諧波減速器傳動誤差動態測試系統的設計與研究

饒建紅，石 堅

RAO Jian-hong1,SHI Jian2

（1.深圳航天科技創新研究院，深圳 518057；2. 哈爾濱工業大學 深圳研究生院，深圳 518055）

0 引言

諧波齒輪傳動是20世紀50年代發展起來的一種原理創新的傳動形式。它具有體積小、重量輕、傳動比大和精度高等特點,目前被廣泛應用在航空航天、儀器儀表、機器人和雷達等需要精密定位的領域[1]。

傳動誤差是衡量諧波減速器傳動精度重要指標之一。雖然減速器傳動誤差可通過理論設計計算確定，但由于影響因素較多，理論計算結果只是近似值，只能作為參考。必須通過實驗的方法來確定減速器實際的傳動誤差。目前諧波減速器傳動誤差的測試大多屬于靜態測試，只能顯示低頻成分，而不能呈現傳動誤差的高頻成分。因此需要設計一套諧波減速器傳動誤差動態測試系統[2,3]。

該系統設計包括兩個部分，硬件系統和軟件系統的設計。硬件部分由驅動電機(交流伺服電機)、力矩電機、磁粉制動器、扭矩傳感器、NI PCI-7352運動控制卡及數據采集卡等構成。軟件部分采用圖形化的編程語言Labview,運用模塊化的設計結構，設計了電機控制模塊，數據采集模塊，數據波形顯示及實驗報告自動生成模塊等， 易于代碼維護及移植。

圖1 實驗平臺示意圖

1 測試原理及方法

1.1 傳動誤差的計算

在諧波減速器輸出軸的一周內取若干個測試點，分別求出每一點的理論轉角與實際轉角的偏差，從而得出輸出軸一周內的傳動誤差曲線[4]。

式中：ΔΦ1為輸入軸轉角；

Δφ2′為輸出軸理論轉角；

i 為減速比；

Δφ2 為輸出軸實際轉角；

δ為傳動誤差。

1.2 測試方法

驅動電機作為系統的動力源帶動諧波減速器、力矩電機與磁粉制動器以某一恒定的速度運行。在系統運行過程中，通過實時采集兩軸電機編碼器計數值，得出減速器兩端所轉過的角度，從而得出諧波減速器的傳動誤差[5]，其測試實驗平臺示意圖如圖1所示。

1.3 測試系統硬件設計

測試系統測試平臺主要由工業計算機、PCI-7352運動控制卡、電機（+驅動器）、數據采集卡和扭矩傳感器等硬件組成，各部分連接示意圖如圖2所示。

圖2 測試系統硬件連接示意圖

由于加載范圍廣且精度要求較高，于是采用磁粉制動器與力矩電機相結合的方式為系統提供負載扭矩。數據采集卡將采集到的扭矩反饋信號送入運動控制卡的模擬輸入端，從而控制力矩電機形成一個力矩閉環實現精確加載。系統加載框圖如圖3所示。

圖3 力矩加載示意圖

1.4 測試系統軟件設計

軟件采用Labview編程，運用模塊化的設計方式，方便程序維護及代碼移植，減少代碼冗余量。程序主要包括驅動電機控制模塊、力矩電機控制模塊、扭矩采集模塊、磁粉制動器控制模塊、位置觸發模塊和實驗報告自動生成模塊。

測試系統前面板如圖5所示，主要包括一些系統參數設置，控制命令按鈕，數據波形顯示及數據處理功能，方便軟件系統維護，界面簡單明了，易于操作。

圖4 測試系統總體框架圖

圖5 測試系統前面板

1.5 同步采集

傳動誤差是通過計算諧波減速器輸入軸和輸出軸轉角偏差得到，而計算電機角度是由電機編碼器計數值間接得到的。由式（1）、式（2）可以得出第k個采樣時刻系統的傳動誤差值：

式中： N'k為第k個采樣時刻輸出軸編碼器計數值；

Nk為第k個采樣時刻輸入軸編碼器計數值；

Nk?1為第k-1個采樣時刻輸入軸編碼器計數值；

M2為輸出軸編碼器分辨率；M1為輸入軸編碼器分辨率。

由式（2）、式（3）可知，計算減速器傳動誤差歸根結底在于在同一時刻得出減速器輸入軸和輸出軸編碼器計數值，因此如何實現兩個電機編碼器信號同步采集是該測試系統關鍵所在。

PCI-7352為兩軸運動控制卡，具有2個高速位置捕獲trigger端口，分別對應X軸和Y軸位置捕獲，當使能trigger端時，控制卡會捕捉當前所對應的電機編碼器計數值，同時將其鎖存至緩沖區直到下一個使能信號而發生改變，本設計中采用一個Digital Output（DO）作為兩軸trigger端輸入信號，控制該DO端高低電平的變化使能高速位置捕獲端口，同時得出兩個電機編碼器計數值，從而從硬件上實現了信號采集的同步。程序流程如圖6所示。

圖6 同步采集算法

圖7 同步采集程序框圖

2 實驗結果及波形

常溫下運用該測試系統在不同轉速下及不同負載下進行測試。如圖8所示曲線為驅動電機轉速50rpm，負載力矩為100N.m下所測得的傳動誤差。

圖8 傳動誤差曲線

圖9 扭矩波形曲線

3 結論

本文介紹了諧波減速器傳動誤差動態測試的方法、測試原理及硬件實驗平臺的搭建。同時，運用Labview進行軟件編程，實現了對電機的閉環控制、系統的精確加載及信號的采集等功能，界面友好，操作簡單。通過實驗數據可知，該套測試系統功能良好、精度較高和可靠性好，以較低成本實現了動態測試諧波減速器的傳動誤差。

[1] 陽培,張立勇.諧波齒輪傳動技術發展概述[J].機械傳動,2005,3(1):15-19.

[2] 辛洪兵.諧波傳動技術及其研究動向[J].北京輕工業學院學報,1999,17(1):30-35.

[3] 萬筱劍,姚志飛,孔翔.諧波齒輪減速器虛擬測試系統的研究[J].制造業自化,2011(4):15-16.

[4] 秦宇輝,辛洪兵,李增,等.諧波減速器傳動性能的實驗研究.北京工商大學學報(自然科學版)[J].2004,22(3):18-20.

[5] 嚴金榜.諧波減速器傳動鏈誤差測量儀設計[J].計量與測試技術,2005(2):4,7.

[6] 于慶廣,劉葵,王沖,等.光電編碼器選型及同步電機轉速和轉子位置測量[J].電器傳動,2006,36(4):17-20.