问隙值或大或小 产 品的一致性较差 计数器的间隙值差别很大 问题三 劳动强度大 人力成本高 由于是人工操作压入 在第二次压入 钢垫时 工人需要施加大约5 0 0 n 的压力才珂z 匕1 2 将铜垫压入 正常生产时一条生产 线的嚣产量大约在6 0 0 0 个左右 工人的劳动强度显然是比较大的 而且为了保 证产品的质量需要较为熟练的操作工人 增加了人力成本 1 2 2 阀题的解决方法 要解决计数器生产中存在的生产效率低 产品质量一致性差 劳动强度大 的问题 需要采用自动化的生产设备来替代人工劳动 将工人解放出来 为此 有必要设计设计一台自动化穰度较高的计数器组装机 以替代人工劳动实现计 数器的自动组装 本课题开发的计数器组装机主要从如下三个方厦来解决上述 问题 1 设计专门的机械机构 本文结合简易机械装置的工作原理 设计了专门 用于组装的机械结构一加力装置 加力装嚣主要由主压头和副压头组成 加力 装置用来压入铜垫以及方便位移的测量 铜垫在被压入的过程中主副压头会产 生相对位移来 位移传感器测量二者的相对位移 2 设计组装的控制系统 控制系统主要包括主控制器 步进电机驱动器 位移传感器等 由步遴电机带动加力装置来实现自动组装 主控制器控制步进 电机运动 利用位移传感器来测量加力装置主副压头的相对位移 进而可间接 得到正件的实际间隙值 3 采用合理的控制算法 为了提高执行机构的运行效率 使步进电机加速 迅速乎稳 研究了步进电机的启动加速控制算法 为提高步进电机的位置控制 精度和减小超调量 采用模糊p i d 控制算法来控制执彳亍机构的运行 执行机构 的控制精度提高了 产品的质量就有了保证 1 3 论文研究的主要内容 本文研究的主要内容如下 对计数器组装过程进行了分析和研究 设计了专门的机械机构 并对计 l 绪论 数器组装机的工作流程进行了分析 设计了专门的机械机构 用于实现自动组 装和位移测量 针对计数器组装机实际的工作情况 细化了其工作流程 并对 不同的阶段采用不同的控制方法 以达到合理的控制效果 2 研究了执行机构的启动加速控制算法 并将其在嵌入式s t m 3 2 上实现 结合步进电机的转矩频率特性盐线 研究执行机构在启动加速过程中的最优化 加速越线 根据设定的加速函数曲线 凼微控制器计算得到各个时刻发送给步 进电祝驱动器的脉冲频率 馒执行机构能够快速平稳地加速到冒标值 而且 整个加速函数曲线可以通过系统参数进行修改 方便系统调试和提高系统的灵 活性 3 研究模糊p i d 控制算法 并将其应用到执行机构的位置控制中 为提高 执行机构的位置控铡精度 本文将模糊控制和经典p i d 控制相结合 得到模糊 p i d 控制算法 根据理论和实验分柝 得到p i d 的三个控制参数的模糊控制规 则 在计算机上利用m a t l a b 对模糊p i d 控制算法进行仿真 验证该方法的 可行性 4 开发以s t m 3 2 为核心的控制系统 在控制系统硬件设计中 完成了微 控制器模块 液晶显示 位移测量等电路的设计系统的软件设计方面 完成了 系统控制流程 人际交互界面 加速控制算法 模糊p i d 控制算法以及异常检 测和处理等功能模块的程序 通过加入硬件和软件抗于扰措施 提高系统的抗 干扰能力 保谖系统的可靠稳定运行 5 本课题设计并制作了计数器组装机的样机 对计数器组装机进行了试 验 验证了整个系统的可行性 以及采用启动加速控制算法和模糊p i d 控制算 法提高了生产效率和产品质量 2 计数器组装机的整体方案 2 计数器组装机的整体方案 2 1 计数器组装机的功能 2 1 1 计数器组装机的功能划分 本文设计的计数器组装机主要功能是完成计数器的自动组装 同时具有较 高的生产效率 能够较好地保证产品的质量 执行机构的控制精度和重复精度 高 计数器组装机的具体功能如下 1 具有较高的产品质量 计数器的结构如图2 1 所示 