内平动齿轮减速器动态试验台测控系统设计

刘艳玲，姜佳怡，沈兆奎，孙建武

(天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384)

内平动齿轮减速器动态试验台测控系统设计

刘艳玲，姜佳怡，沈兆奎，孙建武

(天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384)

介绍了内平动齿轮减速器动态试验台的基本组成及无负载工况下动态试验，阐述了该试验台测控系统的硬件设计及基于LabVIEW平台的测控软件的开发。对该试验台进行动态检测试验，不仅能通过具体数据分析该动态试验台的检测性能,还可以为之后进行减速器加载试验提供必要依据。试验结果表明，该动态试验台可以满足减速器的动态检测要求。

内平动齿轮减速器；动态试验台；测控系统；LabVIEW

0 前言

内平动齿轮减速器是由外齿轮做平动、内齿轮做定轴转动的减速器，其传动路线短、承载能力强且传动比大[1]。作为一种高精度减速器，其主要应用于我国航空、航天及导弹、舰艇等军工项目，因而对其综合性能进行试验研究具有十分重大的意义。内平动齿轮减速器的动态性能对于其可靠性及整机运行的稳定性影响较大，因而验证其动态性能是否满足要求是必不可少的步骤。而研制内平动齿轮减速器动态试验台对于分析内平动齿轮减速器的动态性能可谓是首当其冲。

目前，国内的减速器性能检测，特别是动态性能检测，多采用分散性仪表检测、人工记录，这导致减速器的检测成本及检测范围和精度已不适应当代减速器的发展。与此同时，内平动齿轮减速器作为一种较为先进的减速器，与之匹配的性能检测试验台的开发也处于初步阶段[2-3]。动态性能检测与静态性能的检测相比，不论从硬件还是软件上，都更为复杂。

本文介绍的内平动齿轮减速器动态性能检测系统的软硬件，主要依据NI公司的PCI-6602数据采集卡和NI-DAQ驱动软件，利用LabVIEW软件编写动态性能测控系统软件，完成对数据的分析处理，最终绘制滞后曲线、生成报表。LabVIEW平台在测试测量、数据采集、仪器控制、数字信号处理等领域得到了广泛的应用，具有较好的人机交互界面，是一种基于G语言的32位编译型图形化编程语言。

1 内平动齿轮减速器动态试验台

1.1 动态试验台的组成

图1为动态试验台，其主要由驱动设备、传感器、待测减速器及加载设备搭建而成。该试验台的检测要求高度的同轴度，选用的转速转矩测量仪自身的转动轴与主轴用联轴器连接，而选用的圆光栅采用锥面安装方式，与回转支撑配合安装调试，纠正了回转轴的偏心，确保安装精度。此外，平台支撑板上的导向柱也极大地确保该试验台的同轴度及位置要求。

1.2 动态试验台工作原理

设置转速和运动状态等条件后，启动电机，经联轴器带动待测减速器转动，两端连接的转速转矩测量仪分别检测输入转矩频率和输出转矩频率，高精度圆光栅分别检测输入转角信号和输出转角信号，转矩的采样频率信号和转角的脉冲信号均通过数据采集卡PCI6602采集，并在PC机上经LabVIEW开发的软件进行数据分析处理等工作。在试验台末端，经减速器反装提高转速，可大大缩小所需制动器的尺寸。测试时磁粉制动器加载力矩的大小由直流稳压电源调节电流控制。

2 测控系统设计

2.1 系统电气及硬件设计

图2所示为动态性能测试系统电气及硬件结构图，其中电气设计主要是将工业380V电压经变压器变为三相200V，经电抗器，连接交流接触器、伺服驱动单元，最终接到伺服电机。而磁粉制动器所需的24V和转速转矩测量仪的12V分别由各自的变压器由单相220V变压所得。圆光栅所需的5V由屏蔽式BNC接线盒提供。

而硬件设计选用的高精度圆光栅的刻划精度小于±0.5角秒，读数头的细分误差保持在±40nm以下，转速转矩测量仪的固有频率为10kHZ，转矩误差≤0.2%，且重复性和滞后性较小。各传感器将检测所得信号经屏蔽式BNC接线盒传入PCI6602数据采集卡，需要根据圆光栅的各个引脚定义，将待测信号、计数方向、内部时基信号分别接入屏蔽式BNC接线盒的GATE端、AUX端、SOURCE端，根据转速转矩测量仪的信号类型将其信号接入GATE端，进而合理分配至各计数器。其中数据采集卡PCI6602拥有8个32位计数器/定时器和32条与TTL/CMOS兼容的数字I/O线，80MHz最大源频率 (使用预定标度可达125MHz)，可执行3种同步高速DMA转换，完成对输入频率信号的预处理，且与LabVIEW的兼容性较好，满足试验过程所需的通道数及频率限制的要求。

