諧波齒輪減速器虛擬測試系統的研究

萬筱劍，姚志飛，孔 翔

（1. 深圳航天科技創新研究院，深圳 518057；2. 河北廣播電視大學，石家莊 050071）

諧波齒輪減速器虛擬測試系統的研究

萬筱劍1，姚志飛2，孔 翔1

（1. 深圳航天科技創新研究院，深圳 518057；2. 河北廣播電視大學，石家莊 050071）

0 引言

諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發展起來的一種新型減速器，諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），是建立在彈性變形理論基礎上的一種新型的機械傳動方式，它是依據柔性零件產生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種齒輪傳動。該傳動是由美國人馬塞爾于1959年發明的，它的出現被認為是機械傳動的重大突破。它具有體積小、重量輕、傳動比大、精度高等特點，目前被廣泛應用在航空航天、儀器儀表、機器人、雷達等需要精密定位的領域。諧波減速器的在各個領域中的應用，在不同條件下需要不同的技術指標，如何評價其技術指標便成為減速器行業面臨的一個難題。為解決這一難題，研究開發了諧波減速器測試系統[1]。

該系統采用虛擬儀器構成，虛擬儀器的精髓在于用戶可以根據自己的需求來定義功能和性能，復雜的硬件功能可以通過簡單的軟件方法來實現。采用虛擬儀器技術進行減速器性能測試，充分利用了虛擬儀器“軟件就是儀器”的思想，在必需的硬件環境下盡可能發揮軟件功能，完成信號采集、信號分析、測試結果的存儲顯示、測試數據的管理等工作。該測試系統不僅能綜合測試諧波減速器的總體性能，而且還能根據這些測試數據進行分析，對諧波減速器的優化設計提供幫助[2]。

1 主要測試參數及測試原理、方法

1.1 機械效率的測試原理與測試方法[3]

1.1.1 測試原理

轉矩、轉速、功率均是減速器工作時的重要參數，選擇合適的測量原理是決定測試系統成敗的關鍵。

轉矩測量：使機械元件轉動的力偶或力矩叫做轉動力矩，簡稱轉矩。采用扭矩傳感器進行測量，扭矩傳感器采用應變片電測技術，在彈性軸上組成應變橋，向應變橋提供電源即可測得該彈性軸變形的電信號。將該應變信號放大后，經過壓/頻轉換，轉變成與扭應變成正比的頻率信號。

轉速的測量原理：轉速測量必須與轉矩測量保持同步，才能確保測出的機械效率值準確可靠。轉速測量采用光電碼盤的方法進行測量，每一光電編碼器的線數為2048，軸帶動光電碼盤每旋轉一周可產生2048個脈沖，高速或中速采樣時可以用測頻的方法，低速采樣時可以用測周期的方法測出準確的轉速。

機械效率的測量原理：當轉速，轉矩信號都測試出來以后，根據電工學公式：

式中：P為諧波減速器的輸入或者是輸出功率，kw；

T為諧波減速器的輸入或者輸出扭矩，Nm；

n為諧波減速器輸入或者輸出轉速，rpm；

由于安裝需要，實際檢測裝置中，輸入傳感器與減速器之間，減速器與輸出傳感器之間各有一個聯軸器，如圖1所示。

圖1 效率傳遞示意圖

考慮到聯軸器的機械效率ηl的影響，則減速器的輸入功率的計算公式變為：

減速器輸出功率的計算公式變為：

1.1.2 測試方法

在諧波減速器的輸入輸出端通過聯軸器連接轉矩轉速傳感器，由輸入扭矩傳感器測出的轉矩乘以聯軸器效率，輸出扭矩傳感器測出的轉矩除以聯軸器的效率，就可以分別的求出輸入、輸出扭矩值。

通過驅動電機尾端的光電編碼器可以測得輸入軸的轉速，力矩電機負載模擬器尾端的光電編碼器就可以測得輸出軸的轉速。

將轉矩傳感器通過數采卡進行數據采集，光電編碼器通過運動控制卡讀回的編碼器位置信號，最終通過計算機進行數據的分析、處理、得出同一時刻的輸入輸出轉速，輸入輸出轉矩，計算出效率，并且繪制出波形。

