沈兆奎，樊學(xué)贊，鞏玉雪(天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300384)

三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器性能測試系統(tǒng)的研究

沈兆奎，樊學(xué)贊，鞏玉雪
(天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300384)

以某三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器性能測試系統(tǒng)為研究對象，闡述其機(jī)械效率和角度傳遞誤差的測試原理和試驗(yàn)方法，介紹該測試系統(tǒng)的硬件試驗(yàn)臺的組成，并利用LabVIEW平臺設(shè)計(jì)了測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件。該測試系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)的處理能力，以較低的硬件成本實(shí)現(xiàn)了高精度測試，為三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器的性能研究和優(yōu)化改進(jìn)提供參考。

三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器;測試系統(tǒng);機(jī)械效率;角度傳遞誤差

0　前言

平動齒輪減速器是一種利用平動齒輪機(jī)構(gòu)原理制造的齒輪減速器。平動齒輪機(jī)構(gòu)是由連桿機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)組合而成的組合機(jī)構(gòu)。由連桿機(jī)構(gòu)提供一個(gè)齒輪作平動，使之驅(qū)動另一個(gè)齒輪作定軸轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)減速輸出的目的［1-3］。而內(nèi)平動齒輪減速器是由內(nèi)齒輪做定軸轉(zhuǎn)動，外齒輪做平動，由于做平面運(yùn)動的是齒輪嚙合當(dāng)中內(nèi)部的外齒輪，因此將這種傳動形式稱為內(nèi)平動齒輪傳動［4-5］。三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器因其有3片傳動環(huán)板取名為三環(huán)減速器，是一種傳動路線最短、承載能力最強(qiáng)且傳動比最大的減速器［6］。

三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器相比較于傳統(tǒng)的齒輪減速器具有傳動比大、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可用作精密減速器應(yīng)用于航空、航天及導(dǎo)彈、艦艇等高精尖領(lǐng)域，而在實(shí)際的應(yīng)用過程中能否達(dá)到這些效果，針對其轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、機(jī)械效率等性能指標(biāo)還需要不斷的進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，故研究開發(fā)了三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器的性能測試系統(tǒng)。

我國目前減速器測試系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)分散型儀器儀表和裝置，但是其測試成本高、精度差、效率低、測試范圍窄、數(shù)據(jù)處理技術(shù)落后，測試結(jié)果已無法滿足生產(chǎn)所需數(shù)據(jù)的需要［7］。本文介紹的測試系統(tǒng)在采用高精度的圓光柵等測試裝置的同時(shí)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證裝置安裝的同軸度，并且采用LabVIEW平臺設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集軟件，可對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、分析、保存和報(bào)表生成等處理。該測試系統(tǒng)不僅能測試三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器的性能指標(biāo)，而且能對得到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而為減速器的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。

1　試驗(yàn)原理及測試方法

1.1機(jī)械效率試驗(yàn)

(1)測試原理。機(jī)械效率即減速器輸出功率與輸入功率的比值，可以通過測試減速器輸入輸出端的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，根據(jù)公式P=T*n/9550計(jì)算出減速器輸入輸出功率，從而得出減速器的機(jī)械效率。其中，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扭矩，N·m;n為減速器輸入或輸出軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

在實(shí)際安裝試驗(yàn)裝置時(shí)，在減速器的輸入輸出端均有一個(gè)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器連接，考慮到聯(lián)軸器的機(jī)械效率η1的影響，減速器的輸入功率變?yōu)?/p>

(2)測試方法。在三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器輸入輸出端連接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器轉(zhuǎn)矩的測量采用應(yīng)變電測原理，當(dāng)應(yīng)變軸受扭力影響產(chǎn)生變形后，粘貼在應(yīng)變軸上的應(yīng)變計(jì)阻值發(fā)生相應(yīng)變化，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，可轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號進(jìn)行采集。同時(shí)，傳感器的測速碼盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過光電開關(guān)輸出具有一定周期寬度的脈沖信號，根據(jù)碼盤的齒數(shù)和輸出信號的頻率可計(jì)算出轉(zhuǎn)速的數(shù)值。然后將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的接線端聯(lián)接至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行頻率信號的采集，通過工控機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到機(jī)械效率數(shù)值和波形曲線。

