高真空環(huán)境下精密齒輪傳動效率測試平臺研制

金弘哲，張 洋，王彬巒，張 慧，趙 杰

（哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱150001）

隨著我國在航天領(lǐng)域的不斷開拓與發(fā)展，越來越多的精密機構(gòu)和組件需要在空間環(huán)境下進行性能測試相關(guān)的研究工作，在此之前，需要在地面模擬復雜的空間環(huán)境，如真空、高低溫等極端環(huán)境，對機構(gòu)和組件的傳動效率、力矩、剛度以及回轉(zhuǎn)誤差等性能進行研究測試。然而目前用于這些試驗的設(shè)備通常都存在通用性差、成本高、研制周期長、維護困難、資源配置重復、測試數(shù)據(jù)不易共享等缺點[1-3]。因此，面向空間極端環(huán)境下復雜精密機構(gòu)的性能測試需求，研制一種在極端環(huán)境下對增速器性能測試的傳動效率性能測試儀，并建立完整的測試理論方法體系以及統(tǒng)一的設(shè)計標準，對于我國空間機構(gòu)地面測試技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義[4-6]。

本文針對高真空環(huán)境下航天傳動機構(gòu)的效率測試進行研究。其中第1 部分主要對高真空傳動效率測速平臺的測試原理進行介紹；第2 部分分別對平臺的機械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)及軟件平臺設(shè)計介紹；第3 部分對不確定度進行分析；最后通過實驗驗證平臺的可行性，正式投入應用單位為上海航天設(shè)備制造總廠。

1 測試原理

該高真空傳動效率測試平臺主要針對航天所用精密齒輪增速器系統(tǒng)的傳動效率進行測量，傳動效率測量系統(tǒng)采用開放式測量結(jié)構(gòu)， 如圖1所示，系統(tǒng)由電機、扭矩傳感器、位置編碼器、負載以及被測對象構(gòu)成。由扭矩傳感器測量被測對象的輸入輸出扭矩，位置編碼器實時測量系統(tǒng)的輸入輸出位置通過時間微分獲得輸入輸出角速度。

圖1 傳動效率測試系統(tǒng)測量原理圖Fig.1 Measurement schematic diagram of transmission efficiency test system

平臺的傳動效率測試原理公式為

式中：Ti，To為驅(qū)動端和加載端力矩；ni，no為驅(qū)動端和加載端的轉(zhuǎn)速。

本平臺的典型被測對象為一種行星齒輪增速器，增速比約為20.77。根據(jù)測量要求，先以輸入轉(zhuǎn)速15 r/min 驅(qū)動增速器，加載端加載力矩為1.2 Nm。待驅(qū)動速度和加載力矩穩(wěn)定后，以固定頻率進行持續(xù)采集多組數(shù)據(jù)保存。再將驅(qū)動方向反轉(zhuǎn)，以15 r/min的轉(zhuǎn)速反向驅(qū)動增速器，反向加載1.2 Nm。待穩(wěn)定后一固定頻率持續(xù)采樣并保存。針對高真空測試環(huán)境，在平臺的設(shè)計過程中進行了相應的考慮，具體設(shè)計過程在第2 部分體現(xiàn)。

2 平臺設(shè)計

平臺設(shè)計主要包括機械結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)以及軟件部分。

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的測試原理，我們選取傳動效率測試方法中的輸入輸出法，通過測量航天增速器輸入和輸出的功率作對比，得到系統(tǒng)的傳動效率值[7]。真空環(huán)境下傳動效率測量需要在真空罐中進行實驗，考慮到真空罐所能達到最大尺寸，對整體機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。左右兩側(cè)的扭轉(zhuǎn)驅(qū)測一體化模塊都是伺服系統(tǒng)通過聯(lián)軸器與扭矩、轉(zhuǎn)動角度測量傳感器連接所組成的測試加載模塊系統(tǒng)，通過支撐模塊3 和5，與被測件4 進行連接測量。整套設(shè)備都加載于真空底板1 上。因真空環(huán)境對測量系統(tǒng)的影響，驅(qū)動模塊與加載模塊中的電機選用真空電機與真空減速器，測量模塊中選用真空角度編碼器與真空扭矩傳感器。

