諧波減速器用柔性軸承綜合性能試驗(yàn)機(jī)的研制*

秦永晉 劉丹丹 付力揚(yáng) 郭 亮

(①洛陽LYC軸承有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471039；②航空精密軸承國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039)

隨著“中國制造2025”的全面推進(jìn)和國內(nèi)低端制造業(yè)的持續(xù)招工困難，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為國內(nèi)制造業(yè)眼中的“靈丹妙藥”，以此作為保持我國制造業(yè)競爭優(yōu)勢的重要手段。諧波減速器是機(jī)器人的核心零部件，類似于人的關(guān)節(jié)，成本占到整臺機(jī)器人生產(chǎn)成本的三分之一左右，目前精密諧波減速器還主要來自日本企業(yè)。與此同時國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)也將其列入重點(diǎn)攻克的技術(shù)瓶頸，國產(chǎn)化替代迫在眉睫[1]。

我國從1961年開始諧波傳動方面的研制，并且在研究、試制和使用方面取得了較大的成績。到目前為止先后研制成功多種類型的諧波齒輪傳動裝置。如傳動誤差小于9″、回差小于4″的高精度諧波齒輪傳動裝置，噪聲小于45 dB的高靈敏度小型諧波齒輪傳動裝置等，為我國諧波傳動產(chǎn)業(yè)打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。但與此同時日美兩國已經(jīng)把諧波傳動廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、雷達(dá)設(shè)備、醫(yī)療器械、光學(xué)制造設(shè)備及核設(shè)施等10多種領(lǐng)域。例如：日本本田公司仿生機(jī)器人ASIMO的手臂與腿部至少使用了24套諧波傳動裝置；美國NASA發(fā)射的火星機(jī)器人每個則使用了19套諧波傳動裝置；安裝于夏威夷的Subaru望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)采用了264套諧波傳動裝置，將8.2 m口徑主鏡鏡面精度保持在0.1 μm。與日美兩國相比，我國諧波傳動產(chǎn)業(yè)規(guī)模偏小且產(chǎn)品種類少，研究成果往往還只是停留在科研院所和高校沒有得到大規(guī)模應(yīng)用,但市場前景廣闊，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

如圖1所示的剛輪、柔輪和波發(fā)生器是機(jī)器人諧波減速器的3大基本構(gòu)件。波發(fā)生器是由橢圓盤和1個柔性軸承共同組成的。柔性軸承是指利用柔性元件可控的彈性變形來傳遞運(yùn)動和動力的軸承，它有著傳動比大、體積小、重量輕、傳動精度高和回差小等特點(diǎn)，圖1中采用的是薄壁滾珠軸承結(jié)構(gòu)。減速器柔輪的外齒數(shù)少于剛輪的內(nèi)齒數(shù)，在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，長軸方向的柔輪外齒正好完全嚙入剛輪的內(nèi)齒；在短軸方向，則外齒全脫開內(nèi)齒。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器發(fā)生轉(zhuǎn)動時，柔輪的外齒將依次嚙入和嚙出剛輪的內(nèi)齒，柔輪齒圈上的任意一點(diǎn)的徑向位移將呈近似于正弦波形的變化，這種傳動被稱為諧波傳動，諧波減速器正是因此而得名。減速器的大減速比性能就是這樣通過柔性軸承的彈性形變實(shí)現(xiàn)的，同時柔性軸承的壽命也決定了諧波減速器的壽命，所以說柔性軸承是諧波減速器的核心部件。因此工業(yè)機(jī)器人主機(jī)廠家對軸承的性能和壽命都提出了非常高的要求。

為了給諧波減速器柔性軸承的設(shè)計以及軸承可靠性試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持，設(shè)計并制造了諧波減速器用柔性軸承綜合性能試驗(yàn)機(jī)。與現(xiàn)有的軸承壽命試驗(yàn)機(jī)通過更換加載件來改變施加給軸承的壓力和扭矩相比，它是直接通過液壓加載軸向徑向壓力、磁粉制動器可調(diào)扭矩來模擬實(shí)際負(fù)載，這樣設(shè)計可以滿足試驗(yàn)的不同需要，讓加載更精確，應(yīng)用范圍更廣泛，使用也更便捷。設(shè)計人員通過對柔性軸承精度壽命的試驗(yàn)研究，找出引起柔性軸承精度壽命失效的不良因素，為軸承產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用、潤滑和加工工藝的改進(jìn)提供了可靠的實(shí)際數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)機(jī)功能要求

