一種新型諧波傳動試驗臺的研制

余新木 梅雪松② 陶 濤 趙 飛 聶 彤 王宋萍

(①西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049;

②西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安710039)

1955年，C.W.Musser創(chuàng)造性地提出了諧波傳動技術［1］。這種傳動技術采用獨特的柔性機構實現(xiàn)動力傳遞，具有傳動比大、精度高、體積小、承載能力大以及可向密閉空間傳遞運動等性能優(yōu)勢，因此日益受到工程界的重視。自1962年NASA首次將諧波傳動應用于Telstar通訊衛(wèi)星以來，諧波傳動已在太陽翼驅動機構、天線指向機構、掃描機構、著陸器行進輪、自動武器制導、機械臂等空間機構中得到廣泛應用［2-3］。

諧波傳動系統(tǒng)特性的研究一直受到關注。麻省理工學院T.D.Tuttle等研究了諧波傳動的非線性動力學特性，構建了由編碼器、電動機、扭矩傳感器、慣性負載和旋轉變壓器等組成的試驗裝置［4］。蒙特利爾麥吉爾大學H.D.Taghirad等對諧波傳動在引入摩擦與變形等因素時的動態(tài)性能進行了較為詳細的研究［5］。休斯敦萊斯大學P.S.Gandhi等人采用類似的測試臺架對諧波傳動的傳動誤差進行檢測［6］，試驗裝置中用扭矩傳感器取代了H.D.Taghiradt設計的惠斯通應變電橋測扭矩的方法。Rached Dhaouadi等人采用同樣的測試方法對諧波傳動的傳動剛度特性進行了研究［7］。國內(nèi)許多學者也對諧波傳動的系統(tǒng)特性進行了大量的研究，建立了各自適用的測試實驗臺［8-10］。

相對來說，國內(nèi)關于諧波傳動試驗檢測技術的專門研究則相對較少，特別是適用于真空等空間環(huán)境的試驗檢測技術更是少有涉及。目前，常用的諧波傳動測試加載方式主要有磁粉制動器加載、液壓加載、慣性負載和發(fā)電動機式等幾種。磁粉制動器加載方式結構簡單且扭矩調節(jié)范圍大，但氣隙中的磁粉在真空環(huán)境中會由于結塊而無法產(chǎn)生正常的摩擦力，限制了其在空間環(huán)境下使用;液壓式試驗臺采用液壓系統(tǒng)加載，適用于大載荷，但其反應速度較慢，加載精度不高，不適用于緊湊型試驗臺的精確加載;慣量負載只能用于某些性能測試;發(fā)電動機式試驗臺利用電動機處于發(fā)電狀態(tài)來加載，系統(tǒng)存在嚴重非線性缺陷，低速狀態(tài)下精度不高，同時也存在散熱問題。

本文針對空間環(huán)境適應性，結合使用單位需將試驗臺放置在模擬空間環(huán)境的真空罐內(nèi)的要求，設計開發(fā)了一種全程計算機控制的諧波傳動多參數(shù)測量的新型試驗臺——雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺。

1 加載機構及工作原理

結構緊湊且適于放置在模擬空間環(huán)境的真空罐中是研制本試驗臺的出發(fā)點，提高測試系統(tǒng)的自動化程度是基本要求。經(jīng)過比較試驗，本文根據(jù)彈性材料的剛度具有良好的線性這一特點，選用彈簧鋼材料制作扭桿作為試驗臺系統(tǒng)的扭矩加載機構。

扭桿起扭力彈簧的作用，安裝在兩臺聯(lián)動的伺服電動機之間，并與被測諧波傳動產(chǎn)品相連。兩伺服電動機通過相互間的轉角差φ為扭桿施加扭轉角度變形，產(chǎn)生扭矩，從而實現(xiàn)對被測產(chǎn)品的加載。扭矩大小與變形量成正比，動態(tài)地調整轉角差φ，可實現(xiàn)對加載扭矩的動態(tài)控制。

依據(jù)所需加載載荷的大小，實驗中選用了不同直徑的扭桿，合理地配置扭桿桿徑可以提高測試的精度并保證系統(tǒng)的安全性。圖1給出了諧波傳動試驗臺的工作原理圖。

這種加載方式克服了磁粉制動器加載不適用于真空環(huán)境的不足，并且能夠實現(xiàn)自動控制和同時測取多項產(chǎn)品參數(shù)，提高了測試效率。本系統(tǒng)可測試項目包括效率、傳動精度、靈敏度與回零精度、剛度與回差、壽命、起動扭矩、超載、過渡過程等。

2 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集

試驗臺的系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集是試驗臺電子測控系統(tǒng)的主要構成。工控機為試驗臺主控中心，Windows為系統(tǒng)軟件運行環(huán)境，采用美國PMAC多軸運動控制卡控制兩臺伺服電動機的旋轉速度與位置，扭矩傳感器和角度編碼器分別測取扭矩和角位移等信號，數(shù)據(jù)采集卡和計數(shù)卡實現(xiàn)物理量的收集。系統(tǒng)運動控制設計與系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設計如圖2所示。

