一種新型諧波傳動試驗臺的研制

余新木 梅雪松② 陶 濤 趙 飛 聶 彤 王宋萍

(①西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049;

②西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，陜西西安710039)

1955年，C.W.Musser創造性地提出了諧波傳動技術［1］。這種傳動技術采用獨特的柔性機構實現動力傳遞，具有傳動比大、精度高、體積小、承載能力大以及可向密閉空間傳遞運動等性能優勢，因此日益受到工程界的重視。自1962年NASA首次將諧波傳動應用于Telstar通訊衛星以來，諧波傳動已在太陽翼驅動機構、天線指向機構、掃描機構、著陸器行進輪、自動武器制導、機械臂等空間機構中得到廣泛應用［2-3］。

諧波傳動系統特性的研究一直受到關注。麻省理工學院T.D.Tuttle等研究了諧波傳動的非線性動力學特性，構建了由編碼器、電動機、扭矩傳感器、慣性負載和旋轉變壓器等組成的試驗裝置［4］。蒙特利爾麥吉爾大學H.D.Taghirad等對諧波傳動在引入摩擦與變形等因素時的動態性能進行了較為詳細的研究［5］。休斯敦萊斯大學P.S.Gandhi等人采用類似的測試臺架對諧波傳動的傳動誤差進行檢測［6］，試驗裝置中用扭矩傳感器取代了H.D.Taghiradt設計的惠斯通應變電橋測扭矩的方法。Rached Dhaouadi等人采用同樣的測試方法對諧波傳動的傳動剛度特性進行了研究［7］。國內許多學者也對諧波傳動的系統特性進行了大量的研究，建立了各自適用的測試實驗臺［8-10］。

相對來說，國內關于諧波傳動試驗檢測技術的專門研究則相對較少，特別是適用于真空等空間環境的試驗檢測技術更是少有涉及。目前，常用的諧波傳動測試加載方式主要有磁粉制動器加載、液壓加載、慣性負載和發電動機式等幾種。磁粉制動器加載方式結構簡單且扭矩調節范圍大，但氣隙中的磁粉在真空環境中會由于結塊而無法產生正常的摩擦力，限制了其在空間環境下使用;液壓式試驗臺采用液壓系統加載，適用于大載荷，但其反應速度較慢，加載精度不高，不適用于緊湊型試驗臺的精確加載;慣量負載只能用于某些性能測試;發電動機式試驗臺利用電動機處于發電狀態來加載，系統存在嚴重非線性缺陷，低速狀態下精度不高，同時也存在散熱問題。

本文針對空間環境適應性，結合使用單位需將試驗臺放置在模擬空間環境的真空罐內的要求，設計開發了一種全程計算機控制的諧波傳動多參數測量的新型試驗臺——雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺。

1 加載機構及工作原理

結構緊湊且適于放置在模擬空間環境的真空罐中是研制本試驗臺的出發點，提高測試系統的自動化程度是基本要求。經過比較試驗，本文根據彈性材料的剛度具有良好的線性這一特點，選用彈簧鋼材料制作扭桿作為試驗臺系統的扭矩加載機構。

扭桿起扭力彈簧的作用，安裝在兩臺聯動的伺服電動機之間，并與被測諧波傳動產品相連。兩伺服電動機通過相互間的轉角差φ為扭桿施加扭轉角度變形，產生扭矩，從而實現對被測產品的加載。扭矩大小與變形量成正比，動態地調整轉角差φ，可實現對加載扭矩的動態控制。

依據所需加載載荷的大小，實驗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的安全性。圖1給出了諧波傳動試驗臺的工作原理圖。

這種加載方式克服了磁粉制動器加載不適用于真空環境的不足，并且能夠實現自動控制和同時測取多項產品參數，提高了測試效率。本系統可測試項目包括效率、傳動精度、靈敏度與回零精度、剛度與回差、壽命、起動扭矩、超載、過渡過程等。

2 系統控制與數據采集

試驗臺的系統控制與數據采集是試驗臺電子測控系統的主要構成。工控機為試驗臺主控中心，Windows為系統軟件運行環境，采用美國PMAC多軸運動控制卡控制兩臺伺服電動機的旋轉速度與位置，扭矩傳感器和角度編碼器分別測取扭矩和角位移等信號，數據采集卡和計數卡實現物理量的收集。系統運動控制設計與系統數據采集設計如圖2所示。

在試驗臺電子測控系統中，PMAC多軸運動控制卡用于與主機通信、接收系統指令在線編譯并同時控制兩軸進行樣條插補。PMAC在電動機負載的情況下，通過對系統調試獲得合理的PID控制參數，實現運動的位置閉環控制;通過內置變量設置，對受控電動機進行加速控制、速度控制和位置控制。試驗臺當下的運動狀態由PMAC的查詢功能實施監測，設置正負限位參數，保證系統的安全。

