諧波減速器綜合測試系統的開發*

李笑勉,劉 濤,張文龍,劉志偉

(1.東莞職業技術學院 機電工程學院，廣東 東莞 523808；2.廣東弓葉科技有限公司，廣東 東莞 523808；3.廣東省東莞市質量監督檢測中心,廣東 東莞 523808)

0 引 言

隨著智能制造機器的不斷普及和應用，諧波減速器作為其中關鍵的部件，其品質的優劣直接影響到智能設備的正常工作狀態及其使用壽命[1]。和其他傳動機構相比，諧波減速器具有結構簡單、傳動比大、傳動精度高和工作平穩等優點，在智能設備等領域的應用非常廣泛[2]。

圍繞諧波減速器的各項性能，國內外各研究機構都展開了各自的研究。諧波傳動有限公司(哈默納科)開發了“S”齒形，使柔輪輪齒的抗疲勞強度能力提升了1倍，扭轉剛度也提高了70%～100%[3]。國產減速器生產公司綠的諧波傳動科技公司開發了“P”齒形諧波減速器，能承載更大的轉矩，降低了齒根斷裂的風險，柔輪的疲勞壽命得到了提高，但帶來了降低傳動精度的問題[4]。鄭鈺馨等[5]開發了試驗平臺，針對RV減速器的動力性能進行了檢測;何等圍繞齒輪減速器傳動效率的測量進行了研究;裴欣等[6]搭建了SCUAA-STCP1200試驗平臺，做了諧波齒輪傳動裝置的動態傳動誤差分析;宿鵬飛等[7]針對諧波減速器扭轉剛度與疲勞失效問題，設計了一種可以連續加載和卸載的測試平臺。

由于齒輪齒的嚙合力求解受柔輪畸變和非線性接觸等問題的影響，難以從理論上建立精確模型，目前大多還是從實驗給出經驗公式。

為規范諧波減速器的市場和促進國產諧波減速器的發展，2014年我國發布了關于諧波減速器分類、定義、試驗方法和檢驗規則的國家標準(GB/T30819-2014)，但有關其中的性能檢測，大部分是分開試驗的，沒有形成統一的試驗平臺，需要把各部分單獨試驗。

本文針對當前諧波減速器性能綜合測試的需求，根據GB/T30819-2014國家標準設計一套諧波減速器綜合測試系統，以實現對諧波減速器的扭轉剛度、啟動轉矩、空程和傳動誤差等關鍵參數的綜合測試。

1 系統總體設計

根據GB/T30819-2014國家標準的要求，要進行以下關鍵性能測試，包括扭轉剛度、啟動轉矩、負載效率和傳動誤差等模塊，需要采集扭力、扭矩、角度、間隙和溫度等信號。

測試系統的控制系統示意圖如圖1所示。

圖1 控制系統示意圖

該測試系統對信號進行AD轉換，數字處理后輸出圖表和存儲；采用伺服驅動的方式進行加載，通過聯軸器將電機的扭力傳遞到諧波減速器，通過扭矩傳感器采集扭力、扭矩信號；在被測減速器兩端增加角度傳感器，對角度和間隙進行測量，將信號傳遞到測試系統中[8]；通過震動傳感器和溫度傳感器對震動和溫升等物理量進行測量，并把信號傳遞給測試系統。

該綜合測試系統具有數據采集處理顯示與輸出功能、存儲回放數據曲線顯示與輸出功能、實時數據曲線顯示與輸出功能、手動與自動控制功能、試驗檢測功能、報告輸出功能和設備故障與安全報警功能[9]。

2 關鍵部件選型

2.1 伺服系統和加載電機

試驗臺采用交流伺服電加載方式，由西門子集矢量變頻伺服為一體的S120伺服系統和西門子伺服變頻電機1PH8107組成。其中，西門子S120集伺服、變頻一體的最新一代控制器可以四象限運行(滿足伺服電機正轉/反轉、正向加載/反向加載、加速/制動、電動/制動等工況要求)，具有響應快(2 ms～5 ms)、加載穩定(0.3%)、功率因數(98%)和精度高等優點。

1PH8107的額定功率10 kW，額定扭矩為55 N·m，額定轉速為1 750 r/min，最高轉速為12 000 r/min。

2.2 雙量程扭矩傳感器

扭矩是伺服電機測試中最重要的測量參數，為達到測量跨度大且精度高的要求，此處筆者選用了進口具有雙量程測量功能的KTELER扭矩傳感器，其輸出為標準信號(電壓或頻率),滿足伺服電機大跨度扭矩測試精度要求。其額定扭矩為2 000 N·m，最大扭矩為1.5倍額定扭矩，交變扭矩為0.7倍額定扭矩，精度等級為0.1，線性誤差<±0.1。

