諧波減速器傳動效率控制系統的設計

饒建紅，李鐵才，石 堅

(1.深圳航天科技創新研究院 深圳市網絡信息電器重點實驗室，廣州 深圳 518057； 2. 哈爾濱工業大學 深圳研究生院，廣州 深圳 518067)

諧波減速器傳動效率控制系統的設計

饒建紅1，李鐵才2，石 堅2

(1.深圳航天科技創新研究院 深圳市網絡信息電器重點實驗室，廣州 深圳 518057； 2. 哈爾濱工業大學 深圳研究生院，廣州 深圳 518067)

介紹了一種測試諧波減速器傳動效率的控制系統，對該控制系統的硬件及軟件部分分別給出了詳細的介紹，硬件部分主要包括交流伺服電機、力矩電機、扭矩傳感器、磁粉制動器、運動控制卡和數據采集卡等。力矩電機與磁粉制動器的結合使用為系統提供大范圍且高精度加載。另外，運用模塊化的編程方式進行了軟件系統設計，設計的人機界面簡單友好，易于操作。該套測試系統以較低的成本實現了高精度、高性能的測試。

諧波減速器; 傳動效率; 控制系統

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方式。由于具有體積小、重量輕、傳動比大、精度高等特點，目前在各個領域得到廣泛的應用。評估諧波減速器的傳動性能的好壞成為目前減速器行業急需解決的難題[1-2]。

傳動效率是諧波減速器兩項重要指標之一。文獻[3]及文獻[4]所提到的測試方法中所需測試的物理量較多，包括電壓、電流、轉矩及轉速多個物理量的測量，最后會造成所得到的結果相對誤差較大。文獻[5]中用磁粉制動器作為整個系統的加載裝置使得系統的加載精度相對較低。針對上述的不足，提出了一種新的控制系統用來測試諧波減速的傳動效率，根據文獻[6]，諧波減速器的效率可以簡化為諧波減速器輸入軸與輸出軸的扭矩值之比，測試的物理量相對較少，由誤差傳播規律可知，最后得出的效率的相對誤差限為兩個扭矩相對誤差限之差。

此測試系統主要包括硬件平臺的搭建和軟件系統的設計。硬件部分主要包括驅動電機、力矩電機、磁粉制動器、扭矩傳感器、數據采集卡、運動控制卡和工控機等。軟件部分是基于Labview2009圖形化編程語言，采用模塊化的設計方式[7]，主要包括電機驅動模塊、數據采集模塊、波形顯示及數據處理模塊等。軟件方便移植及維護且用戶界面友好，操作簡單，方便快捷。

1 主要性能測試原理及方法

1.1 測試原理

諧波減速器傳動效率為輸出端功率P2與輸入端功率P1之比，具體表達式如下所示：

(1)

(2)

(3)

式中：η——諧波減速器效率；

η′——聯軸器總的效率；

T2——諧波減速器輸出軸扭矩；

T1——諧波減速器輸入軸扭矩；

ε——諧波減速器減速比

1.2 測試方法

驅動電機(交流伺服電機)帶動諧波減速器、力矩電機、磁粉制動器以某一恒定的轉速運行，在諧波減速器兩端安裝扭矩傳感器，通過數據采集卡的高頻脈沖輸入端采集扭矩傳感器信號，由式(3)得到諧波減速器的傳動效率[8]，測試不同工況下(轉速變化或者負載變化)的諧波減速器效率。

2 測試系統總體設計

測試系統平臺示意圖如圖1所示。

圖1 測試系統平臺示意圖

2.1 測試系統硬件部分設計

測試系統硬件部分主要由交流伺服電機(驅動源)、力矩電機、磁粉制動器、扭矩傳感器、工業計算機、PCI-7352運動控制卡和數據采集卡組成。圖2是各個組件部分連接關系示意圖。

圖2 硬件連接示意圖

2.2 測試系統軟件部分設計

軟件部分采用模塊化的設計方式，減少代碼冗余，方便代碼移植及維護。主要包括電機驅動模塊、力矩加載模塊、信號采集模塊和實驗報告自動生成模塊。

由式(3)可以得出，系統測試的關鍵在于力矩加載的穩定，因此如何實現高精度的加載是該系統的關鍵所在。系統加載由力矩電機與磁粉制動器完成，當系統所需負載小于20N.m時(由力矩電機最大扭矩決定)，可單獨由力矩電機進行加載，磁粉制動器此時不工作，如果所需負載大于上述值時，由程序控制首先讓磁粉制動器加載，直到此時扭矩傳感器值為所需負載力矩值0.9倍時，保持磁粉制動器所給定的電壓值不變，同時啟動力矩電機，控制力矩電機使其與扭矩傳感器形成力矩閉環，從而為系統提供精確的扭矩值。系統加載框及程序流程圖分別如圖3和圖4所示。

