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摘 要：针对车用里程表上计数器生产存在的问题，设计了一种自动化水平较高的计数器组装机，用步进电机带动滚珠丝杠进而带动主副压头来实现自动组装工件。阐述了基于STM32的计数器组装机的硬件组成与软件的实现方法，最后针对样机试验的结果进行了分析。
关键词：计数器；STM32；步进电机
中图分类号:TH 文献标识码：A
引言
计数器是机械式里程表的重要组成部分，在汽车、摩托车、农用车里程表中应用广泛。我国作为汽车的生产和消费大国，计数器的生产量很大，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，生产效率低，产品质量参差不齐。
目前计数器的生产主要存在如下问题：产品的质量一致性差，同一批次的产品的间隙差别较大；生产效率低，采用人工操作而且组装一个需要压下两次，即使熟练的操作工人也需要10-15秒；人工成本较大，一个工位上需要两个熟练的工人，增加了企业的人力成本；工人的劳动强度较大。
本课题开发一种自动化程度较高的计数器组装机，以替代手动劳动，实现计数器组装过程中一次压入铜垫，并且对压头压入的位置精确控制。这样保证计数器码盘之间的间隙严格控制在允许范围之内，从而来保证产品的质量，减轻后续的检测工作。
1 系统概述
1.1 机械式计数器组装机介绍
计数器由数字码盘、轴、齿轮、齿轮固定架和铜垫组成。目前大多数企业采用简单的机械装置来组装计数器。计数器的组装过程是：首先工人将齿轮放入齿轮固定架中；然后依次穿入齿轮架、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d1；将手柄抬起回到初始位置，一个工人套上铜垫，铜垫的厚度记为h,另外一个工人计算出下次压下的位置为（d1+h+⊿），其中⊿为预期的间隙值；再次操作手柄压下铜垫到（d1+h+⊿）位置时停止。
1.2计数器自动组装机的组成
本文模仿手工组装的过程，开发一种自动化程度较高的计数器组装机，该计数器组装机主要由控制器、电机及驱动器和执行机构组成。
1.2.1控制器部分
控制部分采用STM32作为主控制器，STM32是意法半导体公司最新推出的基于ARM Cortex M3内核的32位微处理器，它具有集成度高、外围资源丰富、性能稳定、便于开发、成本低等特点。同时STM32具有丰富的外设资源，其中包括步进电机的控制单元，非常适合用于步进电机的控制和嵌入式图形界面开发。
1.2.2 电机及驱动器
电机及驱动器部分采用步进电机作为驱动单元，步进电机为新加坡MINET混合式步进电机MT57S-78。由于步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，非常适合开环控制，在速度、位置等控制领域应用非常广泛，其中执行机构采用步进电机来驱动。步进电机的驱动器采用MINET步进电机驱动器MT-2HB05HM，该驱动器能够驱动二相混合式步进电机，采用恒流模式，具有极低的电源损耗和极高的开关效率。
1.2.3 执行机构
执行机构采用减速器加滚珠丝杠的传动方式，步进电机通过减速器后，经过联轴器和滚珠丝杠带动主副压头进行上下直线运动。采用减速器可以提高步进电机的转矩和运动精度，应用滚珠丝杠不仅把电机的旋转运动转变为直线运动，而且滚珠丝杠的传动效率高、适用的速度也较高。
2 系统的硬件设计
本系统的硬件设计包括系统的机械部分和电控部分的硬件设计。
2.1 系统的机械设计
系统的机械设计要求：保证工件的目标间隙为0.17mm-0.22mm,铜垫与轴的配合方式是过盈配合，压头压入铜垫过程中的力为100N-500N。主压头在压入过程中不损伤计数器轴表面，副压头在压入过程中不影响损伤字轮。
系统的机械结构如图1所示，包括减速器、滚珠丝杠、主压头、副压头、导轨等。步进电机每步0.9°，一周400步，步进电机的转矩为1.2NM, 为了提高步进电机的输出转矩、提高分辨率加入了减速器，减速机的减速比为5，滚珠丝杠的导程为5mm，电机转1周主副压头的直线位移为1mm。控制器每给步进电机的一个脉冲对应着压头的位移为2.5微米，系统控制步进电机能够达到的精度是设计要求的20倍。
滚珠丝杠轴向力计算公式： 。
