轴承圆柱滚子尺寸测量控制系统

摘 要

　　圆柱滚子作为轴承的主要零件，其尺寸差异对轴承的精度、运转性能和使用寿命等都有着至关重要的影响。目前，在轴承行业中，对滚子直径和长度的测量主要采用传统的人工检验法，其准确性和稳定性均难以保证轴承滚动体装配的精度需求，圆柱滚子多尺寸测量及精确分组成为亟待解决的难题。本文将针对以上问题，采用信号理论分析、控制系统软硬件设计和物理样机相结合的方式，对圆柱滚子尺寸测量控制系统进行研究。

　　对圆柱滚子尺寸信号进行预处理研究。首先，尺寸信号在采集过程中混杂着噪声等干扰因素，本文采用快速傅里叶变换法求解尺寸信号频谱特性，确定信号截止频率大小，并根据截止频率采用窗函数法设计滤波器实现去噪；其次，传感器采集尺寸数据因轻微冲击导致部分信号丢失，本文利用最小二乘法建立拟合曲线多项式函数方程，求解最大值作为圆柱滚子直径尺寸，利用均值法求解得到圆柱滚子长度尺寸；最后，基于 BP 神经网络建立测量系统精度预测模型，为后续验证测量尺寸精度提供理论依据。

　　设计圆柱滚子尺寸测量控制系统的硬件和软件。首先分析圆柱滚子尺寸测量系统的性能要求，确定尺寸测量控制系统总体方案，硬件部分主要包括传感器、数据采集卡、运动控制卡、分选电机及驱动器的选择；利用 LabVIEW 虚拟仪器软件开发平台，设计圆柱滚子直径和长度尺寸测量系统的软件功能结构，包括尺寸测量模块、信号数据在线处理模块及分选运动控制模块，为测量系统软件程序编程提供依据。

　　编制圆柱滚子尺寸测量控制系统应用程序。本文利用 LabVIEW 编程软件设计便捷直观的人机交互操作界面，实现测量系统的不同功能模块。结合传感器技术和计算机技术，搭建基于虚拟仪器技术的圆柱滚子直径和长度测量物理样机，首先选取 20 个样本进行数据采集，并根据测量数据完成对圆柱滚子尺寸的分组。最后，通过所建 BP 神经网络预测模型结合 MATLAB 进行编程，对测量范围内每一尺寸进行 500 次预测，并与基准尺寸数据对比分析，用以判断系统的测量精度是否满足最初的设计目标。

　　本文设计一套基于 LabVIEW 的圆柱滚子尺寸测量控制系统，为多尺寸测量设备的使用提供了科学参考，具有重要的理论意义和应用价值。

　　关键词： 圆柱滚子；尺寸测量；数据处理；控制系统；LabVIEW

Abstract

　　Cylindrical rollers as the main parts of the bearings, the size of the differences on the accuracy of the bearing, running performance and service life have a crucial impact. At present, in the bearing industry, the measurement of the diameter and length of the roller mainly adopts the traditional manual inspection method. It is difficult to ensure the accuracy and stability of the bearing rolling element assembly.Cylindrical roller multi-dimension measurement and precise grouping are problems that need to be solved urgently.

　　This article will focus on the above issues, then use the method of signal theory analysis, control system hardware and software design and physical prototyping to conduct the study of the cylindrical roller size measurement control system.

　　Cylindrical roller size signal preprocessing is studied. Firstly, size signals are mixed with noise and other interference factors in the acquisition process. This paper uses fast Fourier transform to solve the spectral characteristics of size signals, then determine the cutoff frequency of the signal, and use the window function method to design the filter based on the cutoff frequency to achieve denoising.

　　Secondly, the sensor collects dimensional data that results in partial loss of signal due to slight shocks, so in this paper, least squares method is used to establish the fitting curve polynomial function equation , and the maximum value is calculated as the diameter size of the cylindrical roller, then using the mean method to solve the cylindrical roller length dimensions. Finally, establish the accuracy prediction model of the measurement system based on BP neural network, which provides a theoretical basis for the follow-up verification of the feasibility of the control system.

　　The cylindrical roller size measurement control system hardware and software are designed. Analyze the performance requirements of the cylindrical roller size measurement system firstly, and then determine the overall plan for size measurement control system. The hardware part mainly includes the selection of sensors, data acquisition cards, motion control cards, sorting motors and drivers.

　　Use the software development platform of LabVIEW virtual instrument to design the software functional structure of the cylindrical roller diameter and length dimension measurement system. It include size measurement module, signal data online processing module and sorting motion control module. It also provides the basis for the programming system software program programming.

