諧波齒輪減速器虛擬測試系統(tǒng)的研究

萬筱劍，姚志飛，孔 翔

（1. 深圳航天科技創(chuàng)新研究院，深圳 518057；2. 河北廣播電視大學，石家莊 050071）

諧波齒輪減速器虛擬測試系統(tǒng)的研究

萬筱劍1，姚志飛2，孔 翔1

（1. 深圳航天科技創(chuàng)新研究院，深圳 518057；2. 河北廣播電視大學，石家莊 050071）

0 引言

諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器，諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），是建立在彈性變形理論基礎上的一種新型的機械傳動方式，它是依據(jù)柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種齒輪傳動。該傳動是由美國人馬塞爾于1959年發(fā)明的，它的出現(xiàn)被認為是機械傳動的重大突破。它具有體積小、重量輕、傳動比大、精度高等特點，目前被廣泛應用在航空航天、儀器儀表、機器人、雷達等需要精密定位的領域。諧波減速器的在各個領域中的應用，在不同條件下需要不同的技術(shù)指標，如何評價其技術(shù)指標便成為減速器行業(yè)面臨的一個難題。為解決這一難題，研究開發(fā)了諧波減速器測試系統(tǒng)[1]。

該系統(tǒng)采用虛擬儀器構(gòu)成，虛擬儀器的精髓在于用戶可以根據(jù)自己的需求來定義功能和性能，復雜的硬件功能可以通過簡單的軟件方法來實現(xiàn)。采用虛擬儀器技術(shù)進行減速器性能測試，充分利用了虛擬儀器“軟件就是儀器”的思想，在必需的硬件環(huán)境下盡可能發(fā)揮軟件功能，完成信號采集、信號分析、測試結(jié)果的存儲顯示、測試數(shù)據(jù)的管理等工作。該測試系統(tǒng)不僅能綜合測試諧波減速器的總體性能，而且還能根據(jù)這些測試數(shù)據(jù)進行分析，對諧波減速器的優(yōu)化設計提供幫助[2]。

1 主要測試參數(shù)及測試原理、方法

1.1 機械效率的測試原理與測試方法[3]

1.1.1 測試原理

轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率均是減速器工作時的重要參數(shù)，選擇合適的測量原理是決定測試系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

轉(zhuǎn)矩測量：使機械元件轉(zhuǎn)動的力偶或力矩叫做轉(zhuǎn)動力矩，簡稱轉(zhuǎn)矩。采用扭矩傳感器進行測量，扭矩傳感器采用應變片電測技術(shù)，在彈性軸上組成應變橋，向應變橋提供電源即可測得該彈性軸變形的電信號。將該應變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成與扭應變成正比的頻率信號。

轉(zhuǎn)速的測量原理：轉(zhuǎn)速測量必須與轉(zhuǎn)矩測量保持同步，才能確保測出的機械效率值準確可靠。轉(zhuǎn)速測量采用光電碼盤的方法進行測量，每一光電編碼器的線數(shù)為2048，軸帶動光電碼盤每旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生2048個脈沖，高速或中速采樣時可以用測頻的方法，低速采樣時可以用測周期的方法測出準確的轉(zhuǎn)速。

機械效率的測量原理：當轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩信號都測試出來以后，根據(jù)電工學公式：

式中：P為諧波減速器的輸入或者是輸出功率，kw；

T為諧波減速器的輸入或者輸出扭矩，Nm；

n為諧波減速器輸入或者輸出轉(zhuǎn)速，rpm；

由于安裝需要，實際檢測裝置中，輸入傳感器與減速器之間，減速器與輸出傳感器之間各有一個聯(lián)軸器，如圖1所示。

圖1 效率傳遞示意圖

考慮到聯(lián)軸器的機械效率ηl的影響，則減速器的輸入功率的計算公式變?yōu)椋?/p>

減速器輸出功率的計算公式變?yōu)椋?/p>

1.1.2 測試方法

在諧波減速器的輸入輸出端通過聯(lián)軸器連接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，由輸入扭矩傳感器測出的轉(zhuǎn)矩乘以聯(lián)軸器效率，輸出扭矩傳感器測出的轉(zhuǎn)矩除以聯(lián)軸器的效率，就可以分別的求出輸入、輸出扭矩值。

通過驅(qū)動電機尾端的光電編碼器可以測得輸入軸的轉(zhuǎn)速，力矩電機負載模擬器尾端的光電編碼器就可以測得輸出軸的轉(zhuǎn)速。

將轉(zhuǎn)矩傳感器通過數(shù)采卡進行數(shù)據(jù)采集，光電編碼器通過運動控制卡讀回的編碼器位置信號，最終通過計算機進行數(shù)據(jù)的分析、處理、得出同一時刻的輸入輸出轉(zhuǎn)速，輸入輸出轉(zhuǎn)矩，計算出效率，并且繪制出波形。