根據(jù)沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司和秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司提供的軸承的載荷及工況條件分析。軸承試驗(yàn)機(jī)應(yīng)滿足以下主要技術(shù)要求，試驗(yàn)軸承為機(jī)器人用諧波柔性軸承；試驗(yàn)軸承內(nèi)徑范圍：φ25～150 mm；軸承潤滑方式：脂潤滑；旋轉(zhuǎn)方式：內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動功率：5.5 kW；最高轉(zhuǎn)速：10 000 r/min；轉(zhuǎn)速誤差：±1% F.S；最大徑向載荷：5 kN；載荷誤差：±2% F.S；最大扭矩：500 N·m。系統(tǒng)可以實(shí)時在線監(jiān)控軸承的溫度、軸向徑向壓力、扭矩和轉(zhuǎn)速等等工作狀態(tài)，軸承的性能參數(shù)可顯示、讀取、處理和儲存；設(shè)置系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動啟動設(shè)備自我保護(hù)措施。

依據(jù)功能要求設(shè)計將試驗(yàn)機(jī)分為如圖2所示的機(jī)械系統(tǒng)和電氣測控系統(tǒng)兩大部分。

2 試驗(yàn)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)是由驅(qū)動系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)3部分組成。

驅(qū)動系統(tǒng)如圖3所示主要包含床身、磁粉制動器、扭矩傳感器、加載油缸、試驗(yàn)主體和驅(qū)動電機(jī)6部分組成。試驗(yàn)機(jī)通過驅(qū)動電機(jī)帶動試驗(yàn)主體中如圖4所示的試驗(yàn)軸承傳動結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，再用過渡法蘭連接2個相似結(jié)構(gòu)的陪試軸承傳動結(jié)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動。磁粉制動器則借助電磁吸力產(chǎn)生的磁粉間的結(jié)合力和磁粉與工作面之間摩擦力，模擬實(shí)際工作狀態(tài)扭矩。當(dāng)激磁電流保持不變時，其傳達(dá)之扭矩不受傳動件與從動件之間差速(滑差轉(zhuǎn)速)之影響，即靜力矩與動力矩?zé)o差別，因此可以更加穩(wěn)定地傳達(dá)恒定之扭矩，同時它還具有無沖擊振動的優(yōu)點(diǎn)，可以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確。加載油缸通過系統(tǒng)控制施加不同大小的載荷給軸承。磁粉制動器的選型一般先計算額定轉(zhuǎn)矩，再計算額定轉(zhuǎn)速用于模擬負(fù)載和傳遞轉(zhuǎn)矩的選型計算公式：

9 550(系數(shù))×滑差功率(kW)/ 額定轉(zhuǎn)矩(N·m)

= 額定(滑差)轉(zhuǎn)速(r/min)

液壓加載系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力10 MPa，系統(tǒng)流量15 L/min，采用比例伺服閥控制，加載可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，配置的蓄能器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保壓，避免電機(jī)長時間連續(xù)工作出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。同時還具有發(fā)訊器的高壓過濾，可以有效防止由于油路阻塞產(chǎn)生的斷油現(xiàn)象，確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。

水冷系統(tǒng)是為了給磁粉制動器降溫，在正常負(fù)載的過程中，磁粉會與工作面生產(chǎn)滑差，有滑差產(chǎn)生就會有熱量產(chǎn)生，即產(chǎn)生摩擦熱量。溫度過高，會導(dǎo)致磁粉制動器的使用壽命和性能大幅度下降[2]。

3 試驗(yàn)機(jī)電氣測控系統(tǒng)

電氣測控系統(tǒng)分兩部分,電氣控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它們通過上位機(jī)和下位機(jī)有機(jī)結(jié)合在一起。上位機(jī)采用NI(national instruments)公司的PXI平臺，下位機(jī)采用了西門子S7-300可編程邏輯控制器(PLC)。電氣測控系統(tǒng)通過上位機(jī)對軸承轉(zhuǎn)速和軸向徑向載荷進(jìn)行控制，同時通過溫度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器以及伺服驅(qū)動器反饋數(shù)據(jù)給下位機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊來獲得試驗(yàn)軸承的實(shí)時狀態(tài)。