其中F为滚珠丝杠轴向力，P为滚珠丝杠的导程，T为提供给滚珠丝杆的扭矩，η为滚珠丝杠的效率。已知电机扭矩3NM，减速比5，滚珠丝杆直径D=20mm，导程L=5mm，按照公式计算，最大轴向力F为6782N，完全满足压头压入所需压力的要求。
1.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 10.线性导轨
图1 系统的机械结构图
2.2 电控部分的硬件设计
电控部分的硬件结构如图2所示，电控部分由STM32主控制单元、LCD液晶显示单元、开关量输入输出单元、位移信号检测单元、以及预留的485通讯单元组成。
图2 电控部分硬件框图
2.2.1主控制器
本文以STM32F103VET6处理器为核心，STM32VET6内置3个同步的标准定时器，每个定时器都有一个16位的预分频器和4个独立的通道，每个通道都可用于输出比较、PWM和单脉冲模式输出。STM32VET6有多达80个的快速I/O口，在APB2上的I/O脚可
达到18MHz的反转速度，每个管脚都可由软件配置成输入、输出或其他外设的功能口。利用定时器产生微秒级的中断，在定时器的中断中使输出口置高或拉低从而产生PWM脉冲信号来控制电机的转速。
2.2.2LCD液晶显示部分电路
LCD显示屏是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。模块内自带-10V负压电路，用于LCD的驱动电压，与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线。CPU与液晶屏的接口电路如图3所示。 图3 液晶屏与CPU接口电路图
2.2.3位移信号检测电路。
位移传感器采用非接触式的磁栅线位移传感器，分辨力为0.001毫米，输出信号的形式为TTL（5V），最高响应速度为3m/s。
2.2.4电机驱动电路。
CPU与驱动器的接口电路如图4所示，DIR为驱动的方向信号输入，CP为驱动器的脉冲信号输入，驱动模块内部采用光电隔离，防止驱动模块对控制器产生影响，驱动模块内部的光耦导通时触发，为可靠响应，低电平应大于4μs。其中OUT0、OUT1分别接在CPU的PC4、PC5管脚上。
图4 CPU与驱动器的接口电路图
3 软件设计
3.1主程序分析
控制系统的软件由初始化程序、参数读取程序、按键操作程序、LCD显示程序、电机控制函数以及定时器1的中断服务函数组成。系统主程序流程如图5所示。其中按键操作程序的功能是实现对系统参数的修改，系统的工件间隙、铜垫厚度、修正量、最大位移值、电机加减速过程中的一些参数都可以时时修改。定时器1的中断服务函数中，通过修改定时器预分频器的值可以改变定时器的周期，从而改变输出口的脉冲频率，进而改变电机的转速。
3.2 电机控制函数分析
电机控制函数实现的功能：当电机在初始位置时，如果有启动信号，电机开始运行，电机的运行过程包括如下几个阶段：电机启动加速阶段，电机向下曲线加速阶段、电机向下高速运行阶段、电机向下慢速压入阶段、电机停止保持延时阶段、电机向上启动加速阶段、电机向上曲线加速阶段、电机向上高速运行阶段、电机运行到初始位置阶段。电机的控制函数流程如图6所示。
电机的控制采用开环加闭环的控制方式，在电机的空行程阶段采用开环控制，因为这一阶段对电机的位置要求不高，而对电机的运行速度要求较高，采用开环控制能够缩短电机的运行时间，从而提高整体的生产效率。由于压入的过程中，电机要克服较大的阻力，要求电机的转速较低。在慢速阶段中，电机要稳定运行到指定的目标位置，所以加入了闭环控制，以实现对电机运行的位置进行精确控制。
图5 主程序流程图 图6 电机控制函数流程图
4 实验分析
根据本文的设计思路，制作出了第一代车用里程表计数器组装机，用制作的理想工件进行实验测试执行机构的位移精度，经多次测量步进电机的最大位移误差为0.001mm，符合设计要求。经厂家现场用实际的工件试验，统计分析试验数据得到本机器生产的产品的不合格率为3/1000，即采用该机器压生产的产品1000中有3个不合格。不合格的原因和工件本身的材质有关，由于工件的材料是塑料，自身尺寸误差较大，所以会有这样的不合格率。
5 结语
本文介绍的基于STM32的计数器组装机，用步进电机带动滚珠丝杠进而带动主副压头来实现自动组装工件，既提高了产品的质量，又减轻了工人的劳动强度。基于STM32的里程表计数器组装机目前已经应用在上海一家车用产品生产企业，厂家批量试验的结果是完成一个工件的组装只需3-5秒，生产效率提高了两倍以上，得到了厂家的认可。
