內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器剛度試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器剛度試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉艷玲，姜佳怡，沈兆奎，樊學(xué)贊

(天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

摘要：介紹了內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器剛度試驗(yàn)臺(tái)的基本組成及剛度檢測的試驗(yàn)方法， 闡述了該試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并應(yīng)用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)出相應(yīng)的測控軟件。針對自主研發(fā)的內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器，應(yīng)用該剛度試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行剛度檢測試驗(yàn)，通過具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析其剛度性能，最終得出試驗(yàn)減速器的剛度性能是否符合要求。

關(guān)鍵詞：內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器；剛度；試驗(yàn)臺(tái)；測控系統(tǒng)；LabVIEW

中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2015-03-07；修訂日期：2015-04-15

作者簡介：劉艷玲(1963-)，女，天津理工大學(xué)副教授，天津市人，研究方向：機(jī)電傳動(dòng)與控制。

通訊作者：姜佳怡(1990-)，女，天津理工大學(xué)碩士研究生，山東省人。研究方向：機(jī)電傳動(dòng)與控制。

Design of stiffness tester’s measurement-control system for the internal parallel moving gear reducer

LIU Yan-ling,JIANG Jia-yi, SHEN Zhao-kui, FAN Xue-zan

(Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced

Mechatronical System, Tianjin 300384, China)

Abstract：This paper introduces the basic composition of a stiffness tester using for the internal parallel moving gear reducer, and stiffness testing methods. It describes the hardware design of the tester’s measurement-control system and the measurement-control software designed by LabVIEW. With an internal parallel moving gear reducer of independent research and development as the research object, stiffness test is conducted by the stiffness tester. Finally, it concludes that stiffness performance meets the requirements or not by analyzing detail data.

Keywords：internal parallel moving gear reducer; stiffness; tester; measurement-control system; LabVIEW

0前言

減速器是機(jī)械裝備的基礎(chǔ)元件，隨著我國機(jī)械設(shè)備持有量和新增產(chǎn)量的增大，其配套減速器的品種、規(guī)格和數(shù)量亦隨之增大。內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器作為一種國內(nèi)新型精密減速器，其在傳動(dòng)比、機(jī)械效率、承載能力、使用壽命以及成本等方面較之其他減速器而言具有明顯優(yōu)勢[1,2]，其主要應(yīng)用于重載荷、大數(shù)比、長壽命以及需要精密傳動(dòng)的場合，這需要滿足其剛度要求，且具有較高的精度和較小的回差，而剛度不足會(huì)產(chǎn)生較大的彈性回差，嚴(yán)重影響機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因而研制內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器剛度試驗(yàn)臺(tái)對于分析內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器的剛度性能具有十分重要的意義。

內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器的剛度是將減速器輸入端固定，然后向輸出端連續(xù)施加負(fù)載扭矩，產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，而以轉(zhuǎn)矩變化量與其相應(yīng)轉(zhuǎn)角變化量的比值來定義扭轉(zhuǎn)剛度。采用NI公司開發(fā)的LabVIEW完成對數(shù)據(jù)的分析處理，最終繪制滯后曲線、生成報(bào)表。LabVIEW是一種基于G語言的32位編譯型圖形化編程語言，其具有較好的人機(jī)交互界面，并在測試測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

1內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器試驗(yàn)臺(tái)

1.1試驗(yàn)臺(tái)原理及組成

圖1是內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器剛度試驗(yàn)臺(tái)，圖中將待測減速器的輸入端固定，在輸出端加載直至達(dá)到減速器的額定轉(zhuǎn)矩。在減速器輸出端連接轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀，實(shí)時(shí)檢測輸出端的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)采用高精度圓光柵檢測輸出端在不同轉(zhuǎn)矩下對應(yīng)的轉(zhuǎn)角。為反映出結(jié)構(gòu)在力的反復(fù)作用下的變形特征、剛度退化及能量消耗，需要通過試驗(yàn)在力循環(huán)往復(fù)作用下，得到結(jié)構(gòu)的滯后曲線，進(jìn)而得出內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器的剛度特性。

1.加載力臂 2.法蘭盤 3.JSC4型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀 4.雷尼紹圓光柵(L=300 mm)5.待測內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器 圖1　剛度試驗(yàn)臺(tái) Fig.1　Stiffness tester

