基于Visual C++2017與STM32軸承摩擦力矩檢測系統(tǒng)設(shè)計

邢化友，張 路，邊寧濤，司馬斌，韓彥龍，楊 洋

（西安輕工業(yè)鐘表研究所有限公司，陜西 西安710061）

軸承摩擦力矩是軸承領(lǐng)域用來衡量軸承特性的重要技術(shù)指標(biāo)之一，軸承摩擦力矩的準(zhǔn)確測定在許多工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域中都有重要意義。本文對軸承摩擦力矩的測量主要應(yīng)用復(fù)擺能量守恒的原理，推導(dǎo)出軸承摩擦力矩與擺角的關(guān)系式，并將關(guān)系式編寫入上位機(jī)軟件中，最終根據(jù)擺角的測量計算出軸承的摩擦力矩。系統(tǒng)中為了減少外界軸承啟動摩擦力的介入，使用非接觸式圓光柵對復(fù)擺擺動角度進(jìn)行實(shí)時測量，圓光柵編碼器有著非接觸、精度高等特點(diǎn)，可提供準(zhǔn)確可靠的動態(tài)角度數(shù)據(jù)。本文利用高精度非接觸式圓光柵編碼器開發(fā)一套基于Visual C++與STM32的檢測軟件，實(shí)現(xiàn)了軸承摩擦力矩的自動化測量。

1 系統(tǒng)測量原理

測量系統(tǒng)的測試原理如圖1所示。將軸承裝入軸承安裝部件內(nèi)，擺桿連接部件掛由10 kg負(fù)載，軸承安裝部件以小角度（10°）范圍內(nèi)進(jìn)行擺動，同時安裝在軸承安裝部件上的碼盤也隨之進(jìn)行轉(zhuǎn)動，測頭實(shí)時對碼盤旋轉(zhuǎn)的脈沖進(jìn)行輸出傳送給STM32，為了精確進(jìn)行角度的測量對輸出的脈沖進(jìn)行了400倍細(xì)分，并通過光耦將脈沖信號傳遞給STM32，使用STM32的TIM3編碼器模式來對輸入的脈沖進(jìn)行計數(shù)，選用雷尼紹的圓光柵編碼器一圈7200個脈沖，經(jīng)過400倍的細(xì)分后一圈288000脈沖，STM32計一個脈沖周期的方波表示碼盤轉(zhuǎn)了0.000 125°，最后將角度信息通過RS232發(fā)送給上位機(jī)軟件利用推到出的關(guān)系式進(jìn)行軸承摩擦力矩的計算。

圖1 測量原理框圖

2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

下位機(jī)系統(tǒng)主要由STM32F407IGT6核心控制器、圓光柵碼盤、碼盤測頭，放大器，高速光耦模塊，數(shù)字通訊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)復(fù)擺擺動時，圓光柵碼盤與復(fù)擺儀器做往復(fù)運(yùn)動，碼盤測頭隨即讀出脈沖個數(shù)，經(jīng)由DB15放大器輸出A、B相，A相為順時針擺動時的脈沖，B相為逆時針擺動時的脈沖。高速光耦模塊將A、B相的5 V脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V脈沖輸入給STM32控制器。STM32控制器使用TIM1編碼器模式完成對A、B相脈沖信號進(jìn)行脈沖數(shù)據(jù)處理，最后轉(zhuǎn)變成角度數(shù)據(jù)通過RS232發(fā)送到上位機(jī)。RS232數(shù)字通訊提供了一個下位機(jī)與上位機(jī)系統(tǒng)的連接接口。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位軟件的設(shè)計主要考慮到了軟件系統(tǒng)安全可靠，可移植性，基于當(dāng)下Windows平臺運(yùn)行及修改方便等因素。因此使用Visual C++2017分別開發(fā)了串口通訊程序，角度信息控制程序，曲線顯示等程序。其中的角度信息控制程序采用的是摩擦力矩與實(shí)時擺角的關(guān)系進(jìn)行設(shè)計，各部分通過動態(tài)鏈接庫組合成一個整體，其軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 串口通信程序設(shè)計

串口通信使用的是基于Visual C++2017開發(fā)平臺，與STM32控制器通信采用CMscomm類來實(shí)現(xiàn)。CMscomm是第三方提供的控件，使用它可以方便地在Visual C++里實(shí)現(xiàn)串口通信[1]。串口通信設(shè)計的部分代碼如下：

CMscomm m_ctrlComm；//創(chuàng)建 CMscomm 類的對象m_ctrlComm

codeNM=m_ctrlComm.get_CommEvent（）；//獲取串口事件碼

myVar.Attach（m_ctrlComm.get_Input（））；//讀 取接收數(shù)據(jù)

safarray_inp=myVar；

len=safarray_inp.GetOneDimSize（）；//得到有效數(shù)據(jù)長度

strtemp.Format（_T（"%ld"），RX_count+=len）；//接收字節(jié)數(shù)的累計

strtemp=_T（"RX："）+strtemp；

m_ctrlRXCount.SetWindowText（strtemp）；//顯 示接收數(shù)據(jù)的累計字節(jié)數(shù)

3.2 角度信息控制程序設(shè)計

上位軟件角度信息的處理是通過讀取串口接收到的脈沖信息，一方面完成角度的換算，本文中用到的圓光柵碼盤為7 200線，360°產(chǎn)生7 200個脈沖，每個脈沖對應(yīng)0.05°以此進(jìn)行角度換算并顯示；另一方面完成軸承摩擦力矩的計算，計算公式如下：

