諧波減速器傳動(dòng)效率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

饒建紅，李鐵才，石 堅(jiān)

(1.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 深圳市網(wǎng)絡(luò)信息電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 深圳 518057； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣州 深圳 518067)

諧波減速器傳動(dòng)效率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

饒建紅1，李鐵才2，石 堅(jiān)2

(1.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 深圳市網(wǎng)絡(luò)信息電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 深圳 518057； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣州 深圳 518067)

介紹了一種測(cè)試諧波減速器傳動(dòng)效率的控制系統(tǒng)，對(duì)該控制系統(tǒng)的硬件及軟件部分分別給出了詳細(xì)的介紹，硬件部分主要包括交流伺服電機(jī)、力矩電機(jī)、扭矩傳感器、磁粉制動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)據(jù)采集卡等。力矩電機(jī)與磁粉制動(dòng)器的結(jié)合使用為系統(tǒng)提供大范圍且高精度加載。另外，運(yùn)用模塊化的編程方式進(jìn)行了軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的人機(jī)界面簡(jiǎn)單友好，易于操作。該套測(cè)試系統(tǒng)以較低的成本實(shí)現(xiàn)了高精度、高性能的測(cè)試。

諧波減速器; 傳動(dòng)效率; 控制系統(tǒng)

0 引言

諧波齒輪傳動(dòng)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種原理創(chuàng)新的傳動(dòng)方式。由于具有體積小、重量輕、傳動(dòng)比大、精度高等特點(diǎn)，目前在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。評(píng)估諧波減速器的傳動(dòng)性能的好壞成為目前減速器行業(yè)急需解決的難題[1-2]。

傳動(dòng)效率是諧波減速器兩項(xiàng)重要指標(biāo)之一。文獻(xiàn)[3]及文獻(xiàn)[4]所提到的測(cè)試方法中所需測(cè)試的物理量較多，包括電壓、電流、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速多個(gè)物理量的測(cè)量，最后會(huì)造成所得到的結(jié)果相對(duì)誤差較大。文獻(xiàn)[5]中用磁粉制動(dòng)器作為整個(gè)系統(tǒng)的加載裝置使得系統(tǒng)的加載精度相對(duì)較低。針對(duì)上述的不足，提出了一種新的控制系統(tǒng)用來(lái)測(cè)試諧波減速的傳動(dòng)效率，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，諧波減速器的效率可以簡(jiǎn)化為諧波減速器輸入軸與輸出軸的扭矩值之比，測(cè)試的物理量相對(duì)較少，由誤差傳播規(guī)律可知，最后得出的效率的相對(duì)誤差限為兩個(gè)扭矩相對(duì)誤差限之差。

此測(cè)試系統(tǒng)主要包括硬件平臺(tái)的搭建和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。硬件部分主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、力矩電機(jī)、磁粉制動(dòng)器、扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)等。軟件部分是基于Labview2009圖形化編程語(yǔ)言，采用模塊化的設(shè)計(jì)方式[7]，主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示及數(shù)據(jù)處理模塊等。軟件方便移植及維護(hù)且用戶界面友好，操作簡(jiǎn)單，方便快捷。

1 主要性能測(cè)試原理及方法

1.1 測(cè)試原理

諧波減速器傳動(dòng)效率為輸出端功率P2與輸入端功率P1之比，具體表達(dá)式如下所示：

(1)

(2)

(3)

式中：η——諧波減速器效率；

η′——聯(lián)軸器總的效率；

T2——諧波減速器輸出軸扭矩；

T1——諧波減速器輸入軸扭矩；

ε——諧波減速器減速比

1.2 測(cè)試方法

驅(qū)動(dòng)電機(jī)(交流伺服電機(jī))帶動(dòng)諧波減速器、力矩電機(jī)、磁粉制動(dòng)器以某一恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在諧波減速器兩端安裝扭矩傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的高頻脈沖輸入端采集扭矩傳感器信號(hào)，由式(3)得到諧波減速器的傳動(dòng)效率[8]，測(cè)試不同工況下(轉(zhuǎn)速變化或者負(fù)載變化)的諧波減速器效率。

2 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)示意圖

2.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)硬件部分主要由交流伺服電機(jī)(驅(qū)動(dòng)源)、力矩電機(jī)、磁粉制動(dòng)器、扭矩傳感器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、PCI-7352運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)據(jù)采集卡組成。圖2是各個(gè)組件部分連接關(guān)系示意圖。

圖2 硬件連接示意圖

2.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，減少代碼冗余，方便代碼移植及維護(hù)。主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、力矩加載模塊、信號(hào)采集模塊和實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成模塊。

由式(3)可以得出，系統(tǒng)測(cè)試的關(guān)鍵在于力矩加載的穩(wěn)定，因此如何實(shí)現(xiàn)高精度的加載是該系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。系統(tǒng)加載由力矩電機(jī)與磁粉制動(dòng)器完成，當(dāng)系統(tǒng)所需負(fù)載小于20N.m時(shí)(由力矩電機(jī)最大扭矩決定)，可單獨(dú)由力矩電機(jī)進(jìn)行加載，磁粉制動(dòng)器此時(shí)不工作，如果所需負(fù)載大于上述值時(shí)，由程序控制首先讓磁粉制動(dòng)器加載，直到此時(shí)扭矩傳感器值為所需負(fù)載力矩值0.9倍時(shí)，保持磁粉制動(dòng)器所給定的電壓值不變，同時(shí)啟動(dòng)力矩電機(jī)，控制力矩電機(jī)使其與扭矩傳感器形成力矩閉環(huán)，從而為系統(tǒng)提供精確的扭矩值。系統(tǒng)加載框及程序流程圖分別如圖3和圖4所示。

