余新木 梅雪松② 陶 濤 趙 飛 聶 彤 王宋萍

(①西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049;

②西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710039)

1955年，C.W.Musser創(chuàng)造性地提出了諧波傳動(dòng)技術(shù)［1］。這種傳動(dòng)技術(shù)采用獨(dú)特的柔性機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，具有傳動(dòng)比大、精度高、體積小、承載能力大以及可向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)等性能優(yōu)勢(shì)，因此日益受到工程界的重視。自1962年NASA首次將諧波傳動(dòng)應(yīng)用于Telstar通訊衛(wèi)星以來，諧波傳動(dòng)已在太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天線指向機(jī)構(gòu)、掃描機(jī)構(gòu)、著陸器行進(jìn)輪、自動(dòng)武器制導(dǎo)、機(jī)械臂等空間機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用［2-3］。

諧波傳動(dòng)系統(tǒng)特性的研究一直受到關(guān)注。麻省理工學(xué)院T.D.Tuttle等研究了諧波傳動(dòng)的非線性動(dòng)力學(xué)特性，構(gòu)建了由編碼器、電動(dòng)機(jī)、扭矩傳感器、慣性負(fù)載和旋轉(zhuǎn)變壓器等組成的試驗(yàn)裝置［4］。蒙特利爾麥吉爾大學(xué)H.D.Taghirad等對(duì)諧波傳動(dòng)在引入摩擦與變形等因素時(shí)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究［5］。休斯敦萊斯大學(xué)P.S.Gandhi等人采用類似的測試臺(tái)架對(duì)諧波傳動(dòng)的傳動(dòng)誤差進(jìn)行檢測［6］，試驗(yàn)裝置中用扭矩傳感器取代了H.D.Taghiradt設(shè)計(jì)的惠斯通應(yīng)變電橋測扭矩的方法。Rached Dhaouadi等人采用同樣的測試方法對(duì)諧波傳動(dòng)的傳動(dòng)剛度特性進(jìn)行了研究［7］。國內(nèi)許多學(xué)者也對(duì)諧波傳動(dòng)的系統(tǒng)特性進(jìn)行了大量的研究，建立了各自適用的測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)［8-10］。

相對(duì)來說，國內(nèi)關(guān)于諧波傳動(dòng)試驗(yàn)檢測技術(shù)的專門研究則相對(duì)較少，特別是適用于真空等空間環(huán)境的試驗(yàn)檢測技術(shù)更是少有涉及。目前，常用的諧波傳動(dòng)測試加載方式主要有磁粉制動(dòng)器加載、液壓加載、慣性負(fù)載和發(fā)電動(dòng)機(jī)式等幾種。磁粉制動(dòng)器加載方式結(jié)構(gòu)簡單且扭矩調(diào)節(jié)范圍大，但氣隙中的磁粉在真空環(huán)境中會(huì)由于結(jié)塊而無法產(chǎn)生正常的摩擦力，限制了其在空間環(huán)境下使用;液壓式試驗(yàn)臺(tái)采用液壓系統(tǒng)加載，適用于大載荷，但其反應(yīng)速度較慢，加載精度不高，不適用于緊湊型試驗(yàn)臺(tái)的精確加載;慣量負(fù)載只能用于某些性能測試;發(fā)電動(dòng)機(jī)式試驗(yàn)臺(tái)利用電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)來加載，系統(tǒng)存在嚴(yán)重非線性缺陷，低速狀態(tài)下精度不高，同時(shí)也存在散熱問題。

本文針對(duì)空間環(huán)境適應(yīng)性，結(jié)合使用單位需將試驗(yàn)臺(tái)放置在模擬空間環(huán)境的真空罐內(nèi)的要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種全程計(jì)算機(jī)控制的諧波傳動(dòng)多參數(shù)測量的新型試驗(yàn)臺(tái)——雙伺服扭桿加載諧波傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。

1 加載機(jī)構(gòu)及工作原理

結(jié)構(gòu)緊湊且適于放置在模擬空間環(huán)境的真空罐中是研制本試驗(yàn)臺(tái)的出發(fā)點(diǎn)，提高測試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度是基本要求。經(jīng)過比較試驗(yàn)，本文根據(jù)彈性材料的剛度具有良好的線性這一特點(diǎn)，選用彈簧鋼材料制作扭桿作為試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的扭矩加載機(jī)構(gòu)。