参考文献
[1] 陈士进，朱学忠．步进电机系统驱动与控制策略综述[J]．电机技术，2007，（6）：14-17．
关键词：计数器；STM32；步进电机
中图分类号:TH 文献标识码：A
引言
计数器是机械式里程表的重要组成部分，在汽车、摩托车、农用车里程表中应用广泛。我国作为汽车的生产和消费大国，计数器的生产量很大，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，生产效率低，产品质量参差不齐。
目前计数器的生产主要存在如下问题：产品的质量一致性差，同一批次的产品的间隙差别较大；生产效率低，采用人工操作而且组装一个需要压下两次，即使熟练的操作工人也需要10-15秒；人工成本较大，一个工位上需要两个熟练的工人，增加了企业的人力成本；工人的劳动强度较大。
本课题开发一种自动化程度较高的计数器组装机，以替代手动劳动，实现计数器组装过程中一次压入铜垫，并且对压头压入的位置精确控制。这样保证计数器码盘之间的间隙严格控制在允许范围之内，从而来保证产品的质量，减轻后续的检测工作。
1 系统概述
1.1 机械式计数器组装机介绍
计数器由数字码盘、轴、齿轮、齿轮固定架和铜垫组成。目前大多数企业采用简单的机械装置来组装计数器。计数器的组装过程是：首先工人将齿轮放入齿轮固定架中；然后依次穿入齿轮架、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d1；将手柄抬起回到初始位置，一个工人套上铜垫，铜垫的厚度记为h,另外一个工人计算出下次压下的位置为（d1+h+⊿），其中⊿为预期的间隙值；再次操作手柄压下铜垫到（d1+h+⊿）位置时停止。
1.2计数器自动组装机的组成
本文模仿手工组装的过程，开发一种自动化程度较高的计数器组装机，该计数器组装机主要由控制器、电机及驱动器和执行机构组成。
1.2.1控制器部分
控制部分采用STM32作为主控制器，STM32是意法半导体公司最新推出的基于ARM Cortex M3内核的32位微处理器，它具有集成度高、外围资源丰富、性能稳定、便于开发、成本低等特点。同时STM32具有丰富的外设资源，其中包括步进电机的控制单元，非常适合用于步进电机的控制和嵌入式图形界面开发。
1.2.2 电机及驱动器
电机及驱动器部分采用步进电机作为驱动单元，步进电机为新加坡MINET混合式步进电机MT57S-78。由于步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，非常适合开环控制，在速度、位置等控制领域应用非常广泛，其中执行机构采用步进电机来驱动。步进电机的驱动器采用MINET步进电机驱动器MT-2HB05HM，该驱动器能够驱动二相混合式步进电机，采用恒流模式，具有极低的电源损耗和极高的开关效率。
1.2.3 执行机构
执行机构采用减速器加滚珠丝杠的传动方式，步进电机通过减速器后，经过联轴器和滚珠丝杠带动主副压头进行上下直线运动。采用减速器可以提高步进电机的转矩和运动精度，应用滚珠丝杠不仅把电机的旋转运动转变为直线运动，而且滚珠丝杠的传动效率高、适用的速度也较高。
2 系统的硬件设计
本系统的硬件设计包括系统的机械部分和电控部分的硬件设计。
2.1 系统的机械设计
系统的机械设计要求：保证工件的目标间隙为0.17mm-0.22mm,铜垫与轴的配合方式是过盈配合，压头压入铜垫过程中的力为100N-500N。主压头在压入过程中不损伤计数器轴表面，副压头在压入过程中不影响损伤字轮。
系统的机械结构如图1所示，包括减速器、滚珠丝杠、主压头、副压头、导轨等。步进电机每步0.9°，一周400步，步进电机的转矩为1.2NM, 为了提高步进电机的输出转矩、提高分辨率加入了减速器，减速机的减速比为5，滚珠丝杠的导程为5mm，电机转1周主副压头的直线位移为1mm。控制器每给步进电机的一个脉冲对应着压头的位移为2.5微米，系统控制步进电机能够达到的精度是设计要求的20倍。
滚珠丝杠轴向力计算公式： 。
其中F为滚珠丝杠轴向力，P为滚珠丝杠的导程，T为提供给滚珠丝杆的扭矩，η为滚珠丝杠的效率。已知电机扭矩3NM，减速比5，滚珠丝杆直径D=20mm，导程L=5mm，按照公式计算，最大轴向力F为6782N，完全满足压头压入所需压力的要求。