角位移和扭矩測量分別選用德國HEIDENHAIM脈沖式絕對角度編碼器和德國HBM T20WN系列扭矩傳感器，并安置多點溫度傳感器以監測試驗臺系統的環境溫度。角度數據采集實現單軸或雙軸同步，采集速度在一定范圍內可由用戶自主選擇。根據輸入與輸出端角度信號對測量精度的影響，輸入端采用分辨率為0.005°的旋轉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個被要求控制的信號，也是加載控制的反饋信號，主控中心據以調控兩臺電動機轉角差，精確調節加載載荷。系統扭矩調整的算法核心是計算在當前彈簧剛度下應調整的角度差，圖3給出了加載扭矩控制流程圖。

3 試驗臺測控系統軟件

測控系統軟件以Windows為運行環境，具有簡明易用的可視化人機界面。測控系統軟件通過運動控制卡對伺服電動機進行精確的同步控制，可對諧波傳動特性同步自動地實現多路模擬量與數字量的信號采集。圖4給出了系統軟件功能模塊框圖。

4 試驗臺性能分析

4.1 扭桿特性實驗

為驗證本文所設計加載扭桿的特性，對扭桿進行18次不等距加載實驗，加載最大扭矩為32 N·m。彈性扭桿設計剛度3.805 N·m/(°)，實際測得扭桿剛度3.795 N·m/(°)，如圖5所示。在各測點處，實際扭桿剛度在理論值附近跳動，與理論剛度基本吻合，且在測試范圍內，扭桿剛度基本保持線性。測試結果驗證了本文所提出的扭桿加載方式的可行性。

4.2 速度穩定性

PMAC通過F指令設定連續運行期間的固定速度。理論上，諧波傳動在試驗時應處于勻速轉動狀態;由于電氣與機械的固有特性，實際上諧波傳動的運行速度始終處在小幅波動中。波動幅度是系統穩定性的衡量指標。

實測速度波幅時，輸入軸設定以200 r/min運轉，以1 kHz為采樣頻率，連續采樣25 s，測量結果如圖6所示。

試驗結果顯示:速度平均偏差率為0.18%，最大速度偏差率為0.693 1%。當諧波傳動運行在額定速度下，速度的波動幅度較小，速度穩定性好。

4.3 扭矩穩定性

扭矩穩定性以系統運行速度的波動幅度為評測標準。實測時，額定速度200 r/min，對諧波傳動輸出軸扭矩信號進行1 kHz的快速采樣，采樣時間4 000 ms，得出相應扭矩時域波動圖7。

試驗給出扭矩平均偏差率為0.794%。試驗臺扭矩控制比較穩定，優于設計目標。

4.4 試驗舉例

為測試本實驗臺性能，對某型號諧波傳動進行了系列試驗。圖8是該諧波傳動的剛度特性，測試程序按GB/T14118-93標準進行，測試過程中對被測諧波傳動實施正向—反向—正向加載，分步長進行，加載起點為扭矩值為0 N·m，加載扭矩穩定時進行數據采集。圖中，諧波傳動在0 N·m負載附近，由負載引起的角度變形量較大，說明諧波傳動柔輪和剛輪構件間存在間隙;越過這一區域后，諧波傳動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象。系統擬合所得試件的輸出剛度(圖中圈處數值1.300 998)與設計值基本相符。

5 結語

本文基于增強空間環境適應性和提高自動化程度，研制了一種新型的諧波傳動試驗臺——雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺，為空間環境下諧波產品高效動態測試提供了一種新的選擇。本試驗臺系統研制完成后，應用于某系列諧波傳動動態參數的測試，經反復試驗，證明了雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺的可行性與實用性。對比現有的各種試驗臺的加載原理及設計思想，雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺具有結構緊湊、可測參數多、控制簡單、可靠性高、反應速度快、自動化程度高、環境適應性強等諸多優點。

雙伺服扭桿加載諧波傳動試驗臺系統經過適當的改造，也適用于其他旋轉運動與扭矩傳動產品的性能試驗。

［1］Musser C W.The harmonic drive-breakthrough in mechanical drive design［J］.Machine Design，1960，32(8):160-170.

［2］Krishnan S，Voorhees C.The use of harmonic drives on NASA's mars exploration rover［J/OL］.NASA Center for Aero Space Information(CASI)，19-Nov-2001.http://hdl.handle.net/2014/13269.

［3］Kazerooni H.Dynamics and control of instrumented harmonic drives［J］.J Dyn Syst Meas Control，1995，3(117):9-15.

［4］Tuttle T D.Seering W P.A nonlinear model of a harmonic drive gear transmission［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation，1996，12(3):368-374.

［5］Taghirad H D.Robust torque control of harmonic drive systems(PhD_thesis)［D］.Montreal:McGill University，1997.

［6］Gandhi P S.A nonlinear observer for friction estimation and compensation in harmonic drives［C］.Power Electronics and Drive Systems，2003.PEDS 2003，2003，11(1):259-263

［7］Ghorbel F H.On the kinematic error in harmonic drive gears［J］.Journal of Mechanical Design，2001，123(1):90-97.

［8］沈允文，葉慶泰.諧波齒輪傳動的理論和設計［M］.北京:機械工業出版社，1985.

［9］辛洪兵，趙罘，秦宇輝.諧波齒輪傳動系統非線形扭轉振動分析［J］.機械科學與技術，2005，24(9):1040-1044.

［10］黃蓉，何鉞，唐建中，等.諧波齒輪振動探析［J］.機械傳動，1995，19(1):33-36.