2.3 PLC控制器和人機界面

該系統所有的邏輯控制都采用PLC來實現，根據控制要求選用西門子S7-200smart小型PLC, CPU型號為SR60-AC/DC/RLY，具有36點輸入和24點繼電器輸出接口；

人機界面HMI采用臺灣維綸通TK6102IV5，顯示尺寸為10寸，分辨率為800×480，USB2.0接口。

3 機構設計

根據測試系統總體設計方案和選型情況，筆者設計的各部件的結構以及安裝示意圖，如圖2所示。

圖2 綜合測試系統結構圖

該綜合測試系統的重要機械安裝部件包含底座、手柄、調節機構、電機和傳感器等。

底座采用T型槽鑄鐵平臺，材料HT250，尺寸3 000 mm×1 000 mm×150 mm(臺架可根據不同尺寸測試件進行調整)，精度等級為1級，粗糙度為Ra 3.2，試驗臺上各部件穩固、可靠地固定在T型槽鑄鐵平臺，運轉平穩、可靠。

試驗臺各傳動部件均通過彈性聯軸器連接，以降低同心度要求，同時可保證試驗臺運行平穩。角度傳感器與被測減速器采用剛性連接，以保證角度測量的可靠性和精度要求。被測減速器組件部分采用精密絲桿和導軌移動，以方便被測件的安裝和更換。

被測減速器安裝組件采用精密加工的過渡板結構，不同被測減速器只需更換安裝在減速器L型支架上的不同過渡板，被測減速器安裝精確定位由該安裝過渡板保證，簡化了不同被測減速器更換安裝的要求，并且提高了安裝效率[10]。不同量程的扭矩傳感器安裝在各自的精確加工的傳感器底座上，并保證其中心髙度的一致性，提高了更換傳感器的效率。全部測試臺面的驅動電機、加載電機和被測減速機等高速旋轉部位安裝安全防護罩，厚度不低于2 mm。

4 關鍵試驗模塊的實現

在性能測試時，需要設置“恒速/恒扭”、“電磁制動啟動”、“上位機啟動”和“變頻器啟動”等工作狀態；還要設置好“驅動電機”和“加載電機”的啟停、“轉速設定”、“扭矩設定”和“故障復位”等參數。

觸摸屏操作圖如圖3所示。

圖3 觸摸屏操作圖

設置好相應的參數系統后，進行扭轉剛度、啟動轉矩、負載效率和傳動誤差等測試。

4.1 剛度試驗(空程、彈簧系數)

扭轉剛度試驗可以將諧波減速器的輸入端或輸出端固定好，對另一端施加扭矩載荷，測量軸的扭矩和轉角。由于變形作用，輸出載荷與理論載荷存在差距，差距的大小直接反映剛度的大小[11]，此處建立扭轉剛度、扭轉扭矩和扭轉角之間的關系：

(1)

式中：Q—扭轉剛度；M—扭轉扭矩；θ—扭轉角。

在扭轉過程中，變形位置不一樣，扭轉剛度大小也不一樣。此處采用平均法，在輸出端取3個均等分布的截面上分別求取扭轉剛度值，再取平均值，即：

(2)

加載從-100%額度扭矩開始，逐漸加載直至+100%額度扭矩，然后反向加載回到-100%額度扭矩，通過計算機進行檢測，并繪制出相應的扭矩-角度曲線。

4.2 增速啟動扭矩試驗

增速啟動試驗包括輸入端啟動試驗和輸出端啟動試驗，小扭矩減速器采用輸出端啟動試驗，大扭矩減速器采用輸入端啟動試驗；

根據圓柱扭矩的計算方法，即：

M=K·α

(3)

式中：M—轉矩；K—轉動慣量；α—加速度。

當圓柱負載繞軸線旋轉時，可用質量和體積計算轉動慣量。根據在△t達到△φ的要求，可算出圓柱的角加速度，得到圓柱扭矩，即：

(4)

式中：m—質量；r—圓柱底面半徑；ρ—密度；r—圓柱體半徑；L—長度；φ—轉動角度；t—時間。

試驗時，試驗臺空載狀態，控制器設置“恒扭矩”工作方式緩慢啟動(零扭矩開始)，通過計算機快速檢測減速器驅動扭矩，并繪制出實時曲線(同時檢測轉速或角度信號作為啟動信號檢測)。

