柔性軸承疲勞壽命試驗機檢測系統的設計

北京工商大學材料與機械工程學院 張 帆 辛洪兵 郭瑞君 鄧 曼

1 引言

柔性軸承是諧波齒輪傳動裝置實現諧波傳動的重要構件，隨著諧波齒輪傳動的應用日益廣泛，用戶提高對柔性軸承壽命和性能的要求，軸承試驗設備和試驗方法將不斷深入優化研究，柔性軸承疲勞壽命試驗技術將得到迅猛發展與廣泛的應用[1]。由于柔性軸承的疲勞斷裂是影響諧波傳動失效的重要因素之一，隨著不斷深入的研究柔性軸承，人們廣泛關注其疲勞壽命及使用可靠性。由于對柔性軸承疲勞壽命產生影響的因素存在很多，因此采取壽命試驗則為對這項指標進行審定的重要方法。目前國內柔性軸承生產商及軸承疲勞壽命試驗機生產商均未有針對柔性軸承主要失效形式的試驗機。柔性軸承疲勞壽命試驗機的設計，對于校核與檢驗柔性軸承疲勞壽命及對諧波齒輪減速器的失效研究具有重要意義。

圖1 設計原理圖

2 試驗機設計原理

試驗機的設計原理圖如圖1所示。在柔性軸承中裝入凸輪，構成諧波傳動的凸輪式波發生器裝置，此時柔性軸承內圈和柔性軸承外圈都處于變形狀態。在機架上固定凸輪，并將傳動帶繞過傳動輪，包圍變形后的柔性軸承外圈凸起區域，驅動器通過傳動輪驅動傳動帶轉動，進而帶動柔性軸承外圈轉動，因柔性軸承外圈處于變形狀態，當柔性軸承外圈轉動時，其上每一點都處于交變應力狀態，通過探傷傳感器和轉數傳感器檢測柔性軸承外圈斷裂和開始測試到發生斷裂時的轉動圈數，即可確定柔性軸承的疲勞壽命。用張緊輪調節裝置調整傳動帶中的張力，可以改變傳動帶對變形后柔性軸承的作用力。由于傳動帶對處于強制變形的柔性軸承凸起區域施加的是分布載荷，通過該技術方案可以模擬柔性軸承的實際工作狀態。

3 檢測系統的設計

3.1 檢測系統的組成

檢測系統的硬件平臺主要由電渦流傳感器、旋轉編碼器、采集卡、線纜以及PC機組成；軟件平臺主要由codewar r ior和Labview組成。

電渦流傳感器在柔性軸承外圈轉動的過程中實時監測外圈震動情況，當軸承外圈斷裂時，檢測傳感器輸出較大電壓信號，通過電腦數據處理，停止轉數、工作時長累計。根據旋轉編碼器的輸出脈沖數可以求得軸承的轉數。

3.2 下位機設計

下位機負責數據采集、數據處理，采集卡的核心是ARM KL25微處理器，該采集卡可以實現AD轉換和脈沖捕捉等功能。

（1）AD轉換模塊

采集卡具有16位模擬-數字轉換器，是一個逐次逼近的ADC，該模塊負責將電渦流傳感器輸出的電壓信號經過AD轉換，傳輸至上位機。

AD模塊程序：

voidADC_init()

{

SIM_SCGC6|=SIM_SCGC6_ADC0_MASK;

ADC0_CFG1=0X00000010;

ADC0_CFG2=0X00000000;

ADC0_SC2=0X00000000;

ADC0_SC3=0X00000008;

ADC0_SC1A=0X00000007;

}

（2）TPM脈沖捕捉模塊

TPM(定時器/脈寬調制模塊)共有3個模塊TPM0、TPM1、TPM2，TPM0有6個通道，TPM1和TPM2有兩個通道。TPM支持輸入捕捉、輸出比較，并且能產生PWM信號來控制電機。通過異步時鐘，可以讓計數器、輸出比較和輸入捕捉寄存器工作在低功耗模式下。所以KL25的TPM模塊又可以稱為LPTPM。

TPM的基本定時器部分是一個遞增的計數器，通過設定模塊的溢出值，當計數器遞增到該數值是產生一個中斷，可以通過選擇時鐘源和溢出值設定該計數器的頻率。

TPM模塊除基本定時功能以外，還有輸入捕捉、輸出比較、脈寬調制等功能。捕獲動作發生在上升沿、下降沿或者是上升/下降沿上。該模塊負責將旋轉編碼器輸出的脈沖信號經過脈沖捕捉將脈沖數傳輸至上位機。

TPM脈沖捕捉程序：

void TPM1_Init()

{

SIM_SOPT2 |= SIM_SOPT2_TPMSRC(1);

SIM_SOPT2 |= SIM_SOPT2_PLLFLLSEL_MASK;

SIM_SCGC6 |= SIM_SCGC6_TPM1_MASK;

SIM_SCGC5 |= (SIM_SCGC5_PORTA_MASK

| SIM_SCGC5_PORTB_MASK

| SIM_SCGC5_PORTC_MASK

| SIM_SCGC5_PORTD_MASK

| SIM_SCGC5_PORTE_MASK );

PORTA_PCR12=PORT_PCR_ISF_MASK|PORT_PCR_MUX(0x3);

TPM1_CNT = 0;

TPM1_MOD = 1050;

TPM1_SC|=TPM_SC_TOIE_MASK;

TPM1_SC|=TPM_SC_CMOD(1);

TPM1_C0SC = TPM_CnSC_ELSA_MASK|TPM_CnSC_CHI E_MASK;

TPM1_C0V=0;

enable_irq(18);

}

3.3 上位機設計

上位機負責數據顯示和數據存儲等，采用Labview來實現該功能；下位機發送的數據經過串口傳輸至上位機，上位機編寫程序框圖，設計人機交互界面，實現上下位機之間的通訊。

使用Labvi ew開發平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱VI。VI包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標/鏈接器。程序前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Cont r ol s），輸出量被稱為顯示（Indicat or s）。控制和顯示是以各種圖標形式出現在前面板上，如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等，這使這得前面板直觀易懂。

每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統程序的源代碼。框圖程序由端口、節點、圖框和連線構成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數據，節點被用來實現函數和功能調用，圖框被用來實現結構化程序控制命令，而連線代表程序執行過程中的數據流，定義了框圖內的數據流動方向。上位機顯示界面如圖2所示。

圖2 顯示界面

4 結束語

柔性軸承疲勞壽命試驗機檢測系統和機械系統共同組成整套試驗機，可以完成具體型號軸承在空載荷和變載荷條件下疲勞壽命試驗，并將實驗結果與理論壽命對比分析。該試驗機的設計檢驗柔性軸承疲勞壽命及對諧波齒輪減速器的失效研究具有重要意義。

[1]李興林,張仰平,張燕遼.軸承疲勞壽命試驗技術發展趨勢[J].軸承,2005(2):42-43.

[2]辛洪兵.諧波傳動的國內外發展現狀與趨勢[J].現代制造,2009,(35):8-10.

[3]孫瑞濤,辛洪兵,丁熙元,鄭偉智,秦宇輝.諧波齒輪傳動系統動力學特性研究概述[J].機械工程師,2002(06).

[4]王宜懷,朱仕浪,郭蕓.嵌入式技術基礎與實踐(第3版).北京:清華大學出版社,2013,8.

[5]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程(第2版).北京:北京航空航天大學出版社,2008,9.