1.2試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)關(guān)鍵

(1)試驗(yàn)臺(tái)的連接件和支座多采用剛性連接，根據(jù)已完成的初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：進(jìn)行剛度試驗(yàn)時(shí)，由于連接件間多存有間隙，一旦扭轉(zhuǎn)力積蓄到一定值，即加載力臂加載到一定轉(zhuǎn)矩時(shí)，扭轉(zhuǎn)件克服接觸面的滑動(dòng)摩擦力，快速轉(zhuǎn)過間隙的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生慣性沖擊，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)局部的階梯型變化，嚴(yán)重影響最終的測試精度，而采用剛性連接可以極大避免這個(gè)問題，且試驗(yàn)過程中加載較為平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速很小，能保證被聯(lián)兩軸軸線相對偏移極小，但相應(yīng)的安裝精度和加工精度相對要求較高，若剛性連接過多則會(huì)導(dǎo)致蓄積的內(nèi)應(yīng)力得不到釋放，從而導(dǎo)致試驗(yàn)空載時(shí)的零點(diǎn)不準(zhǔn)確并在試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的突跳，因而需要在連接位置，特別是加載端適量且合理地采用剛性連接，將有助于試驗(yàn)的進(jìn)行。

(2)為保證檢測精度，選用體積輕薄、內(nèi)徑大的高精度光柵，其刻劃精度小于±0.5角秒，且光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常低。錐面安裝方式糾正了回轉(zhuǎn)軸的偏心，確保精度的同時(shí)細(xì)微調(diào)整安裝誤差。相應(yīng)的讀數(shù)頭的細(xì)分誤差保持在±40 nm以下，足夠該試驗(yàn)的精度要求。

選用的高精度轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀，采用應(yīng)變電測原理，通過應(yīng)變電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓M(jìn)行測量。由于采用了能源與信號的無接觸耦合，能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確測量。其固有頻率為10 kHz，轉(zhuǎn)矩誤差≤0.2%，且重復(fù)性和滯后性較小。

由于檢測傳感器的采集頻率和精度較高，因而對數(shù)據(jù)卡有較高要求，該試驗(yàn)采用了美國NI公司的PCI6602，其擁有8個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和32條與TTL/CMOS兼容的數(shù)字I/O線，80 MHz最大源頻率 (使用預(yù)定標(biāo)度可達(dá)125 MHz)，可執(zhí)行3種同步高速DMA轉(zhuǎn)換，完成對輸入頻率信號的預(yù)處理，且能很好與LabVIEW、MatLab等軟件連接[4]。

2測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集分析系統(tǒng)的硬件主要由計(jì)算機(jī)和PCI6602數(shù)據(jù)采集卡兩部分組成。計(jì)算機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的計(jì)算處理以及數(shù)據(jù)的顯示和繪圖。利用計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)和多媒體技術(shù)，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理推向后臺(tái)，把測控的結(jié)果用數(shù)字、曲線、圖形等形式提供給用戶[5]。系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　剛度試驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 Fig.2　Hardware structure diagram of stiffness test system

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1定時(shí)與手動(dòng)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW開發(fā)，數(shù)據(jù)采集分別由手動(dòng)采集和定時(shí)采集兩種模式。在本試驗(yàn)階段，由于加載環(huán)節(jié)采用人工加載方式，加載過程需要緩慢平穩(wěn)后測得檢測數(shù)據(jù)，因而手動(dòng)采集方式也更為適合。若加載環(huán)節(jié)采用連續(xù)加載方式，為避免連續(xù)采集模式的過多冗長重復(fù)數(shù)據(jù)和手動(dòng)采集模式的人工操作，采用定時(shí)采集模式更為合理。定時(shí)采集是每間隔自定義的一段時(shí)間記錄一次數(shù)據(jù)(本試驗(yàn)設(shè)置間隔時(shí)間為1 s)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖3　剛度試驗(yàn)系統(tǒng)軟件流程圖 Fig.3　Software’s flowchart of stiffness test system

2.2.2DAQ通道數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

多通道數(shù)據(jù)采集卡是剛度試驗(yàn)臺(tái)硬件的關(guān)鍵。根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡PCI6602的各個(gè)引腳定義，將GATE端接入待測量信號，AUX端決定計(jì)數(shù)方向，SOURCE端接內(nèi)部時(shí)基信號。根據(jù)高精度300 mm圓光柵的性能指標(biāo)，設(shè)置CI角度編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖值及解碼類型。為消除零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的誤差，采用多次平均取均值的方法去除。由于電信號的干擾對剛度試驗(yàn)影響較大，需要在DAQmx通道下應(yīng)用高級內(nèi)部時(shí)鐘濾波方法，根據(jù)剛度試驗(yàn)的信號特點(diǎn)，最小脈沖寬度設(shè)置為。若驅(qū)動(dòng)信號保持高電平或低電平時(shí)，LabVIEW測量脈沖的子VI會(huì)超時(shí)報(bào)錯(cuò)，可解除錯(cuò)誤捆綁后通過條件結(jié)構(gòu)刪除其code代碼控制的錯(cuò)誤，即在驅(qū)動(dòng)信號受到?jīng)_激干擾時(shí)仍可保證程序的連續(xù)運(yùn)行，防止中斷。此外，LabVIEW為用戶提供大量可被層次化無限調(diào)用的函數(shù)[6]，通過子VI調(diào)用可簡化程序易于修改。