3.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要是控制液壓加載和電機(jī)轉(zhuǎn)動兩部分：①液壓加載控制部分,主要包括軸向加載和徑向加載各有一個油缸。軸向力、徑向力回路各自獨(dú)立，可單獨(dú)加載卸載，試驗(yàn)時通過下位機(jī)調(diào)節(jié)比例伺服閥進(jìn)而控制加載力的大小變化。②驅(qū)動部分,試驗(yàn)時上位機(jī)通過控制可調(diào)模擬負(fù)載來控制負(fù)載扭矩，同時通過控制伺服驅(qū)動器來改變伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。電氣控制系統(tǒng)還具備過流保護(hù)、過壓保護(hù)及過載保護(hù)等安全防護(hù)功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)測試項目。主要完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示等功能。目標(biāo)對象是測試系統(tǒng)中的軸向和徑向載荷、軸承轉(zhuǎn)速、軸承溫度、電機(jī)電流、軸承振動等數(shù)據(jù)。這些被測參數(shù)，測試需求采集頻率有快有慢，測試精度有高有低，屬于混合測試，其中壓力、溫度等測試數(shù)據(jù)變化緩慢，但是用于振動測量的加速度傳感器則相對采集頻率較高，這就需要分離采集。

振動數(shù)據(jù)采集使用了3路加速度傳感器，分別用來采集一套試驗(yàn)軸承和兩套陪試軸承的振動。由于振動采集要求高頻率，其核心采用的是一塊PXI-3342高精度數(shù)據(jù)采集卡，該板卡提供8路同步模擬輸入通道，24 bit分辨率，單通道采樣速率最高204.8 kS/s。每通道集成獨(dú)立的IEPE(integral electronic piezoelectric)激勵源，這是因?yàn)榧铀俣葌鞲衅鳟a(chǎn)生的電量很小，因此傳感器產(chǎn)生的電信號很容易受到噪聲干擾，這就需要用靈敏的電子器件對其進(jìn)行放大和信號調(diào)理,它可實(shí)現(xiàn)加速度傳感器的信號調(diào)理。支持AC/DC兩種耦合方式，可通過軟件獨(dú)立配置。板載可編程的低通濾波器，可以有效降低高頻噪聲并減少頻率混疊。

溫度采集使用4路溫度傳感器和4路與其一一對應(yīng)的變送器共同組成，其中一路采集液壓油箱溫度，一路采集試驗(yàn)軸承溫度，最后兩路采集兩套陪試軸承溫度。而由于溫度屬于緩變量，采樣頻率設(shè)為2 Hz，因此只需要通過PLC的模擬量輸入模塊就可以實(shí)現(xiàn)采集，上位機(jī)再通過標(biāo)準(zhǔn)OPC協(xié)議與OPC Sever軟件進(jìn)行通信，最終采集軟件獲得實(shí)時溫度值。測量溫度范圍為-50 ℃～200 ℃，對應(yīng)輸出為4～20 mA直流電信號, 輸出信號與溫度變量之間有線性函數(shù)關(guān)系。 溫度計算公式：

溫度=(電流-電流低端)/(電流高端-電流低端)×(量程高端-量程低端)+ 量程低端

壓力采集和扭矩采集的方式與溫度采集類似，2路壓力傳感器分別采集軸承軸向徑向所受到的載荷，1路扭矩變送器就直接與主軸聯(lián)接，它們再通過各自的調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成電信號傳輸?shù)絇LC模擬量輸入,最終通訊至上位機(jī)[3-6]。

4 試驗(yàn)機(jī)測控軟件

測控系統(tǒng)軟件開發(fā)中上位機(jī)NI-PXI平臺選用LabVIEW開發(fā)環(huán)境設(shè)計采集系統(tǒng)軟件和控制系統(tǒng)軟件，下位機(jī)西門子PLC選用TIA博途完成自動化及部分?jǐn)?shù)據(jù)采集任務(wù)，應(yīng)用軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，模塊化編程，具有較強(qiáng)的可讀性和可移植性，遵循了軟件工程化方法。