为计数器的目标 间隙 是在6 个数字码盘压紧且紧贴右边的卡簧时 码盘与铜垫的距离 实 际生产中计数器的目标间隙品为0 2 0 m m 品的值一般控制在o 1 7 m m 0 2 3 m m 之间 考虑到数字码盘和铜垫端面的尺寸误差 最大误差有o 0 2 5 m m 为保证 工件的间隙在合理的范围之内 铜垫的压入位置必须保证在o 0 0 5 m m 之内 压 头在压入铜垫的过程中 加力装置需提供至少5 6 0 n 的压力才能将铜垫可靠压 入 同时 产品的质量一致性要好 废品率要控制在千分之五以内 图2 1 计数器的结构图 2 实现自动组装 组装计数器时 工人只需要把未组装的工件放在工作台 上 按下启动按键 系统就能运行 执行机构向下运动自动压入铜垫 铜挚压 入的位置也由整个系统来控制 要实现计数器的自动组装就要求系统能够检测 铜垫压入的位移 以及能够显示产品的实际间隙 3 较高的生产效率 根据工厂的要求 组装一个产品的时间应控制在3 秒 之间 为了使整个组装过程具有较高的生产效率 这就要求在系统的结构设计 时 加力装置离计数器的距离要尽量小 这样可以缩短执行机构的空行程距离 同时在空行程阶段 控制系统要能够控制执行机构具有较高的运行速度 缩短 2 计数器纽装机的整体方案 空行程阶段的运行时间 本文主要从机械结构和控制系统两个方面来完成计数器组装机的 机械机 构是整个系统的载体 功能很明确 控制系统作为整个系统的灵魂 其功能还 需要进一步细化 2 1 2 控制系统功能划分 计数器组装机的控制系统主要用来完成计机器自动组装的整个工你流程 同时要方便用户操作 能对系统工作过程中的状态进行监测 控制系统的功能 主要有以下几个部分 1 输入输出功能 输入方面 控制系统要有能使计数器组装机运行的启动 按钮 当启动按钮被按下后 控制系统能够运行执行相应的动作 控制系统也 要有一个停止按钮 当要使系统停止运行以及遇到异常情况需要紧急停机时 按下停止按钮系统停止运行 由于执行机构每次都要从初始位置开始运行 系 统要有能够检测执行机构的初始位置的传感器 由于系统要设鬣一些参数 因 此需要有参数设置按键 为了方便调试 要有能够手动控制执行机构上下运行 的按键 输出方面 除控制步进电机的输出端口外 由于步进电机长时间运行 会发热 为了增强步进电机的散热能力 需要在步进电机上加一个敞热风扇 增加一路输遭 2 位移的测量 计数器组装机王 乍过程中 在铜垫被压入的阶段 荛保证 工件的闻隙在爵标值附近 系统簧对铜垫被压入的位置进行控制 此时对步进 电机采用闭环控制方式 需要位移传感器能够检测铜垫被压入的位置 3 良好的人机交互 系统要有良好的显示界面和方便用户操作 显示界面 要能够显示系统的当前状态 比如向下运行 向上运行 实际间隙值等 同时 要有完善的参数设置功能 方便用户操作 因此在设计硬件电路时需要考虑采 用性能较好的液晶屏 两在软件设计时需要根据用户的操作习惯来设计显示界 面 透过良好的人机交互设计使系统具有很麓便的操作 方便用户使用 唾 执行机构的控制 系统要控制执行机构的运行 控制的内容包括启动加 速阶段的速度控制和加力装鹭压入铜垫阶段的位置控制以及运行方向控制等 在启动加速阶段 为保证执行机构快速平稳加速 需要控制执行机构的速度按 照一定的曲线加速 在加力装置压入铜垫的阶段时 要对执行机构的位置进行 控制 以保证工件的实际间隙在目标值的范围之内 2 计数器组装机的整体方案 5 模糊p i d 控制算法的实现 为了提高执行机构的控制精度 减小超调量 和提高响应速度 在闭环控制方式中加入模糊p i d 控制算法 在微控制器的选 择上要保证其处理性能能够实现模糊p i d 控制算法 6 异常状态检测 计数器组装机在工作过程中可能会出现一些异常情况 比如出现步进电机堵转 温度较高等情况 系统要能够检测到这些异常情况以 及对这些异常情况做出相应的处理 