郝宏海，王常策，黃幼松

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春 130113；2.北京科技大學(xué),北京 100083；3.北京億策工程技術(shù)有限公司，北京 100102)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、制造中的比例越來(lái)越大，對(duì)于機(jī)器人而言，諧波減速器是其中一個(gè)關(guān)鍵的零部件。諧波減速器的性能、傳動(dòng)精度直接決定著機(jī)器人的性能[1]。由于受到加工精度、裝配精度以及使用環(huán)境等不確定因素的制約，諧波減速器的實(shí)際傳動(dòng)精度往往達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期，因此需要對(duì)諧波減速器的傳動(dòng)精度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為后續(xù)減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[2]。本文設(shè)計(jì)了一種測(cè)試儀，可用于諧波減速器傳動(dòng)精度的測(cè)量，且具有較高的測(cè)量精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試儀是根據(jù)莫爾條紋效應(yīng)[3]，利用光柵法來(lái)測(cè)量齒輪的傳動(dòng)精度，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將旋轉(zhuǎn)的角位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，最終計(jì)算出傳動(dòng)的誤差，光柵法測(cè)量齒輪精度具有效率高、分辨率高等優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)檢測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)檢測(cè)示意圖

將光柵傳感器分別安裝到諧波減速器的高速軸和低速軸上，利用放大分頻電路將2個(gè)光柵傳感器輸出信號(hào)調(diào)整為同頻率的脈沖信號(hào)，通過(guò)相敏解調(diào)電路求出脈沖信號(hào)的相位差。最終通過(guò)判斷相位差的大小來(lái)判斷諧波減速器的傳動(dòng)精度[4]。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括光柵傳感器信號(hào)檢測(cè)電路、放大分頻電路、相敏解調(diào)電路以及串口傳輸電路等[5]。光柵傳感器用于檢測(cè)諧波減速器輸入軸和輸出軸的角速度，放大分頻電路是將2個(gè)光柵傳感器調(diào)整為2個(gè)頻率相同的脈沖信號(hào)，相敏解調(diào)電路是提取信號(hào)中相位的差值，通過(guò)測(cè)量相位差值的大小判斷諧波減速器的傳動(dòng)精度。硬件電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 光柵傳感器選型

在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到傳感器的安裝位置、精度以及分辨率等條件，綜合各種因素最終選用RON系列光柵編碼器[6]，該型傳感器為增量式傳感器，具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，其還具有高分辨率以及高精度等優(yōu)點(diǎn)，精度達(dá)到±5″。增量式光柵傳感器采用單5 V供電，輸出信號(hào)為1Vpp的正弦波。

2.2 放大分頻電路

在諧波減速的輸入軸和輸出軸分別安裝有高精度光柵傳感器，由于輸出軸和輸入軸之間存在一個(gè)傳動(dòng)比u，因此光柵傳感器檢測(cè)到輸出軸和輸入軸的轉(zhuǎn)速不同，即傳感器輸出的信號(hào)頻率不同[7-8]。硬件電路圖如圖3所示。

圖3 放大分頻電路

為了便于進(jìn)行相敏解調(diào)，利用放大分頻電路將2個(gè)正弦信號(hào)調(diào)整為同頻率的脈沖信號(hào)，再利用相敏解調(diào)電路解調(diào)出2個(gè)信號(hào)的相位差，若2路信號(hào)的相位差發(fā)生變化，則說(shuō)明被測(cè)的減速器存在傳動(dòng)誤差，否則無(wú)傳動(dòng)誤差。系統(tǒng)利用AD817將光柵傳感器輸出的信號(hào)放大到一定幅值，再利用電壓比較器LM339將頻率不同的信號(hào)調(diào)整為同頻率的脈沖信號(hào)。

2.3 相敏解調(diào)電路

相敏解調(diào)電路也稱做鑒相電路，其是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其主要作用是提取2個(gè)光柵傳感器輸出信號(hào)的相位差值，系統(tǒng)依據(jù)相位差值的大小來(lái)判斷諧波傳感器的精度。相敏解調(diào)電路采用的是四象限模擬乘法器AD734實(shí)現(xiàn)的，具有高速、高精度、低失真的優(yōu)點(diǎn)[9]。2個(gè)光柵傳感器的信號(hào)從X1、Y1引腳輸入，最后混頻的信號(hào)從W引腳輸出。硬件電路圖如圖4所示。