扭桿起扭力彈簧的作用，安裝在兩臺(tái)聯(lián)動(dòng)的伺服電動(dòng)機(jī)之間，并與被測諧波傳動(dòng)產(chǎn)品相連。兩伺服電動(dòng)機(jī)通過相互間的轉(zhuǎn)角差φ為扭桿施加扭轉(zhuǎn)角度變形，產(chǎn)生扭矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測產(chǎn)品的加載。扭矩大小與變形量成正比，動(dòng)態(tài)地調(diào)整轉(zhuǎn)角差φ，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加載扭矩的動(dòng)態(tài)控制。

依據(jù)所需加載載荷的大小，實(shí)驗(yàn)中選用了不同直徑的扭桿，合理地配置扭桿桿徑可以提高測試的精度并保證系統(tǒng)的安全性。圖1給出了諧波傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的工作原理圖。

這種加載方式克服了磁粉制動(dòng)器加載不適用于真空環(huán)境的不足，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制和同時(shí)測取多項(xiàng)產(chǎn)品參數(shù)，提高了測試效率。本系統(tǒng)可測試項(xiàng)目包括效率、傳動(dòng)精度、靈敏度與回零精度、剛度與回差、壽命、起動(dòng)扭矩、超載、過渡過程等。

2 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集是試驗(yàn)臺(tái)電子測控系統(tǒng)的主要構(gòu)成。工控機(jī)為試驗(yàn)臺(tái)主控中心，Windows為系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境，采用美國PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡控制兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與位置，扭矩傳感器和角度編碼器分別測取扭矩和角位移等信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)數(shù)卡實(shí)現(xiàn)物理量的收集。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)如圖2所示。

在試驗(yàn)臺(tái)電子測控系統(tǒng)中，PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡用于與主機(jī)通信、接收系統(tǒng)指令在線編譯并同時(shí)控制兩軸進(jìn)行樣條插補(bǔ)。PMAC在電動(dòng)機(jī)負(fù)載的情況下，通過對(duì)系統(tǒng)調(diào)試獲得合理的PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的位置閉環(huán)控制;通過內(nèi)置變量設(shè)置，對(duì)受控電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加速控制、速度控制和位置控制。試驗(yàn)臺(tái)當(dāng)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由PMAC的查詢功能實(shí)施監(jiān)測，設(shè)置正負(fù)限位參數(shù)，保證系統(tǒng)的安全。

角位移和扭矩測量分別選用德國HEIDENHAIM脈沖式絕對(duì)角度編碼器和德國HBM T20WN系列扭矩傳感器，并安置多點(diǎn)溫度傳感器以監(jiān)測試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的環(huán)境溫度。角度數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)單軸或雙軸同步，采集速度在一定范圍內(nèi)可由用戶自主選擇。根據(jù)輸入與輸出端角度信號(hào)對(duì)測量精度的影響，輸入端采用分辨率為0.005°的旋轉(zhuǎn)編碼器作為角度測量元件，輸出端采用分辨率為0.000 56°的角度編碼器作為角度測量元件。扭矩測量所得輸出軸的輸出扭矩，既是1個(gè)被要求控制的信號(hào)，也是加載控制的反饋信號(hào)，主控中心據(jù)以調(diào)控兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角差，精確調(diào)節(jié)加載載荷。系統(tǒng)扭矩調(diào)整的算法核心是計(jì)算在當(dāng)前彈簧剛度下應(yīng)調(diào)整的角度差，圖3給出了加載扭矩控制流程圖。

3 試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)軟件

測控系統(tǒng)軟件以Windows為運(yùn)行環(huán)境，具有簡明易用的可視化人機(jī)界面。測控系統(tǒng)軟件通過運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確的同步控制，可對(duì)諧波傳動(dòng)特性同步自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)多路模擬量與數(shù)字量的信號(hào)采集。圖4給出了系統(tǒng)軟件功能模塊框圖。

