內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉艷玲，姜佳怡，沈兆奎，孫建武

(天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉艷玲，姜佳怡，沈兆奎，孫建武

(天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

介紹了內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的基本組成及無(wú)負(fù)載工況下動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，闡述了該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及基于LabVIEW平臺(tái)的測(cè)控軟件的開(kāi)發(fā)。對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)，不僅能通過(guò)具體數(shù)據(jù)分析該動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)性能,還可以為之后進(jìn)行減速器加載試驗(yàn)提供必要依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)可以滿足減速器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)要求。

內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)；測(cè)控系統(tǒng)；LabVIEW

0 前言

內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器是由外齒輪做平動(dòng)、內(nèi)齒輪做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的減速器，其傳動(dòng)路線短、承載能力強(qiáng)且傳動(dòng)比大[1]。作為一種高精度減速器，其主要應(yīng)用于我國(guó)航空、航天及導(dǎo)彈、艦艇等軍工項(xiàng)目，因而對(duì)其綜合性能進(jìn)行試驗(yàn)研究具有十分重大的意義。內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器的動(dòng)態(tài)性能對(duì)于其可靠性及整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性影響較大，因而驗(yàn)證其動(dòng)態(tài)性能是否滿足要求是必不可少的步驟。而研制內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)于分析內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器的動(dòng)態(tài)性能可謂是首當(dāng)其沖。

目前，國(guó)內(nèi)的減速器性能檢測(cè)，特別是動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)，多采用分散性儀表檢測(cè)、人工記錄，這導(dǎo)致減速器的檢測(cè)成本及檢測(cè)范圍和精度已不適應(yīng)當(dāng)代減速器的發(fā)展。與此同時(shí)，內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器作為一種較為先進(jìn)的減速器，與之匹配的性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)也處于初步階段[2-3]。動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)與靜態(tài)性能的檢測(cè)相比，不論從硬件還是軟件上，都更為復(fù)雜。

本文介紹的內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件，主要依據(jù)NI公司的PCI-6602數(shù)據(jù)采集卡和NI-DAQ驅(qū)動(dòng)軟件，利用LabVIEW軟件編寫動(dòng)態(tài)性能測(cè)控系統(tǒng)軟件，完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，最終繪制滯后曲線、生成報(bào)表。LabVIEW平臺(tái)在測(cè)試測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有較好的人機(jī)交互界面，是一種基于G語(yǔ)言的32位編譯型圖形化編程語(yǔ)言。

1 內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)

1.1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的組成

圖1為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)，其主要由驅(qū)動(dòng)設(shè)備、傳感器、待測(cè)減速器及加載設(shè)備搭建而成。該試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)要求高度的同軸度，選用的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x自身的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與主軸用聯(lián)軸器連接，而選用的圓光柵采用錐面安裝方式，與回轉(zhuǎn)支撐配合安裝調(diào)試，糾正了回轉(zhuǎn)軸的偏心，確保安裝精度。此外，平臺(tái)支撐板上的導(dǎo)向柱也極大地確保該試驗(yàn)臺(tái)的同軸度及位置要求。

1.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)工作原理

設(shè)置轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等條件后，啟動(dòng)電機(jī)，經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)待測(cè)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，兩端連接的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x分別檢測(cè)輸入轉(zhuǎn)矩頻率和輸出轉(zhuǎn)矩頻率，高精度圓光柵分別檢測(cè)輸入轉(zhuǎn)角信號(hào)和輸出轉(zhuǎn)角信號(hào)，轉(zhuǎn)矩的采樣頻率信號(hào)和轉(zhuǎn)角的脈沖信號(hào)均通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡PCI6602采集，并在PC機(jī)上經(jīng)LabVIEW開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理等工作。在試驗(yàn)臺(tái)末端，經(jīng)減速器反裝提高轉(zhuǎn)速，可大大縮小所需制動(dòng)器的尺寸。測(cè)試時(shí)磁粉制動(dòng)器加載力矩的大小由直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)電流控制。

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電氣及硬件設(shè)計(jì)

