柔性軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院 張 帆 辛洪兵 郭瑞君 鄧 曼

1 引言

柔性軸承是諧波齒輪傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)諧波傳動(dòng)的重要構(gòu)件，隨著諧波齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用日益廣泛，用戶提高對(duì)柔性軸承壽命和性能的要求，軸承試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法將不斷深入優(yōu)化研究，柔性軸承疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)將得到迅猛發(fā)展與廣泛的應(yīng)用[1]。由于柔性軸承的疲勞斷裂是影響諧波傳動(dòng)失效的重要因素之一，隨著不斷深入的研究柔性軸承，人們廣泛關(guān)注其疲勞壽命及使用可靠性。由于對(duì)柔性軸承疲勞壽命產(chǎn)生影響的因素存在很多，因此采取壽命試驗(yàn)則為對(duì)這項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行審定的重要方法。目前國(guó)內(nèi)柔性軸承生產(chǎn)商及軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)商均未有針對(duì)柔性軸承主要失效形式的試驗(yàn)機(jī)。柔性軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)于校核與檢驗(yàn)柔性軸承疲勞壽命及對(duì)諧波齒輪減速器的失效研究具有重要意義。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖

2 試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)原理

試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。在柔性軸承中裝入凸輪，構(gòu)成諧波傳動(dòng)的凸輪式波發(fā)生器裝置，此時(shí)柔性軸承內(nèi)圈和柔性軸承外圈都處于變形狀態(tài)。在機(jī)架上固定凸輪，并將傳動(dòng)帶繞過傳動(dòng)輪，包圍變形后的柔性軸承外圈凸起區(qū)域，驅(qū)動(dòng)器通過傳動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)帶轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)柔性軸承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，因柔性軸承外圈處于變形狀態(tài)，當(dāng)柔性軸承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其上每一點(diǎn)都處于交變應(yīng)力狀態(tài)，通過探傷傳感器和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器檢測(cè)柔性軸承外圈斷裂和開始測(cè)試到發(fā)生斷裂時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，即可確定柔性軸承的疲勞壽命。用張緊輪調(diào)節(jié)裝置調(diào)整傳動(dòng)帶中的張力，可以改變傳動(dòng)帶對(duì)變形后柔性軸承的作用力。由于傳動(dòng)帶對(duì)處于強(qiáng)制變形的柔性軸承凸起區(qū)域施加的是分布載荷，通過該技術(shù)方案可以模擬柔性軸承的實(shí)際工作狀態(tài)。

3 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)的組成

檢測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由電渦流傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、采集卡、線纜以及PC機(jī)組成；軟件平臺(tái)主要由codewar r ior和Labview組成。

電渦流傳感器在柔性軸承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外圈震動(dòng)情況，當(dāng)軸承外圈斷裂時(shí)，檢測(cè)傳感器輸出較大電壓信號(hào)，通過電腦數(shù)據(jù)處理，停止轉(zhuǎn)數(shù)、工作時(shí)長(zhǎng)累計(jì)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖數(shù)可以求得軸承的轉(zhuǎn)數(shù)。

3.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，采集卡的核心是ARM KL25微處理器，該采集卡可以實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換和脈沖捕捉等功能。

（1）AD轉(zhuǎn)換模塊

采集卡具有16位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)逐次逼近的ADC，該模塊負(fù)責(zé)將電渦流傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，傳輸至上位機(jī)。

AD模塊程序：

voidADC_init()

{

SIM_SCGC6|=SIM_SCGC6_ADC0_MASK;

ADC0_CFG1=0X00000010;

ADC0_CFG2=0X00000000;

ADC0_SC2=0X00000000;

ADC0_SC3=0X00000008;

ADC0_SC1A=0X00000007;

}

（2）TPM脈沖捕捉模塊

TPM(定時(shí)器/脈寬調(diào)制模塊)共有3個(gè)模塊TPM0、TPM1、TPM2，TPM0有6個(gè)通道，TPM1和TPM2有兩個(gè)通道。TPM支持輸入捕捉、輸出比較，并且能產(chǎn)生PWM信號(hào)來控制電機(jī)。通過異步時(shí)鐘，可以讓計(jì)數(shù)器、輸出比較和輸入捕捉寄存器工作在低功耗模式下。所以KL25的TPM模塊又可以稱為L(zhǎng)PTPM。

TPM的基本定時(shí)器部分是一個(gè)遞增的計(jì)數(shù)器，通過設(shè)定模塊的溢出值，當(dāng)計(jì)數(shù)器遞增到該數(shù)值是產(chǎn)生一個(gè)中斷，可以通過選擇時(shí)鐘源和溢出值設(shè)定該計(jì)數(shù)器的頻率。

TPM模塊除基本定時(shí)功能以外，還有輸入捕捉、輸出比較、脈寬調(diào)制等功能。捕獲動(dòng)作發(fā)生在上升沿、下降沿或者是上升/下降沿上。該模塊負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過脈沖捕捉將脈沖數(shù)傳輸至上位機(jī)。

TPM脈沖捕捉程序：

void TPM1_Init()

{

SIM_SOPT2 |= SIM_SOPT2_TPMSRC(1);

SIM_SOPT2 |= SIM_SOPT2_PLLFLLSEL_MASK;

SIM_SCGC6 |= SIM_SCGC6_TPM1_MASK;

SIM_SCGC5 |= (SIM_SCGC5_PORTA_MASK

| SIM_SCGC5_PORTB_MASK

| SIM_SCGC5_PORTC_MASK

| SIM_SCGC5_PORTD_MASK

| SIM_SCGC5_PORTE_MASK );

PORTA_PCR12=PORT_PCR_ISF_MASK|PORT_PCR_MUX(0x3);

TPM1_CNT = 0;

TPM1_MOD = 1050;

TPM1_SC|=TPM_SC_TOIE_MASK;

TPM1_SC|=TPM_SC_CMOD(1);

TPM1_C0SC = TPM_CnSC_ELSA_MASK|TPM_CnSC_CHI E_MASK;

TPM1_C0V=0;

enable_irq(18);

}

3.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，采用Labview來實(shí)現(xiàn)該功能；下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)編寫程序框圖，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的通訊。

使用Labvi ew開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱VI。VI包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/鏈接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Cont r ol s），輸出量被稱為顯示（Indicat or s）?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使這得前面板直觀易懂。

每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。上位機(jī)顯示界面如圖2所示。

圖2 顯示界面

4 結(jié)束語

柔性軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)共同組成整套試驗(yàn)機(jī)，可以完成具體型號(hào)軸承在空載荷和變載荷條件下疲勞壽命試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論壽命對(duì)比分析。該試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)柔性軸承疲勞壽命及對(duì)諧波齒輪減速器的失效研究具有重要意義。

[1]李興林,張仰平,張燕遼.軸承疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].軸承,2005(2):42-43.

[2]辛洪兵.諧波傳動(dòng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].現(xiàn)代制造,2009,(35):8-10.

[3]孫瑞濤,辛洪兵,丁熙元,鄭偉智,秦宇輝.諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究概述[J].機(jī)械工程師,2002(06).

[4]王宜懷,朱仕浪,郭蕓.嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐(第3版).北京:清華大學(xué)出版社,2013,8.

[5]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程(第2版).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008,9.