李笑勉,劉 濤,張文龍,劉志偉

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)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(zhì)量監(jiān)督檢測中心,廣東 東莞 523808)

0 引 言

隨著智能制造機(jī)器的不斷普及和應(yīng)用，諧波減速器作為其中關(guān)鍵的部件，其品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到智能設(shè)備的正常工作狀態(tài)及其使用壽命[1]。和其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，諧波減速器具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)精度高和工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在智能設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛[2]。

圍繞諧波減速器的各項(xiàng)性能，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)都展開了各自的研究。諧波傳動(dòng)有限公司(哈默納科)開發(fā)了“S”齒形，使柔輪輪齒的抗疲勞強(qiáng)度能力提升了1倍，扭轉(zhuǎn)剛度也提高了70%～100%[3]。國產(chǎn)減速器生產(chǎn)公司綠的諧波傳動(dòng)科技公司開發(fā)了“P”齒形諧波減速器，能承載更大的轉(zhuǎn)矩，降低了齒根斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，柔輪的疲勞壽命得到了提高，但帶來了降低傳動(dòng)精度的問題[4]。鄭鈺馨等[5]開發(fā)了試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)RV減速器的動(dòng)力性能進(jìn)行了檢測;何等圍繞齒輪減速器傳動(dòng)效率的測量進(jìn)行了研究;裴欣等[6]搭建了SCUAA-STCP1200試驗(yàn)平臺(tái)，做了諧波齒輪傳動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)傳動(dòng)誤差分析;宿鵬飛等[7]針對(duì)諧波減速器扭轉(zhuǎn)剛度與疲勞失效問題，設(shè)計(jì)了一種可以連續(xù)加載和卸載的測試平臺(tái)。

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(shí)驗(yàn)給出經(jīng)驗(yàn)公式。

為規(guī)范諧波減速器的市場和促進(jìn)國產(chǎn)諧波減速器的發(fā)展，2014年我國發(fā)布了關(guān)于諧波減速器分類、定義、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T30819-2014)，但有關(guān)其中的性能檢測，大部分是分開試驗(yàn)的，沒有形成統(tǒng)一的試驗(yàn)平臺(tái)，需要把各部分單獨(dú)試驗(yàn)。

本文針對(duì)當(dāng)前諧波減速器性能綜合測試的需求，根據(jù)GB/T30819-2014國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一套諧波減速器綜合測試系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波減速器的扭轉(zhuǎn)剛度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、空程和傳動(dòng)誤差等關(guān)鍵參數(shù)的綜合測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T30819-2014國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，要進(jìn)行以下關(guān)鍵性能測試，包括扭轉(zhuǎn)剛度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、負(fù)載效率和傳動(dòng)誤差等模塊，需要采集扭力、扭矩、角度、間隙和溫度等信號(hào)。

測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

該測試系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字處理后輸出圖表和存儲(chǔ)；采用伺服驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行加載，通過聯(lián)軸器將電機(jī)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(hào)；在被測減速器兩端增加角度傳感器，對(duì)角度和間隙進(jìn)行測量，將信號(hào)傳遞到測試系統(tǒng)中[8]；通過震動(dòng)傳感器和溫度傳感器對(duì)震動(dòng)和溫升等物理量進(jìn)行測量，并把信號(hào)傳遞給測試系統(tǒng)。

該綜合測試系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集處理顯示與輸出功能、存儲(chǔ)回放數(shù)據(jù)曲線顯示與輸出功能、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示與輸出功能、手動(dòng)與自動(dòng)控制功能、試驗(yàn)檢測功能、報(bào)告輸出功能和設(shè)備故障與安全報(bào)警功能[9]。

2 關(guān)鍵部件選型

2.1 伺服系統(tǒng)和加載電機(jī)

試驗(yàn)臺(tái)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(tǒng)和西門子伺服變頻電機(jī)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(yùn)行(滿足伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、正向加載/反向加載、加速/制動(dòng)、電動(dòng)/制動(dòng)等工況要求)，具有響應(yīng)快(2 ms～5 ms)、加載穩(wěn)定(0.3%)、功率因數(shù)(98%)和精度高等優(yōu)點(diǎn)。

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

2.2 雙量程扭矩傳感器

扭矩是伺服電機(jī)測試中最重要的測量參數(shù)，為達(dá)到測量跨度大且精度高的要求，此處筆者選用了進(jìn)口具有雙量程測量功能的KTELER扭矩傳感器，其輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(電壓或頻率),滿足伺服電機(jī)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(jí)為0.1，線性誤差<±0.1。

