內平動齒輪減速器虛擬性能測試系統研究

劉 浩，沈兆奎

（天津理工大學 工程訓練中心，天津 300384）

檢測與監控

內平動齒輪減速器虛擬性能測試系統研究

劉 浩，沈兆奎

（天津理工大學 工程訓練中心，天津 300384）

為檢測課題組研制的內平動齒輪減速器的性能參數，根據虛擬儀器設計理論、傳動誤差與機械效率的測試原理，運用直接位移測量法、直接測試法等測量方法，研究、設計并搭建了基于虛擬儀器的內平動齒輪減速器性能測試系統，能對減速器的性能參數進行精確測量，為減速器的研制工作提供重要的數據支持。試驗表明，將虛擬儀器技術用于檢測裝置可以提高測量精度，降低硬件成本。

內平動齒輪減速器；性能測試系統；虛擬儀器

0　引言

齒輪減速器是工業生產中應用最為廣泛的機械傳動裝置，其工作性能和動力學特性直接影響設備的各項性能。然而，實際機器受加工精度、裝配精度及使用條件等因素的影響，很難達到預期設計效果。因此，研制開發減速器性能測試系統，對減速器進行總體測試和評估，為傳動裝置的選擇或改進提供科學的數據至關重要[1,2]。

針對課題組所研制的用于重載、大功率設備的內平動齒輪減速器，設計搭建了基于虛擬儀器的性能測試系統。系統以軟件為中心，在充分利用計算機軟、硬件資源的基礎上，最大限度地實現硬件技術的軟件化和虛擬化。通過這套測試系統，可以測試、分析被測減速器的傳動誤差、機械效率等性能指標，從而指導減速器的研制工作。

1　系統結構

減速器性能測試系統由驅動裝置、被測裝置、測量裝置和加載裝置等組成，如圖1所示。系統以永磁同步伺服電機作為動力源（驅動裝置），由工控機通過運動控制卡對其進行控制；加載方式采用磁粉制動器加載，通過調節加載裝置的電流控制載荷大小；轉矩轉速測量儀通過聯軸器與被測減速器連接，測量被測裝置的輸入、輸出轉速和轉矩；分別在被測減速器的輸入軸和輸出軸安裝高精度圓光柵，用來精密測量輸入軸與輸出軸的實際轉角。測量數據通過數據采集卡傳輸到工控機進行處理。

圖1　試驗臺構成原理圖

2　測試原理與測試方法

2.1齒輪傳動誤差的測試原理與測試方法

2.1.1測試原理

齒輪的傳動誤差TE（Transmission Error）指輸入軸單方向旋轉時輸出軸轉角的實際值與理論值之差，該參數直接影響齒輪的平穩性和傳動精度[3～5]。影響傳動誤差的主要因素有齒輪的制造誤差、齒輪的裝配誤差、齒距和齒廓偏差等[3,6]。傳動誤差的計算公式為[3～8]：

i為傳動比。

2.1.2測試方法

測試采用直接位移測量法[7]。理論上，被測減速器的輸出軸每旋轉一圈其位置誤差循環一次，即具有周期性，因此，需要完整采集輸出軸一轉內的數據[8]。測試時使電機低速旋轉，輸出軸每轉6°采樣一次，這樣在輸出軸的一轉內共取60個測試點，得到60個傳動誤差值取這些值中的最大值與最小值之差作為被測減速器的傳動誤差[7]。即：

為了確定輸入軸轉角和輸出軸實際轉角，分別在輸入軸和輸出軸安裝標稱外徑為75mm和104mm的高精度圓光柵進行精密測量，并將測量數據通過數據采集卡傳輸到工控機進行處理。所得數據將為后期調整和改進齒輪設計提供重要依據。

2.2機械效率的測試原理與測試方法[9～12]

2.2.1測試原理

理論上，由輸出功率和輸入功率的比值來確定減速器的機械效率[9]。由功率公式：

有輸入功率：

輸出功率：

測試系統中，由于減速器的輸入端與輸出端均通過聯軸器與轉矩轉速傳感器連接，所以計算時需要考慮聯軸器的機械效率ηl[10]，則有輸入功率：

輸出功率：

故減速器的機械效率為：

式中，P為減速器的輸入或輸出功率，kw；

T為減速器輸入或輸出軸的轉矩，N.m；

N為減速器輸入或輸出軸的轉速，r/min 。

2.2.2測試方法

采用直接測試法測量機械傳動效率。分別在驅動電機與減速器之間、減速器與負載之間接入轉矩轉速傳感器，直接測量減速器的輸入、輸出轉速和輸入、輸出轉矩，利用上述公式計算出傳動效率。