　　The cylindrical roller size measurement control system program is compiled.

　　This article uses LabVIEW programming software to design a convenient and intuitive human-computer interaction interface in order to implement different functional modules of the measurement system. Combining sensor technology and computer technology, build a physical prototype of cylindrical roller diameter and length measurement based on virtual instrument technology. Firstly, select 20 samples for data collection, and then complete the grouping of cylindrical roller sizes based on the measured data. Finally, measure the diameter and length of 5 different types of cylindrical rollers . Through the BP neural network accuracy prediction model built, program with MATLAB, predict 500 times for each size in the measurement range, the size is predicted and compared with the standard data.it can be seen that the accuracy of the system meets the original design goals.

　　Key words: Cylindrical roller; Size measurement; Data processing; Control system; LabVIEW

　　滚动轴承是装备制造业精密基础零部件，广泛用于铁路、航天、高精密机床等领域[1]，圆柱滚子承受负荷的能力较钢球大，是滚动轴承中重要的滚动体，高精度的圆柱滚子几何尺寸有助于提高滚动轴承性能[2]，在同一滚动轴承中，装配有多个圆柱滚子支撑轴承并承担载荷，圆柱滚子和套圈是线接触，若同一组圆柱滚子直径和长度尺寸存在几何误差，使轴承工作过程中载荷分布产生差异[3,4]，导致轴承承受冲击载荷，加速轴承滚动体及内外滚道的磨损，甚至产生高温而早期失效，进而降低轴承寿命[5]因此，同一轴承中圆柱滚子尺寸精度对滚动轴承的运动精度和使用寿命产生重要影响[6,7]，目前，尽管轴承零件具有较高的制造精度，但依然存在尺寸误差[8]，轴承在装配前需要对圆柱滚子直径和长度进行准确测量及分组，保证同一轴承内装配的圆柱滚子在允许精度范围内[9]。

　　目前，对于圆柱滚子尺寸测量主要有两种方式，其一是以人工测量为主，利用千分表对尺寸进行测量，但是人工测量因工人疲劳将产生误差操作，同时人工测量直径速度在 30-40 个/分，工作效率低，强度大，不仅对工人身体有伤害，而且对轴承性能有不良影响；其二是利用机械式测量设备，目前我国现有的圆柱滚子尺寸测量设备仅能测量单一的尺寸。部分轴承生产厂家通过购买国外进口设备实现装配前的精确尺寸测量，但因国外技术封锁，无法了解尺寸测量设备的核心技术，因此急需设计一套可实现多尺寸同时精确测量的控制系统，对解决装配前圆柱滚子尺寸分组和保证轴承的尺寸精度、运动精度具有重要现实意义。

　　随着科学技术的发展，圆柱滚子尺寸测量技术也随之发展，轴承滚子尺寸测量技术包括机械、电感、光栅、光电等[10]，我国的轴承制造行业起步较晚，大部分厂家对圆柱滚子的尺寸测量工作是通过人工利用机械式测量仪实现尺寸测量，如图 1-2 所示，利用精度为 1μm 的千分表测量尺寸，测量成本低易于实现，但是传统人工测量精度差、劳动强度大、机械式的重复动作容易使工作人员产生错觉，严重影响测量质量[11]。

　　电感测量技术即利用电感线圈的互感自感实现测量的技术手段，通过线圈中衔铁上下移动实现尺寸测量，1974 年，国内中原量仪厂利用电感传感器接触式测量技术，试制 DFG-10G 圆柱滚子直径测量设备[12]。该设备仍需设计较为复杂的信号处理模块，因此目前还未实现利用电感传感器接触式测量技术完成多尺寸同时测量。

　　华中科技大学李保财利用接触式电感测量传感器，通过间歇回转式转盘带动滚针通过传感器对轴承滚针进行直径测量，对测量数据通过电感测微仪进行调理，并将调理信号输入数据采集卡，转换为数字信号，利用工控机对数据处理运算得到滚针直径，该测量方法仅能测量单一的直径尺寸，同时对于数据的处理较为繁琐，处理速度较慢无法实现在线同步测量。

　　光栅传感器测量位移尺寸具有精度较高，响应时间短、抗干扰能力较强的特点，广州大学陈虹利用光栅传感器测量圆柱滚子滚道中心距，通过移动导轨测量轴承滚道轮廓，信号经由信号接口传输至光栅细分计数卡，并输送给计算机，实现尺寸测量[14]。