因此在硬件电路设计上需要加入电流检测 电路和温度检测电路 在软件设计方面也要加入一些软件抗干扰措施 以提高 系统的可靠性 保证系统稳定运行 2 2 结构设计 2 2 1 系统的结构组成 计数器组装机的机械结构图如图2 2 所示 1 步进电机 2 减速器 3 液晶显示板 4 联轴器 5 滚珠丝杠 6 主压头 7 副压头 8 工件 9 磁尺 1 0 线性导轨 图2 2 计数器组装机的结构图 2 计数器组装机的蕤体方案 2 2 2 执行机构的设计 为保证加力装置能够提供足够的压力以及尽可能提高机器的使用寿命 传 动丰足槐采用步进电机经减速器带动滚珠丝杠 进两带动加力装置 由步进电机 的转矩频率特性曲线可知 步进电枫的输出转矩会随着转速的升高丽降低 执 行机构在以较高的速度运行主压头压到铜垫突然加力时 为使传动机构不至于 因转矩降低而卡住 在传动机构中加入了减速器来提高执行机构的输出转矩 本文选用的是行星减速器 减速器的减速比为5 传动机构结构图如图2 3 所示 图2 3 执行枧毒句结构图 为了提高传动效率和工作寿命 传动机构上加入了滚珠丝杠 滚珠丝杠副 与传统丝杠副相比较 具有传动效率高 摩擦阻尼小 传动可逆性 轴向刚度 高 运动平稳等特点 滚珠丝枉副的转矩为 f o t o 2 彤枷 r 2 1 式中只为加在滚珠丝杠的轴向载荷 乃为旌加于滚珠丝杠上的驱动力矩 刀口为滚珠丝杠的传动效率 n 为滚珠丝杠的导程 2 计数器组装机的整体方案 计数器组装机工作过程中 压头开始铜垫的时候 步进电机的输出转矩约 为o 5 6 n m 减速器的减速比为5 减速器的效率为8 5 所以经减速器后加在 滚珠丝杠上的力矩死 2 5 5 n m 滚珠丝杠的导程p h 5 m m 取滚珠丝杠的传动 效率r 口 9 4 由式 2 1 计算可得f 2 8 3 9 n f 5 6 0 n 因此加力装置满足计 数器组装过程的需要 计数器组装机工作中可能会遇到一些异常情况 比如工作过程中由于温度 过高导致步进电机失控 此时可能会带动加力装置一直向下运动 将工件压碎 甚至损毁滚珠丝杠 为了保护关键部件滚珠丝杠不至于受到损坏 有必要对滚 珠丝杠所能承受的最大轴向力进行校核 当出现上述异常情况时加力装置将工 件压坏而不至于损坏滚珠丝杠 当加在计数器的压力大于3 0 0 0 n 时 计数器会 损坏 假定滚珠丝杠受到的最大轴向载荷 3 0 0 0 n 滚珠丝杠的型号是台湾 a b b a 公司的s f u 2 0 0 5 1 6 由该滚珠丝杠的规格表查得滚珠丝杠的导程n 5 m m 静额定载荷c o 口 2 3 8 0 k g f c 口 1 1 3 0 k g f 安装间距离l 5 1 m m 由轴向 屈服载荷图查得 滚珠丝杠轴向容许的最大载荷p 9 2 0 0 n f a m 只 所以当 工件损毁时的压力不会使滚珠丝杠损坏h 1 2 2 3 加力装置的设计 设计专门的机构一加力装置来组装计数器和方便工件间隙值的检测 加力 装置的结构如图2 4 所示 由主压头和副压头以及主压头上的复位弹簧组成 在工作中 主压头直接接触铜垫 将铜垫压下 是直接加力的 副压头和工件 的码盘直接接触 副压头上贴有位移传感器的磁条 当副压头接触到码盘后 若主压头继续压入 主副压头之间就会有相对位移 加力装置的主副压头之间 的相对位移可由位移传感器直接测量得到 根据加力装置的结构设计 可以推导出工件间隙和加力装置主副位移的关 系式 在图2 1 中 为初始状态下 主压头端面和副压头端面之间的距离 该 值是常量 约为5 m m 如图2 5 所示是计数器组装过程中压入铜垫时的状态 h 为铜垫的厚度 约为1 5 r a m s 为压入过程中主压头和副压头之间的位移 品 是压入过程中工件的间隙 是铜垫和码盘之间的实际间隙 由图2 5 可知它们 的关系为 l s 品 h 2 2 2 