圖2所示為動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)電氣及硬件結(jié)構(gòu)圖，其中電氣設(shè)計(jì)主要是將工業(yè)380V電壓經(jīng)變壓器變?yōu)槿?00V，經(jīng)電抗器，連接交流接觸器、伺服驅(qū)動(dòng)單元，最終接到伺服電機(jī)。而磁粉制動(dòng)器所需的24V和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x的12V分別由各自的變壓器由單相220V變壓所得。圓光柵所需的5V由屏蔽式BNC接線盒提供。

而硬件設(shè)計(jì)選用的高精度圓光柵的刻劃精度小于±0.5角秒，讀數(shù)頭的細(xì)分誤差保持在±40nm以下，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x的固有頻率為10kHZ，轉(zhuǎn)矩誤差≤0.2%，且重復(fù)性和滯后性較小。各傳感器將檢測(cè)所得信號(hào)經(jīng)屏蔽式BNC接線盒傳入PCI6602數(shù)據(jù)采集卡，需要根據(jù)圓光柵的各個(gè)引腳定義，將待測(cè)信號(hào)、計(jì)數(shù)方向、內(nèi)部時(shí)基信號(hào)分別接入屏蔽式BNC接線盒的GATE端、AUX端、SOURCE端，根據(jù)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x的信號(hào)類型將其信號(hào)接入GATE端，進(jìn)而合理分配至各計(jì)數(shù)器。其中數(shù)據(jù)采集卡PCI6602擁有8個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和32條與TTL/CMOS兼容的數(shù)字I/O線，80MHz最大源頻率 (使用預(yù)定標(biāo)度可達(dá)125MHz)，可執(zhí)行3種同步高速DMA轉(zhuǎn)換，完成對(duì)輸入頻率信號(hào)的預(yù)處理，且與LabVIEW的兼容性較好，滿足試驗(yàn)過(guò)程所需的通道數(shù)及頻率限制的要求。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)高精度圓光柵的性能指標(biāo)，設(shè)置CI-位置-角度編碼器的計(jì)數(shù)器、脈沖每轉(zhuǎn)值及解碼類型等。先由DAQmxCreateChannel.vi創(chuàng)建虛擬通道，通過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)設(shè)置各PFI的信號(hào)位置。DAQmxStartTask.vi開(kāi)始數(shù)據(jù)采集并連續(xù)將從硬件通道采集的數(shù)據(jù)放入緩存區(qū)，DAQmxRead.vi在計(jì)數(shù)器任務(wù)中讀取單個(gè)浮點(diǎn)采樣，將該采樣值進(jìn)行所需要求的數(shù)據(jù)處理，供用戶調(diào)用。程序經(jīng)布爾元件控制啟停，當(dāng)停止后，DAQmxClearTask.vi清除任務(wù)，釋放資源。根據(jù)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x的信號(hào)類型，只需設(shè)置CI-頻率的計(jì)數(shù)器，但屬性節(jié)點(diǎn)除需設(shè)置PFI外，還需設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制及數(shù)據(jù)濾波器，這是為轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)頻率信號(hào)設(shè)置最小脈沖寬度以屏蔽外在干擾。通過(guò)DAQmxTiming(Implicit).vi設(shè)置采樣模式和每通道采樣數(shù)后，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集和處理等。若驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持高電平或低電平時(shí)，LabVIEW測(cè)量脈沖的子VI會(huì)超時(shí)報(bào)錯(cuò)，可解除錯(cuò)誤捆綁后通過(guò)條件結(jié)構(gòu)刪除其code代碼控制的錯(cuò)誤，即在驅(qū)動(dòng)信號(hào)受到?jīng)_激干擾時(shí)仍可保證程序的連續(xù)運(yùn)行，防止中斷。

圖2 動(dòng)態(tài)性能測(cè)控系統(tǒng)電氣及硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Part of program block diagram for dynamic performance testing