其中，M為軸承摩擦力矩，m為徑向加載的重量，l為軸承回轉(zhuǎn)中心到整個單擺質(zhì)心的距離，q為一定周期內(nèi)單擺擺動到左側(cè)最大角度的減幅系數(shù)，n為第n個周期，g為重力加速度。部分代碼如下：

GetDlgItem（IDC_EDIT_FUZAI_Z）-＞GetWindow－Text（strv2）；//負(fù)載

GetDlgItem （IDC_EDIT_NeiQuan_R）-＞GetWindowText（strv1）；//內(nèi)圈半徑

GetDlgItem （IDC_EDIT_DANBAI_L）-＞GetWindowText（strv）；//單擺長

fenzi=（youj-zuoj）*m_dy3*m_dyy*10*2；

fenmu1=2*m_dy4*k_hd；

fenmu2=（m_dy4-1）*（t_hd-k_hd）；

fuzaiz.Format（_T（"%.5f"），mochal1）；

GetDlgItem（IDC_EDIT_MCLiju）-＞SetWindowText（fuzaiz1）；//摩擦力矩

3.3 曲線程序設(shè)計

上位軟件中使用TeeChart控件進(jìn)行實(shí)時擺角曲線的顯示，此控件具有界面美觀友好，開發(fā)便捷大大縮短程序的開發(fā)周期，并且具有高速的繪圖速度，利用TeeChart控件提供的接口函數(shù)進(jìn)行實(shí)時擺角顯示。部分代碼如下：

CSeries chart_T=（CSeries）m_Chart.Series（0）；

chart_T.Clear（）；

m_pLineSerie-＞ClearSerie（）；

LeftMoveArray （m_TeeChartArray， m_c_arrayLength，randf（0，10））；

3.4 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的的設(shè)計是為了便于對檢測產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)的存儲，此系統(tǒng)設(shè)計了將待測試產(chǎn)品的相關(guān)信息保存到Excal功能，需要保存的產(chǎn)品信息如圖4所示。

圖4 測試產(chǎn)品信息存儲表格結(jié)構(gòu)

在Visual C++2017 MFC中使用ADO數(shù)據(jù)庫進(jìn)行Excal操作可以方便的將需要導(dǎo)出的信息保存，當(dāng)前各種主流數(shù)據(jù)庫有很多，包括Oracle，MS SQL Server，Sybase，Informix，MySQL MS ACCESS 等。ADO數(shù)據(jù)庫的訪問流程跟其他數(shù)據(jù)庫類似，此處不再詳細(xì)冗述，下面是使用Visual C++2017中開發(fā)ADO數(shù)據(jù)庫的步驟：

a）導(dǎo)入ADO動態(tài)鏈接庫

#import "c：programfilescommonfilessystemadomsado15.dll"no_namespace ename（"EOF"，"adoEOF"）

b）初始化OLE/COM庫環(huán)境

BOOL CExpApp：：InitInstance（）

{

AfxEnableControlContainer（）；

//初始化OLE DLLs

if（!AfxOleInit（））

{

AfxMessageBox（"初始化 OLE DLL 失敗!"）；

Return FALSE；

}

......

}

c）利用Connection對象鏈接數(shù)據(jù)源

_ConnectionPtr m_pConnection；

d）執(zhí)行SQL命令并取得結(jié)果記錄集

_RecordsetPtr m_pRecordset；

e）e）記錄集遍歷和更新

if（vID.vt!=VT_NULL&&vUsername.vt!=VT_NULL&&vOld.vt!=VT_NULL&&vBirthday.vt

!=VT_NULL）

TRACE（"id：%d，日期：%s，產(chǎn)品編號：%d，摩擦力矩：%d"，摩擦系數(shù)：%d"，

vID.lVal，

（LPCTSTR）（_bstr_t）vUsername，

vOld.lVal，

（LPCTSTR）（_bstr_t）vBirthday）；

m_pRecordset-＞MoveNext（）；///移到下一條記錄

形成如圖4所示表單。

4 應(yīng)用分析

選取同一個軸承測量10次，分別徑向加載10 kg的條件下使用專用測量裝置對軸承摩擦力矩進(jìn)行測量，結(jié)果如下表1[2]所示。

表1 10 kg負(fù)載下測試數(shù)據(jù)

由測試數(shù)據(jù)表1[2]可以看出測試結(jié)果與計算得出的結(jié)果基本吻合，測試數(shù)據(jù)中存在的誤差是由測試的原理誤差和測試裝置的加工制造誤差組成，由于每個軸承加工的精度存在差異，同一個批次的軸承的摩擦力矩之間同樣存在差異，但是整體的相對誤差很小，同一批次的軸承的摩擦力矩不存在較大波動[2]。如圖 5、圖 6.

圖5 軸承摩擦力矩測試系統(tǒng)

圖6 上位機(jī)軟件界面

5 結(jié)束語

使用上述方案進(jìn)行設(shè)計的軸承摩擦力矩檢測系統(tǒng)，測量的自動化程度高，上位機(jī)軟件可適用于基于Windows平臺的系統(tǒng)，通用性強(qiáng)、畫面顯示直觀清晰且實(shí)時性較好。