內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器虛擬性能測(cè)試系統(tǒng)研究

劉 浩，沈兆奎

（天津理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300384）

檢測(cè)與監(jiān)控

內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器虛擬性能測(cè)試系統(tǒng)研究

劉 浩，沈兆奎

（天津理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300384）

為檢測(cè)課題組研制的內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器的性能參數(shù)，根據(jù)虛擬儀器設(shè)計(jì)理論、傳動(dòng)誤差與機(jī)械效率的測(cè)試原理，運(yùn)用直接位移測(cè)量法、直接測(cè)試法等測(cè)量方法，研究、設(shè)計(jì)并搭建了基于虛擬儀器的內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器性能測(cè)試系統(tǒng)，能對(duì)減速器的性能參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量，為減速器的研制工作提供重要的數(shù)據(jù)支持。試驗(yàn)表明，將虛擬儀器技術(shù)用于檢測(cè)裝置可以提高測(cè)量精度，降低硬件成本。

內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器；性能測(cè)試系統(tǒng)；虛擬儀器

0　引言

齒輪減速器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械傳動(dòng)裝置，其工作性能和動(dòng)力學(xué)特性直接影響設(shè)備的各項(xiàng)性能。然而，實(shí)際機(jī)器受加工精度、裝配精度及使用條件等因素的影響，很難達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。因此，研制開(kāi)發(fā)減速器性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)減速器進(jìn)行總體測(cè)試和評(píng)估，為傳動(dòng)裝置的選擇或改進(jìn)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)至關(guān)重要[1,2]。

針對(duì)課題組所研制的用于重載、大功率設(shè)備的內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器，設(shè)計(jì)搭建了基于虛擬儀器的性能測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)以軟件為中心，在充分利用計(jì)算機(jī)軟、硬件資源的基礎(chǔ)上，最大限度地實(shí)現(xiàn)硬件技術(shù)的軟件化和虛擬化。通過(guò)這套測(cè)試系統(tǒng)，可以測(cè)試、分析被測(cè)減速器的傳動(dòng)誤差、機(jī)械效率等性能指標(biāo)，從而指導(dǎo)減速器的研制工作。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

減速器性能測(cè)試系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)裝置、被測(cè)裝置、測(cè)量裝置和加載裝置等組成，如圖1所示。系統(tǒng)以永磁同步伺服電機(jī)作為動(dòng)力源（驅(qū)動(dòng)裝置），由工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)其進(jìn)行控制；加載方式采用磁粉制動(dòng)器加載，通過(guò)調(diào)節(jié)加載裝置的電流控制載荷大?。晦D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x通過(guò)聯(lián)軸器與被測(cè)減速器連接，測(cè)量被測(cè)裝置的輸入、輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；分別在被測(cè)減速器的輸入軸和輸出軸安裝高精度圓光柵，用來(lái)精密測(cè)量輸入軸與輸出軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)焦た貦C(jī)進(jìn)行處理。

圖1　試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成原理圖

2　測(cè)試原理與測(cè)試方法

2.1齒輪傳動(dòng)誤差的測(cè)試原理與測(cè)試方法

2.1.1測(cè)試原理

齒輪的傳動(dòng)誤差TE（Transmission Error）指輸入軸單方向旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出軸轉(zhuǎn)角的實(shí)際值與理論值之差，該參數(shù)直接影響齒輪的平穩(wěn)性和傳動(dòng)精度[3～5]。影響傳動(dòng)誤差的主要因素有齒輪的制造誤差、齒輪的裝配誤差、齒距和齒廓偏差等[3,6]。傳動(dòng)誤差的計(jì)算公式為[3～8]：

i為傳動(dòng)比。

2.1.2測(cè)試方法

測(cè)試采用直接位移測(cè)量法[7]。理論上，被測(cè)減速器的輸出軸每旋轉(zhuǎn)一圈其位置誤差循環(huán)一次，即具有周期性，因此，需要完整采集輸出軸一轉(zhuǎn)內(nèi)的數(shù)據(jù)[8]。測(cè)試時(shí)使電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)，輸出軸每轉(zhuǎn)6°采樣一次，這樣在輸出軸的一轉(zhuǎn)內(nèi)共取60個(gè)測(cè)試點(diǎn)，得到60個(gè)傳動(dòng)誤差值取這些值中的最大值與最小值之差作為被測(cè)減速器的傳動(dòng)誤差[7]。即：

