基于STM32軸承質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

賀偉航，王學(xué)俊，張俊紅

(大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連116034)

質(zhì)量控制在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的地位更加突出，其重要性也更加顯著［1-2］，而軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)零件之一，軸承的質(zhì)量直接關(guān)系到工作母機(jī)的工作性能，據(jù)可靠數(shù)據(jù)顯示，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中30%的故障與軸承有關(guān)［3］。所以對軸承加工過程中的質(zhì)量監(jiān)控日益受到重視。軸承振動(dòng)值的大小是反映軸承質(zhì)量的重要指標(biāo)之一［4］。國內(nèi)目前對軸承振動(dòng)信號進(jìn)行檢測，一般使用LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或者直接將采集到的數(shù)據(jù)用表盤指針顯示出來，前者涉及到版權(quán)問題導(dǎo)致成本較高，而后者不便于安裝攜帶?；诖嗽O(shè)計(jì)一套軸承加工過程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測。

1 硬件系統(tǒng)

基于ARM Cortex-m3核的STM32F107VCT6做主控芯片，最高工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，片上資源豐富，包括:時(shí)鐘電源管理器，中斷控制器，具有脈沖帶寬調(diào)制功能的定時(shí)器 (PWM)，通用I/O端口，3通道UART，ADC多達(dá)18個(gè)通道，可測16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號源，還具有觸摸屏接口，看門狗定時(shí)器，IIC總線接口，IIS總線接口，1個(gè)USB從設(shè)備接口，SD主機(jī)接口，SPI接口等［5-6］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 信號放大電路的設(shè)計(jì)

軸承振動(dòng)經(jīng)過傳感器產(chǎn)生電信號，但是由于信號較弱不能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以需對模擬信號進(jìn)行放大處理。理想的運(yùn)算放大器具有以下特點(diǎn):開環(huán)放大倍數(shù)無窮大;輸入偏置電流為零;輸入電阻無窮大;輸出電阻為零;失調(diào)電壓和失調(diào)電流及溫漂為零。從以上特點(diǎn)以及性價(jià)比方面考慮，該系統(tǒng)選用TI公司的精密、低功耗儀表放大器INA128，如圖2所示。

圖2 INA128信號放大電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)有WinCE操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)程序編寫和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

3.1 WinCE操作系統(tǒng)平臺的設(shè)計(jì)

利用WinCE的PlatformBuilder根據(jù)硬件配置對WinCE操作系統(tǒng)進(jìn)行定制，將不需要的功能塊去掉，安裝創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，生成平臺的鏡像文件，然后用PlatformBuilder導(dǎo)出應(yīng)用程序所需要的SDK。創(chuàng)建過程如圖3。

圖3 WinCE平臺創(chuàng)建流程圖

3.2 A/D驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

首先，該系統(tǒng)采用的液晶控制器的型號是ILI9320。它是一款帶有26萬色的單芯片Soc驅(qū)動(dòng)的晶體管顯示器，320×240的分辨率，自帶有顯存，容量達(dá)到172 800字節(jié)。

觸摸屏接口模式采用的是中斷的方式接受輸入，通過ADC得到坐標(biāo)值，整個(gè)觸摸屏中斷流程圖如4。

圖4 觸摸屏中斷流程圖

底層LCD驅(qū)動(dòng)程序:

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要有數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、控制圖生成、監(jiān)控與分析，其中數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包括了文件模塊的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)操作模塊的設(shè)計(jì)等。

(1)數(shù)據(jù)操作是對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行操作的模塊，其中又包括數(shù)據(jù)存儲、輸出、刪除等菜單。數(shù)據(jù)的輸入采用的是手工錄入的方法，是對離線狀況下的一種質(zhì)量數(shù)據(jù)錄入方式，如圖5所示。

圖5 手工錄入界面

主要代碼實(shí)現(xiàn)的程序:

(2)采用單值-極差控制圖，它適用于對每一個(gè)產(chǎn)品都進(jìn)行檢驗(yàn)的場合，當(dāng)控制圖曲線出現(xiàn)異常時(shí)，說明軸承出現(xiàn)問題產(chǎn)生報(bào)警，通過采樣軸承內(nèi)外圈振動(dòng)值的大小能查出軸承出現(xiàn)的問題。系統(tǒng)使用控件Picturebox作為容器，調(diào)用DrawLine函數(shù)實(shí)現(xiàn)控制圖的繪制。數(shù)據(jù)提取與計(jì)算包括樣本平均值、極差、移動(dòng)極差等的求取。下面是求解中位數(shù)的部分程序。

控制圖界面如圖6所示。

(3)控制圖分析，控制圖判別準(zhǔn)則即:點(diǎn)子出界就判斷異常;界內(nèi)點(diǎn)排列不隨機(jī)判斷異常。

界內(nèi)點(diǎn)排列不隨機(jī)有8種情況，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 4091-2001《常規(guī)控制圖》有明確的規(guī)定［7-8］，如表1所示。

圖6 單值-極差控制圖

表1 控制圖異常模式判斷

4 結(jié)束語

開發(fā)了一種基于STM32F107VCT6芯片的軸承振動(dòng)信號檢測儀，該檢測儀具有體積小、成本低、便于攜帶等特點(diǎn)。以統(tǒng)計(jì)過程控制理論為基礎(chǔ)對振動(dòng)信號進(jìn)行分析、處理，對軸承進(jìn)行加工過程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量檢測。

【1】Marsh，Michael.CIM Solution-toward 21stCentury SPC［J］.SMT Surface Mount Technology Magazine，1997(10):48-50.

【2】張公緒，劉艷永.質(zhì)量管理與診斷七十年［J］.質(zhì)量管理，1999(7):39-41.

【3】馬亞良，陳仁竹.軸承制造技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

【4】于洋，楊金英.機(jī)械振動(dòng)檢測儀器的研制［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008(9):35-36.

【5】于春雪.基于STM32F107的高速以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電聲技術(shù)，2011，35(9):63-67.

【6】孫凱明，石磊，甄海濤，等.基于Cortex-M3處理器和CC2430的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30(8):34-47.

【7】羅鴻.ERP原理設(shè)計(jì)實(shí)施［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

【8】國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 4091-2001常規(guī)控制圖［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.