计数器纽装机的整体方案 由式 2 2 可得 若工件的目标间隙为 那么铜垫压入的位移舄应为 s t l s e h 2 3 圈2 4 鸯羹力装置结 橡图图2 5 莲头压入锅垫麴状态 在工作中 加力装置用来加力和方便压入位置的测量 主控制器根据 位移传感器的测量值经上述公式得到当前的工件的实际闻隙 通过控制加 力装置的运动量使工件的实际间隙在器标范围之内 从焉实现计数器的缱 东组装 2 3 控制系统设计 2 3 1 控制系统的结构框图 计数器组装视控系统主要由主控制器 位移传感器 启动停止按键 初始 位置检测传感器 步迸电机驱动器 步进电机 电源组成 其中 主控制器基 于嵌入式处理器s t m 3 2 自主开发的控制器 步进电机采用雷赛公司的两相混合式步进电机5 7 h s 2 2 步进电机的驱动器 采用雷赛公司的步进电机驱动器m a 8 6 0 该驱动器采用恒流模式 具有极低的 电源损耗和极高的开关效率 磁概位移传感器选用上海平信机电公司的 m r 2 0 0 d 技术参数为 分辨率l g m 输出信号为盯毛的 供电电压为d c 5 v 由步进电机的转矩频率特性可知 在较高转速下转矩会下降变得较低 为了提 l o 2 计数器组装机的整体方案 高步迸电机的转矩 一种可行的方法是提高驱动器的供电电压 为此采用 a c 4 8 v 5 a 的变压器供电 控制系统的结构框图如图2 6 所示 图2 6 控制系统的结构框图 2 3 2 基于s t m 3 2 的主控制器设计 计数器组装枫主控制器的硬件结构框图如图2 7 所示 主要包括微控制器 模块 输入单元 液晶显示模块 位移测量单元 温度测量单元 电流检测单 元 控制步进电机的输出 控制散热风扇输出等 i 输入单元 l h 控制输出 八 驱动器 l 一l 叫 ll c d 显示 h 微控制器 l s t 越3 2 a控制输出卜 教热风扇 v 叫 l 位移测量 l 一 电流测量 一 i n i y 测量 一 1 图2 7 主控制器硬件结构框图 在计数器组装机的主控制器中 微控制器作为控制系统的核心 主要完成 各检测单元的输入检测 整个系统的控制流程 完成执行机构的启动加速控制 算法 模糊p i d 控制算法以及l c d 显示等 按键输入单元分为启动 停止按钮 的输入 初始位置的检测输入和参数设置按键的输入 液晶显示界面 主要用 于显示系统的当前状态 参数显示界面和参数设置爨面等 位移测量单元采用 2 计数器组装机的整体方案 磁栅式位移传感器 用来测量加力装置的主副压头之间的相对位移 经微控制 器处理后间接得到工件的实际间隙 电流检测单元用于检测步迸电机的电源电 流 从而判断步进电机是否出现堵转等异常情况 步进电机控制输出单元用于 控制步进电机的运行方向 运行速度 运行的位移 温度测量单元用于采集步 进电机表面的湿度 控制散热风扇输出部分主要用于控制散热风扇的转速来加 强步进电视的散热强 2 3 3 嵌入式处理器s t m 3 2 控制系统采用意法半导体公司的s t m 3 2 系列的微控制器 微控制器作为控 制系统的核心器件 其选型至关踅要 在微控制器选型上主要考虑如下因素 1 微控制器的片内资源及集成度 微控制器的片内资源主要指i o 口数量 片内存储器的容量大小 外设资源等 微控制器的片内集成度高 这样就会减 少外围器件 降低外围电路的设计难度踊1 2 开发周期 芯片公司提供完善的开发工其和开发文档 就可以缩短开发 者的开发时间 加快产品进入市场 3 稳定性和可靠性 微控制器的电气参数要满足设计要求的同时 要求微 控制器能够在较为恶劣的环境下稳定可靠地工作 4 开发成本尽可能低 开发成本主要包括微控制器的硬件成本 开发费用 等 芯片本身的价格要低 丽时易予开发 适蠲予通用的开发平台 这样开发 成本就较容易控翻p 1 5 有升级余地 微控制器的硬件兼容性要好 在微控制器厂家的丽一系列 