孫　宇，劉高同，李　強(qiáng)，顧志飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境研究所，北京　100094）

航天器諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫宇，劉高同，李強(qiáng)，顧志飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境研究所，北京100094）

介紹了諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理和應(yīng)用，針對(duì)工作于空間環(huán)境下的航天器諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套傳動(dòng)效率試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)；敘述了整套測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理，設(shè)計(jì)了一套諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在空間環(huán)境下的效率試驗(yàn)方法；并針對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置的缺點(diǎn)和不足，在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，采用了針對(duì)性的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)測(cè)試流程，提高了整套系統(tǒng)的自動(dòng)化水平；同時(shí)，針對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)則跳變的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)篩選算法，提高了控制精度和試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；空間環(huán)境；力矩測(cè)試；數(shù)據(jù)篩選

0　引言

20世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，美國(guó)學(xué)者C.Walton.Musser發(fā)明了諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、承載能力高等優(yōu)秀的機(jī)械性能，諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用與空間技術(shù)、能源、機(jī)床等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。對(duì)于應(yīng)用在空間技術(shù)領(lǐng)域的諧波轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可靠性要求更加嚴(yán)格，為保證航天器的穩(wěn)定運(yùn)行，必須進(jìn)行大量的地面試驗(yàn)以驗(yàn)證其穩(wěn)定的使用性能和良好的傳動(dòng)效率，因此諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)裝置與技術(shù)顯得尤為重要。

1　諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理［

諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理與普通齒輪傳動(dòng)原理有本質(zhì)區(qū)別，它是利用機(jī)械波控制柔性齒輪的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)傳遞運(yùn)動(dòng)和力的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖1所示［4 5］。

圖1　諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理圖

諧波轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有3個(gè)構(gòu)件組成：鋼輪1、柔輪2和波形發(fā)生器H。固定其中一件，其余兩件一件為主動(dòng)，另一件為從動(dòng)。在未裝配前，柔輪的齒數(shù)比鋼輪略少，而波形發(fā)生器的最大直徑比柔輪內(nèi)圓直徑略大。當(dāng)把波形發(fā)生器裝入柔輪時(shí)，迫使柔輪發(fā)生變形，在其長(zhǎng)軸兩端的齒恰好與鋼輪齒完全嚙合，短軸處的齒則完全脫開；而處在波形發(fā)生器長(zhǎng)短軸之間的、沿周長(zhǎng)不同區(qū)域的齒處于嚙入或嚙出的不同過(guò)渡狀態(tài)。當(dāng)波形發(fā)生器回轉(zhuǎn)時(shí)，將迫使柔輪齒依次同鋼輪齒嚙合，由于齒數(shù)不同，故波形發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，使柔輪在相反方向轉(zhuǎn)過(guò)鋼輪與柔輪的齒數(shù)差，從而獲得變速傳動(dòng)。諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在傳遞運(yùn)動(dòng)和力時(shí)，其彈性元件將產(chǎn)生一個(gè)可移動(dòng)的變形波，即柔輪各點(diǎn)的徑向位移隨轉(zhuǎn)角的變化情況為一個(gè)基本對(duì)稱的簡(jiǎn)諧波，因此把這種傳動(dòng)成為諧波傳動(dòng)。

2　諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由空間環(huán)境模擬系統(tǒng)和試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)兩部分組成，如圖2所示。

空間環(huán)境模擬系統(tǒng)采用成熟技術(shù)，包括真空系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)兩個(gè)分系統(tǒng)。兩個(gè)分系統(tǒng)協(xié)同工作，共同完成真空冷黑環(huán)境的模擬，為諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)提供背景環(huán)境。

試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)包括流程控制系統(tǒng)、紅外加熱系統(tǒng)、力矩加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個(gè)分系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)諧波轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在熱真空環(huán)境（模擬空間環(huán)境）中進(jìn)行傳動(dòng)效率測(cè)試，從而分析其在熱真空環(huán)境中的使用性能。

2.1試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

測(cè)控系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)上采用集散控制的方式，分為二級(jí)控制，即：由傳感器、執(zhí)行器、PLC、儀表、按鈕、控制柜組成的現(xiàn)場(chǎng)控制層；由上位機(jī)組態(tài)軟件控制的遠(yuǎn)程集中控制層。測(cè)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、測(cè)控原理如圖3所示。

圖2　諧波傳動(dòng)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3　試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2流程控制系統(tǒng)