1.1.3 減速器效率η計算方法

機械效率是系統(tǒng)要得到的主要數(shù)據(jù)，其計算方法如下，減速器輸出功率除以減速器的輸入功率即得到減速器的效率，公式如下：

通過公式(2)和(3)，計算出減速器的機械效率為：

1.2 噪聲的測試原理和方法

按GB6404規(guī)定測試，將聲級計安裝在距離減速器外殼1米處，在額定轉(zhuǎn)速和額定負載下測試，找出聲級計最大的測試數(shù)據(jù)用來評價減速器的性能，要求噪聲不大于60dB。

1.3 溫升的測試原理和方法

1.3.1 測試原理

諧波減速器溫升計算需要測試環(huán)境溫度和減速器溫度，根據(jù)諧波減速器的使用環(huán)境要求：-40～+55℃；所以測試的時候要在兩個極端的溫度下進行，即高低溫環(huán)境試驗，在控溫箱中進行。溫度測量采用熱敏電阻，熱敏電阻的引出線連接數(shù)據(jù)采集卡上，通過labview軟件編程，將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)進行定標換算成溫度信號，在前面板進行數(shù)值顯示、波形繪制等。最終可以得到環(huán)境溫度和減速器溫度的平均值，峰值以及實時溫度波形圖。

1.3.2 測試方法

將熱敏電阻粘貼于保溫箱上，將測試的數(shù)據(jù)作為環(huán)境溫度，熱敏電阻粘貼于減速器外殼上，將測試的數(shù)據(jù)作為減速器溫度，兩者之差即為溫升。

要求在-40℃保溫2小時能正?？蛰d啟動，在+55℃保溫條件下，以額定轉(zhuǎn)速、額定負載正常運轉(zhuǎn)約 2小時，其熱平衡溫度不超過100℃(溫升45℃)。

1.4 傳動精度的測試原理與測試方法[4]

減速器輸出軸相對于輸入軸的理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角之差，即為傳動誤差。動態(tài)測量采用編碼器，通過編碼器測出輸入與輸出信號的差值，繪出誤差曲線，取其最大值。

1.4.1 測試原理

1）角度的測量：輸入輸出的角度的測量均通過讀取編碼器的位置值來實現(xiàn)，輸入軸的角度值由驅(qū)動電機尾端的編碼器提供，輸出軸的角度值由負載模擬器（即力矩電機）尾端的編碼器提供，運動控制卡采集到編碼器的位置值，通過labview編程把這個值實時記錄下來。

2）高精度的力矩加載：磁粉制動器通過模擬量給定阻力矩值，作為大的力矩負載加載。大力矩加載時，磁粉制動器作為阻力矩的大部分給定，輸出電機通過力矩閉環(huán)控制加載的精度。

1.4.2 測試方法

驅(qū)動電機速度模式，負載電機力矩模式，開始測試時，同時記錄輸入軸與輸出軸的編碼器值，每隔一段時間采樣一個點。小力矩加載時，通過輸出電機與扭矩傳感器構(gòu)成力矩閉環(huán)實現(xiàn)，加載精度控制在0.5%。

具體實施步驟：首先要輸入待測減速器參數(shù)，包括減速器型號，減速比，精度等級。然后輸入電機參數(shù)，包括驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，力矩加載（磁粉制動器，力矩電機指令）等參數(shù)。運行時啟動驅(qū)動電機，帶動減速器運轉(zhuǎn)，監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，監(jiān)測驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩傳感器的力矩值，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，開始測試。開始進入測試，記錄輸入輸出編碼器的值，采樣點不少于720個（可連續(xù)采樣）。

實時計算傳動誤差，根據(jù)計算的結(jié)果實時顯示曲線，測試結(jié)束后，取最大值，即為測得的傳動誤差。

1.5 振動的測試原理和方法

為了得到諧波減速器的振動情況記錄，根據(jù)GB2423.10，在減速器正上方、側(cè)邊、輸入軸附近分別安裝3個壓電加速度傳感器，依次測量減速器的豎直、水平、軸向的振動情況。將壓電加速度傳感器連接至數(shù)據(jù)采集卡上，通過labview編程，將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)進行定標、積分、功率譜分析、加窗函數(shù)等處理，最后得到減速器三個方向上的振動的加速度、速度、位移的峰值、均值及波形圖，還可以得到其振動的功率譜波形，峰值頻率等。

2 諧波齒輪減速器測試系統(tǒng)的設計

根據(jù)諧波減速器各個參數(shù)的測試方法，同時依據(jù)功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測試精度高、運行安全可靠和成本低的原則，對諧波減速器測試系統(tǒng)進行了軟件、硬件的設計。