為了確定輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸實(shí)際轉(zhuǎn)角，分別在輸入軸和輸出軸安裝標(biāo)稱(chēng)外徑為75mm和104mm的高精度圓光柵進(jìn)行精密測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)焦た貦C(jī)進(jìn)行處理。所得數(shù)據(jù)將為后期調(diào)整和改進(jìn)齒輪設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

2.2機(jī)械效率的測(cè)試原理與測(cè)試方法[9～12]

2.2.1測(cè)試原理

理論上，由輸出功率和輸入功率的比值來(lái)確定減速器的機(jī)械效率[9]。由功率公式：

有輸入功率：

輸出功率：

測(cè)試系統(tǒng)中，由于減速器的輸入端與輸出端均通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器連接，所以計(jì)算時(shí)需要考慮聯(lián)軸器的機(jī)械效率ηl[10]，則有輸入功率：

輸出功率：

故減速器的機(jī)械效率為：

式中，P為減速器的輸入或輸出功率，kw；

T為減速器輸入或輸出軸的轉(zhuǎn)矩，N.m；

N為減速器輸入或輸出軸的轉(zhuǎn)速，r/min 。

2.2.2測(cè)試方法

采用直接測(cè)試法測(cè)量機(jī)械傳動(dòng)效率。分別在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器之間、減速器與負(fù)載之間接入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，直接測(cè)量減速器的輸入、輸出轉(zhuǎn)速和輸入、輸出轉(zhuǎn)矩，利用上述公式計(jì)算出傳動(dòng)效率。

3　內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于虛擬儀器的測(cè)控系統(tǒng)，包括硬件、軟件兩部分，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)和儀器硬件設(shè)備組成。

計(jì)算機(jī)是虛擬儀器系統(tǒng)的核心，使用研華ADVANTECH IPC-610H工控機(jī)，與儀器硬件共同組成DAQ系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)將測(cè)控結(jié)果用數(shù)字、圖形實(shí)時(shí)顯示出來(lái)；同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，在后臺(tái)完成數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、分析、存儲(chǔ)等工作。

儀器硬件包括數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）和傳感器，完成對(duì)被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)采集卡采用NI PCI-6602，將數(shù)據(jù)采集卡直接插入計(jì)算機(jī)的PCI插槽中即可，采集卡通過(guò)NI的BNC-2121接線(xiàn)盒與傳感器連接。傳感器使用雷尼紹高精度圓光柵（用于測(cè)量輸入、輸出轉(zhuǎn)角）和北京三承恒薇科技有限公司的JSC4型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x（用于測(cè)量輸入、輸出轉(zhuǎn)矩及輸入、輸出轉(zhuǎn)速）。

3.2軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)[13～15]

虛擬儀器軟件部分包含接口程序和用戶(hù)應(yīng)用程序兩個(gè)層次。接口程序用來(lái)聯(lián)接用戶(hù)程序和底層硬件設(shè)備。

應(yīng)用軟件采用NI LabVIEW2012，該軟件為圖形化編程語(yǔ)言，主要完成兩方面任務(wù)：一方面，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形顯示功能，設(shè)計(jì)虛擬儀器軟面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器面板，供用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖形、圖表等信息的觀測(cè)以及完成對(duì)虛擬儀器的操控；另一方面，編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的獲取以及信號(hào)的分析處理、存儲(chǔ)、查詢(xún)、打印、報(bào)表生成等功能。軟件流程圖如圖3所示。

圖3　軟件流程圖

4　模塊化編程[16～18]