測控軟件具有以下功能：

(1)能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制液壓缸加載載荷大小、電機(jī)調(diào)速。

(2)對設(shè)備進(jìn)行電氣控制(啟動、停止、加減速、加載等)。

(3)在試驗(yàn)的過程中采集實(shí)時試驗(yàn)數(shù)據(jù)(溫度、轉(zhuǎn)速、軸向載荷、徑向載荷及振動等)。

(4)可設(shè)置測量參數(shù)的測量量程范圍。

(5)形象化的監(jiān)控畫面/儀表式界面。

(6)以表格實(shí)時顯示參數(shù)信息。

(7)可同時顯示多個參數(shù)/單個參數(shù)，選擇性好。

(8)以曲線形式顯示參數(shù)值實(shí)時和歷史的變化情況。

(9)數(shù)據(jù)庫存儲參數(shù)信息。

(10)可實(shí)時存儲數(shù)據(jù)。

(11)具備設(shè)備及試驗(yàn)件實(shí)時報警并作出相關(guān)處理的功能[7]。

圖5所示的是軟件的載荷譜頁面，最多可以設(shè)置15步動作和99 999次循環(huán)。同時為了防止誤操作還可以設(shè)置最大軸向徑向載荷、最大扭矩和最高轉(zhuǎn)速。

圖6所示的是軟件的試驗(yàn)參數(shù)頁面，可以實(shí)時顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、軸向徑向壓力、液壓油箱溫度、試驗(yàn)扭矩、試驗(yàn)軸承和陪試軸承的溫度、振動等，幫助試驗(yàn)人員全面掌握試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行情況。

圖7所示的是軟件的報警顯示頁面，提供了液壓電機(jī)故障報警、水冷電機(jī)報警、液壓過濾報警、液壓液位報警、軸承異常報警和主軸電機(jī)故障報警6種報警功能，可以確保試驗(yàn)件及設(shè)備運(yùn)行安全。當(dāng)試驗(yàn)運(yùn)行過程中試驗(yàn)機(jī)出現(xiàn)超載、超溫、過流等現(xiàn)象時，系統(tǒng)能夠及時發(fā)出報警信號或自動停機(jī)保護(hù)[8-11]。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)任務(wù)要求試驗(yàn)機(jī)需完成10 000 h的壽命試驗(yàn)，軸向壓力110 N、徑向壓力325 N、轉(zhuǎn)速40 r/min、扭矩設(shè)定值37 N·m。從第8 000 h左右的一次開機(jī)截取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為更全面展示試驗(yàn)結(jié)果扭矩值和溫度值數(shù)據(jù)在這里選取12 h平均的60個數(shù)據(jù)點(diǎn)，制作成圖8實(shí)際扭矩值和圖9試驗(yàn)軸承溫度值。與此不同的是振動需要短時間高采樣率才能展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但超長時間壽命試驗(yàn)的高采樣同時意味著數(shù)據(jù)量龐大，這里折中采用2 Hz作為振動采樣頻率,選取60 s數(shù)據(jù)制作成圖10試驗(yàn)軸承振動。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示扭矩值相對穩(wěn)定，溫升不超過13 ℃，軸承振動小且穩(wěn)定，同時順利完成10 000 h壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可證實(shí)軸承已經(jīng)達(dá)到設(shè)計目的，滿足用戶要求。

6 結(jié)語

諧波減速器用柔性軸承綜合性能試驗(yàn)機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)，通過磁粉制動器施加扭矩并通過液壓加載軸承的軸徑向共同作用模擬實(shí)際負(fù)載,伺服電機(jī)帶動軸承運(yùn)動達(dá)到模擬實(shí)際運(yùn)行姿態(tài)的目的。系統(tǒng)具備自動控制、采集數(shù)據(jù)信息的能力，操作界面友好且易學(xué)易用。試驗(yàn)機(jī)順利完成10 000 h壽命試驗(yàn)，運(yùn)行過程中無異常，可執(zhí)行相應(yīng)試驗(yàn)動作，整個系統(tǒng)運(yùn)行可靠，達(dá)到預(yù)設(shè)試驗(yàn)性能。為機(jī)器人諧波減速器用柔性軸承的研制和工藝改進(jìn)，提供有力的評判依據(jù)和數(shù)據(jù)支持[12-13]。