機電集成設(shè)備的力學(xué)特征諧波傳動系統(tǒng)研究

焦登偉

摘要：傳統(tǒng)的機電集成設(shè)備力學(xué)特征傳動系統(tǒng)，由于傳動過程中精度低，導(dǎo)致力學(xué)特征傳動效果存在較大誤差。因此，提出關(guān)于機電集成設(shè)備的力學(xué)特征諧波傳動系統(tǒng)研究，實現(xiàn)對設(shè)備力學(xué)特征的準確傳遞。硬件方面，對諧波傳動齒輪與步進電機進行設(shè)置。軟件方面，首先構(gòu)建一個力學(xué)特征模型，完成對設(shè)備力學(xué)特征變化的輸出。隨后，設(shè)置諧波傳動嚙合參數(shù)，再加上對步距角的計算，完成高精度力學(xué)特征傳動系統(tǒng)的驅(qū)動。實驗分析結(jié)果：同樣的驅(qū)動頻率變化條件下，隨著驅(qū)動頻率增加，三種系統(tǒng)關(guān)于力學(xué)特征傳動誤差情況都出現(xiàn)了向下降后上升的趨勢，傳動效果最優(yōu)的是在驅(qū)動頻率為5Hz時。和兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)傳動結(jié)果相比，文中系統(tǒng)傳遞誤差明顯更低。

關(guān)鍵詞：機電集成設(shè)備;力學(xué)特征;諧波傳動;系統(tǒng)

中圖分類號：TH13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0098-02

0 ?引言

諧波傳動是一種機械運動的傳遞技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用的原理是柔性變形。正常情況下，諧波傳動的實現(xiàn)需要三個基本組成結(jié)構(gòu)，即剛輪、柔輪、波發(fā)生器。在諧波傳動工作過程中，可以達到零側(cè)隙嚙合的實現(xiàn)，從而將傳動系統(tǒng)的誤差降到最低。并且，由于諧波傳動的體積、質(zhì)量都比其他傳動機構(gòu)要小很多。所以，會產(chǎn)生更廣闊的傳動比范圍，完成系統(tǒng)的機械細分。諧波傳動的主要應(yīng)用對象是精密數(shù)控設(shè)備，因此，具有更高的可靠性。在機電集成設(shè)備的發(fā)展中，通過諧波傳動技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計一個關(guān)于力學(xué)特征的傳統(tǒng)系統(tǒng)，可以在保證傳動精度提升的同時，具有可靠性高、性能穩(wěn)定、運維簡單的特點[1]。保證整個系統(tǒng)在工作環(huán)境下的可靠性。本文以力學(xué)特征諧波傳動系統(tǒng)設(shè)計為研究主題，通過對系統(tǒng)各重要環(huán)節(jié)的分析與計算，完成具有較好性能的傳動系統(tǒng)。希望可以幫助機電集成設(shè)備的力學(xué)特征更加精確傳遞，從而促進相關(guān)行業(yè)發(fā)展。

1 ?機電集成設(shè)備的力學(xué)特征諧波傳動系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 諧波傳動齒輪設(shè)計

諧波傳動系統(tǒng)中，齒輪作為一個主要設(shè)備，力學(xué)特征需要經(jīng)過齒輪進行傳動。其主要由波發(fā)生器、中心輪、活齒架構(gòu)成。需要對諧波傳動結(jié)構(gòu)和嚙合參數(shù)進行合理設(shè)置，以保證傳動系統(tǒng)的整體精度。作為擁有多對齒嚙合的齒輪副，諧波齒輪副在均化系統(tǒng)誤差的前提下，還可以實現(xiàn)嚙合剛度的增加。嚙合剛度的增加是隨著齒數(shù)的增加而增長的，因此需要將嚙合側(cè)隙盡量減小。具體的活齒傳動圖片如圖1所示。

1.2 步進電機設(shè)計

在傳動系統(tǒng)設(shè)計過程中，另外一個不可缺少的硬件設(shè)備就是步進電機設(shè)計，它承擔(dān)著系統(tǒng)驅(qū)動的作用。正常應(yīng)用時，該電機通過脈沖信號的頻率改變轉(zhuǎn)速以及停止。當(dāng)驅(qū)動器接收到信號后，對步進電機進行啟動，按照信號向設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動。并且，可以通過控制脈沖個數(shù)，實現(xiàn)角位移量的控制，進行定位的精準。此外，還可以對電機轉(zhuǎn)動的速度進行控制，實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用過程中的調(diào)速。將硬件設(shè)備設(shè)計完成后，以此作為依托，完成傳動系統(tǒng)軟件的設(shè)計。

