柔性轴承疲劳寿命试验机检测系统的设计

北京工商大学材料与机械工程学院 张 帆 辛洪兵 郭瑞君 邓 曼

1 引言

柔性轴承是谐波齿轮传动装置实现谐波传动的重要构件，随着谐波齿轮传动的应用日益广泛，用户提高对柔性轴承寿命和性能的要求，轴承试验设备和试验方法将不断深入优化研究，柔性轴承疲劳寿命试验技术将得到迅猛发展与广泛的应用[1]。由于柔性轴承的疲劳断裂是影响谐波传动失效的重要因素之一，随着不断深入的研究柔性轴承，人们广泛关注其疲劳寿命及使用可靠性。由于对柔性轴承疲劳寿命产生影响的因素存在很多，因此采取寿命试验则为对这项指标进行审定的重要方法。目前国内柔性轴承生产商及轴承疲劳寿命试验机生产商均未有针对柔性轴承主要失效形式的试验机。柔性轴承疲劳寿命试验机的设计，对于校核与检验柔性轴承疲劳寿命及对谐波齿轮减速器的失效研究具有重要意义。

图1 设计原理图

2 试验机设计原理

试验机的设计原理图如图1所示。在柔性轴承中装入凸轮，构成谐波传动的凸轮式波发生器装置，此时柔性轴承内圈和柔性轴承外圈都处于变形状态。在机架上固定凸轮，并将传动带绕过传动轮，包围变形后的柔性轴承外圈凸起区域，驱动器通过传动轮驱动传动带转动，进而带动柔性轴承外圈转动，因柔性轴承外圈处于变形状态，当柔性轴承外圈转动时，其上每一点都处于交变应力状态，通过探伤传感器和转数传感器检测柔性轴承外圈断裂和开始测试到发生断裂时的转动圈数，即可确定柔性轴承的疲劳寿命。用张紧轮调节装置调整传动带中的张力，可以改变传动带对变形后柔性轴承的作用力。由于传动带对处于强制变形的柔性轴承凸起区域施加的是分布载荷，通过该技术方案可以模拟柔性轴承的实际工作状态。

3 检测系统的设计

3.1 检测系统的组成

检测系统的硬件平台主要由电涡流传感器、旋转编码器、采集卡、线缆以及PC机组成；软件平台主要由codewar r ior和Labview组成。

电涡流传感器在柔性轴承外圈转动的过程中实时监测外圈震动情况，当轴承外圈断裂时，检测传感器输出较大电压信号，通过电脑数据处理，停止转数、工作时长累计。根据旋转编码器的输出脉冲数可以求得轴承的转数。

3.2 下位机设计

下位机负责数据采集、数据处理，采集卡的核心是ARM KL25微处理器，该采集卡可以实现AD转换和脉冲捕捉等功能。

（1）AD转换模块

采集卡具有16位模拟-数字转换器，是一个逐次逼近的ADC，该模块负责将电涡流传感器输出的电压信号经过AD转换，传输至上位机。

AD模块程序：

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脉冲捕捉模块

TPM(定时器/脉宽调制模块)共有3个模块TPM0、TPM1、TPM2，TPM0有6个通道，TPM1和TPM2有两个通道。TPM支持输入捕捉、输出比较，并且能产生PWM信号来控制电机。通过异步时钟，可以让计数器、输出比较和输入捕捉寄存器工作在低功耗模式下。所以KL25的TPM模块又可以称为LPTPM。

TPM的基本定时器部分是一个递增的计数器，通过设定模块的溢出值，当计数器递增到该数值是产生一个中断，可以通过选择时钟源和溢出值设定该计数器的频率。

TPM模块除基本定时功能以外，还有输入捕捉、输出比较、脉宽调制等功能。捕获动作发生在上升沿、下降沿或者是上升/下降沿上。该模块负责将旋转编码器输出的脉冲信号经过脉冲捕捉将脉冲数传输至上位机。

TPM脉冲捕捉程序：

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 上位机设计

上位机负责数据显示和数据存储等，采用Labview来实现该功能；下位机发送的数据经过串口传输至上位机，上位机编写程序框图，设计人机交互界面，实现上下位机之间的通讯。

使用Labvi ew开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称VI。VI包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标/链接器。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（Cont r ol s），输出量被称为显示（Indicat or s）。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。

每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。上位机显示界面如图2所示。

图2 显示界面

4 结束语

柔性轴承疲劳寿命试验机检测系统和机械系统共同组成整套试验机，可以完成具体型号轴承在空载荷和变载荷条件下疲劳寿命试验，并将实验结果与理论寿命对比分析。该试验机的设计检验柔性轴承疲劳寿命及对谐波齿轮减速器的失效研究具有重要意义。

[1]李兴林,张仰平,张燕辽.轴承疲劳寿命试验技术发展趋势[J].轴承,2005(2):42-43.

[2]辛洪兵.谐波传动的国内外发展现状与趋势[J].现代制造,2009,(35):8-10.

[3]孙瑞涛,辛洪兵,丁熙元,郑伟智,秦宇辉.谐波齿轮传动系统动力学特性研究概述[J].机械工程师,2002(06).

[4]王宜怀,朱仕浪,郭芸.嵌入式技术基础与实践(第3版).北京:清华大学出版社,2013,8.

[5]周立功.ARM嵌入式系统基础教程(第2版).北京:北京航空航天大学出版社,2008,9.