由于系統(tǒng)要完成參數(shù)測(cè)試、數(shù)據(jù)操作等多項(xiàng)任務(wù)，而不同功能的實(shí)現(xiàn)在程序編寫(xiě)時(shí)所使用的參數(shù)和程序結(jié)構(gòu)也不同，為增強(qiáng)程序的可讀性，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，本系統(tǒng)借助模塊化思想，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析后，將其分成6個(gè)主要功能模塊分開(kāi)設(shè)計(jì)，最后再組合調(diào)試。本測(cè)控系統(tǒng)主要模塊如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)模塊圖

4.1登錄模塊

登錄模塊用來(lái)確認(rèn)試驗(yàn)者身份，不同身份的操作者使用權(quán)限不同。由于測(cè)試系統(tǒng)中的設(shè)備、器件尤其是傳感器較為昂貴，普通用戶(hù)只能使用一般功能：進(jìn)入測(cè)試界面，選擇測(cè)試項(xiàng)目并進(jìn)行相關(guān)操作，觀察試驗(yàn)過(guò)程，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成相關(guān)報(bào)表。但諸如對(duì)傳感器的標(biāo)定，歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用、查詢(xún)、處理等操作，只有特定身份的用戶(hù)才能進(jìn)行。

4.2初始化模塊

初始化模塊主要完成兩個(gè)任務(wù)：1）讀取全部配置文件并保存；2）數(shù)據(jù)采集前，程序?qū)?shù)據(jù)采集卡初始化。

4.3數(shù)據(jù)采集模塊

動(dòng)態(tài)性能測(cè)試需要通過(guò)NI PCI-6602數(shù)據(jù)采集卡采集輸入、輸出轉(zhuǎn)矩與輸入、輸出轉(zhuǎn)速4路頻率信號(hào)以及輸入、輸出轉(zhuǎn)角2路位置信號(hào)。

4.4數(shù)據(jù)操作模塊

基本數(shù)據(jù)操作主要實(shí)現(xiàn)：1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示；2）數(shù)據(jù)保存；3）數(shù)據(jù)查詢(xún)；4）數(shù)據(jù)導(dǎo)出、打?。?）試驗(yàn)報(bào)表、報(bào)告生成等功能。

4.5數(shù)據(jù)處理模塊

根據(jù)測(cè)試要求對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，為裝置綜合機(jī)械性能的評(píng)定提供豐富、可靠、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而對(duì)被測(cè)設(shè)備作出合理評(píng)價(jià)。

4.6運(yùn)動(dòng)控制模塊

測(cè)試系統(tǒng)以永磁同步伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，由工

【】【】控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角進(jìn)行精確控制，以實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制。

應(yīng)用軟件LabVIEW特別適合于模塊化編程，并且可以直接調(diào)用軟件本身提供的代碼模塊，減少編程工作量。各子模塊可以單獨(dú)使用，也可以供主程序調(diào)用。當(dāng)測(cè)試要求發(fā)生變化或系統(tǒng)需要增減、改進(jìn)某些功能時(shí)，只需進(jìn)行相應(yīng)模塊的增減、改進(jìn)即可。

5　結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。確定了測(cè)試減速器的齒輪傳動(dòng)誤差、機(jī)械效率等性能參數(shù)的理論依據(jù)和測(cè)試方法，同時(shí)確定了工控機(jī)、采集卡與傳感器等硬件設(shè)備的型號(hào)，搭建了硬件測(cè)試平臺(tái)。依據(jù)虛擬儀器技術(shù)理論及模塊化編程思想，采用LabVIEW12為應(yīng)用軟件，完成系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了主要由計(jì)算機(jī)完成從信號(hào)采集、信號(hào)處理到數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、顯示、存儲(chǔ)、打印、報(bào)表生成以及運(yùn)動(dòng)控制等功能，減少了二次儀表的使用，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度、可靠性與自動(dòng)化程度。試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)能夠精確測(cè)量減速器的性能參數(shù)，為減速器的研制工作提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

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The research on virtual test system of internal translation gear reducer

LIU Hao, SHEN Zhao-kui

TH17

A

1009-0134(2016)02-0042-04

2015-10-23

劉浩（1974 -），女，河北人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樘摂M儀器技術(shù)和測(cè)控技術(shù)。