2.2.3滯后曲線繪制及報(bào)表生成

LabVIEW Report Generation Toolkit利用ActiveX技術(shù)將其與Microsoft Excel和Word結(jié)合起來。通過Write To Spreadsheet File.vi和Read From Spreadsheet File.vi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在Microsoft Excel中的存儲(chǔ)與讀取，根據(jù)調(diào)用的列數(shù)據(jù)繪制滯后曲線[7]。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，LabVIEW利用ActiveX技術(shù)調(diào)用Microsoft Word的自動(dòng)化服務(wù)器，可快速高效的生成包括文字、表格、圖表圖片等在內(nèi)的專業(yè)的試驗(yàn)報(bào)告。為加快報(bào)告生成速度，word初始窗口模式應(yīng)選minimized，通過New report.vi 、Word Easy Title.vi、Word Easy Text.vi 及Append Control Image to Report.vi分別完成對報(bào)表的創(chuàng)建、標(biāo)題、文本及圖表的生成。

為了通過讀取減速器額定轉(zhuǎn)矩±3%處的轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)角值，便于計(jì)算試驗(yàn)減速器的剛度值，針對生成的坐標(biāo)圖創(chuàng)建Map Coords To XY和GetPlotAtPos兩個(gè)調(diào)用節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)讀取鼠標(biāo)在經(jīng)過坐標(biāo)圖中曲線時(shí)的坐標(biāo)，添加超時(shí)及鼠標(biāo)按下的事件分支，讀取鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置的XY坐標(biāo)，即可獲取需要的轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)角值。

3測試結(jié)果與分析

以自主研發(fā)的內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器為試驗(yàn)對象，固定其輸入軸，然后向輸出軸施加轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的扭曲，繪制出的滯后曲線如圖4所示。其中，彈簧常數(shù)=b/a，約為正向二次加載的斜率；空轉(zhuǎn)是指在額定轉(zhuǎn)矩的±3%處的滯后曲線寬度的中間點(diǎn)的扭曲角；齒隙是指滯后曲線的轉(zhuǎn)矩“零”處的扭轉(zhuǎn)角。內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器剛度測試前面板如圖5所示，得出該試驗(yàn)減速器的空轉(zhuǎn)為11 s，齒隙為426 s。

圖4　滯后曲線 Fig.4　 Lag curve

圖5　內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器剛度測試前面板 Fig.5　Stiffness test control panel of internal parallel moving gear reducer

根據(jù)圖4中隨機(jī)抽取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的滯后曲線作為范例，分析該減速器的剛度性能。

加載的直線回歸方程為φc=ac+bcTc

式中,φc為加載后相對于空載的輸出軸轉(zhuǎn)角；φcn為第n次加載后相對于空載的輸出軸轉(zhuǎn)角；Tc為輸出軸所受扭矩；Tcn為第n次輸出軸所受扭矩；Nc為總加載次數(shù)。

該試驗(yàn)減速器的空轉(zhuǎn)值較小，可以滿足大傳動(dòng)比的精密傳動(dòng)要求，但其剛度較差，需要改進(jìn)減速器的材質(zhì)且其結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4結(jié)語

目前國內(nèi)大多數(shù)研究僅停留在理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器剛度試驗(yàn)平臺(tái)檢測精度高、速度快，綜合運(yùn)用了傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW圖形化編程軟件綜合開發(fā)檢測平臺(tái)，成本較低，可廣泛應(yīng)用于內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器的測試測量領(lǐng)域，具有較高的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]程愛明,張春林,趙自強(qiáng). 內(nèi)平動(dòng)齒輪副嚙合綜合剛度與系統(tǒng)的分岔特性[J]. 振動(dòng)與沖擊,2010,05:118-122+244-245.

[2]張春林,姚九成. 平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的基本型與其演化的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,1998,03:26-27+4.

[3]張旭, 張春梅, 王尚錦. 虛擬儀器軟件LabVIEW 和數(shù)據(jù)采集[ J] . 微機(jī)發(fā)展, 2004( 3) : 77-79.

[4]李春芾,陳慧巖,李艷琴,鄭廣軍,段亞麗. 自動(dòng)變速器電磁閥占空比及油壓采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2010,07:3-5.

[5]王首禮. 基于虛擬儀器的電機(jī)拖動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)[J]. 重型機(jī)械,2011,03:24-27+35.

[6]ZHANG ShuHua,WANG YiFang,YE Mei,LI XiaoNan,ZHANG YinHong,XU Jun,MIN Jian,DU XiaoFeng,ZENG Lei. Detector control system for Daya Bay Reactor Neutrino Experiment[J]. Science China(Technological Sciences),2013,08:1966-1973.

[7]汪翠英,裴鋒. LabVIEW中Excel報(bào)告生成功能開發(fā)[J]. 儀表技術(shù),2005,03:60-61+64.