三環內平動齒輪減速器性能測試系統的研究

沈兆奎，樊學贊，鞏玉雪(天津理工大學機械工程學院，天津300384)

三環內平動齒輪減速器性能測試系統的研究

沈兆奎，樊學贊，鞏玉雪
(天津理工大學機械工程學院，天津300384)

以某三環內平動齒輪減速器性能測試系統為研究對象，闡述其機械效率和角度傳遞誤差的測試原理和試驗方法，介紹該測試系統的硬件試驗臺的組成，并利用LabVIEW平臺設計了測試系統的數據采集軟件。該測試系統充分利用了計算機的處理能力，以較低的硬件成本實現了高精度測試，為三環內平動齒輪減速器的性能研究和優化改進提供參考。

三環內平動齒輪減速器;測試系統;機械效率;角度傳遞誤差

0　前言

平動齒輪減速器是一種利用平動齒輪機構原理制造的齒輪減速器。平動齒輪機構是由連桿機構和齒輪機構組合而成的組合機構。由連桿機構提供一個齒輪作平動，使之驅動另一個齒輪作定軸轉動，以實現減速輸出的目的［1-3］。而內平動齒輪減速器是由內齒輪做定軸轉動，外齒輪做平動，由于做平面運動的是齒輪嚙合當中內部的外齒輪，因此將這種傳動形式稱為內平動齒輪傳動［4-5］。三環內平動齒輪減速器因其有3片傳動環板取名為三環減速器，是一種傳動路線最短、承載能力最強且傳動比最大的減速器［6］。

三環內平動齒輪減速器相比較于傳統的齒輪減速器具有傳動比大、體積小、結構緊湊、重量輕、效率高、承載能力強等特點，可用作精密減速器應用于航空、航天及導彈、艦艇等高精尖領域，而在實際的應用過程中能否達到這些效果，針對其轉矩、轉速、轉角、機械效率等性能指標還需要不斷的進行試驗驗證，故研究開發了三環內平動齒輪減速器的性能測試系統。

我國目前減速器測試系統主要采用傳統分散型儀器儀表和裝置，但是其測試成本高、精度差、效率低、測試范圍窄、數據處理技術落后，測試結果已無法滿足生產所需數據的需要［7］。本文介紹的測試系統在采用高精度的圓光柵等測試裝置的同時，通過機械結構的設計保證裝置安裝的同軸度，并且采用LabVIEW平臺設計數據采集軟件，可對所得的數據進行采集、顯示、分析、保存和報表生成等處理。該測試系統不僅能測試三環內平動齒輪減速器的性能指標，而且能對得到的測試數據進行分析，進而為減速器的優化改進提供參考。

1　試驗原理及測試方法

1.1機械效率試驗

(1)測試原理。機械效率即減速器輸出功率與輸入功率的比值，可以通過測試減速器輸入輸出端的轉矩轉速，根據公式P=T*n/9550計算出減速器輸入輸出功率，從而得出減速器的機械效率。其中，P為減速器的輸入或輸出功率，kw;T為減速器輸入或輸出軸的扭矩，N·m;n為減速器輸入或輸出軸的轉速，r/min。

在實際安裝試驗裝置時，在減速器的輸入輸出端均有一個聯軸器與轉矩轉速傳感器連接，考慮到聯軸器的機械效率η1的影響，減速器的輸入功率變為

(2)測試方法。在三環內平動齒輪減速器輸入輸出端連接轉矩轉速傳感器，傳感器轉矩的測量采用應變電測原理，當應變軸受扭力影響產生變形后，粘貼在應變軸上的應變計阻值發生相應變化，經過壓/頻轉換，可轉變為頻率信號進行采集。同時，傳感器的測速碼盤連續旋轉時，通過光電開關輸出具有一定周期寬度的脈沖信號，根據碼盤的齒數和輸出信號的頻率可計算出轉速的數值。然后將轉矩轉速傳感器的接線端聯接至數據采集卡進行頻率信號的采集，通過工控機軟件對數據進行分析處理得到機械效率數值和波形曲線。

1.2角度傳遞誤差試驗

(1)測試原理。角度傳遞誤差θer是指輸入任意旋轉角θin時的理論輸出轉角與實際輸出轉角θout之間的差，θer=θin/i－θout;其中i為傳動比。輸入輸出轉角的測量通過采集高精度圓光柵的脈沖數，然后通過LabVIEW編程分析處理數據得到角度傳遞誤差。實際試驗時，取角度傳遞誤差數值的最大值。

(2)測試方法。測試時通過控制電機在低轉速下旋轉，每隔一段時間采樣一個點，如在減速器輸出軸的一轉內取72個測試點(即輸出軸每轉5°取一個值)，則對于輸出軸分別有72個理論轉角θin0/i，θin1/i，θin2/i，θin3/i，…，θin71/i和實際轉角θout0，θout1，θout2，θout3，…，θout71，并求得72個理論轉角與實際轉角之間的差值θer0，θer1，θer2，θer3，…，θer71;則取輸出軸角度傳遞誤差θer=max{θer0，θer1，θer2，…θer71}－min {θer0，θer1，θer2，…θer71}［9］。

2　測試系統的硬件設計

如圖1所示，三環內平動齒輪減速器測試系統的硬件平臺由磁粉制動器、變速箱、轉矩轉速傳感器、圓光柵、永磁同步電機和被試的三環內平動齒輪減速器組成，且安裝在指定的位置以保證高同軸度，其中磁粉制動器作為加載裝置，加載范圍為0～200 N·m，加載力矩經過變速箱增大后對被試三環內平動齒輪減速器進行加載，而永磁同步電機可實現精密驅動。圖2為減速器性能測試的示意圖，測試時由直流穩壓電源調節電流進而改變磁粉制動器加載力矩的大小，而轉矩轉速信號分別由減速器輸入輸出端的轉矩轉速傳感器提供，轉角信號由輸入輸出端的高精度圓光柵提供。轉矩轉速的采樣頻率信號和轉角的脈沖信號均通過數據采集卡采集，然后傳送給工控機軟件進行數據分析處理。

