短杯諧波減速器性能測控試驗設計與研究

劉銘杉

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

在航天工程、機器人領域中，要求精密傳動裝置具有體積小和承載能力大的特點，故常采用短杯諧波齒輪傳動。研究表明，柔輪的最大徑向力和最大等效應力隨著長徑比的減小而增加[1]。其余條件相同的情況下，如圖1所示，短杯柔輪輪齒傾斜更嚴重，這影響了諧波減速器的承載能力，減速器很容易發生“跳齒”現象[2]。此外，減速器中的柔性軸承也是易被破壞的部件。故短杯諧波減速器極易發生破壞、失效，其性能優劣直接決定了整個系統的壽命和承載能力。

圖1 不同杯長柔輪裝入波發生器時張角 對比示意圖

目前，國內針對上述性能而做的諧波減速器試驗臺的研究還很少，四川大學的裴欣等[3]實驗研究了轉速、載荷對諧波減速器傳動誤差的影響；中國地質大學的尹之祥[4]設計了諧波減速器的非線性摩擦實驗、傳動誤差實驗和滯回剛度實驗；而這其中關于短杯諧波減速器的試驗研究更是少之又少。針對這種情況，設計了一諧波減速器性能綜合測控系統，此測控系統可測試短杯諧波減速器的效率、極限承載能力、溫升等性能參數。本設計結構簡單、容易實現、操作方便且精度較高。

1 性能測控試驗臺結構設計概述

精密短杯諧波減速器測控試驗設計示意圖如圖2所示，其主要由試驗臺結構部分、控制臺部分及電源組成。試驗臺由減速器樣機、驅動電機、兩臺轉矩轉速傳感器、溫度傳感器、磁粉制動器、若干聯軸器等機械結構組成，這部分被安裝固定在T形槽工作臺上。測控臺部分由電機驅動器、數據采集儀、計算機、激磁電流控制器及相關配套元件組成。

圖2 綜合性能實驗臺示意圖

測試過程中，試驗數據由傳感器傳輸到數據采集卡，經由測試程序進行處理并顯示、存儲。為更清楚地闡述該測控系統的數據采集功能及其他功能，下文將從測控系統硬件架構設計、軟件模塊設計這兩部分分別闡明設計內容。

2 測控系統硬件架構設計

2.1 驅動電機

在硬件選擇上，根據待測樣機在不同工況下效率、承載能力等設計要求，選擇愛德利直流電動機為該試驗臺的動力源，電機型號為AM-2200M，配套驅動器型號為BL2-IPM，驅動器可控制電機的正反轉運動及調節轉速。該電機額定電壓為220 V，額定轉速為3 000 r/min，額定功率為90 W，其性能參數可滿足待測減速器試驗要求。

2.2 加載元件

從方便性、可操作性方面考慮，本試驗臺采用磁粉制動器對測試系統加載[5]。磁粉制動器是一種多用途、性能優越的控制元件，它以磁粉為工作介質，以激磁電流為控制手段，通過調節控制器實現控制轉矩或制動的目的[6]。在本試驗中，試驗臺所選用于加載的磁粉制動器型號為CZ-30，其額定轉矩為300 N·m，配套的控制器型號為WLK-5A，通過調節電流調節磁粉制動器的轉矩。

2.3 測量轉矩轉速元件

根據測試要求，須實時測得減速器輸入、輸出端的轉矩、轉速。在本試驗中選擇兩臺interface轉矩轉速傳感器：輸入端傳感器型號為T4-20-A3A，轉矩量程為0～20 N·m；輸出端傳感器型號為T5-20-A6A，轉矩量程為0～500 N·m；轉速量程均為0～4 000r/min；轉矩轉速傳感器綜合誤差僅為(±0.1%)FS。考慮到分辨率、耦合性，試驗中所選用數據采集儀型號為NI USB-6353，作用為采集兩臺轉矩轉速傳感器輸出信號。

2.4 測溫元件

為在試驗過程中實時測得減速器的溫升，溫度測量選用型號為PT100熱電偶溫度傳感器；該傳感器測溫范圍為-50℃～200℃；綜合誤差為(±0.5%)FS，并將傳感器固定于剛輪附近某一定點。使用型號為NI 9211熱電偶輸入模塊采集溫度傳感器的數據，NI 9211具有校準功能和雙重通道對地隔離屏障，實現了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。