的产品中 高系列的产品要尽可能兼容低系列的 这样产品的升级较为容易涵 微控制器选型时 考虑到以上因素 经过理论分析和比较 本系统选择意 法半导体公司的s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 作为微控制器 s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 是s t 公司 推出的功能基于a r mc o r t e x m 3 内核的3 2 位微处理器 具有集成度高 性能 稳定 外围毫路简单 便于开发 成本低等优点 主要具有以下特点扣3 1 内核结构 采用a r m 最新的 先进架构的c o r t e x m 3 肉核 采用哈佛 处理器结构 在取指令的同时可以读取府储数据 三级指令流水线 比a r m 7 处理器性能高3 5 且代码最多可节省4 5 2 指令的处理速度 s t m 3 2 采用先进的r i s c 结构 精简指令集 支持 t h u m b 2 指令集 具有很蔫的代码密度 并能达到非常接近于3 2 位a r m 指令 1 2 2 计数器组装机的整体方案 集的性能 在一个指令周期内实现乘法指令和除法指令 最高工作频率7 2 m h z 1 2 5 d m i p s m h z 一 3 存储器资源 片上集成5 1 2 k 字节的f l a s h 6 4 k 字节的内部s r a m 4 丰富的外设资源 i o 口 s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 具有8 0 个通用i o 口 所 有的i o 口都可以配置成输入输出或者复用 所存的i o 豳都可以映射到1 6 个 外部中断向量 除模拟端隧外 都可以接受5 v 输入 i o 翻的翻转速度可到 1 8 m h z 定时器 计数器 s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 具有4 个通用定时器用 数器 2 个 高级控制定时器和2 个2 4 位递减系统时基定时器 具有独立的预分频器 内部 a d c 内嵌2 个1 2 位的模拟 数字转化器a d c 每个a d c 有1 6 个外部通道 在a d c 时钟为7 2 m h z a d c 转换时间为1 1 7 微秒n 0 1 5 可靠性 片内具有看门狗定时器 用来检测外部干扰或无法预知的逻辑 条件孳 起的软件错误 这些条件会导致应用程序偏离正确的执行顺序 有l o 个 1 6 位的备份寄存器 用于存储2 0 个字节的用户应用程序数据 当掉电时备份 寄存器中的数据不会丢失 6 低功耗 具有休眠 停机和待机三种低功耗模式 三种低功耗模式和灵 活的时钟控制机制 用户可根据自己的要求合理耍已置 编程与调试 片杰嵌入了a r ms w j d p 接口 并且结合了j t a g 和串 行线调试端嗣 在启动黠 b o o t 引脚可用来选择b o o t 的导入程序 从用户f l a s h 寻入 欲系统存储器导入 从s r a m 导入 当b o o t 导入程序位子系统存储器 可通过u s a r t l 对f l a s h 存储器重新编程n 经理论分析和试验验证 s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 完全能够满足计数器组装机控 制系统的功能设计要求 2 3 4 液晶显示电路设计 液晶显示屏采用的是高分辨率的2 4 0 x 4 3 2 盯t 显示屏 显示屏主控芯片采 用的是r 6 1 5 0 9 v 微控制器采用l6 位总线直接控制显示屏 如图2 8 所示为徽 控制器与液晶显示屏的接口电路 液晶屏引脚介绍鞋默 d b o d b l 5 数据总线 c s 片选 低电平