2.3 PLC控制器和人機(jī)界面

該系統(tǒng)所有的邏輯控制都采用PLC來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)控制要求選用西門子S7-200smart小型PLC, CPU型號(hào)為SR60-AC/DC/RLY，具有36點(diǎn)輸入和24點(diǎn)繼電器輸出接口；

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

3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和選型情況，筆者設(shè)計(jì)的各部件的結(jié)構(gòu)以及安裝示意圖，如圖2所示。

圖2 綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該綜合測試系統(tǒng)的重要機(jī)械安裝部件包含底座、手柄、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電機(jī)和傳感器等。

底座采用T型槽鑄鐵平臺(tái)，材料HT250，尺寸3 000 mm×1 000 mm×150 mm(臺(tái)架可根據(jù)不同尺寸測試件進(jìn)行調(diào)整)，精度等級(jí)為1級(jí)，粗糙度為Ra 3.2，試驗(yàn)臺(tái)上各部件穩(wěn)固、可靠地固定在T型槽鑄鐵平臺(tái)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可靠。

試驗(yàn)臺(tái)各傳動(dòng)部件均通過彈性聯(lián)軸器連接，以降低同心度要求，同時(shí)可保證試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)。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(dǎo)軌移動(dòng)，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(jié)構(gòu)，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(tái)面的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、加載電機(jī)和被測減速機(jī)等高速旋轉(zhuǎn)部位安裝安全防護(hù)罩，厚度不低于2 mm。

4 關(guān)鍵試驗(yàn)?zāi)K的實(shí)現(xiàn)

在性能測試時(shí)，需要設(shè)置“恒速/恒扭”、“電磁制動(dòng)啟動(dòng)”、“上位機(jī)啟動(dòng)”和“變頻器啟動(dòng)”等工作狀態(tài)；還要設(shè)置好“驅(qū)動(dòng)電機(jī)”和“加載電機(jī)”的啟停、“轉(zhuǎn)速設(shè)定”、“扭矩設(shè)定”和“故障復(fù)位”等參數(shù)。

觸摸屏操作圖如圖3所示。

圖3 觸摸屏操作圖

設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)系統(tǒng)后，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、負(fù)載效率和傳動(dòng)誤差等測試。

4.1 剛度試驗(yàn)(空程、彈簧系數(shù))

扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)可以將諧波減速器的輸入端或輸出端固定好，對(duì)另一端施加扭矩載荷，測量軸的扭矩和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)扭矩和扭轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系：

(1)

式中：Q—扭轉(zhuǎn)剛度；M—扭轉(zhuǎn)扭矩；θ—扭轉(zhuǎn)角。

在扭轉(zhuǎn)過程中，變形位置不一樣，扭轉(zhuǎn)剛度大小也不一樣。此處采用平均法，在輸出端取3個(gè)均等分布的截面上分別求取扭轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測，并繪制出相應(yīng)的扭矩-角度曲線。

4.2 增速啟動(dòng)扭矩試驗(yàn)

增速啟動(dòng)試驗(yàn)包括輸入端啟動(dòng)試驗(yàn)和輸出端啟動(dòng)試驗(yàn)，小扭矩減速器采用輸出端啟動(dòng)試驗(yàn)，大扭矩減速器采用輸入端啟動(dòng)試驗(yàn)；

根據(jù)圓柱扭矩的計(jì)算方法，即：

M=K·α

(3)

式中：M—轉(zhuǎn)矩；K—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；α—加速度。

當(dāng)圓柱負(fù)載繞軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，可用質(zhì)量和體積計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)在△t達(dá)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(zhì)量；r—圓柱底面半徑；ρ—密度；r—圓柱體半徑；L—長度；φ—轉(zhuǎn)動(dòng)角度；t—時(shí)間。

試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)空載狀態(tài)，控制器設(shè)置“恒扭矩”工作方式緩慢啟動(dòng)(零扭矩開始)，通過計(jì)算機(jī)快速檢測減速器驅(qū)動(dòng)扭矩，并繪制出實(shí)時(shí)曲線(同時(shí)檢測轉(zhuǎn)速或角度信號(hào)作為啟動(dòng)信號(hào)檢測)。

4.3 負(fù)載效率試驗(yàn)