流程控制系統(tǒng)用于空間環(huán)境的模擬與檢測(cè)，完成各個(gè)泵、閥門、制冷機(jī)的控制以及容器真空度的測(cè)量，和熱沉溫度的測(cè)量。其中：分子泵帶有專用的控制器，流程控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)分子泵控制器的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)分子泵的遠(yuǎn)程控制；機(jī)械泵以及管路閥門的啟停通過(guò)由PLC驅(qū)動(dòng)的繼電器來(lái)控制；制冷機(jī)的啟停控制、除霜控制通過(guò)遠(yuǎn)控端子完成；真空度數(shù)據(jù)和熱沉溫度數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳入PLC，并在本地控制柜和遠(yuǎn)程上位機(jī)上顯示。

2.3紅外加熱系統(tǒng)

外熱流加熱采用紅外燈組為試件高溫工況提供加熱熱源。為減少熱損失，降低紅外燈組對(duì)冷背景的不利影響，同時(shí)增加紅外熱源的利用率，選用了半側(cè)渡有反射膜的石英燈管。燈具的主體結(jié)構(gòu)采用LY12硬鋁材料加工，并采用陶瓷柱對(duì)燈管進(jìn)行支撐和絕緣。加熱燈組共包括8盞紅外燈，通過(guò)控溫儀配合調(diào)功器控制紅外燈組，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件溫度的控制，外熱流控制原理圖如圖4所示。

2.4力矩加載系統(tǒng)

動(dòng)力矩加載系統(tǒng)主要完成對(duì)試驗(yàn)試件的動(dòng)力矩加載、力矩顯示等功能，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。在真空度、溫度等環(huán)境參數(shù)達(dá)到預(yù)定后，驅(qū)動(dòng)裝置開始運(yùn)行，當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置在某一轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，通過(guò)制動(dòng)裝置，給試驗(yàn)試件加載力矩，并長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。由于試驗(yàn)試件的多樣性，對(duì)于試件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩要求也難以統(tǒng)一，給試件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇帶來(lái)了一定的難度。傳統(tǒng)的測(cè)試方法通常選用多套驅(qū)動(dòng)設(shè)備以適應(yīng)不同試件需求，每次試驗(yàn)前需要更換驅(qū)動(dòng)裝置，調(diào)整整套傳動(dòng)系統(tǒng)的同軸度、水平度等參數(shù)，不但操作繁瑣、易引入人為誤差，也降低了試驗(yàn)效率。因此，為解決上述問(wèn)題，本系統(tǒng)選用伺服電機(jī)作為試件驅(qū)動(dòng)裝置，不但滿足了試件的多樣性要求，也提高了控制精度。制動(dòng)裝置采用最大扭矩630 Nm的磁粉制動(dòng)器以滿足各種試驗(yàn)要求。

圖4　外熱流控制原理圖

圖5　動(dòng)力矩加載系統(tǒng)

2.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成試驗(yàn)中的過(guò)程數(shù)據(jù)采集，并將采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存為文檔格式以供后期分析。采用的測(cè)量?jī)x器為圖5中的輸入、輸出力矩傳感器，采集的數(shù)據(jù)包括試驗(yàn)試件轉(zhuǎn)速、輸入力矩、輸出力矩等，并根據(jù)試件的傳動(dòng)比計(jì)算出試件的傳動(dòng)效率。

3　試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的諧波傳動(dòng)效率試驗(yàn)系統(tǒng)，大多采用離散的控制方式，通過(guò)對(duì)單一設(shè)備、儀表的操作來(lái)完成整個(gè)試驗(yàn)，不具備遠(yuǎn)程集中控制層。這樣的試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成，但自動(dòng)化程度不高，操作繁瑣，而且要求試驗(yàn)人員對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)了解深入，增大了試驗(yàn)難度和出現(xiàn)誤操作的可能性。針對(duì)以上問(wèn)題，本套測(cè)控系統(tǒng)充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，大大提高了自動(dòng)化水平和控制精度，同時(shí)也降低了對(duì)試驗(yàn)人員的要求。此外，具有針對(duì)性的軟件設(shè)計(jì)也在很大程度上提高了本套系統(tǒng)的使用性能，填補(bǔ)了傳統(tǒng)方式的空白。

3.1空間環(huán)境模擬

為真實(shí)再現(xiàn)空間環(huán)境，要在效率試驗(yàn)開始前模擬出一個(gè)真空冷背景環(huán)境。針對(duì)本套系統(tǒng)最終用戶的特殊性，在軟件設(shè)計(jì)中加入了自動(dòng)流程設(shè)計(jì)，包括真空自動(dòng)流程設(shè)計(jì)和溫度循環(huán)設(shè)計(jì)。

3.1.1真空自動(dòng)流程設(shè)計(jì)