4 試驗(yàn)臺(tái)性能分析

4.1 扭桿特性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)加載扭桿的特性，對(duì)扭桿進(jìn)行18次不等距加載實(shí)驗(yàn)，加載最大扭矩為32 N·m。彈性扭桿設(shè)計(jì)剛度3.805 N·m/(°)，實(shí)際測得扭桿剛度3.795 N·m/(°)，如圖5所示。在各測點(diǎn)處，實(shí)際扭桿剛度在理論值附近跳動(dòng)，與理論剛度基本吻合，且在測試范圍內(nèi)，扭桿剛度基本保持線性。測試結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的扭桿加載方式的可行性。

4.2 速度穩(wěn)定性

PMAC通過F指令設(shè)定連續(xù)運(yùn)行期間的固定速度。理論上，諧波傳動(dòng)在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài);由于電氣與機(jī)械的固有特性，實(shí)際上諧波傳動(dòng)的運(yùn)行速度始終處在小幅波動(dòng)中。波動(dòng)幅度是系統(tǒng)穩(wěn)定性的衡量指標(biāo)。

實(shí)測速度波幅時(shí)，輸入軸設(shè)定以200 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，以1 kHz為采樣頻率，連續(xù)采樣25 s，測量結(jié)果如圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示:速度平均偏差率為0.18%，最大速度偏差率為0.693 1%。當(dāng)諧波傳動(dòng)運(yùn)行在額定速度下，速度的波動(dòng)幅度較小，速度穩(wěn)定性好。

4.3 扭矩穩(wěn)定性

扭矩穩(wěn)定性以系統(tǒng)運(yùn)行速度的波動(dòng)幅度為評(píng)測標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)測時(shí)，額定速度200 r/min，對(duì)諧波傳動(dòng)輸出軸扭矩信號(hào)進(jìn)行1 kHz的快速采樣，采樣時(shí)間4 000 ms，得出相應(yīng)扭矩時(shí)域波動(dòng)圖7。

試驗(yàn)給出扭矩平均偏差率為0.794%。試驗(yàn)臺(tái)扭矩控制比較穩(wěn)定，優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.4 試驗(yàn)舉例

為測試本實(shí)驗(yàn)臺(tái)性能，對(duì)某型號(hào)諧波傳動(dòng)進(jìn)行了系列試驗(yàn)。圖8是該諧波傳動(dòng)的剛度特性，測試程序按GB/T14118-93標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測試過程中對(duì)被測諧波傳動(dòng)實(shí)施正向—反向—正向加載，分步長進(jìn)行，加載起點(diǎn)為扭矩值為0 N·m，加載扭矩穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖中，諧波傳動(dòng)在0 N·m負(fù)載附近，由負(fù)載引起的角度變形量較大，說明諧波傳動(dòng)柔輪和剛輪構(gòu)件間存在間隙;越過這一區(qū)域后，諧波傳動(dòng)輸出剛度基本呈線性。反向測試，剛度曲線與正向曲線之差反映了彈性變形引起的遲滯現(xiàn)象。系統(tǒng)擬合所得試件的輸出剛度(圖中圈處數(shù)值1.300 998)與設(shè)計(jì)值基本相符。

5 結(jié)語

本文基于增強(qiáng)空間環(huán)境適應(yīng)性和提高自動(dòng)化程度，研制了一種新型的諧波傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)——雙伺服扭桿加載諧波傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，為空間環(huán)境下諧波產(chǎn)品高效動(dòng)態(tài)測試提供了一種新的選擇。本試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)研制完成后，應(yīng)用于某系列諧波傳動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的測試，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，證明了雙伺服扭桿加載諧波傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的可行性與實(shí)用性。對(duì)比現(xiàn)有的各種試驗(yàn)臺(tái)的加載原理及設(shè)計(jì)思想，雙伺服扭桿加載諧波傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可測參數(shù)多、控制簡單、可靠性高、反應(yīng)速度快、自動(dòng)化程度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

雙伺服扭桿加載諧波傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)母脑?，也適用于其他旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與扭矩傳動(dòng)產(chǎn)品的性能試驗(yàn)。

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