扭矩傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的高速脈沖輸入端口，通過(guò)換算得到系統(tǒng)的扭矩值，最后根據(jù)公式(3)得到諧波減速器的效率值。

程序面板由參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)顯示、波形顯示和實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成等一些功能鍵組成。數(shù)據(jù)顯示主要用來(lái)顯示測(cè)試過(guò)程中一些重要的物理量，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度、負(fù)載扭矩值和傳動(dòng)效率等，通過(guò)波形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示一些物理量的變化趨勢(shì)。最后在測(cè)試完成時(shí)，點(diǎn)擊生成試驗(yàn)報(bào)告按鈕，自動(dòng)生成word格式實(shí)驗(yàn)報(bào)告[9]，附有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，方便快捷，簡(jiǎn)化測(cè)試的步驟，節(jié)約整個(gè)測(cè)試的時(shí)間，見(jiàn)圖5和圖6。

圖3 系統(tǒng)加載框圖

圖4 加載程序流程圖

圖5 傳動(dòng)效率測(cè)試前面板

圖6 實(shí)驗(yàn)報(bào)告程序框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為臺(tái)達(dá)交流伺服電機(jī)，兩個(gè)扭矩傳感器精度均為0.5%，選用Akribis力矩電機(jī)及磁粉制動(dòng)器作為系統(tǒng)負(fù)載，所能提供的最大扭矩為100N.m，表1為型號(hào)XB1-100-100諧波減速器在各個(gè)轉(zhuǎn)速和負(fù)載下所測(cè)得的平均效率值，由所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出，在同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載越大(小于諧波減速器最大負(fù)載)，諧波減速器的傳動(dòng)效率越高；在相同負(fù)載下，轉(zhuǎn)速越高，諧波減速器的傳動(dòng)效率越低。

表1 諧波減速器的傳動(dòng)效率

圖7 力矩波形圖(1)

圖8 力矩波形圖(2)

圖7和圖8都為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為200rpm，給定負(fù)載為100N.m下所測(cè)得的力矩波形圖。圖7為力矩電機(jī)與磁粉制動(dòng)器共同加載的波形圖，圖8為單獨(dú)由磁粉制動(dòng)器加載的波形圖。從結(jié)果可以看出采用力矩電機(jī)與磁粉制動(dòng)器相結(jié)合的方法使得加載精度較高，提高了系統(tǒng)測(cè)試的精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

該套測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，硬件只需作少許的改動(dòng)就可以測(cè)試諧波減速器另一項(xiàng)指標(biāo)—傳動(dòng)誤差。軟件部分通過(guò)調(diào)用通用的模塊進(jìn)行組合，就可以完成傳動(dòng)誤差測(cè)試的軟件編程。用戶界面簡(jiǎn)潔，易于操作，測(cè)試方便快捷。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了該套系統(tǒng)具有可靠性好，測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)。

[1]陽(yáng)培，張立勇.諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展概述[J].機(jī)械傳動(dòng)，2005，3(1)：15-19.

[2]萬(wàn)筱劍，姚志飛，孔翔.諧波齒輪減速器虛擬測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，4(33)：15-16.

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

[5]胡利永，鄭堤.齒輪蝸桿減速機(jī)效率動(dòng)態(tài)測(cè)量[J].機(jī)床與液壓，2005(10)：149-150.

[6]GB/T 14231-93, 齒輪裝置效率測(cè)定方法[S].

[7]李曼，馮華光.減速器性能測(cè)試虛擬儀器的研究與開(kāi)發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006(1)：33-34.

[8]孫瑞濤，辛洪兵，丁熙元，等.諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各誤差分量及其綜合[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，20(1)：49-50.

[9]駱慶.基于LABVIEW的蝸桿減速器測(cè)試系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2007，24(8)：109-110.

(編輯 趙蓉)

A Control System Design of Testing Harmonic Drive Reducer Transmission Efficiency

RAO Jian-hong1, LI Tie-cai2, SHI Jian2

(1.Shenzhen Key Laboratory of Network information Appliance, Shenzhen Academy of Aerospace Technology,Shenzhen Guangzhou 518057,China; 2.Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, Shenzhen Guangzhou 518067,China)

A control system is designed to test transmission efficiency of harmonic drive reducer. Hardware and software design of the system are introduced respectively. Hardware system is composed of AC servo motor, torque sensor, torque motor, magnetic powder brake, data acquisition card etc. Wide range and high precision load is realized because of torque motor and magnetic powder brake used in combination. Function modules are used in software system. Human-machine interface designed is friend and maneuverable. The system designed in low cost is of high-precision and high-performance.

harmonic reducer; transmission efficiency; control system

1001-2265(2014)06-0055-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.015

2013-09-24；

2013-10-24

饒建紅(1983—)，女，江西撫州人，深圳航天科技創(chuàng)新研究院工程師，主要從事運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方面的研究，(E-mail)qiushui0451@163.com。

TH132; TG65

A