圖2 真空傳動效率測試平臺機械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical structure diagram of vacuum transmission efficiency test platform

加工組裝后的平臺如圖3所示，驅(qū)動端和加載端分別通過穿箱軸與被測件連接。驅(qū)動端由伺服電機驅(qū)動，26 位絕對式圓光柵搭配雙讀數(shù)頭測量輸入轉(zhuǎn)速，50 Nm 量程動態(tài)扭矩傳感器測量驅(qū)動力矩；加載端由伺服電機進行恒定力矩加載，26 位絕對式圓光柵搭配單讀數(shù)頭測量輸出端轉(zhuǎn)速，5 Nm 量程動態(tài)扭矩傳感器測量加載力矩。

圖3 真空傳動效率測試平臺整體圖Fig.3 Vacuum transmission efficiency test platform

2.2 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳動效率真空測試平臺電氣系統(tǒng)可分為測試系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)[8]。測試系統(tǒng)包含平臺模塊傳感器及信號采集系統(tǒng)；運動控制系統(tǒng)包含輸入驅(qū)動電機和輸出端負載電機，以及控制器驅(qū)動器。電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳動效率真空測試平臺電氣結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Electrical structure diagram of transmission efficiency vacuum test platform

傳動效率測試系統(tǒng)包括輸入端角度編碼器和力矩傳感器， 及輸出負載端角度編碼器和力矩傳感器。輸入輸出兩端力矩傳感器選型分別為UNIPULSE 公司UTMII-50Nm 和UTMII-5Nm，該扭矩傳感器輸出±5 V 模擬電壓信號。

輸入輸出兩端角度編碼器為英國Renishaw 公司的真空圓光柵RESA30，具有26 位分辨率。配套高真空讀數(shù)頭RA26，按Biss-C 協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)精度達到±3.82″，雙讀數(shù)頭配置可以將測量精度提升至±1.5″。力矩傳感器所用數(shù)據(jù)采集模塊仍為NI-9215 四通道差分模擬信號采集模塊。真空圓光柵讀數(shù)頭數(shù)據(jù)采集使用SEA-9521 模塊，該模塊共有3 個Biss-C 協(xié)議接口，依次連接輸入端和輸出端圓光柵的3 個讀數(shù)頭。

為適配真空環(huán)境，輸入端和輸出端電機為德國FAULHABER 公司真空直流無刷伺服電機3274BP4系列。該系列電機額定力矩0.162 Nm， 額定轉(zhuǎn)速8260 r/min，該電機適配增量型編碼器IE3-1024L，編碼器線數(shù)1024，輸出ABZ 增量信號。真空電機配套FAULHABER 真空減速器32/3R 系列，減速比14∶1，減速器連續(xù)輸入力矩1.6 Nm， 瞬時最大輸入力矩1.9 Nm。經(jīng)一級減速器減速后，電機額定輸出力矩為1.83 Nm，瞬間最大輸出力矩可達到5.49 Nm。此力矩輸出性能可作為輸出端電機配置，輸入端電機還需增加一級減速器以提升額定輸出力矩。輸入端二級減速器選用APEX 真空行星減速器AB060-020，減速比20∶1， 該減速器額定轉(zhuǎn)矩50 Nm， 額定轉(zhuǎn)速5000 r/min，標準背隙≤7″，傳動效率≥94%。經(jīng)過二級減速，輸入端電機額定輸出力矩為34.4 Nm，滿足輸入端使用要求。輸入額定轉(zhuǎn)速29.5 r/min，輸出額定轉(zhuǎn)速590 r/min。

NI CompactRIO-9035 為平臺總控制器。電機驅(qū)動器為Elmo 公司Gold 系列GOLD-SOLO-WHI-100-6， 驅(qū)動器與控制器間采用EtherCAT 總線通訊，控制器cRIO-9035 作為主站， 輸入端電機驅(qū)動器作為從站01，輸出端負載電機驅(qū)動器作為從站02，采用CANopen 協(xié)議。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

