基于STM32軸承質量監測系統的開發

賀偉航，王學俊，張俊紅

(大連工業大學機械工程與自動化學院，遼寧大連116034)

質量控制在現代機械制造業中的地位更加突出，其重要性也更加顯著［1-2］，而軸承是旋轉機械中最為關鍵的基礎零件之一，軸承的質量直接關系到工作母機的工作性能，據可靠數據顯示，旋轉機械中30%的故障與軸承有關［3］。所以對軸承加工過程中的質量監控日益受到重視。軸承振動值的大小是反映軸承質量的重要指標之一［4］。國內目前對軸承振動信號進行檢測，一般使用LabVIEW軟件對數據進行處理或者直接將采集到的數據用表盤指針顯示出來，前者涉及到版權問題導致成本較高，而后者不便于安裝攜帶。基于此設計一套軸承加工過程中的實時質量監測。

1 硬件系統

基于ARM Cortex-m3核的STM32F107VCT6做主控芯片，最高工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器，片上資源豐富，包括:時鐘電源管理器，中斷控制器，具有脈沖帶寬調制功能的定時器 (PWM)，通用I/O端口，3通道UART，ADC多達18個通道，可測16個外部和2個內部信號源，還具有觸摸屏接口，看門狗定時器，IIC總線接口，IIS總線接口，1個USB從設備接口，SD主機接口，SPI接口等［5-6］。系統結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

2 信號放大電路的設計

軸承振動經過傳感器產生電信號，但是由于信號較弱不能進行A/D轉換，所以需對模擬信號進行放大處理。理想的運算放大器具有以下特點:開環放大倍數無窮大;輸入偏置電流為零;輸入電阻無窮大;輸出電阻為零;失調電壓和失調電流及溫漂為零。從以上特點以及性價比方面考慮，該系統選用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 系統的軟件設計

軟件設計有WinCE操作系統、硬件驅動程序編寫和應用程序設計。

3.1 WinCE操作系統平臺的設計

利用WinCE的PlatformBuilder根據硬件配置對WinCE操作系統進行定制，將不需要的功能塊去掉，安裝創建設備驅動程序，生成平臺的鏡像文件，然后用PlatformBuilder導出應用程序所需要的SDK。創建過程如圖3。

圖3 WinCE平臺創建流程圖

3.2 A/D驅動程序設計

首先，該系統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驅動的晶體管顯示器，320×240的分辨率，自帶有顯存，容量達到172 800字節。

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

圖4 觸摸屏中斷流程圖

底層LCD驅動程序:

3.3 應用程序設計

程序設計主要有數據庫構建、控制圖生成、監控與分析，其中數據庫設計包括了文件模塊的設計、數據操作模塊的設計等。

(1)數據操作是對數據文件進行操作的模塊，其中又包括數據存儲、輸出、刪除等菜單。數據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量數據錄入方式，如圖5所示。

圖5 手工錄入界面

主要代碼實現的程序:

(2)采用單值-極差控制圖，它適用于對每一個產品都進行檢驗的場合，當控制圖曲線出現異常時，說明軸承出現問題產生報警，通過采樣軸承內外圈振動值的大小能查出軸承出現的問題。系統使用控件Picturebox作為容器，調用DrawLine函數實現控制圖的繪制。數據提取與計算包括樣本平均值、極差、移動極差等的求取。下面是求解中位數的部分程序。

控制圖界面如圖6所示。

(3)控制圖分析，控制圖判別準則即:點子出界就判斷異常;界內點排列不隨機判斷異常。

界內點排列不隨機有8種情況，在國家標準GB/ T 4091-2001《常規控制圖》有明確的規定［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 結束語

開發了一種基于STM32F107VCT6芯片的軸承振動信號檢測儀，該檢測儀具有體積小、成本低、便于攜帶等特點。以統計過程控制理論為基礎對振動信號進行分析、處理，對軸承進行加工過程中的實時質量檢測。

【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.質量管理與診斷七十年［J］.質量管理，1999(7):39-41.

【3】馬亞良，陳仁竹.軸承制造技術［M］.北京:清華大學出版社，2008.

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

【5】于春雪.基于STM32F107的高速以太網接口設計與應用［J］.電聲技術，2011，35(9):63-67.

【6】孫凱明，石磊，甄海濤，等.基于Cortex-M3處理器和CC2430的無線網關設計［J］.自動化技術與應用，2011，30(8):34-47.

【7】羅鴻.ERP原理設計實施［M］.北京:電子工業出版社，2002.

【8】國家質量技術監督局.GB/T 4091-2001常規控制圖［S］.北京:中國標準出版社，2001.