在試驗臺電子測控系統(tǒng)中，PMAC多軸運動控制卡用于與主機通信、接收系統(tǒng)指令在線編譯并同時控制兩軸進行樣條插補。PMAC在電動機負載的情況下，通過對系統(tǒng)調試獲得合理的PID控制參數(shù)，實現(xiàn)運動的位置閉環(huán)控制;通過內(nèi)置變量設置，對受控電動機進行加速控制、速度控制和位置控制。試驗臺當下的運動狀態(tài)由PMAC的查詢功能實施監(jiān)測，設置正負限位參數(shù)，保證系統(tǒng)的安全。

角位移和扭矩測量分別選用德國HEIDENHAIM脈沖式絕對角度編碼器和德國HBM T20WN系列扭矩傳感器，并安置多點溫度傳感器以監(jiān)測試驗臺系統(tǒng)的環(huán)境溫度。角度數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)單軸或雙軸同步，采集速度在一定范圍內(nèi)可由用戶自主選擇。根據(jù)輸入與輸出端角度信號對測量精度的影響，輸入端采用分辨率為0.005°的旋轉編碼器作為角度測量元件，輸出端采用分辨率為0.000 56°的角度編碼器作為角度測量元件。扭矩測量所得輸出軸的輸出扭矩，既是1個被要求控制的信號，也是加載控制的反饋信號，主控中心據(jù)以調控兩臺電動機轉角差，精確調節(jié)加載載荷。系統(tǒng)扭矩調整的算法核心是計算在當前彈簧剛度下應調整的角度差，圖3給出了加載扭矩控制流程圖。

3 試驗臺測控系統(tǒng)軟件

測控系統(tǒng)軟件以Windows為運行環(huán)境，具有簡明易用的可視化人機界面。測控系統(tǒng)軟件通過運動控制卡對伺服電動機進行精確的同步控制，可對諧波傳動特性同步自動地實現(xiàn)多路模擬量與數(shù)字量的信號采集。圖4給出了系統(tǒng)軟件功能模塊框圖。

4 試驗臺性能分析

4.1 扭桿特性實驗

為驗證本文所設計加載扭桿的特性，對扭桿進行18次不等距加載實驗，加載最大扭矩為32 N·m。彈性扭桿設計剛度3.805 N·m/(°)，實際測得扭桿剛度3.795 N·m/(°)，如圖5所示。在各測點處，實際扭桿剛度在理論值附近跳動，與理論剛度基本吻合，且在測試范圍內(nèi)，扭桿剛度基本保持線性。測試結果驗證了本文所提出的扭桿加載方式的可行性。

4.2 速度穩(wěn)定性

PMAC通過F指令設定連續(xù)運行期間的固定速度。理論上，諧波傳動在試驗時應處于勻速轉動狀態(tài);由于電氣與機械的固有特性，實際上諧波傳動的運行速度始終處在小幅波動中。波動幅度是系統(tǒng)穩(wěn)定性的衡量指標。

實測速度波幅時，輸入軸設定以200 r/min運轉，以1 kHz為采樣頻率，連續(xù)采樣25 s，測量結果如圖6所示。

試驗結果顯示:速度平均偏差率為0.18%，最大速度偏差率為0.693 1%。當諧波傳動運行在額定速度下，速度的波動幅度較小，速度穩(wěn)定性好。

4.3 扭矩穩(wěn)定性

扭矩穩(wěn)定性以系統(tǒng)運行速度的波動幅度為評測標準。實測時，額定速度200 r/min，對諧波傳動輸出軸扭矩信號進行1 kHz的快速采樣，采樣時間4 000 ms，得出相應扭矩時域波動圖7。

試驗給出扭矩平均偏差率為0.794%。試驗臺扭矩控制比較穩(wěn)定，優(yōu)于設計目標。

4.4 試驗舉例

為測試本實驗臺性能，對某型號諧波傳動進行了系列試驗。圖8是該諧波傳動的剛度特性，測試程序按GB/T14118-93標準進行，測試過程中對被測諧波傳動實施正向—反向—正向加載，分步長進行，加載起點為扭矩值為0 N·m，加載扭矩穩(wěn)定時進行數(shù)據(jù)采集。圖中，諧波傳動在0 N·m負載附近，由負載引起的角度變形量較大，說明諧波傳動柔輪和剛輪構件間存在間隙;越過這一區(qū)域后，諧波傳動輸出剛度基本呈線性。反向測試，剛度曲線與正向曲線之差反映了彈性變形引起的遲滯現(xiàn)象。系統(tǒng)擬合所得試件的輸出剛度(圖中圈處數(shù)值1.300 998)與設計值基本相符。

5 結語

本文基于增強空間環(huán)境適應性和提高自動化程度，研制了一種新型的諧波傳動試驗臺——雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺，為空間環(huán)境下諧波產(chǎn)品高效動態(tài)測試提供了一種新的選擇。本試驗臺系統(tǒng)研制完成后，應用于某系列諧波傳動動態(tài)參數(shù)的測試，經(jīng)反復試驗，證明了雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺的可行性與實用性。對比現(xiàn)有的各種試驗臺的加載原理及設計思想，雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺具有結構緊湊、可測參數(shù)多、控制簡單、可靠性高、反應速度快、自動化程度高、環(huán)境適應性強等諸多優(yōu)點。

雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺系統(tǒng)經(jīng)過適當?shù)母脑欤策m用于其他旋轉運動與扭矩傳動產(chǎn)品的性能試驗。

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