1.2角度傳遞誤差試驗(yàn)

(1)測試原理。角度傳遞誤差θer是指輸入任意旋轉(zhuǎn)角θin時(shí)的理論輸出轉(zhuǎn)角與實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角θout之間的差，θer=θin/i－θout;其中i為傳動比。輸入輸出轉(zhuǎn)角的測量通過采集高精度圓光柵的脈沖數(shù)，然后通過LabVIEW編程分析處理數(shù)據(jù)得到角度傳遞誤差。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，取角度傳遞誤差數(shù)值的最大值。

(2)測試方法。測試時(shí)通過控制電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，每隔一段時(shí)間采樣一個(gè)點(diǎn)，如在減速器輸出軸的一轉(zhuǎn)內(nèi)取72個(gè)測試點(diǎn)(即輸出軸每轉(zhuǎn)5°取一個(gè)值)，則對于輸出軸分別有72個(gè)理論轉(zhuǎn)角θin0/i，θin1/i，θin2/i，θin3/i，…，θin71/i和實(shí)際轉(zhuǎn)角θout0，θout1，θout2，θout3，…，θout71，并求得72個(gè)理論轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角之間的差值θer0，θer1，θer2，θer3，…，θer71;則取輸出軸角度傳遞誤差θer=max{θer0，θer1，θer2，…θer71}－min {θer0，θer1，θer2，…θer71}［9］。

2　測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器測試系統(tǒng)的硬件平臺由磁粉制動器、變速箱、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、圓光柵、永磁同步電機(jī)和被試的三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器組成，且安裝在指定的位置以保證高同軸度，其中磁粉制動器作為加載裝置，加載范圍為0～200 N·m，加載力矩經(jīng)過變速箱增大后對被試三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器進(jìn)行加載，而永磁同步電機(jī)可實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動。圖2為減速器性能測試的示意圖，測試時(shí)由直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)電流進(jìn)而改變磁粉制動器加載力矩的大小，而轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號分別由減速器輸入輸出端的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器提供，轉(zhuǎn)角信號由輸入輸出端的高精度圓光柵提供。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的采樣頻率信號和轉(zhuǎn)角的脈沖信號均通過數(shù)據(jù)采集卡采集，然后傳送給工控機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

圖1　三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)Fig.1 Hardware design of three-ring internal parallelmoving gear reducer testing system

圖2　三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器性能測試示意圖Fig.2 Performance test schematic of three-ring internalparallelmoving gear reducer

3　測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器機(jī)械效率和角度傳遞誤差的測試原理和方法，在NI公司提供的PCI-6602數(shù)據(jù)采集卡和NI-DAQ驅(qū)動軟件的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW軟件編寫了控制程序。測試系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

程序設(shè)計(jì)的輸入輸出端轉(zhuǎn)角信號的采集和計(jì)算，包括DAQmx虛擬通道的創(chuàng)建，通道屬性節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，角度傳遞誤差的計(jì)算公式等。程序設(shè)計(jì)的前面板包括兩類試驗(yàn)選項(xiàng):機(jī)械效率試驗(yàn)和角度傳遞誤差試驗(yàn)，均由參數(shù)輸入、數(shù)值顯示、波形圖顯示、測試結(jié)果和功能鍵組成。參數(shù)輸入?yún)^(qū)域可輸入被試件產(chǎn)品的基本信息、聯(lián)軸器的機(jī)械效率等參數(shù)，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)顯示均在數(shù)值顯示區(qū)域內(nèi)，功能鍵區(qū)域包括開始測試、退出測試、保存數(shù)據(jù)、報(bào)表生成等按鈕，數(shù)據(jù)可保存在Excel中，測試報(bào)表最終以word形式打印輸出。

圖3　減速器測試系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Program flow chart of reducer test system

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1機(jī)械效率試驗(yàn)