扭矩傳感器通過數據采集卡的高速脈沖輸入端口，通過換算得到系統的扭矩值，最后根據公式(3)得到諧波減速器的效率值。

程序面板由參數輸入、數據顯示、波形顯示和實驗報告生成等一些功能鍵組成。數據顯示主要用來顯示測試過程中一些重要的物理量，如驅動電機速度、負載扭矩值和傳動效率等，通過波形實時動態顯示一些物理量的變化趨勢。最后在測試完成時，點擊生成試驗報告按鈕，自動生成word格式實驗報告[9]，附有實驗數據表格及實驗數據曲線，方便快捷，簡化測試的步驟，節約整個測試的時間，見圖5和圖6。

圖3 系統加載框圖

圖4 加載程序流程圖

圖5 傳動效率測試前面板

圖6 實驗報告程序框圖

3 實驗結果及波形

驅動電機為臺達交流伺服電機，兩個扭矩傳感器精度均為0.5%，選用Akribis力矩電機及磁粉制動器作為系統負載，所能提供的最大扭矩為100N.m，表1為型號XB1-100-100諧波減速器在各個轉速和負載下所測得的平均效率值，由所測得的數據可以看出，在同轉速下，負載越大(小于諧波減速器最大負載)，諧波減速器的傳動效率越高；在相同負載下，轉速越高，諧波減速器的傳動效率越低。

表1 諧波減速器的傳動效率

圖7 力矩波形圖(1)

圖8 力矩波形圖(2)

圖7和圖8都為驅動電機轉速為200rpm，給定負載為100N.m下所測得的力矩波形圖。圖7為力矩電機與磁粉制動器共同加載的波形圖，圖8為單獨由磁粉制動器加載的波形圖。從結果可以看出采用力矩電機與磁粉制動器相結合的方法使得加載精度較高，提高了系統測試的精度。

4 結束語

該套測試系統的設計通用性強，硬件只需作少許的改動就可以測試諧波減速器另一項指標—傳動誤差。軟件部分通過調用通用的模塊進行組合，就可以完成傳動誤差測試的軟件編程。用戶界面簡潔，易于操作，測試方便快捷。通過多次實驗，體現了該套系統具有可靠性好，測試精度高等優點。

[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]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].制造業自動化，2011，4(33)：15-16.

[3]韓敏，劉坤，吳開春，等.諧波齒輪減速器測試系統的研究[J].機床與液壓，2010(38)：90-91.

[4]蔡振，呂新生，李志遠，等.基于虛擬儀器的微型減速器機械效率測試系統[J].儀表技術與傳感器，2008(10)：31-33.

[5]胡利永，鄭堤.齒輪蝸桿減速機效率動態測量[J].機床與液壓，2005(10)：149-150.

[6]GB/T 14231-93, 齒輪裝置效率測定方法[S].

[7]李曼，馮華光.減速器性能測試虛擬儀器的研究與開發[J].組合機床與自動化加工技術，2006(1)：33-34.

[8]孫瑞濤，辛洪兵，丁熙元，等.諧波齒輪傳動系統的各誤差分量及其綜合[J].北京工商大學學報(自然科學版)，2002，20(1)：49-50.

[9]駱慶.基于LABVIEW的蝸桿減速器測試系統[J].機電工程，2007，24(8)：109-110.

(編輯 趙蓉)

A Control System Design of Testing Harmonic Drive Reducer Transmission Efficiency

RAO Jian-hong1, LI Tie-cai2, SHI Jian2

(1.Shenzhen Key Laboratory of Network information Appliance, Shenzhen Academy of Aerospace Technology,Shenzhen Guangzhou 518057,China; 2.Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, Shenzhen Guangzhou 518067,China)

A control system is designed to test transmission efficiency of harmonic drive reducer. Hardware and software design of the system are introduced respectively. Hardware system is composed of AC servo motor, torque sensor, torque motor, magnetic powder brake, data acquisition card etc. Wide range and high precision load is realized because of torque motor and magnetic powder brake used in combination. Function modules are used in software system. Human-machine interface designed is friend and maneuverable. The system designed in low cost is of high-precision and high-performance.

harmonic reducer; transmission efficiency; control system

1001-2265(2014)06-0055-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.015

2013-09-24；

2013-10-24

饒建紅(1983—)，女，江西撫州人，深圳航天科技創新研究院工程師，主要從事運動控制系統方面的研究，(E-mail)qiushui0451@163.com。

TH132; TG65

A