為防止由于試驗(yàn)人員對(duì)熱真空試驗(yàn)了解不多，在實(shí)際操作中出現(xiàn)誤操作的情況出現(xiàn)，本系統(tǒng)在上位機(jī)中設(shè)計(jì)了一套“一鍵式”真空工藝流程，包括自動(dòng)抽真空流程和自動(dòng)停機(jī)流程。在實(shí)際操作中，對(duì)于暫時(shí)無(wú)法熟練使用本套試驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)人員，可以通過(guò)上位機(jī)中的兩個(gè)自動(dòng)流程按鍵輕松完成真空系統(tǒng)的啟動(dòng)和停機(jī)，而不需要對(duì)真空系統(tǒng)工藝流程有深刻的理解，在很大程度避免了由于人為誤操作而給設(shè)備帶來(lái)的損害。

3.1.2溫度循環(huán)設(shè)計(jì)

由于諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率試驗(yàn)需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行，并且需要試件溫度進(jìn)行多次的高低溫交變，為降低試驗(yàn)人員的工作量，降低引入人為誤差的概率，在軟件上本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫度循環(huán)控制功能。試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)人員可在上位機(jī)預(yù)先設(shè)置本次試驗(yàn)所需要進(jìn)行的高低溫交變工況，包括目標(biāo)溫度、持續(xù)時(shí)間ts、單周期工況數(shù)Ds、循環(huán)周期總數(shù)Ts等參數(shù)。在試驗(yàn)環(huán)境達(dá)到要求后，只需“一鍵”即可完成所有工況。溫度循環(huán)軟件流程圖如圖6所示，其中：T為當(dāng)前循環(huán)周期號(hào)，D為當(dāng)前工況號(hào)，td為計(jì)時(shí)時(shí)間。

圖6　溫度循環(huán)軟件流程圖

3.2試件驅(qū)動(dòng)

試件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于給試件施加特定的轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)由與其相配套的伺服放大器控制，如圖7所示。PLC通過(guò)AO端口向伺服放大器輸出模擬信號(hào)指令，用以設(shè)置伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。與此同時(shí)，伺服放大器將伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速通過(guò)AI端口反饋給PLC，形成閉環(huán)控制，大大提高了控制精度，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)多次經(jīng)歷從靜止啟動(dòng)或由低轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速變化的過(guò)程，此時(shí)，對(duì)于減速比較大的型號(hào)，即使沒(méi)有負(fù)載也能帶來(lái)較大的瞬時(shí)阻礙力矩，且慣性越大的機(jī)構(gòu)沖擊越大。因此設(shè)計(jì)保護(hù)程序如下：當(dāng)設(shè)置的轉(zhuǎn)速與當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值大于某一特定值△P時(shí)，伺服電機(jī)將以階梯的形式開始遞增加速，即每一個(gè)計(jì)算周期增加轉(zhuǎn)速△S，直到加速至設(shè)定值。其中△P、△S可根據(jù)試驗(yàn)試件的不同由用戶改變。

圖7　伺服放大器原理圖

3.3試件加載

試件的力矩加載采用磁粉制動(dòng)器，制動(dòng)力矩的大小由模擬量控制，0～3 A對(duì)應(yīng)0～630 Nm。但由于磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)力矩會(huì)受到溫濕度、試件轉(zhuǎn)速等因素的影響，所以采用傳統(tǒng)的定值控制方式可能帶來(lái)較大的誤差，影響最終的試驗(yàn)結(jié)果。而且，由于諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械慣性，直接輸出某一定值的制動(dòng)力矩會(huì)帶來(lái)很大的尖峰脈沖力矩，不利于設(shè)備的安全使用。

為解決上述問(wèn)題，在上位機(jī)程序中，力矩的加載方式采用逐步加載，實(shí)時(shí)微調(diào)的方法：當(dāng)用戶輸入設(shè)置制動(dòng)力矩的命令后，由程序控制磁粉制動(dòng)器以一分鐘為加載周期逐步加載至設(shè)置值的95%，之后結(jié)合測(cè)量的反饋至微調(diào)加載至設(shè)定值。這種方法不但提高了控制精度，而且有效地減少了可能出現(xiàn)的瞬間沖擊，有利于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.4數(shù)據(jù)篩選

為了實(shí)時(shí)的計(jì)算諧波傳動(dòng)試件的傳動(dòng)效率，需要采集試件的輸入、輸出力矩。本系統(tǒng)輸入、輸出力矩的測(cè)量選用力矩傳感器，結(jié)合力矩傳感器所配套的扭矩儀。扭矩儀具有本地顯示功能，可以在控制柜上直接讀取數(shù)據(jù)。同時(shí)，扭矩儀支持串口通信，通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為Profibus-DP總線數(shù)據(jù)，與PLC連接，通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