綜合國內(nèi)外研究單位所做軟件工作發(fā)現(xiàn)，這些精密測量儀器軟件系統(tǒng)都有一套完整的整體架構(gòu)以及模塊，目前國內(nèi)外儀器的軟件模塊和軟件架構(gòu)功能類別主要包括系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集與記錄、同步、通信、故障與處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放，以及人機交互等等。為滿足航天零部件特殊測量需求，諸如方便操作新手快速上手，對測量參數(shù)的自適應調(diào)整，能夠識別測量工件特征信息和數(shù)據(jù)特征，輔助測試人員對測量元件進行調(diào)整，對數(shù)據(jù)進行相應標準化處理與分析統(tǒng)計，進一步開發(fā)接口設(shè)置等等。本文所設(shè)計測試系統(tǒng)軟件功能包括：狀態(tài)管理區(qū)、運動控制區(qū)、環(huán)境參數(shù)與輔助調(diào)整區(qū)、數(shù)據(jù)實時顯示區(qū)、圖形顯示區(qū)、測試結(jié)果計算與分析區(qū)以及測試任務智能規(guī)劃參數(shù)設(shè)置區(qū)[9]。可以滿足真空環(huán)境下的傳動效率、力矩、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等測試內(nèi)容，具體如圖5所示。

圖5 傳動效率真空測試平臺軟件界面圖Fig.5 Software interface diagram of transmission efficiency vacuum test platform

3 傳動效率平臺不確定度分析

測量不確定度是測量系統(tǒng)最基本也是最重要的特性指標，是測量質(zhì)量的重要標志[10]。這部分會對傳動效率測試平臺的不確定度進行分析。

根據(jù)不確定度的傳播率，傳動效率測試原理公式的合成標準不確定度計算公式為

式中：uc（η）為合成標準不確定度；uTo，uno，uTi，uni為各個輸入量的標準不確定度。

首先計算轉(zhuǎn)速測量的不確定度分量。其中轉(zhuǎn)速計算公式為

式中：Δθ 為定時間隔內(nèi)的角速度增量；Δt 為定時間隔。

在測量過程中，Δθ 與Δt 是相互獨立的，根據(jù)測量不確定度傳播率，可得：

式中：u（Δθ）為角度增量的測量不確定度；u（Δt）為定時間隔的測量不確定度。

角度增量測量的不確定度u（Δθ）來源于編碼器刻劃誤差引入的不確定度分量u1。真空平臺用雷尼紹圓光柵RESA30USA075B，讀數(shù)頭RA26BVA075B50V，分辨率26 bit。圓光柵系統(tǒng)精度單讀數(shù)頭±3.82″，雙讀數(shù)頭±1.5″。編碼器刻劃誤差引入的不確定度分量u1，根據(jù)編碼器系統(tǒng)誤差，估計誤差服從正態(tài)分布，包含因子k=2（p=0.9545）?？芍淮_定度計算公式為

式中：a 為被測量可能值區(qū)間半寬度；k 為包含因子。得到各編碼器刻劃引起的不確定度分量，見表1。

表1 編碼器刻劃誤差引入的不確定度分量Tab.1 Uncertainty component caused by encoders marking error

定時間隔的不確定度影響因素包括計數(shù)器測量周期引入的不確定度分量u1和計數(shù)器采樣時間引入的不確定度分量u2。因此定時間隔的不確定度為

式中：u1為計數(shù)器測量周期引入的不確定度分量。

對于周期測量，其函數(shù)關(guān)系為

式中：τ0為計數(shù)器周期測量時選用的時標；Tx為被測周期的實際值；ΔTx為被側(cè)周期偏差；Δ fc為晶振頻率偏差；fc為晶振頻率實際值。傳動效率高低溫平臺下位機所用NI cRIO-9038 FPGA 板載時鐘晶振頻率為fc=40 MHz，精度為100×10-6。則晶振頻率偏差Δ fc=40 MHz×100×10-6=4000 Hz。計數(shù)器測量周期設(shè)為Tx=10 ms，計數(shù)器所用時標為τ0=1 μs。設(shè)概率分布為矩形分布，包含因子。因此按B類不確定度評定，由計數(shù)器測量周期引入的不確定度分量為

下位機采樣程序用Labview 時間計數(shù)，時間計數(shù)的值在測量時具有±1 計數(shù)器單位值的精度誤差，程序選擇計數(shù)器單位值為μs， 估計誤差為矩形分布，，不確定度評定分量為

