內平動齒輪減速器剛度試驗臺測控系統設計

內平動齒輪減速器剛度試驗臺測控系統設計

劉艷玲，姜佳怡，沈兆奎，樊學贊

(天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384)

摘要：介紹了內平動齒輪減速器剛度試驗臺的基本組成及剛度檢測的試驗方法， 闡述了該試驗臺測控系統的硬件設計，并應用LabVIEW平臺開發出相應的測控軟件。針對自主研發的內平動齒輪減速器，應用該剛度試驗臺進行剛度檢測試驗，通過具體的試驗數據分析其剛度性能，最終得出試驗減速器的剛度性能是否符合要求。

關鍵詞：內平動齒輪減速器；剛度；試驗臺；測控系統；LabVIEW

中圖分類號：文獻標識碼：A

收稿日期：2015-03-07；修訂日期：2015-04-15

作者簡介：劉艷玲(1963-)，女，天津理工大學副教授，天津市人，研究方向：機電傳動與控制。

通訊作者：姜佳怡(1990-)，女，天津理工大學碩士研究生，山東省人。研究方向：機電傳動與控制。

Design of stiffness tester’s measurement-control system for the internal parallel moving gear reducer

LIU Yan-ling,JIANG Jia-yi, SHEN Zhao-kui, FAN Xue-zan

(Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced

Mechatronical System, Tianjin 300384, China)

Abstract：This paper introduces the basic composition of a stiffness tester using for the internal parallel moving gear reducer, and stiffness testing methods. It describes the hardware design of the tester’s measurement-control system and the measurement-control software designed by LabVIEW. With an internal parallel moving gear reducer of independent research and development as the research object, stiffness test is conducted by the stiffness tester. Finally, it concludes that stiffness performance meets the requirements or not by analyzing detail data.

Keywords：internal parallel moving gear reducer; stiffness; tester; measurement-control system; LabVIEW

0前言

減速器是機械裝備的基礎元件，隨著我國機械設備持有量和新增產量的增大，其配套減速器的品種、規格和數量亦隨之增大。內平動齒輪減速器作為一種國內新型精密減速器，其在傳動比、機械效率、承載能力、使用壽命以及成本等方面較之其他減速器而言具有明顯優勢[1,2]，其主要應用于重載荷、大數比、長壽命以及需要精密傳動的場合，這需要滿足其剛度要求，且具有較高的精度和較小的回差，而剛度不足會產生較大的彈性回差，嚴重影響機器的正常運轉，因而研制內平動齒輪減速器剛度試驗臺對于分析內平動齒輪減速器的剛度性能具有十分重要的意義。

內平動齒輪減速器的剛度是將減速器輸入端固定，然后向輸出端連續施加負載扭矩，產生相應的轉角，而以轉矩變化量與其相應轉角變化量的比值來定義扭轉剛度。采用NI公司開發的LabVIEW完成對數據的分析處理，最終繪制滯后曲線、生成報表。LabVIEW是一種基于G語言的32位編譯型圖形化編程語言，其具有較好的人機交互界面，并在測試測量、數據采集、儀器控制、數字信號處理等領域得到了廣泛的應用[3]。

1內平動齒輪減速器試驗臺

1.1試驗臺原理及組成

圖1是內平動齒輪減速器剛度試驗臺，圖中將待測減速器的輸入端固定，在輸出端加載直至達到減速器的額定轉矩。在減速器輸出端連接轉速轉矩測量儀，實時檢測輸出端的轉矩，同時采用高精度圓光柵檢測輸出端在不同轉矩下對應的轉角。為反映出結構在力的反復作用下的變形特征、剛度退化及能量消耗，需要通過試驗在力循環往復作用下，得到結構的滯后曲線，進而得出內平動齒輪減速器的剛度特性。

1.加載力臂 2.法蘭盤 3.JSC4型轉速轉矩測量儀 4.雷尼紹圓光柵(L=300 mm)5.待測內平動齒輪減速器 圖1　剛度試驗臺 Fig.1　Stiffness tester

1.2試驗臺技術關鍵

(1)試驗臺的連接件和支座多采用剛性連接，根據已完成的初步試驗發現：進行剛度試驗時，由于連接件間多存有間隙，一旦扭轉力積蓄到一定值，即加載力臂加載到一定轉矩時，扭轉件克服接觸面的滑動摩擦力，快速轉過間隙的同時會產生慣性沖擊，最終導致實驗數據局部的階梯型變化，嚴重影響最終的測試精度，而采用剛性連接可以極大避免這個問題，且試驗過程中加載較為平穩、轉速很小，能保證被聯兩軸軸線相對偏移極小，但相應的安裝精度和加工精度相對要求較高，若剛性連接過多則會導致蓄積的內應力得不到釋放，從而導致試驗空載時的零點不準確并在試驗過程中數據的突跳，因而需要在連接位置，特別是加載端適量且合理地采用剛性連接，將有助于試驗的進行。

(2)為保證檢測精度，選用體積輕薄、內徑大的高精度光柵，其刻劃精度小于±0.5角秒，且光柵的轉動慣量非常低。錐面安裝方式糾正了回轉軸的偏心，確保精度的同時細微調整安裝誤差。相應的讀數頭的細分誤差保持在±40 nm以下，足夠該試驗的精度要求。

選用的高精度轉速轉矩測量儀，采用應變電測原理，通過應變電阻的變化轉變為電壓信號的變化進行測量。由于采用了能源與信號的無接觸耦合，能夠實現旋轉狀態下轉矩的準確測量。其固有頻率為10 kHz，轉矩誤差≤0.2%，且重復性和滯后性較小。