1.1.3 減速器效率η計算方法

機械效率是系統要得到的主要數據，其計算方法如下，減速器輸出功率除以減速器的輸入功率即得到減速器的效率，公式如下：

通過公式(2)和(3)，計算出減速器的機械效率為：

1.2 噪聲的測試原理和方法

按GB6404規定測試，將聲級計安裝在距離減速器外殼1米處，在額定轉速和額定負載下測試，找出聲級計最大的測試數據用來評價減速器的性能，要求噪聲不大于60dB。

1.3 溫升的測試原理和方法

1.3.1 測試原理

諧波減速器溫升計算需要測試環境溫度和減速器溫度，根據諧波減速器的使用環境要求：-40～+55℃；所以測試的時候要在兩個極端的溫度下進行，即高低溫環境試驗，在控溫箱中進行。溫度測量采用熱敏電阻，熱敏電阻的引出線連接數據采集卡上，通過labview軟件編程，將數據采集卡采集到的數據進行定標換算成溫度信號，在前面板進行數值顯示、波形繪制等。最終可以得到環境溫度和減速器溫度的平均值，峰值以及實時溫度波形圖。

1.3.2 測試方法

將熱敏電阻粘貼于保溫箱上，將測試的數據作為環境溫度，熱敏電阻粘貼于減速器外殼上，將測試的數據作為減速器溫度，兩者之差即為溫升。

要求在-40℃保溫2小時能正常空載啟動，在+55℃保溫條件下，以額定轉速、額定負載正常運轉約 2小時，其熱平衡溫度不超過100℃(溫升45℃)。

1.4 傳動精度的測試原理與測試方法[4]

減速器輸出軸相對于輸入軸的理論轉角與實際轉角之差，即為傳動誤差。動態測量采用編碼器，通過編碼器測出輸入與輸出信號的差值，繪出誤差曲線，取其最大值。

1.4.1 測試原理

1）角度的測量：輸入輸出的角度的測量均通過讀取編碼器的位置值來實現，輸入軸的角度值由驅動電機尾端的編碼器提供，輸出軸的角度值由負載模擬器（即力矩電機）尾端的編碼器提供，運動控制卡采集到編碼器的位置值，通過labview編程把這個值實時記錄下來。

2）高精度的力矩加載：磁粉制動器通過模擬量給定阻力矩值，作為大的力矩負載加載。大力矩加載時，磁粉制動器作為阻力矩的大部分給定，輸出電機通過力矩閉環控制加載的精度。

1.4.2 測試方法

驅動電機速度模式，負載電機力矩模式，開始測試時，同時記錄輸入軸與輸出軸的編碼器值，每隔一段時間采樣一個點。小力矩加載時，通過輸出電機與扭矩傳感器構成力矩閉環實現，加載精度控制在0.5%。

具體實施步驟：首先要輸入待測減速器參數，包括減速器型號，減速比，精度等級。然后輸入電機參數，包括驅動電機轉速，力矩加載（磁粉制動器，力矩電機指令）等參數。運行時啟動驅動電機，帶動減速器運轉，監測系統的穩定性，監測驅動電機的轉速和輸出扭矩傳感器的力矩值，待系統穩定后，開始測試。開始進入測試，記錄輸入輸出編碼器的值，采樣點不少于720個（可連續采樣）。

實時計算傳動誤差，根據計算的結果實時顯示曲線，測試結束后，取最大值，即為測得的傳動誤差。

1.5 振動的測試原理和方法

為了得到諧波減速器的振動情況記錄，根據GB2423.10，在減速器正上方、側邊、輸入軸附近分別安裝3個壓電加速度傳感器，依次測量減速器的豎直、水平、軸向的振動情況。將壓電加速度傳感器連接至數據采集卡上，通過labview編程，將數據采集卡采集到的數據進行定標、積分、功率譜分析、加窗函數等處理，最后得到減速器三個方向上的振動的加速度、速度、位移的峰值、均值及波形圖，還可以得到其振動的功率譜波形，峰值頻率等。