因此，定時間隔的不確定度為

采樣頻率100 Hz 時的輸入端轉(zhuǎn)速測試的合成相對不確定度為

輸出端轉(zhuǎn)速測試的合成相對不確定度為

輸入端扭矩傳感器量程為±50 Nm，不確定度為

輸出端扭矩傳感器量程為±5 Nm，不確定度為

根據(jù)不確定度計算公式計算平臺滿量程測試的合成不確定度為

取k=2，計算擴展不確定度為

平臺傳動效率測試滿足設(shè)計精度≤0.5%。

4 實驗驗證

所設(shè)計平臺在高真空10-5Pa 環(huán)境下對增速器被測組件進行測試，驗證平臺實際測試不確定度是否滿足指標要求，測量環(huán)境如圖6所示。被測對象為一種行星齒輪增速器，增速比約為20.77，真空罐內(nèi)測試圖如圖7所示，其中中罐內(nèi)照片如圖7（a）所示，被測件如圖7（b）所示。根據(jù)測量要求，先以輸入轉(zhuǎn)速15 r/min 驅(qū)動增速器， 加載端加載力矩為1.2 Nm。待驅(qū)動速度和加載力矩穩(wěn)定后，以固定頻率進行持續(xù)采集多組數(shù)據(jù)保存。

圖6 真空測試環(huán)境整體圖Fig.6 Diagram of vacuum test environment

圖7 真空罐內(nèi)測試圖Fig.7 Inside of vacuum tank

在真空度為10-5Pa 時，對增速器進行測試。按照標準工況輸入轉(zhuǎn)速15 r/min，加載力矩1.2 Nm 測試。采樣頻率100 Hz，采樣時長1.5 s，共采集150 個采樣點。測量結(jié)果如圖8所示，其中圖8（a）為輸入輸出轉(zhuǎn)速測量值曲線，圖8（b）為輸入輸出力矩測量值曲線。

圖8 測試結(jié)果曲線圖Fig.8 Test result curves

測量輸入速度為ni=14.9862 r/min，按照采樣頻率100 Hz 輸入角度差Δθi=3237.01″；輸出速度為no=311.4988 r/min，輸出角度差Δθo=67283.73″；定時間隔Δt=10 ms；定時間隔引入的不確定度分量為u（Δt）=1.291×10-6s，根據(jù)公式（4）可知，并將重復性引入的不確定度分量考慮在內(nèi)，則輸入端轉(zhuǎn)速的合成標準不確定度uc（ni）=0.007431 r/min；輸出端轉(zhuǎn)速的合成標準不確定度uc（no）=0.1479 r/min。根據(jù)公式（6）可知，輸入端合成標準不確定度uc（Ti）=0.03828 Nm；輸出端合成標準不確定度uc（To）=0.002094 Nm。

根據(jù)傳動效率計算公式，在高真空環(huán)境（真空度10-5Pa）內(nèi)，輸入轉(zhuǎn)速15 r/min，負載力矩1.2 Nm的情況下，增速器的傳動效率為

根據(jù)公式（2），結(jié)合以上所計算各個輸入量的標準不確定度，以及各輸入量測量數(shù)據(jù)，得到傳動效率測試的標準不確定度為

取k=2，計算擴展不確定度為

因此，在真空度為10-5Pa 的高真空環(huán)境中，傳動效率真空測試平臺測試增速器滿足不確定度≤0.5%。

5 結(jié)語

本文設(shè)計與研制了一款高真空環(huán)境下的航天精密增速器傳動效率測試平臺。根據(jù)傳動效率測試輸入輸出法的測試原理，對平臺機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計并結(jié)合高真空環(huán)境做出相應適應性設(shè)計，同時制定測試系統(tǒng)電氣整體方案架構(gòu)，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行設(shè)計，包括電氣選型與計算，搭建系統(tǒng)的人機交互軟件平臺，完成平臺設(shè)計。結(jié)合測試指標對系統(tǒng)不確定度進行分析與計算，通過實驗與分析，驗證了平臺能夠達到測量精度。極端環(huán)境下的測量技術(shù)一直是我國強力發(fā)展的核心與前沿，關(guān)系著我國航天事業(yè)的發(fā)展，該測試平臺還具有很強的研究潛力，在后續(xù)的工作中將會對平臺的延展性和高低溫環(huán)境適應性進行相應研究。