2.1 測試系統(tǒng)的硬件設計

減速器測試系統(tǒng)硬件實驗臺由驅(qū)動電機、輸入扭矩傳感器、被測諧波減速器、輸出扭矩傳感器、負載模擬器（由磁粉制動器和力矩電機共同組成）、數(shù)據(jù)采集卡、運動控制卡、工控機等組成，諧波減速器效率測試和精度測試所需的硬件略有不同，在精度測試的時候輸入軸的扭矩傳感器是不需要的，具體的測試示意圖如圖2所示。

圖2中，被測減速器的輸入位置角度值由驅(qū)動電機的編碼器提供，輸入轉(zhuǎn)矩信號由輸入扭矩傳感器提供，輸出位置角度值由負載力矩電機的編碼器提供，輸出扭矩信號由輸出扭矩傳感器提供。

圖2-a 諧波減速器的效率測試示意圖

圖2-b 諧波減速器的精度測試示意圖

試驗時，根據(jù)不同的測試項目，只要把按照圖示的安裝方式安裝，調(diào)用相應的測試軟件，即可測得所需的測試數(shù)據(jù)，計算出減速器的參數(shù)值。

2.2 測試系統(tǒng)的軟件設計

測試系統(tǒng)采用labview2009進行開發(fā)，包括運動控制軟件、監(jiān)控界面以及測試算法的編寫。測試系統(tǒng)軟件流程框圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件流程框圖

在研究了以上檢測方法和原理的基礎上，運用Laview2009軟件對諧波減速器的測試系統(tǒng)進行了設計。諧波減速器性能測試系統(tǒng)部分前面板如圖4所示。

圖 4 虛擬測試系統(tǒng)部分前面板

3 結(jié)論

在虛擬儀器技術(shù)的基礎上，對諧波齒輪減速器的虛擬測試系統(tǒng)進行了研究和設計。確定了諧波齒輪減速器的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率、溫升、振動、傳動精度等參數(shù)的測試方法、測試原理，并確定了各傳感器的類型，搭建了硬件實驗臺。同時，在虛擬儀器技術(shù)基礎上，運用Laview軟件進行編程，設計了適用于諧波齒輪減速器的虛擬測試系統(tǒng)，并進行了仿真?？梢酝瓿蓪χC波齒輪減速器各個參數(shù)的信號采集、信號處理、數(shù)據(jù)顯示、波形繪制等功能，充分發(fā)揮了軟件強大的數(shù)據(jù)處理能力，在提高精度的同時大大降低了硬件成本。將虛擬儀器技術(shù)應用于諧波減速器的性能測試，利用軟件即是硬件的思想，有以下優(yōu)點：編程簡便，可以將更多的精力投入到算法和課題的研究中；成本較低，只需要購買通用性強的外端數(shù)據(jù)采集設備即可；可以提高測試系統(tǒng)的自動化水平和測試精度。

該設計通用性強，只需要在原有試驗裝置的基礎上進行一定的改動，增加相應的傳感器，即可利用本系統(tǒng)重構(gòu)成為新的虛擬儀器測試設備。通過試驗，驗證了諧波減速器新產(chǎn)品的主要性能參數(shù)，同時對其進一步優(yōu)化設計提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

[1]姚俊武,王建中.諧波減速器在自重構(gòu)機器人的應用研究[J].制造業(yè)自動化,2006(08):51-52,58.

[2]李曼,馮華光.減速器性能測試虛擬儀器的研究與開發(fā)[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2006(1):32-34.

[3]蔡振,呂新生,李志遠,王亞芹.基于虛擬儀器的微型減速器機械效率測試系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008(10):31-33.

[4]李召華,揚帆,韓梅.諧波齒輪傳動裝置的傳動精度分析[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010(02):9-11.

The research on virtal testing system of harmonic gearbox

WAN Xiao-jian1, YAO Zhi-fei2, KONG Xiang1

在對諧波齒輪減速器的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率、傳動精度等參數(shù)的測試方法、測試原理研究的基礎上，利用虛擬儀器技術(shù)，對諧波齒輪減速器的性能測試系統(tǒng)進行了研究和設計。并運用labview2009軟件編程，設計了適用于諧波齒輪減速器的虛擬測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)充分發(fā)揮了計算機的處理能力，降低了硬件成本投入。

虛擬儀器；諧波齒輪減速器；測試系統(tǒng)

萬筱劍（1978 -），男，河北無極人，工程師，碩士，主要從事運動控制及系統(tǒng)集成研發(fā)工作。

TH17

A

1009-0134(2011)4(上)-0015-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).05

2010-10-12