3　內平動齒輪減速器虛擬儀器測試系統的設計

系統采用基于虛擬儀器的測控系統，包括硬件、軟件兩部分，整體結構如圖2所示。

圖2　虛擬儀器系統結構

3.1硬件平臺設計

硬件平臺由計算機和儀器硬件設備組成。

計算機是虛擬儀器系統的核心，使用研華ADVANTECH IPC-610H工控機，與儀器硬件共同組成DAQ系統。利用計算機圖形顯示技術將測控結果用數字、圖形實時顯示出來；同時，利用計算機強大的計算功能，在后臺完成數據處理、計算、分析、存儲等工作。

儀器硬件包括數據采集卡（DAQ）和傳感器，完成對被測輸入信號的采集、放大、濾波、模數轉換等工作。數據采集卡采用NI PCI-6602，將數據采集卡直接插入計算機的PCI插槽中即可，采集卡通過NI的BNC-2121接線盒與傳感器連接。傳感器使用雷尼紹高精度圓光柵（用于測量輸入、輸出轉角）和北京三承恒薇科技有限公司的JSC4型智能數字式轉矩轉速測量儀（用于測量輸入、輸出轉矩及輸入、輸出轉速）。

3.2軟件平臺設計[13～15]

虛擬儀器軟件部分包含接口程序和用戶應用程序兩個層次。接口程序用來聯接用戶程序和底層硬件設備。

應用軟件采用NI LabVIEW2012，該軟件為圖形化編程語言，主要完成兩方面任務：一方面，利用計算機強大的圖形顯示功能，設計虛擬儀器軟面板代替傳統的儀器面板，供用戶進行數據、圖形、圖表等信息的觀測以及完成對虛擬儀器的操控；另一方面，編程實現信號的獲取以及信號的分析處理、存儲、查詢、打印、報表生成等功能。軟件流程圖如圖3所示。

圖3　軟件流程圖

4　模塊化編程[16～18]

由于系統要完成參數測試、數據操作等多項任務，而不同功能的實現在程序編寫時所使用的參數和程序結構也不同，為增強程序的可讀性，提高系統的可維護性，本系統借助模塊化思想，在對系統進行功能分析后，將其分成6個主要功能模塊分開設計，最后再組合調試。本測控系統主要模塊如圖4所示。

圖4　系統模塊圖

4.1登錄模塊

登錄模塊用來確認試驗者身份，不同身份的操作者使用權限不同。由于測試系統中的設備、器件尤其是傳感器較為昂貴，普通用戶只能使用一般功能：進入測試界面，選擇測試項目并進行相關操作，觀察試驗過程，記錄試驗數據，生成相關報表。但諸如對傳感器的標定，歷史數據的調用、查詢、處理等操作，只有特定身份的用戶才能進行。

4.2初始化模塊

初始化模塊主要完成兩個任務：1）讀取全部配置文件并保存；2）數據采集前，程序對數據采集卡初始化。

4.3數據采集模塊

動態性能測試需要通過NI PCI-6602數據采集卡采集輸入、輸出轉矩與輸入、輸出轉速4路頻率信號以及輸入、輸出轉角2路位置信號。

4.4數據操作模塊

基本數據操作主要實現：1）數據實時顯示；2）數據保存；3）數據查詢；4）數據導出、打印；5）試驗報表、報告生成等功能。

4.5數據處理模塊

根據測試要求對采集到的信號進行相應的處理，并對數據進行計算、分析，為裝置綜合機械性能的評定提供豐富、可靠、精準的數據，從而對被測設備作出合理評價。

4.6運動控制模塊

測試系統以永磁同步伺服電機作為驅動裝置，由工

【】【】控機通過運動控制卡對電機的啟動、停止、轉速、轉向及轉角進行精確控制，以實現位置控制和速度控制。

應用軟件LabVIEW特別適合于模塊化編程，并且可以直接調用軟件本身提供的代碼模塊，減少編程工作量。各子模塊可以單獨使用，也可以供主程序調用。當測試要求發生變化或系統需要增減、改進某些功能時，只需進行相應模塊的增減、改進即可。

5　結論

研究設計了內平動齒輪減速器的虛擬儀器測試系統。確定了測試減速器的齒輪傳動誤差、機械效率等性能參數的理論依據和測試方法，同時確定了工控機、采集卡與傳感器等硬件設備的型號，搭建了硬件測試平臺。依據虛擬儀器技術理論及模塊化編程思想，采用LabVIEW12為應用軟件，完成系統軟件部分的設計，實現了主要由計算機完成從信號采集、信號處理到數據計算、分析、顯示、存儲、打印、報表生成以及運動控制等功能，減少了二次儀表的使用，降低了系統成本，提高了系統的測試精度、可靠性與自動化程度。試驗表明，所設計的測試系統能夠精確測量減速器的性能參數，為減速器的研制工作提供了重要的數據支持。

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The research on virtual test system of internal translation gear reducer

LIU Hao, SHEN Zhao-kui

TH17

A

1009-0134(2016)02-0042-04

2015-10-23

劉浩（1974 -），女，河北人，工程師，碩士，研究方向為虛擬儀器技術和測控技術。