短杯諧波減速器性能測(cè)控試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

劉銘杉

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

在航天工程、機(jī)器人領(lǐng)域中，要求精密傳動(dòng)裝置具有體積小和承載能力大的特點(diǎn)，故常采用短杯諧波齒輪傳動(dòng)。研究表明，柔輪的最大徑向力和最大等效應(yīng)力隨著長(zhǎng)徑比的減小而增加[1]。其余條件相同的情況下，如圖1所示，短杯柔輪輪齒傾斜更嚴(yán)重，這影響了諧波減速器的承載能力，減速器很容易發(fā)生“跳齒”現(xiàn)象[2]。此外，減速器中的柔性軸承也是易被破壞的部件。故短杯諧波減速器極易發(fā)生破壞、失效，其性能優(yōu)劣直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的壽命和承載能力。

圖1 不同杯長(zhǎng)柔輪裝入波發(fā)生器時(shí)張角 對(duì)比示意圖

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)上述性能而做的諧波減速器試驗(yàn)臺(tái)的研究還很少，四川大學(xué)的裴欣等[3]實(shí)驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)速、載荷對(duì)諧波減速器傳動(dòng)誤差的影響；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的尹之祥[4]設(shè)計(jì)了諧波減速器的非線性摩擦實(shí)驗(yàn)、傳動(dòng)誤差實(shí)驗(yàn)和滯回剛度實(shí)驗(yàn)；而這其中關(guān)于短杯諧波減速器的試驗(yàn)研究更是少之又少。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了一諧波減速器性能綜合測(cè)控系統(tǒng)，此測(cè)控系統(tǒng)可測(cè)試短杯諧波減速器的效率、極限承載能力、溫升等性能參數(shù)。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、操作方便且精度較高。

1 性能測(cè)控試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

精密短杯諧波減速器測(cè)控試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示，其主要由試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)部分、控制臺(tái)部分及電源組成。試驗(yàn)臺(tái)由減速器樣機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、兩臺(tái)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、磁粉制動(dòng)器、若干聯(lián)軸器等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，這部分被安裝固定在T形槽工作臺(tái)上。測(cè)控臺(tái)部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)、激磁電流控制器及相關(guān)配套元件組成。

圖2 綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

測(cè)試過(guò)程中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由傳感器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，經(jīng)由測(cè)試程序進(jìn)行處理并顯示、存儲(chǔ)。為更清楚地闡述該測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能及其他功能，下文將從測(cè)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件模塊設(shè)計(jì)這兩部分分別闡明設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2 測(cè)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

在硬件選擇上，根據(jù)待測(cè)樣機(jī)在不同工況下效率、承載能力等設(shè)計(jì)要求，選擇愛(ài)德利直流電動(dòng)機(jī)為該試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力源，電機(jī)型號(hào)為AM-2200M，配套驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為BL2-IPM，驅(qū)動(dòng)器可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。該電機(jī)額定電壓為220 V，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定功率為90 W，其性能參數(shù)可滿足待測(cè)減速器試驗(yàn)要求。

2.2 加載元件

從方便性、可操作性方面考慮，本試驗(yàn)臺(tái)采用磁粉制動(dòng)器對(duì)測(cè)試系統(tǒng)加載[5]。磁粉制動(dòng)器是一種多用途、性能優(yōu)越的控制元件，它以磁粉為工作介質(zhì)，以激磁電流為控制手段，通過(guò)調(diào)節(jié)控制器實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)矩或制動(dòng)的目的[6]。在本試驗(yàn)中，試驗(yàn)臺(tái)所選用于加載的磁粉制動(dòng)器型號(hào)為CZ-30，其額定轉(zhuǎn)矩為300 N·m，配套的控制器型號(hào)為WLK-5A，通過(guò)調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩。

2.3 測(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速元件

根據(jù)測(cè)試要求，須實(shí)時(shí)測(cè)得減速器輸入、輸出端的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。在本試驗(yàn)中選擇兩臺(tái)interface轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器：輸入端傳感器型號(hào)為T4-20-A3A，轉(zhuǎn)矩量程為0～20 N·m；輸出端傳感器型號(hào)為T5-20-A6A，轉(zhuǎn)矩量程為0～500 N·m；轉(zhuǎn)速量程均為0～4 000r/min；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器綜合誤差僅為(±0.1%)FS?？紤]到分辨率、耦合性，試驗(yàn)中所選用數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)為NI USB-6353，作用為采集兩臺(tái)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)。

2.4 測(cè)溫元件

為在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)得減速器的溫升，溫度測(cè)量選用型號(hào)為PT100熱電偶溫度傳感器；該傳感器測(cè)溫范圍為-50℃～200℃；綜合誤差為(±0.5%)FS，并將傳感器固定于剛輪附近某一定點(diǎn)。使用型號(hào)為NI 9211熱電偶輸入模塊采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，NI 9211具有校準(zhǔn)功能和雙重通道對(duì)地隔離屏障，實(shí)現(xiàn)了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。

3 測(cè)控系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 LabVIEW軟件介紹

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在加載系統(tǒng)領(lǐng)域的使用越來(lái)越多，美國(guó)某公司用來(lái)進(jìn)行虛擬儀器開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工具軟件LabVIEW被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域[7]。LabVIEW編寫的項(xiàng)目界面直觀友好、程序簡(jiǎn)單易懂，開(kāi)發(fā)效率高[8]，設(shè)計(jì)者可以調(diào)用內(nèi)部庫(kù)函數(shù)完成數(shù)據(jù)采集；因此，使用LabVIEW作為虛擬儀器平臺(tái)的開(kāi)發(fā)工具。圖3為本測(cè)控系統(tǒng)中模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程遵循的一般思路。