本系統(tǒng)輸入力矩傳感器選用量程10 Nm的力矩傳感器，輸出力矩傳感器選用量程500 Nm的力矩傳感器，分別可滿足輸入10 Nm，輸出500 Nm的測(cè)量要求。

在任何測(cè)量系統(tǒng)的輸入信號(hào)中，都難免會(huì)引入噪聲和干擾，所謂的數(shù)字濾波就是通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序減少或削弱噪聲的影響。常用的數(shù)字濾波方法有限副濾波法、中位值濾波法、遞推平均濾波法、一階滯后濾波法等，每種濾波法都有其優(yōu)、缺點(diǎn)適用于不同的環(huán)境。本套試驗(yàn)裝置主要輸入信號(hào)為力矩，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可能引入尖峰噪聲和周期性噪聲，因此，本系統(tǒng)采用限副濾波法與遞推平均濾波法相結(jié)合的濾波方式，具體實(shí)施為：當(dāng)試驗(yàn)試件穩(wěn)定運(yùn)行后，在采集到新的信號(hào)時(shí)，將其與上一次的值進(jìn)行比較，如果二者偏差較大，則此次值無(wú)效，反之有效；將連續(xù)取得的n個(gè)有效值按照順序存入緩沖區(qū)，每當(dāng)?shù)玫揭粋€(gè)新的有效值，就存入緩沖區(qū)并把緩沖區(qū)中最早得到的有效值刪除，將其余的有效值的算術(shù)平均值作為濾波后的數(shù)值，如圖8所示。以上方法有效的屏蔽了由于機(jī)械安裝而帶來(lái)的尖峰和周期性誤差。

3.5測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本套試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)上的先進(jìn)性，進(jìn)行有載試驗(yàn)，并分別采用傳統(tǒng)方法與本套測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)條件為：試件減速比1∶100，輸入轉(zhuǎn)速1 000 rpm，輸出轉(zhuǎn)速10 rpm，真空度3×10-4Pa，試件溫度-40℃，環(huán)境溫度-140℃，力矩加載曲線如圖9所示。未經(jīng)數(shù)據(jù)篩選的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示，數(shù)據(jù)篩選后的數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖8　數(shù)字濾波示意圖

圖9　力矩加載曲線

圖10　數(shù)據(jù)篩選前數(shù)據(jù)曲線

圖11　數(shù)據(jù)篩選后數(shù)據(jù)曲線

圖10、圖11對(duì)比可知，由于諧波傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則機(jī)械振動(dòng)，對(duì)力矩測(cè)試儀產(chǎn)生沖擊，使得所測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，同時(shí)由于試驗(yàn)試件傳動(dòng)比較大，致使計(jì)算傳動(dòng)效率時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大偏差，有時(shí)甚至出現(xiàn)大于100%和小于0%的數(shù)值，影響最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而通過(guò)數(shù)字濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選后，有效地去除了絕大部分假值和無(wú)效值，使得最終試驗(yàn)結(jié)果更加貼近實(shí)際使用效果。

4　結(jié)論

諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用成熟的空間環(huán)境模擬技術(shù)，并結(jié)合自主研發(fā)的試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)，按照標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的要求進(jìn)行實(shí)施，滿足測(cè)試要求。此外，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置的缺點(diǎn)和不足，在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，采用了針對(duì)性的軟件設(shè)計(jì)，不但提高了整套系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和控制精度，而且降低了試驗(yàn)人員的操作難度，提高了控制精度和試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，最大程度的降低了由于使用不當(dāng)給設(shè)備造成損害的危險(xiǎn)。

［1］李剛俊.精密諧波傳動(dòng)的數(shù)學(xué)模型及其控制研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010 （7）：205-207.

［2］辛洪兵.無(wú)級(jí)變速諧波傳動(dòng)原理與傳動(dòng)比計(jì)算［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2006，30 （1）：27-0.

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Design of Measurement and Control System for the Efficiency Test of Spacecraft Harmonic Drive Mechanism

Sun Yu，Liu Gaotong，Li Qiang，Gu Zhifei
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

The principle and application of harmonic drive is introduced，for spacecraft harmonic drive mechanism working in space environment，a set of transmission efficiency test and control system is designed.The structure and principle of the whole control system is described，the efficiency test method in the spaceenvironment of a harmonic drive is designed.To improve the traditional test device，pertinence software is designed based on the realization of the basic functions，improve the level of automation of the whole system.At the same time，to solve the irregular jumping problem of the test data，a data selection software is designed，improving the accuracy of control and test.

harmonic drive；space environment；torque testing；data filtering

1671-4598（2016）05-0096-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.028

TP3

A

2016-03-04；

2016-03-14。

孫宇（1985-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，主要從事空間環(huán)境模擬設(shè)備研制，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的方向的研究。