2 ?機電集成設(shè)備的力學(xué)特征諧波傳動系統(tǒng)軟件設(shè)計

力學(xué)特征諧波傳動系統(tǒng)軟件設(shè)計，通過對機電集成設(shè)備力學(xué)特征模型的構(gòu)建，獲得力學(xué)特征參數(shù)。之后，設(shè)置諧波傳動嚙合參數(shù)，計算傳動系統(tǒng)的步距角，最終完成系統(tǒng)設(shè)計與驅(qū)動[2]。

2.1 構(gòu)建設(shè)備力學(xué)特征模型

關(guān)于機電集成設(shè)備的力學(xué)特性分析，很多傳統(tǒng)的力學(xué)模型，沒有全面的考慮到各方面的影響因素。在機電集成設(shè)備力學(xué)特性研究中，有一些因素的影響不可忽視。這些非線性環(huán)節(jié)都需要進行詳細分析嗎，從而得到更加精確地力學(xué)特征信息。考慮到以上因素，構(gòu)建的力學(xué)模型為：

其中，θ1代表輸入軸轉(zhuǎn)角，而θ0表示輸出軸轉(zhuǎn)角， J0、J1代表的是轉(zhuǎn)動慣量?！鞔碛嬎阏`差，而T0m、T1m、Tm分別表示輸入軸、輸出軸、靜態(tài)的平均荷載。等效阻尼用Ceq來表示，等效扭轉(zhuǎn)剛度則用KHD表示，i則代表減速比，δ0和ω0分別代表頻率與初相位。通過對公式（1）和公式（2）的分析，可以得出如下公式：

將以上公式進行結(jié)合，可以得出簡化版力學(xué)特征模型：

由于構(gòu)建的力學(xué)特性模型，屬于非線性方程。因此，當(dāng)求解時，可以采用Runge-Kutta方法進行解。采用四階公式，利用合理的步長對模型中的力學(xué)特征求解，獲得與實際數(shù)值誤差最小的結(jié)果。

2.2 設(shè)置諧波傳動嚙合參數(shù)

力學(xué)特征獲得后，在信息傳送過程中，需要使用計算機對嚙合性能進行分析，降低傳動誤差。參考嚙合性能分析，造成諧波齒輪信息傳遞誤差的原因包括很多，柔輪變形量系數(shù)、柔輪和剛輪的變位系數(shù)、齒頂高系數(shù)等等。并且，諧波齒輪傳動中大的傳動比，是較多的柔輪和剛輪齒數(shù)構(gòu)成的。因此，其相關(guān)裝置在設(shè)計、加工和裝配過程中，仍須嚴格控制一些配置的誤差，例如：軸承內(nèi)圈徑向跳動、配合間隙等。假如我們將傳動比設(shè)置為30時，可以得到一些相關(guān)活齒傳動參數(shù)，如表1所示。

通過表1的具體數(shù)值，可以完成諧波傳動結(jié)構(gòu)設(shè)置。除此之外，關(guān)于嚙合性能分析，其準則為嚙合側(cè)隙最小、嚙合齒數(shù)最多。具體的嚙合分析曲線如圖2所示。

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，嚙合側(cè)隙隨著波發(fā)生器轉(zhuǎn)角的度數(shù)增加而不斷變化。當(dāng)最小嚙合側(cè)隙與零接近，波發(fā)生器轉(zhuǎn)角角度為30°，也就是說嚙合的齒數(shù)可達30%。以此為依托，完成嚙合參數(shù)的設(shè)置，可以促進傳動系統(tǒng)的高精度工作。

2.3 計算步距角驅(qū)動系統(tǒng)

在傳動系統(tǒng)中，除了傳動部分的設(shè)置，還有一個重要環(huán)節(jié)，就是驅(qū)動部分的設(shè)置，這一環(huán)節(jié)主要對步進電機的參數(shù)進行計算。通常情況下，步進電機的步距角，是通過步進電機的相數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)共同決定的。但是，因為步進電機可以增加有限的的相數(shù)和齒數(shù)，所以為了保證系統(tǒng)控制精度提升，使用電子、機械細分技術(shù)，則步距角計算為：