2 諧波齒輪減速器測試系統的設計

根據諧波減速器各個參數的測試方法，同時依據功能齊全、結構簡單、操作方便、測試精度高、運行安全可靠和成本低的原則，對諧波減速器測試系統進行了軟件、硬件的設計。

2.1 測試系統的硬件設計

減速器測試系統硬件實驗臺由驅動電機、輸入扭矩傳感器、被測諧波減速器、輸出扭矩傳感器、負載模擬器（由磁粉制動器和力矩電機共同組成）、數據采集卡、運動控制卡、工控機等組成，諧波減速器效率測試和精度測試所需的硬件略有不同，在精度測試的時候輸入軸的扭矩傳感器是不需要的，具體的測試示意圖如圖2所示。

圖2中，被測減速器的輸入位置角度值由驅動電機的編碼器提供，輸入轉矩信號由輸入扭矩傳感器提供，輸出位置角度值由負載力矩電機的編碼器提供，輸出扭矩信號由輸出扭矩傳感器提供。

圖2-a 諧波減速器的效率測試示意圖

圖2-b 諧波減速器的精度測試示意圖

試驗時，根據不同的測試項目，只要把按照圖示的安裝方式安裝，調用相應的測試軟件，即可測得所需的測試數據，計算出減速器的參數值。

2.2 測試系統的軟件設計

測試系統采用labview2009進行開發，包括運動控制軟件、監控界面以及測試算法的編寫。測試系統軟件流程框圖如圖3所示。

圖3 測試系統軟件流程框圖

在研究了以上檢測方法和原理的基礎上，運用Laview2009軟件對諧波減速器的測試系統進行了設計。諧波減速器性能測試系統部分前面板如圖4所示。

圖 4 虛擬測試系統部分前面板

3 結論

在虛擬儀器技術的基礎上，對諧波齒輪減速器的虛擬測試系統進行了研究和設計。確定了諧波齒輪減速器的轉矩、轉速、效率、溫升、振動、傳動精度等參數的測試方法、測試原理，并確定了各傳感器的類型，搭建了硬件實驗臺。同時，在虛擬儀器技術基礎上，運用Laview軟件進行編程，設計了適用于諧波齒輪減速器的虛擬測試系統，并進行了仿真。可以完成對諧波齒輪減速器各個參數的信號采集、信號處理、數據顯示、波形繪制等功能，充分發揮了軟件強大的數據處理能力，在提高精度的同時大大降低了硬件成本。將虛擬儀器技術應用于諧波減速器的性能測試，利用軟件即是硬件的思想，有以下優點：編程簡便，可以將更多的精力投入到算法和課題的研究中；成本較低，只需要購買通用性強的外端數據采集設備即可；可以提高測試系統的自動化水平和測試精度。

該設計通用性強，只需要在原有試驗裝置的基礎上進行一定的改動，增加相應的傳感器，即可利用本系統重構成為新的虛擬儀器測試設備。通過試驗，驗證了諧波減速器新產品的主要性能參數，同時對其進一步優化設計提供了重要的參考數據。

[1]姚俊武,王建中.諧波減速器在自重構機器人的應用研究[J].制造業自動化,2006(08):51-52,58.

[2]李曼,馮華光.減速器性能測試虛擬儀器的研究與開發[J].組合機床與自動化加工技術,2006(1):32-34.

[3]蔡振,呂新生,李志遠,王亞芹.基于虛擬儀器的微型減速器機械效率測試系統[J].儀表技術與傳感器,2008(10):31-33.

[4]李召華,揚帆,韓梅.諧波齒輪傳動裝置的傳動精度分析[J].機電產品開發與創新,2010(02):9-11.

The research on virtal testing system of harmonic gearbox

WAN Xiao-jian1, YAO Zhi-fei2, KONG Xiang1

在對諧波齒輪減速器的轉矩、轉速、效率、傳動精度等參數的測試方法、測試原理研究的基礎上，利用虛擬儀器技術，對諧波齒輪減速器的性能測試系統進行了研究和設計。并運用labview2009軟件編程，設計了適用于諧波齒輪減速器的虛擬測試系統。該測試系統充分發揮了計算機的處理能力，降低了硬件成本投入。

虛擬儀器；諧波齒輪減速器；測試系統

萬筱劍（1978 -），男，河北無極人，工程師，碩士，主要從事運動控制及系統集成研發工作。

TH17

A

1009-0134(2011)4(上)-0015-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).05

2010-10-12