圖1　三環內平動齒輪減速器測試系統的硬件設計Fig.1 Hardware design of three-ring internal parallelmoving gear reducer testing system

圖2　三環內平動齒輪減速器性能測試示意圖Fig.2 Performance test schematic of three-ring internalparallelmoving gear reducer

3　測試系統的軟件設計

根據三環內平動齒輪減速器機械效率和角度傳遞誤差的測試原理和方法，在NI公司提供的PCI-6602數據采集卡和NI-DAQ驅動軟件的基礎上，利用LabVIEW軟件編寫了控制程序。測試系統程序流程圖如圖3所示。

程序設計的輸入輸出端轉角信號的采集和計算，包括DAQmx虛擬通道的創建，通道屬性節點的設置，角度傳遞誤差的計算公式等。程序設計的前面板包括兩類試驗選項:機械效率試驗和角度傳遞誤差試驗，均由參數輸入、數值顯示、波形圖顯示、測試結果和功能鍵組成。參數輸入區域可輸入被試件產品的基本信息、聯軸器的機械效率等參數，轉矩、轉速、轉角的實時顯示均在數值顯示區域內，功能鍵區域包括開始測試、退出測試、保存數據、報表生成等按鈕，數據可保存在Excel中，測試報表最終以word形式打印輸出。

圖3　減速器測試系統程序流程圖Fig.3 Program flow chart of reducer test system

4　試驗驗證

4.1機械效率試驗

在電機轉速r=25 r/min的條件下，對三環內平動齒輪減速器進行試驗測試，以驗證測試系統的準確性，磁粉制動器加載轉矩從0 N·m到450 N·m，實驗結果如圖4所示，當加載轉矩為100 N·m時，減速器的機械效率達到0.800，當加載轉矩達到300 N·m后，機械效率穩定在0.948 0，減速器的機械效率曲線整體復合試驗預期。

圖4　機械效率曲線Fig.4 Mechanical efficiency curve

4.2角度傳遞誤差試驗

在電機轉速r=25 r/min、空載的條件下，進行減速器角度傳遞誤差試驗，試驗結果如圖5所示，在輸出軸旋轉360°的情況下測得maxθer為20″，minθer為－21″，角度傳遞誤差為41″，試驗測得的角度傳遞誤差曲線形狀復合試驗預期，角度傳遞誤差偏大，減速器結構需要進一步優化。

圖5　角度傳遞誤差曲線Fig.5 Angle transmission error curve

5　結論

本文介紹了三環內平動齒輪減速器的轉矩、轉速、機械效率和角度傳遞誤差的測試原理和方法，搭建了測試系統的硬件平臺，并利用Lab-VIEW編程設計了數據采集軟件，完成對各參數的信號采集、分析處理。該測試系統不僅在硬件上采用了高精度的測試裝置、機械設計上保證了高同軸度，還利用LabVIEW測試平臺代替傳統的測試儀器，進一步提高了系統的測試精度;通過實際試驗測試驗證了該系統的可行性;應用于三環內平動齒輪減速器的主要性能指標測試，為減速器的進一步優化改進提供參考。

［1］張春林，姚九成．平動齒輪機構的基本型與其演化的研究［J］．機械設計與研究，1998(3):29－30．

［2］姚九成，趙國軍．平動齒輪機構的演化與創新［J］．江漢石油學院學報，2002(2):103－105．

［3］張春林，榮輝，黃祖德．圓平動齒輪傳動的研究［J］．北京理工大學學報，1996(3):267－272．

［4］魏武濤．內平動齒輪傳動仿真研究［J］．裝備制造，2009(4):127，149．

［5］高英，王松雷，殷玉楓．基于Pro/E的內平動齒輪減速器建模及運動仿真［J］．機械研究與應用，2008(1):105－107．

［6］蔣施恩．一種新型減速器—三環減速器［J］．冶金礦山設計與建設，1994(2):54－56．

［7］韓敏，劉坤，吳開春，等．諧波齒輪減速器效率測試系統的研究［J］．機床與液壓，2010，38(12): 90－92．

［8］萬筱劍，姚志飛，孔翔，等．諧波齒輪減速器虛擬測試系統的研究［J］．制造業自動化，2011，33 (7):15－18．

［9］秦曉峰．機械傳動試驗臺測控系統的設計［D］．重慶:重慶大學，2007．

Study on performance test system of three-ring internal parallelmoving gear reducer

SHEN Zhao-kui，FAN Xue-zan，GONG Yu-xue
(Mechanical Engineering Department，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

In this paper，taking a performance test system of three-ring internal parallelmoving gear reducer as the research object，the test principles and methods ofmechanical efficiency and angle transmission error are described，and hardware compositions of the test bench are introduced．The data acquisition software of the testing system is designed by LabVIEW．The system makes full use of computer's processing power，achieves high precision testing at a relatively low hardware cost，and provides reference for performance study and optimization of three-ring internal parallelmoving gear reducer．

three-ring internal parallelmoving gear reducer;test system;mechanical efficiency;angle transmission error

TH132

A

1001－196X(2015)02－0038－04

2014－01－11;

2014－08－28

沈兆奎(1958－)，男，天津理工大學教授，研究方向:機電傳動與控制。

樊學贊(1988－)，男，天津理工大學碩士研究生。