公式中，電子細分數(shù)用k來表示，傳動比用i來表示。關(guān)于步進電機控制，有限的電子細分數(shù)約束了步進電機發(fā)展。超過限制就會造成系統(tǒng)傳動誤差。目前來說，由于機電集成設(shè)備的力學(xué)特征諧波傳動系統(tǒng)中存在一些齒側(cè)間隙。所以，振動、噪聲和系統(tǒng)誤差這些都會隨之而來，對整個傳動系統(tǒng)的準確度有所影響。因此，在設(shè)計過程中，必須將傳動系統(tǒng)動態(tài)性能、轉(zhuǎn)動慣量同電機控制相結(jié)合考慮。進行詳細分析，保證相互匹配。所以，可以以機電一體化為前提，提供一種模塊化的開環(huán)步進控制系統(tǒng)產(chǎn)品。經(jīng)過步進電機的步距角的計算，最終實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的驅(qū)動。

3 ?實驗論證分析

為了確保本文設(shè)計的傳動系統(tǒng)在實際應(yīng)用中可以產(chǎn)生良好的效果，特進行實驗論證。將本文設(shè)計的系統(tǒng)作為實驗組測試對象，其對照組測試對象選擇兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)來充當(dāng)。在同樣的條件下，進行機電集成設(shè)備力學(xué)特征信息傳遞誤差的對比。本次實驗測試采用的儀器設(shè)備的型號分別為：安泰信雙路可調(diào)穩(wěn)壓直流電源、自主設(shè)計的四通道可調(diào)式信號發(fā)生器、芯明天三通道壓電驅(qū)動電源。在不同驅(qū)動頻率條件下，先使用兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)進行力學(xué)特征的傳動，并記錄其誤差情況。之后，采用本文設(shè)計系統(tǒng)，針對該設(shè)備應(yīng)用力學(xué)特征模型，并設(shè)置諧波傳動結(jié)構(gòu)和嚙合參數(shù)，以及步距角參數(shù)。最后，監(jiān)測設(shè)備的力學(xué)特征諧波傳動效記錄，最終實驗結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2，我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著驅(qū)動頻率的不斷提升，三種傳動系統(tǒng)的力學(xué)特征信息，傳動誤差都在不斷變化，整體上都處于先下降、后上升的情況。在驅(qū)動頻率為5Hz的時候，出現(xiàn)了誤差最低的階段。相比兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)，文中系統(tǒng)整體誤差較低，其最高點是9.19%。而兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)的最高誤差分別達到了35.19%、31.45%。所以文中設(shè)計的系統(tǒng)在應(yīng)用中更具有優(yōu)勢。此外，我們可以發(fā)現(xiàn)，傳動系統(tǒng)的驅(qū)動頻率對傳動信息誤差影響很大。因此，在工作中盡量控制驅(qū)動頻率的數(shù)值。

4 ?結(jié)束語

本文以諧波傳動技術(shù)為核心，實現(xiàn)機電集成設(shè)備的力學(xué)特征諧波傳動系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)設(shè)備力學(xué)特征模型，實現(xiàn)小誤差的力學(xué)特征分析，然后構(gòu)建諧波傳動結(jié)構(gòu)，以及分析系統(tǒng)中各方面參數(shù)，實現(xiàn)高準確度力學(xué)特征傳動。通過本文研究，促進了機電集成設(shè)備力學(xué)特征傳遞精度提升，有利于生產(chǎn)過程穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻：

[1]婁軍強，周優(yōu)鵬，張振振，陳特歡，楊依領(lǐng)，魏燕定.諧波驅(qū)動柔性臂系統(tǒng)耦合動力學(xué)建模及辨識[J].振動.測試與診斷，2019，39（06）：1198-1204，1358-1359.

[2]王瑞鋒，張立勇，張建偉，王長路.諧波齒輪傳動概述[J].機械傳動，2019，43（01）：171-176.

[3]王長明，陽培，張立勇.諧波齒輪傳動概述[J].機械傳動，2006（4）：86-88.