負(fù)載效率可通過輸出功率Po和輸入功率Pi之比來計(jì)算[12]，即：

(5)

計(jì)算轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系如下：

(6)

式中：M—轉(zhuǎn)矩，N·m；P—功率，kW；s—轉(zhuǎn)速，r/min。

考慮到傳動(dòng)比i=Si/So是恒定的，可得到負(fù)載效率如下：

(7)

因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)采用四象限運(yùn)行的交流伺服電加載器，可以模擬任意工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)或靜態(tài)加載試驗(yàn)；在25%、50%、75%和100%額度負(fù)載下，分別檢測減速器的輸入和輸出功率；最后再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)加載，自動(dòng)檢測并繪制出效率曲線。

4.4 傳動(dòng)誤差(角度傳遞誤差)試驗(yàn)

在電機(jī)上輸入正弦信號(hào)，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(hào)。其中，輸入軸與輸出軸的轉(zhuǎn)角差為Δφ，如下[13,14]：

(8)

式中：φo—輸出轉(zhuǎn)角；φi—軸入轉(zhuǎn)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(yàn)時(shí)，減速器低速轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)檢測輸入和輸出端角度，計(jì)算出對(duì)應(yīng)輸入端角度變化和輸出端角度變化誤差；同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示輸出端每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的角度變化曲線，從而得到減速器傳動(dòng)誤差值。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

該試驗(yàn)以臺(tái)灣建韋RV320E型號(hào)減速器為例，選用減速比為129，輸出轉(zhuǎn)矩為4 341 N·m，輸入容量304 KW，在綜合測試系統(tǒng)上進(jìn)行測試。

綜合測試系統(tǒng)全圖如圖4所示。

圖4 綜合測試系統(tǒng)全圖

5.1 剛度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，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(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測，并繪制出相應(yīng)的扭矩-角度曲線，如圖5所示。

圖5 剛度試驗(yàn)

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

5.2 增速啟動(dòng)扭矩試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)空載狀態(tài)，控制器設(shè)置“恒扭矩”工作方式緩慢啟動(dòng)(零扭矩開始)，計(jì)算機(jī)快速檢測減速器驅(qū)動(dòng)扭矩，并繪制出實(shí)時(shí)曲線，速度與扭矩的關(guān)系如圖6所示。

圖6 增速啟動(dòng)扭矩試驗(yàn)

圖6中，經(jīng)測試得到，扭矩達(dá)到0.95 N·m時(shí)，速度可達(dá)到900 r/min。

5.3 負(fù)載效率試驗(yàn)結(jié)果

在25%、50%、75%、100%額度負(fù)載下分別檢測減速器的效率，可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)加載，自動(dòng)檢測并繪制出功率、效率曲線圖，如圖7所示。

圖7 負(fù)載效率試驗(yàn)

圖7的效率試驗(yàn)結(jié)果顯示，負(fù)載效率在70%～90%之間變化。

5.4 傳動(dòng)誤差試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，減速器低速轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)快速且精確地檢測輸入和輸出端角度，計(jì)算出對(duì)應(yīng)輸入端角度變化與輸出端角度變化的誤差；同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示輸出端一個(gè)圓周角度上的角度變化曲線，從而得到減速器傳動(dòng)誤差值。

運(yùn)動(dòng)誤差曲線如圖8所示。

圖8 傳動(dòng)誤差試驗(yàn)

圖8的傳動(dòng)誤差試驗(yàn)結(jié)果顯示，傳動(dòng)誤差為27.26″。

5.5 與廠家標(biāo)稱數(shù)據(jù)比較

筆者把本文測量的關(guān)鍵參數(shù)與廠家的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(均采用了GB/T30819-2014國家標(biāo)準(zhǔn)要求的測試方法)，結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)比較

由表1可知，本文測量的關(guān)鍵參數(shù)與廠家的測試數(shù)據(jù)接近，兩者的差值在3.1%以內(nèi)。

6 結(jié)束語

根據(jù)GB/T30819-2014國家標(biāo)準(zhǔn)要求，筆者開發(fā)了一套諧波減速器綜合測試系統(tǒng)；采用本文開發(fā)的綜合測試系統(tǒng)對(duì)臺(tái)灣建韋RV320E型號(hào)諧波減速器進(jìn)行了測試，完成對(duì)諧波減速器的扭轉(zhuǎn)剛度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、空程和傳動(dòng)誤差等關(guān)鍵參數(shù)的測試。

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