3 測控系統軟件模塊設計

3.1 LabVIEW軟件介紹

隨著計算機技術的飛速發展，虛擬儀器技術在加載系統領域的使用越來越多，美國某公司用來進行虛擬儀器開發和系統設計的工具軟件LabVIEW被廣泛應用于工程領域[7]。LabVIEW編寫的項目界面直觀友好、程序簡單易懂，開發效率高[8]，設計者可以調用內部庫函數完成數據采集；因此，使用LabVIEW作為虛擬儀器平臺的開發工具。圖3為本測控系統中模擬信號的數據采集過程遵循的一般思路。

圖3 模擬信號的數據采集過程

3.2 主機顯示模塊

測控系統軟件模塊的設計主要目的在于完成兩臺轉矩轉速傳感器的數據采集。該系統界面的設計主要是在LabVIEW的開發環境下編寫的，上位機顯示界面如圖4所示。該界面完成了人機交互的過程，通過該界面可觀察各數據的實時值和波形變化趨勢。

圖4 上位機顯示界面

3.3 數據采集模塊

基于LabVIEW軟件開發原則，對加載測試系統軟件需求進行分析，設計系統軟件架構。根據待測參數需求，基于LabVIEW圖形化編程，編寫了測控程序，結構如圖5所示。

圖5 數據采集LabVIEW測控程序結構圖

該程序將數據采集卡捕捉的信號經過一定的轉換顯示出來，且分為兩個模塊分別采集速度、力矩。

速度采集模塊的思路為：首先初始化捕捉脈沖，測量每個脈沖的瞬時周期；根據傳感器自身的設定，360個脈沖為1周；采用連續單點采樣；通過外循環對傳感器返回的脈沖周期進行實時采集。力矩采集模塊通過初始化設置對差分信號采集，差分信號測量范圍為±5V，由此確定程序放大倍數。最終數據經過消息隊列傳輸至顯示屏循環顯示。

4 效率和溫升的理論計算

4.1 諧波減速器效率理論計算

對于常用的諧波減速器，不論波發生器的類型和具體結構如何，其效率均統一近似地用一套公式計算[9]：

式中：η為剛輪固定時的減速傳動效率；P為杯形柔輪所受變形力；i為傳動比絕對值；μ為量滾動摩擦因素，d為柔輪筒體內徑；T2為低速軸上的轉矩。

經計算得：在額定輸出轉矩T2=150N·m時理論效率η=83.11%；在最大輸出轉矩T2=250N·m時理論效率η=78.65%。

4.2 諧波減速器的溫升理論計算

減速器工作時，損失的輸入功就是產生的熱功，一部分提升減速器的溫度，另外通過箱體散發到周圍環境中去。故dt時間段內的溫升dT為

式中：Q為t時間段內減速器產生的熱功；Q0為t時間段內減速器的散熱；cm為該減速器的熱容能力。

假設環境溫度為20℃，計算可得：在額定輸出轉矩150N·m時30min內的溫升為ΔT=60.43℃；在最大輸出轉矩250N·m時1min內的溫升為ΔT=8.4℃。

5 試驗結果

實際傳動效率是衡量短杯諧波減速器性能重要指標之一。根據性能參數要求，分別測試諧波減速器樣機在額定工況和極限工況下的機械效率及在加載過程中的效率變化曲線，并測量額定工況下減速器30min內的溫升和極限工況下減速器1min內減速器殼體的溫升。

根據機械效率的定義，試驗中諧波減速器實際機械效率ηC的計算公式為

式中：M2、M1分別為諧波減速器輸出、輸入轉矩；n2、n1分別為諧波減速器輸出、輸入端轉速；ηL1、ηL2分別為諧波減速器輸入、輸出端所連接聯軸器的機械效率。

根據試驗結果處理數據，并繪制效率-負載關系曲線圖，如圖6所示。

圖6 效率-負載關系曲線

在額定輸出轉矩T2=150N·m、額定輸入轉速2 000r/min時，實際效率ηC=82.23%；在最大輸出轉矩T2=250N·m、最大輸入轉速2 500r/min時，實際效率ηC=71.22%。

測試當天環境溫度為23℃，經測量得：在額定輸出轉矩150N·m時30min內的溫升為66.7℃；在最大輸出轉矩250N·m時1min內的溫升為9.5℃。

6 結語

將試驗結果與理論計算結果進行比較，兩者之間差距較小，且該試驗系統運轉平穩，故可以得出結論：該測控試驗系統運行狀況良好且精度較高，測試結果具有一定的參考價值；其可測試精密短杯諧波減速器的效率、極限承載性能、溫升等性能參數，對精密諧波減速器的設計和制造具有重大的參考價值。該測試系統結構簡單直接、成本低、操作方便。