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(fā)生“跳齒”現(xiàn)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(fā)生破壞、失效，其性能優(yōu)劣直接決定了整個系統(tǒng)的壽命和承載能力。

圖1 不同杯長柔輪裝入波發(fā)生器時張角 對比示意圖

目前，國內(nèi)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(zhuǎn)速、載荷對諧波減速器傳動誤差的影響；中國地質(zhì)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(tǒng)，此測控系統(tǒng)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(shù)。本設計結構簡單、容易實現(xiàn)、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(qū)動電機、兩臺轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、磁粉制動器、若干聯(lián)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(qū)動器、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)由傳感器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，經(jīng)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(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能及其他功能，下文將從測控系統(tǒng)硬件架構設計、軟件模塊設計這兩部分分別闡明設計內(nèi)容。

2 測控系統(tǒng)硬件架構設計

2.1 驅(qū)動電機

在硬件選擇上，根據(jù)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(qū)動器型號為BL2-IPM，驅(qū)動器可控制電機的正反轉(zhuǎn)運動及調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。該電機額定電壓為220 V，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定功率為90 W，其性能參數(shù)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(tǒng)加載[5]。磁粉制動器是一種多用途、性能優(yōu)越的控制元件，它以磁粉為工作介質(zhì)，以激磁電流為控制手段，通過調(diào)節(jié)控制器實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為300 N·m，配套的控制器型號為WLK-5A，通過調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)磁粉制動器的轉(zhuǎn)矩。

2.3 測量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速元件

根據(jù)測試要求，須實時測得減速器輸入、輸出端的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。在本試驗中選擇兩臺interface轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器：輸入端傳感器型號為T4-20-A3A，轉(zhuǎn)矩量程為0～20 N·m；輸出端傳感器型號為T5-20-A6A，轉(zhuǎn)矩量程為0～500 N·m；轉(zhuǎn)速量程均為0～4 000r/min；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集儀型號為NI USB-6353，作用為采集兩臺轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，NI 9211具有校準功能和雙重通道對地隔離屏障，實現(xiàn)了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。

3 測控系統(tǒng)軟件模塊設計

3.1 LabVIEW軟件介紹

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術在加載系統(tǒng)領域的使用越來越多，美國某公司用來進行虛擬儀器開發(fā)和系統(tǒng)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(fā)效率高[8]，設計者可以調(diào)用內(nèi)部庫函數(shù)完成數(shù)據(jù)采集；因此，使用LabVIEW作為虛擬儀器平臺的開發(fā)工具。圖3為本測控系統(tǒng)中模擬信號的數(shù)據(jù)采集過程遵循的一般思路。

圖3 模擬信號的數(shù)據(jù)采集過程

3.2 主機顯示模塊

測控系統(tǒng)軟件模塊的設計主要目的在于完成兩臺轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)界面的設計主要是在LabVIEW的開發(fā)環(huán)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(shù)據(jù)的實時值和波形變化趨勢。

圖4 上位機顯示界面

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

基于LabVIEW軟件開發(fā)原則，對加載測試系統(tǒng)軟件需求進行分析，設計系統(tǒng)軟件架構。根據(jù)待測參數(shù)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(shù)據(jù)采集LabVIEW測控程序結構圖

該程序?qū)?shù)據(jù)采集卡捕捉的信號經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)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(jù)傳感器自身的設定，360個脈沖為1周；采用連續(xù)單點采樣；通過外循環(huán)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(shù)。最終數(shù)據(jù)經(jīng)過消息隊列傳輸至顯示屏循環(huán)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(fā)生器的類型和具體結構如何，其效率均統(tǒng)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(nèi)徑；T2為低速軸上的轉(zhuǎn)矩。

經(jīng)計算得：在額定輸出轉(zhuǎn)矩T2=150N·m時理論效率η=83.11%；在最大輸出轉(zhuǎn)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(chǎn)生的熱功，一部分提升減速器的溫度，另外通過箱體散發(fā)到周圍環(huán)境中去。故dt時間段內(nèi)的溫升dT為

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

假設環(huán)境溫度為20℃，計算可得：在額定輸出轉(zhuǎn)矩150N·m時30min內(nèi)的溫升為ΔT=60.43℃；在最大輸出轉(zhuǎn)矩250N·m時1min內(nèi)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(jù)性能參數(shù)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(nèi)的溫升和極限工況下減速器1min內(nèi)減速器殼體的溫升。

根據(jù)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(zhuǎn)矩；n2、n1分別為諧波減速器輸出、輸入端轉(zhuǎn)速；ηL1、ηL2分別為諧波減速器輸入、輸出端所連接聯(lián)軸器的機械效率。

根據(jù)試驗結果處理數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)矩T2=150N·m、額定輸入轉(zhuǎn)速2 000r/min時，實際效率ηC=82.23%；在最大輸出轉(zhuǎn)矩T2=250N·m、最大輸入轉(zhuǎn)速2 500r/min時，實際效率ηC=71.22%。

測試當天環(huán)境溫度為23℃，經(jīng)測量得：在額定輸出轉(zhuǎn)矩150N·m時30min內(nèi)的溫升為66.7℃；在最大輸出轉(zhuǎn)矩250N·m時1min內(nèi)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(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，故可以得出結論：該測控試驗系統(tǒng)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(shù)，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(tǒng)結構簡單直接、成本低、操作方便。