1.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 10.线性导轨
图1 系统的机械结构图
2.2 电控部分的硬件设计
电控部分的硬件结构如图2所示，电控部分由STM32主控制单元、LCD液晶显示单元、开关量输入输出单元、位移信号检测单元、以及预留的485通讯单元组成。
图2 电控部分硬件框图
2.2.1主控制器
本文以STM32F103VET6处理器为核心，STM32VET6内置3个同步的标准定时器，每个定时器都有一个16位的预分频器和4个独立的通道，每个通道都可用于输出比较、PWM和单脉冲模式输出。STM32VET6有多达80个的快速I/O口，在APB2上的I/O脚可
达到18MHz的反转速度，每个管脚都可由软件配置成输入、输出或其他外设的功能口。利用定时器产生微秒级的中断，在定时器的中断中使输出口置高或拉低从而产生PWM脉冲信号来控制电机的转速。
2.2.2LCD液晶显示部分电路
LCD显示屏是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。模块内自带-10V负压电路，用于LCD的驱动电压，与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线。CPU与液晶屏的接口电路如图3所示。 图3 液晶屏与CPU接口电路图
2.2.3位移信号检测电路。
位移传感器采用非接触式的磁栅线位移传感器，分辨力为0.001毫米，输出信号的形式为TTL（5V），最高响应速度为3m/s。
2.2.4电机驱动电路。
CPU与驱动器的接口电路如图4所示，DIR为驱动的方向信号输入，CP为驱动器的脉冲信号输入，驱动模块内部采用光电隔离，防止驱动模块对控制器产生影响，驱动模块内部的光耦导通时触发，为可靠响应，低电平应大于4μs。其中OUT0、OUT1分别接在CPU的PC4、PC5管脚上。
图4 CPU与驱动器的接口电路图
3 软件设计
3.1主程序分析
控制系统的软件由初始化程序、参数读取程序、按键操作程序、LCD显示程序、电机控制函数以及定时器1的中断服务函数组成。系统主程序流程如图5所示。其中按键操作程序的功能是实现对系统参数的修改，系统的工件间隙、铜垫厚度、修正量、最大位移值、电机加减速过程中的一些参数都可以时时修改。定时器1的中断服务函数中，通过修改定时器预分频器的值可以改变定时器的周期，从而改变输出口的脉冲频率，进而改变电机的转速。
3.2 电机控制函数分析
电机控制函数实现的功能：当电机在初始位置时，如果有启动信号，电机开始运行，电机的运行过程包括如下几个阶段：电机启动加速阶段，电机向下曲线加速阶段、电机向下高速运行阶段、电机向下慢速压入阶段、电机停止保持延时阶段、电机向上启动加速阶段、电机向上曲线加速阶段、电机向上高速运行阶段、电机运行到初始位置阶段。电机的控制函数流程如图6所示。
电机的控制采用开环加闭环的控制方式，在电机的空行程阶段采用开环控制，因为这一阶段对电机的位置要求不高，而对电机的运行速度要求较高，采用开环控制能够缩短电机的运行时间，从而提高整体的生产效率。由于压入的过程中，电机要克服较大的阻力，要求电机的转速较低。在慢速阶段中，电机要稳定运行到指定的目标位置，所以加入了闭环控制，以实现对电机运行的位置进行精确控制。
图5 主程序流程图 图6 电机控制函数流程图
4 实验分析
根据本文的设计思路，制作出了第一代车用里程表计数器组装机，用制作的理想工件进行实验测试执行机构的位移精度，经多次测量步进电机的最大位移误差为0.001mm，符合设计要求。经厂家现场用实际的工件试验，统计分析试验数据得到本机器生产的产品的不合格率为3/1000，即采用该机器压生产的产品1000中有3个不合格。不合格的原因和工件本身的材质有关，由于工件的材料是塑料，自身尺寸误差较大，所以会有这样的不合格率。
5 结语
本文介绍的基于STM32的计数器组装机，用步进电机带动滚珠丝杠进而带动主副压头来实现自动组装工件，既提高了产品的质量，又减轻了工人的劳动强度。基于STM32的里程表计数器组装机目前已经应用在上海一家车用产品生产企业，厂家批量试验的结果是完成一个工件的组装只需3-5秒，生产效率提高了两倍以上，得到了厂家的认可。
参考文献
[1] 陈士进，朱学忠．步进电机系统驱动与控制策略综述[J]．电机技术，2007，（6）：14-17．