圖4 相敏解調(diào)電路

2個(gè)光柵傳感器的輸出信號(hào)即為相敏解調(diào)電路的輸入信號(hào)，記為：

f(t)=Asin(ωt+α)+n(t)

(1)

r(t)=Bsin(ωt+β)

(2)

式中：f，r為輸入信號(hào)；A，B為幅值；ω為頻率；α，β為相位；t為時(shí)間。

上述頻率相同的2個(gè)信號(hào)同時(shí)經(jīng)過(guò)乘法器后可得：

Vd=f(t)·r(t)=g(t)+C

(3)

式中：

由式(3)可知C為直流分量，而g(t)為交流分量，當(dāng)?shù)屯V波器的截止頻率ωc遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頻率ω時(shí)，交流分量將會(huì)被低通濾波器濾掉，而直流分量將完整通過(guò)，最終從相敏解調(diào)電路出來(lái)的信號(hào)為Vdc=C，此值僅與2個(gè)信號(hào)的幅值和2個(gè)信號(hào)的相位差有關(guān)系，當(dāng)cos(α-β)=1時(shí)，則Vdc獲得最大值，因此通過(guò)判斷相敏解調(diào)電路輸出信號(hào)的幅值即可判斷出2個(gè)信號(hào)的相位差，從而判斷出諧波減速器的傳動(dòng)精度[10]。

2.4 串口傳輸電路

單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)相敏解調(diào)電路輸出的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，利用RS485傳輸電路將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)上，上位機(jī)再利用相關(guān)算法求得諧波減速器的傳動(dòng)精度[11]。RS485串口通訊電路所采用的是RS485電平轉(zhuǎn)換芯片，其顯著特點(diǎn)就是電平與TTL電平兼容，抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率快、傳輸距離遠(yuǎn)等。RS485通訊電路圖如圖5所示。

圖5 串口傳輸電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的重要組成部分，是驗(yàn)證硬件功能的必要手段。系統(tǒng)軟件主要包括按鍵控制程序、A/D采樣程序、串口發(fā)送程序、定時(shí)器中斷程序以及單片機(jī)最小系統(tǒng)程序等。系統(tǒng)上電后，等待啟動(dòng)按鈕，接收到啟動(dòng)指令后，光柵傳感器開(kāi)始工作，采集諧波減速器高速軸和低速軸的轉(zhuǎn)速，經(jīng)相敏解調(diào)電路后，利用單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)此信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終通過(guò)RS485串口通訊方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波減速器傳動(dòng)精度的檢測(cè)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

諧波減速器傳動(dòng)精度的檢測(cè)方法是：諧波減速器的高速軸和低速軸旋轉(zhuǎn)360°，記錄每1°的旋轉(zhuǎn)精度，將該精度與額定值相比得出旋轉(zhuǎn)每s的誤差值。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制正反轉(zhuǎn)，分別測(cè)量正反轉(zhuǎn)時(shí)諧波減速器的傳動(dòng)精度。利用串口通訊方式把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中，通過(guò)相關(guān)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出回差測(cè)量曲線，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)回差曲線如圖7所示，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)回差曲線如圖8所示。

圖7 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)回差曲線

圖8 電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)回差曲線

由上圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，回差大概在5″；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，回差大概在7″。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)測(cè)量的精度較高，測(cè)量精度達(dá)到8″，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種諧波減速器傳動(dòng)精度測(cè)試儀，其創(chuàng)新性地利用增量式光柵傳感器檢測(cè)諧波減速器高速軸和低速軸的轉(zhuǎn)速，利用相敏解調(diào)電路解調(diào)出2個(gè)信號(hào)的相位差，通過(guò)相位差的大小來(lái)判斷諧波減速器的傳動(dòng)精度。增量式光柵傳感器具有安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能有效地檢測(cè)出諧波傳感器的傳動(dòng)精度，測(cè)量精度達(dá)到8″。