4.3 負載效率試驗

負載效率可通過輸出功率Po和輸入功率Pi之比來計算[12]，即：

(5)

計算轉矩與功率的關系如下：

(6)

式中：M—轉矩，N·m；P—功率，kW；s—轉速，r/min。

考慮到傳動比i=Si/So是恒定的，可得到負載效率如下：

(7)

因為試驗臺采用四象限運行的交流伺服電加載器，可以模擬任意工況進行動態或靜態加載試驗；在25%、50%、75%和100%額度負載下，分別檢測減速器的輸入和輸出功率；最后再由計算機進行自動加載，自動檢測并繪制出效率曲線。

4.4 傳動誤差(角度傳遞誤差)試驗

在電機上輸入正弦信號，在輸入軸和輸出軸上分別安裝角度和間隙傳感器，測得角度和間隙信號。其中，輸入軸與輸出軸的轉角差為Δφ，如下[13,14]：

(8)

式中：φo—輸出轉角；φi—軸入轉角；i—減速比。

筆者在被測減速器輸入和輸出端安裝了高精度角度傳感器，用于檢測輸入、輸出角度的變化。在試驗時，減速器低速轉動，計算機檢測輸入和輸出端角度，計算出對應輸入端角度變化和輸出端角度變化誤差；同時，實時顯示輸出端每轉動一圈的角度變化曲線，從而得到減速器傳動誤差值。

5 試驗結果分析

該試驗以臺灣建韋RV320E型號減速器為例，選用減速比為129，輸出轉矩為4 341 N·m，輸入容量304 KW，在綜合測試系統上進行測試。

綜合測試系統全圖如圖4所示。

圖4 綜合測試系統全圖

5.1 剛度試驗結果

試驗時，被測減速器輸入端固定，輸出端提供交流伺服回饋電加載；加載從-100%額度扭矩開始，逐漸加載至+100%額度扭矩，接著反向加載回到-100%額度扭矩；計算機進行檢測，并繪制出相應的扭矩-角度曲線，如圖5所示。

圖5 剛度試驗

圖5中，空程為0.476′(±3%額度扭矩時)，彈簧系數為424.972 N·m/′，減速器精度=空程+傳動誤差=0.476″+0.454 3″=0.930 3″。

5.2 增速啟動扭矩試驗結果

試驗時，試驗臺空載狀態，控制器設置“恒扭矩”工作方式緩慢啟動(零扭矩開始)，計算機快速檢測減速器驅動扭矩，并繪制出實時曲線，速度與扭矩的關系如圖6所示。

圖6 增速啟動扭矩試驗

圖6中，經測試得到，扭矩達到0.95 N·m時，速度可達到900 r/min。

5.3 負載效率試驗結果

在25%、50%、75%、100%額度負載下分別檢測減速器的效率，可由計算機自動加載，自動檢測并繪制出功率、效率曲線圖，如圖7所示。

圖7 負載效率試驗

圖7的效率試驗結果顯示，負載效率在70%～90%之間變化。

5.4 傳動誤差試驗結果

試驗時，減速器低速轉動，計算機快速且精確地檢測輸入和輸出端角度，計算出對應輸入端角度變化與輸出端角度變化的誤差；同時，實時顯示輸出端一個圓周角度上的角度變化曲線，從而得到減速器傳動誤差值。

運動誤差曲線如圖8所示。

圖8 傳動誤差試驗

圖8的傳動誤差試驗結果顯示，傳動誤差為27.26″。

5.5 與廠家標稱數據比較

筆者把本文測量的關鍵參數與廠家的測試數據進行比較(均采用了GB/T30819-2014國家標準要求的測試方法)，結果如表1所示。

表1 數據比較

由表1可知，本文測量的關鍵參數與廠家的測試數據接近，兩者的差值在3.1%以內。

6 結束語

根據GB/T30819-2014國家標準要求，筆者開發了一套諧波減速器綜合測試系統；采用本文開發的綜合測試系統對臺灣建韋RV320E型號諧波減速器進行了測試，完成對諧波減速器的扭轉剛度、啟動轉矩、空程和傳動誤差等關鍵參數的測試。

測試結果顯示，所得的參數均在合格的范圍之內，空程0.476′(±3%額度扭矩時)，彈簧系數424.972 N·m/′，減速器精度0.930 3″，啟動扭矩為0.95 N·m，負載效率在70%～90%之間，傳動誤差為27.26″；與廠家測試數據相比，該結果誤差很小，證明了該測試系統是有效的。