在電機(jī)轉(zhuǎn)速r=25 r/min的條件下，對三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器進(jìn)行試驗(yàn)測試，以驗(yàn)證測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，磁粉制動器加載轉(zhuǎn)矩從0 N·m到450 N·m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，當(dāng)加載轉(zhuǎn)矩為100 N·m時(shí)，減速器的機(jī)械效率達(dá)到0.800，當(dāng)加載轉(zhuǎn)矩達(dá)到300 N·m后，機(jī)械效率穩(wěn)定在0.948 0，減速器的機(jī)械效率曲線整體復(fù)合試驗(yàn)預(yù)期。

圖4　機(jī)械效率曲線Fig.4 Mechanical efficiency curve

4.2角度傳遞誤差試驗(yàn)

在電機(jī)轉(zhuǎn)速r=25 r/min、空載的條件下，進(jìn)行減速器角度傳遞誤差試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在輸出軸旋轉(zhuǎn)360°的情況下測得maxθer為20″，minθer為－21″，角度傳遞誤差為41″，試驗(yàn)測得的角度傳遞誤差曲線形狀復(fù)合試驗(yàn)預(yù)期，角度傳遞誤差偏大，減速器結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5　角度傳遞誤差曲線Fig.5 Angle transmission error curve

5　結(jié)論

本文介紹了三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、機(jī)械效率和角度傳遞誤差的測試原理和方法，搭建了測試系統(tǒng)的硬件平臺，并利用Lab-VIEW編程設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集軟件，完成對各參數(shù)的信號采集、分析處理。該測試系統(tǒng)不僅在硬件上采用了高精度的測試裝置、機(jī)械設(shè)計(jì)上保證了高同軸度，還利用LabVIEW測試平臺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測試儀器，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的測試精度;通過實(shí)際試驗(yàn)測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性;應(yīng)用于三環(huán)內(nèi)平動齒輪減速器的主要性能指標(biāo)測試，為減速器的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提供參考。

［1］張春林，姚九成．平動齒輪機(jī)構(gòu)的基本型與其演化的研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1998(3):29－30．

［2］姚九成，趙國軍．平動齒輪機(jī)構(gòu)的演化與創(chuàng)新［J］．江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(2):103－105．

［3］張春林，榮輝，黃祖德．圓平動齒輪傳動的研究［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1996(3):267－272．

［4］魏武濤．內(nèi)平動齒輪傳動仿真研究［J］．裝備制造，2009(4):127，149．

［5］高英，王松雷，殷玉楓．基于Pro/E的內(nèi)平動齒輪減速器建模及運(yùn)動仿真［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2008(1):105－107．

［6］蔣施恩．一種新型減速器—三環(huán)減速器［J］．冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè)，1994(2):54－56．

［7］韓敏，劉坤，吳開春，等．諧波齒輪減速器效率測試系統(tǒng)的研究［J］．機(jī)床與液壓，2010，38(12): 90－92．

［8］萬筱劍，姚志飛，孔翔，等．諧波齒輪減速器虛擬測試系統(tǒng)的研究［J］．制造業(yè)自動化，2011，33 (7):15－18．

［9］秦曉峰．機(jī)械傳動試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］．重慶:重慶大學(xué)，2007．

Study on performance test system of three-ring internal parallelmoving gear reducer

SHEN Zhao-kui，F(xiàn)AN Xue-zan，GONG Yu-xue
(Mechanical Engineering Department，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

In this paper，taking a performance test system of three-ring internal parallelmoving gear reducer as the research object，the test principles and methods ofmechanical efficiency and angle transmission error are described，and hardware compositions of the test bench are introduced．The data acquisition software of the testing system is designed by LabVIEW．The system makes full use of computer's processing power，achieves high precision testing at a relatively low hardware cost，and provides reference for performance study and optimization of three-ring internal parallelmoving gear reducer．

three-ring internal parallelmoving gear reducer;test system;mechanical efficiency;angle transmission error

TH132

A

1001－196X(2015)02－0038－04

2014－01－11;

2014－08－28

沈兆奎(1958－)，男，天津理工大學(xué)教授，研究方向:機(jī)電傳動與控制。

樊學(xué)贊(1988－)，男，天津理工大學(xué)碩士研究生。