2.2 系统软件设计

根据高精度圆光栅的性能指标，设置CI-位置-角度编码器的计数器、脉冲每转值及解码类型等。先由DAQmxCreateChannel.vi创建虚拟通道，通过属性节点设置各PFI的信号位置。DAQmxStartTask.vi开始数据采集并连续将从硬件通道采集的数据放入缓存区，DAQmxRead.vi在计数器任务中读取单个浮点采样，将该采样值进行所需要求的数据处理，供用户调用。程序经布尔元件控制启停，当停止后，DAQmxClearTask.vi清除任务，释放资源。根据转速转矩测量仪的信号类型，只需设置CI-频率的计数器，但属性节点除需设置PFI外，还需设置数据传输机制及数据滤波器，这是为转矩数据频率信号设置最小脉冲宽度以屏蔽外在干扰。通过DAQmxTiming(Implicit).vi设置采样模式和每通道采样数后，开始数据采集和处理等。若驱动信号保持高电平或低电平时，LabVIEW测量脉冲的子VI会超时报错，可解除错误捆绑后通过条件结构删除其code代码控制的错误，即在驱动信号受到冲激干扰时仍可保证程序的连续运行，防止中断。

图2 动态性能测控系统电气及硬件结构图Fig.2 Part of program block diagram for dynamic performance testing

此外，LabVIEW为用户提供大量可被层次化无限调用的函数，通过子VI调用可简化程序易于修改[4]。利用ActiveX技术调用MicrosoftWord的自动化服务器，利用计算机图形显示技术和多媒体技术，将复杂的数据计算和数据处理推向后台，可快速高效的生成包括文字、表格、图表等在内的专业的试验报告[5]。动态性能测试前面板主要划分为试验信息填写、数值显示和波形显示三个区域。其中的波形为输入输出的转速转矩与时间的实时波形图。

3 动态性能试验与分析

内平动减速器动态试验台需要伺服驱动系统具有快速响应等高品质性能，因而进行无负载工况下的动态性能检测也是必不可少的步骤[6]。设置磁粉制动器的激磁电流调节为零，此时的加载力矩为零，即无负载工况，试验台的动态检测试验为分析试验台动态稳定性提供依据，确保试验台的动态稳定性是进行减速器动态性能试验的前提条件。

3.1 无负载转动转矩

无负载转动转矩是指无负载运转减速器所需的输入轴(输入齿轮)的转矩。图3所示为无负载转动转矩的输出轴换算值。电机轴换算无负载转动转矩(N·m)为输出轴换算转矩与速比R的比值。图3中的值是减速器单体磨合运转后的平均值。

图3 无负载转动转矩的输出轴换算值Fig.3 Converting no-load torque to output shaft torque

3.2 试验台的动态检测试验

设置伺服电机的转速为60r/min，得到如图5所示的无负载工况下的输入转速-时间曲线和输出转速-时间曲线，从图4可以看出，系统响应过程中，上升时间小于0.1s，运行电机后，输入转速迅速稳定在60r/min，输出转速基本稳定在0.738r/min，且其速度比值约为被测减速器的设计传动比81，速度波动范围满足试验要求，由此表明，该试验台测控系统及其检测的稳定性可以满足内平动减速器动态性能检测的试验要求。

图4 转速-时间曲线Fig.4 Speed-time curve

4 结语

针对现有对内平动齿轮减速器的测试方法及试验平台的不足，本文提出了一种内平动齿轮减速器动态性能试验台方案及对测控系统的设计开发。该测控系统在硬件上选用高精度检测设备及快速稳定且兼容性好的通信器件，软件上基于LabVIEW开发出可操作性强、可靠性高、界面友好的检测软件。而在无负载工况下进行的试验台动态检测试验，目的是分析试验台动态检测性能及整机运行的稳定性，保证试验台的动态稳定是进行减速器加载试验的基础。最终通过具体试验验证了该试验台的可行性，且其精度满足动态性能检测的要求。

[1] 周利锋,廖启征,魏世民，等. 新型内平动齿轮减速器的设计[J]. 机械设计,2012(02):29-33.

[2] 吴焱明,徐湛楠,叶云龙,朱家诚,吴天星. 基于工控机的行星齿轮减速器试验台控制系统设计[J]. 组合机床与自动化加工技术,2013(02):100-102.

[3] 刘守法,关守强. 一种新型矿用减速器试验台测控系统设计[J]. 机床与液压,2011(22):93-95.

[4] 张旭, 张春梅, 王尚锦. 虚拟仪器软件LabVIEW和数据采集[J] . 微机发展, 2004( 03) : 77-79.

[5] 汪翠英,裴锋.LabVIEW中Excel报告生成功能开发[J]. 仪表技术,2005(03):60-61+64.

[6] 刘文,林腾蛟,李润方，等. 新型少齿差减速器动态特性分析及实验研究[J]. 振动与冲击,2009(07):22-27+210.

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

刘艳玲(1963-)，女，天津理工大学副教授。

姜佳怡(1990-)，女，天津理工大学硕士研究生。

TH132.4

A

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