由于檢測傳感器的采集頻率和精度較高，因而對數據卡有較高要求，該試驗采用了美國NI公司的PCI6602，其擁有8個32位計數器/定時器和32條與TTL/CMOS兼容的數字I/O線，80 MHz最大源頻率 (使用預定標度可達125 MHz)，可執行3種同步高速DMA轉換，完成對輸入頻率信號的預處理，且能很好與LabVIEW、MatLab等軟件連接[4]。

2測控系統設計

2.1系統硬件設計

數據的采集分析系統的硬件主要由計算機和PCI6602數據采集卡兩部分組成。計算機主要完成數據的計算處理以及數據的顯示和繪圖。利用計算機圖形顯示技術和多媒體技術，將復雜的數據計算和數據處理推向后臺，把測控的結果用數字、曲線、圖形等形式提供給用戶[5]。系統硬件的結構框圖如圖2所示。

圖2　剛度試驗系統硬件結構框圖 Fig.2　Hardware structure diagram of stiffness test system

2.2系統軟件設計

2.2.1定時與手動采集數據存儲

系統軟件采用LabVIEW開發，數據采集分別由手動采集和定時采集兩種模式。在本試驗階段，由于加載環節采用人工加載方式，加載過程需要緩慢平穩后測得檢測數據，因而手動采集方式也更為適合。若加載環節采用連續加載方式，為避免連續采集模式的過多冗長重復數據和手動采集模式的人工操作，采用定時采集模式更為合理。定時采集是每間隔自定義的一段時間記錄一次數據(本試驗設置間隔時間為1 s)。系統軟件流程圖如圖3所示。

圖3　剛度試驗系統軟件流程圖 Fig.3　Software’s flowchart of stiffness test system

2.2.2DAQ通道數據采集與數據處理

多通道數據采集卡是剛度試驗臺硬件的關鍵。根據數據采集卡PCI6602的各個引腳定義，將GATE端接入待測量信號，AUX端決定計數方向，SOURCE端接內部時基信號。根據高精度300 mm圓光柵的性能指標，設置CI角度編碼器的每轉脈沖值及解碼類型。為消除零點漂移產生的誤差，采用多次平均取均值的方法去除。由于電信號的干擾對剛度試驗影響較大，需要在DAQmx通道下應用高級內部時鐘濾波方法，根據剛度試驗的信號特點，最小脈沖寬度設置為。若驅動信號保持高電平或低電平時，LabVIEW測量脈沖的子VI會超時報錯，可解除錯誤捆綁后通過條件結構刪除其code代碼控制的錯誤，即在驅動信號受到沖激干擾時仍可保證程序的連續運行，防止中斷。此外，LabVIEW為用戶提供大量可被層次化無限調用的函數[6]，通過子VI調用可簡化程序易于修改。

2.2.3滯后曲線繪制及報表生成

LabVIEW Report Generation Toolkit利用ActiveX技術將其與Microsoft Excel和Word結合起來。通過Write To Spreadsheet File.vi和Read From Spreadsheet File.vi實現數據在Microsoft Excel中的存儲與讀取，根據調用的列數據繪制滯后曲線[7]。當程序運行時，LabVIEW利用ActiveX技術調用Microsoft Word的自動化服務器，可快速高效的生成包括文字、表格、圖表圖片等在內的專業的試驗報告。為加快報告生成速度，word初始窗口模式應選minimized，通過New report.vi 、Word Easy Title.vi、Word Easy Text.vi 及Append Control Image to Report.vi分別完成對報表的創建、標題、文本及圖表的生成。

為了通過讀取減速器額定轉矩±3%處的轉矩值和轉角值，便于計算試驗減速器的剛度值，針對生成的坐標圖創建Map Coords To XY和GetPlotAtPos兩個調用節點，實時讀取鼠標在經過坐標圖中曲線時的坐標，添加超時及鼠標按下的事件分支，讀取鼠標點擊位置的XY坐標，即可獲取需要的轉矩值和轉角值。

3測試結果與分析

以自主研發的內平動齒輪減速器為試驗對象，固定其輸入軸，然后向輸出軸施加轉矩，產生與轉矩響應的扭曲，繪制出的滯后曲線如圖4所示。其中，彈簧常數=b/a，約為正向二次加載的斜率；空轉是指在額定轉矩的±3%處的滯后曲線寬度的中間點的扭曲角；齒隙是指滯后曲線的轉矩“零”處的扭轉角。內平動齒輪減速器剛度測試前面板如圖5所示，得出該試驗減速器的空轉為11 s，齒隙為426 s。

圖4　滯后曲線 Fig.4　 Lag curve

圖5　內平動齒輪減速器剛度測試前面板 Fig.5　Stiffness test control panel of internal parallel moving gear reducer

根據圖4中隨機抽取的試驗數據繪制的滯后曲線作為范例，分析該減速器的剛度性能。

加載的直線回歸方程為φc=ac+bcTc

式中,φc為加載后相對于空載的輸出軸轉角；φcn為第n次加載后相對于空載的輸出軸轉角；Tc為輸出軸所受扭矩；Tcn為第n次輸出軸所受扭矩；Nc為總加載次數。

該試驗減速器的空轉值較小，可以滿足大傳動比的精密傳動要求，但其剛度較差，需要改進減速器的材質且其結構需要進一步優化。

4結語

目前國內大多數研究僅停留在理論分析和實驗模擬的基礎上，本文設計的內平動齒輪減速器剛度試驗平臺檢測精度高、速度快，綜合運用了傳感器、數據采集卡和LabVIEW圖形化編程軟件綜合開發檢測平臺，成本較低，可廣泛應用于內平動齒輪減速器的測試測量領域，具有較高的可靠性。

參考文獻：

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