此外，LabVIEW為用戶提供大量可被層次化無(wú)限調(diào)用的函數(shù)，通過(guò)子VI調(diào)用可簡(jiǎn)化程序易于修改[4]。利用ActiveX技術(shù)調(diào)用MicrosoftWord的自動(dòng)化服務(wù)器，利用計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)和多媒體技術(shù)，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理推向后臺(tái)，可快速高效的生成包括文字、表格、圖表等在內(nèi)的專業(yè)的試驗(yàn)報(bào)告[5]。動(dòng)態(tài)性能測(cè)試前面板主要?jiǎng)澐譃樵囼?yàn)信息填寫、數(shù)值顯示和波形顯示三個(gè)區(qū)域。其中的波形為輸入輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩與時(shí)間的實(shí)時(shí)波形圖。

3 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)與分析

內(nèi)平動(dòng)減速器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)需要伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有快速響應(yīng)等高品質(zhì)性能，因而進(jìn)行無(wú)負(fù)載工況下的動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)也是必不可少的步驟[6]。設(shè)置磁粉制動(dòng)器的激磁電流調(diào)節(jié)為零，此時(shí)的加載力矩為零，即無(wú)負(fù)載工況，試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)為分析試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性提供依據(jù)，確保試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是進(jìn)行減速器動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)的前提條件。

3.1 無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是指無(wú)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)減速器所需的輸入軸(輸入齒輪)的轉(zhuǎn)矩。圖3所示為無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的輸出軸換算值。電機(jī)軸換算無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N·m)為輸出軸換算轉(zhuǎn)矩與速比R的比值。圖3中的值是減速器單體磨合運(yùn)轉(zhuǎn)后的平均值。

圖3 無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的輸出軸換算值Fig.3 Converting no-load torque to output shaft torque

3.2 試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)

設(shè)置伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為60r/min，得到如圖5所示的無(wú)負(fù)載工況下的輸入轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線和輸出轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線，從圖4可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程中，上升時(shí)間小于0.1s，運(yùn)行電機(jī)后，輸入轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定在60r/min，輸出轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在0.738r/min，且其速度比值約為被測(cè)減速器的設(shè)計(jì)傳動(dòng)比81，速度波動(dòng)范圍滿足試驗(yàn)要求，由此表明，該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)及其檢測(cè)的穩(wěn)定性可以滿足內(nèi)平動(dòng)減速器動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)的試驗(yàn)要求。

圖4 轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線Fig.4 Speed-time curve

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有對(duì)內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器的測(cè)試方法及試驗(yàn)平臺(tái)的不足，本文提出了一種內(nèi)平動(dòng)齒輪減速器動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)臺(tái)方案及對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。該測(cè)控系統(tǒng)在硬件上選用高精度檢測(cè)設(shè)備及快速穩(wěn)定且兼容性好的通信器件，軟件上基于LabVIEW開(kāi)發(fā)出可操作性強(qiáng)、可靠性高、界面友好的檢測(cè)軟件。而在無(wú)負(fù)載工況下進(jìn)行的試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)，目的是分析試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)檢測(cè)性能及整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是進(jìn)行減速器加載試驗(yàn)的基礎(chǔ)。最終通過(guò)具體試驗(yàn)驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺(tái)的可行性，且其精度滿足動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)的要求。

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Design of measurement-control system of dynamic test-bed for the internal parallel moving gear reducer

LIU Yan-ling，JIANG Jia-yi，SHEN Zhao-kui，SUN Jian-wu

(Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System, Tianjin 300384, China)

The basic composition of a dynamic test-bed for the internal parallel moving gear reducer is introduced, and dynamic testing with no-load presented. It describes the hardware design of the tester’s measurement-control system and the measurement-control software development based on LabVIEW. Dynamic testing for the test-bed not only concludes that dynamic test-bed’s detection performance analyzed by detail data, but also provides the necessary basis for reducer loading test. The results show the dynamic test-bed meet the requirements of dynamic detection.

internal parallel moving gear reducer; dynamic test-bed; measurement-control system; LabVIEW

2016-05-13；

2016-06-02

劉艷玲(1963-)，女，天津理工大學(xué)副教授。

姜佳怡(1990-)，女，天津理工大學(xué)碩士研究生。

TH132.4

A

1001-196X(2016)04-0057-04