圖3 模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程

3.2 主機(jī)顯示模塊

測(cè)控系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計(jì)主要目的在于完成兩臺(tái)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)主要是在LabVIEW的開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫的，上位機(jī)顯示界面如圖4所示。該界面完成了人機(jī)交互的過(guò)程，通過(guò)該界面可觀察各數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)值和波形變化趨勢(shì)。

圖4 上位機(jī)顯示界面

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)原則，對(duì)加載測(cè)試系統(tǒng)軟件需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件架構(gòu)。根據(jù)待測(cè)參數(shù)需求，基于LabVIEW圖形化編程，編寫了測(cè)控程序，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集LabVIEW測(cè)控程序結(jié)構(gòu)圖

該程序?qū)?shù)據(jù)采集卡捕捉的信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換顯示出來(lái)，且分為兩個(gè)模塊分別采集速度、力矩。

速度采集模塊的思路為：首先初始化捕捉脈沖，測(cè)量每個(gè)脈沖的瞬時(shí)周期；根據(jù)傳感器自身的設(shè)定，360個(gè)脈沖為1周；采用連續(xù)單點(diǎn)采樣；通過(guò)外循環(huán)對(duì)傳感器返回的脈沖周期進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。力矩采集模塊通過(guò)初始化設(shè)置對(duì)差分信號(hào)采集，差分信號(hào)測(cè)量范圍為±5V，由此確定程序放大倍數(shù)。最終數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)消息隊(duì)列傳輸至顯示屏循環(huán)顯示。

4 效率和溫升的理論計(jì)算

4.1 諧波減速器效率理論計(jì)算

對(duì)于常用的諧波減速器，不論波發(fā)生器的類型和具體結(jié)構(gòu)如何，其效率均統(tǒng)一近似地用一套公式計(jì)算[9]：

式中：η為剛輪固定時(shí)的減速傳動(dòng)效率；P為杯形柔輪所受變形力；i為傳動(dòng)比絕對(duì)值；μ為量滾動(dòng)摩擦因素，d為柔輪筒體內(nèi)徑；T2為低速軸上的轉(zhuǎn)矩。

經(jīng)計(jì)算得：在額定輸出轉(zhuǎn)矩T2=150N·m時(shí)理論效率η=83.11%；在最大輸出轉(zhuǎn)矩T2=250N·m時(shí)理論效率η=78.65%。

4.2 諧波減速器的溫升理論計(jì)算

減速器工作時(shí)，損失的輸入功就是產(chǎn)生的熱功，一部分提升減速器的溫度，另外通過(guò)箱體散發(fā)到周圍環(huán)境中去。故dt時(shí)間段內(nèi)的溫升dT為

式中：Q為t時(shí)間段內(nèi)減速器產(chǎn)生的熱功；Q0為t時(shí)間段內(nèi)減速器的散熱；cm為該減速器的熱容能力。

假設(shè)環(huán)境溫度為20℃，計(jì)算可得：在額定輸出轉(zhuǎn)矩150N·m時(shí)30min內(nèi)的溫升為ΔT=60.43℃；在最大輸出轉(zhuǎn)矩250N·m時(shí)1min內(nèi)的溫升為ΔT=8.4℃。

5 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際傳動(dòng)效率是衡量短杯諧波減速器性能重要指標(biāo)之一。根據(jù)性能參數(shù)要求，分別測(cè)試諧波減速器樣機(jī)在額定工況和極限工況下的機(jī)械效率及在加載過(guò)程中的效率變化曲線，并測(cè)量額定工況下減速器30min內(nèi)的溫升和極限工況下減速器1min內(nèi)減速器殼體的溫升。

根據(jù)機(jī)械效率的定義，試驗(yàn)中諧波減速器實(shí)際機(jī)械效率ηC的計(jì)算公式為

式中：M2、M1分別為諧波減速器輸出、輸入轉(zhuǎn)矩；n2、n1分別為諧波減速器輸出、輸入端轉(zhuǎn)速；ηL1、ηL2分別為諧波減速器輸入、輸出端所連接聯(lián)軸器的機(jī)械效率。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果處理數(shù)據(jù)，并繪制效率-負(fù)載關(guān)系曲線圖，如圖6所示。

圖6 效率-負(fù)載關(guān)系曲線

在額定輸出轉(zhuǎn)矩T2=150N·m、額定輸入轉(zhuǎn)速2 000r/min時(shí)，實(shí)際效率ηC=82.23%；在最大輸出轉(zhuǎn)矩T2=250N·m、最大輸入轉(zhuǎn)速2 500r/min時(shí)，實(shí)際效率ηC=71.22%。

測(cè)試當(dāng)天環(huán)境溫度為23℃，經(jīng)測(cè)量得：在額定輸出轉(zhuǎn)矩150N·m時(shí)30min內(nèi)的溫升為66.7℃；在最大輸出轉(zhuǎn)矩250N·m時(shí)1min內(nèi)的溫升為9.5℃。

6 結(jié)語(yǔ)

將試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，兩者之間差距較小，且該試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，故可以得出結(jié)論：該測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好且精度較高，測(cè)試結(jié)果具有一定的參考價(jià)值；其可測(cè)試精密短杯諧波減速器的效率、極限承載性能、溫升等性能參數(shù)，對(duì)精密諧波減速器的設(shè)計(jì)和制造具有重大的參考價(jià)值。該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直接、成本低、操作方便。