　　大连交通大学任显科利用光栅式传感器对圆柱滚子长度进行测量，当有相对位移时由于光的干涉衍射，产生黑白条纹，进而转化成电信号输出即为滚子长度尺寸，尺寸信号通过数显表显示，传输到上位机微型处理器，该测量方法将传感器固定在移动滑块上，在运动中实现长度测量，导致测量数据因机械结构产生误差。

　　激光测量和光学扫描测量技术是最常用非接触式测量方法[16]，大连交通大学邹国伟通过激光测量利用脉冲式测量方法测得圆柱滚子尺寸，其测量过程为：

　　开启激光器，对于待测圆柱滚子发射激光脉冲信号，计数器接收信号开始计数，经由待测物体反射的波信号进入光学系统作用于光电探测器上，转换为电脉冲信号，经放大器处理并转换为计数关门信号，停止计数，通过计算计数器开关门时间内的脉冲数，计算圆柱滚子尺寸[17]，激光测距原理图如图 1-5 所示。但是脉冲式激光测量对于被测圆弧滚子表面精度要求过高，若圆柱滚子表面存在不平整等加工误差，将直接影响尺寸测量准确性。

轴承圆柱滚子尺寸测量控制系统：

圆柱滚子尺寸测量模块物理样机

尺寸测量系统登录界面

密码查询程序

用户登录界面程序图

尺寸测量人机交互界面

CLF 节点设置界面

CLF 节点参数设置界面

数据采集卡初始化设置程序图

尺寸数据采集程序图

尺寸信号傅里叶频谱分析程序图

尺寸信号频谱图

尺寸信号滤波对比图

直径尺寸曲线拟合结果图

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题来源及研究的背景意义
　　　　　　1.1.1 课题来源
　　　　　　1.1.2 课题背景及意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 圆柱滚子尺寸测量技术研究现状
　　　　　　1.2.2 圆柱滚子尺寸测量控制系统应用现状
　　　　　　1.2.3 LabVIEW 开发系统的研究现状
　　　　1.3 主要研究内容
　　第 2 章 圆柱滚子尺寸信号预处理研究
　　　　2.1 圆柱滚子尺寸信号预处理
　　　　　　2.1.1 圆柱滚子尺寸信号采集原理
　　　　　　2.1.2 圆柱滚子尺寸信号快速傅里叶变换分析
　　　　　　2.1.3 圆柱滚子尺寸信号滤波器设计x
　　　　2.3 圆柱滚子直径尺寸数据拟合方法研究
　　　　2.4 基于神经网络测量系统精度预测模型建立
　　　　2.5 本章小结
　　第 3 章 圆柱滚子尺寸测量控制系统设计与研究
　　　　3.1 圆柱滚子尺寸测量控制系统方案设计
　　　　　　3.1.1 圆柱滚子尺寸测量控制系统性能要求
　　　　　　3.1.2 尺寸测量控制系统总体方案设计
　　　　3.2 尺寸测量控制系统硬件设备设计及选择
　　　　　　3.2.1 位移传感器的主要参数及选择
　　　　　　3.2.2 数据采集卡的主要参数及选择
　　　　　　3.2.3 运动控制卡的主要参数及选择
　　　　　　3.2.4 分选电机及驱动器的主要参数及选择
　　　　3.3 圆柱滚子尺寸测量控制系统软件设计
　　　　　　3.3.1 圆柱滚子尺寸测量控制系统软件平台选择
　　　　　　3.3.2 圆柱滚子尺寸测量控制系统软件结构模块组成
　　　　3.4 本章小结
　　第 4 章 基于 LabVIEW 测量控制系统应用程序编制
　　　　4.1 测量系统物理样机搭建及软件设计
　　　　　　4.1.1 圆柱滚子尺寸测量系统实验方案设计
　　　　　　4.1.2 控制系统软件设计流程及初始化界面设计
　　　　4.2 圆柱滚子尺寸信号预处理模块程序设计
　　　　　　4.2.1 数据采集卡初始化程序设计
　　　　　　4.2.2 数据采集程序设计
　　　　　　4.2.3 快速傅里叶变换程序设计
　　　　　　4.2.4 数字滤波器程序设计
　　　　　　4.2.5 数据曲线拟合程序设计
　　　　　　4.2.6 数据存储及回放程序设计
　　　　4.3 圆柱滚子分组控制系统程序设计
　　　　4.4 测量系统精度验证
　　　　4.5 本章小结
　　结论与展望
　　参考文献
　　攻读学位期间发表的学术成果
　　致谢