一种谐波减速器传动精度测试仪设计

郝宏海，王常策，黄幼松

(1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130113；2.北京科技大学,北京 100083；3.北京亿策工程技术有限公司，北京 100102)

0 引言

随着我国工业的迅速发展，机器人在工业生产、制造中的比例越来越大，对于机器人而言，谐波减速器是其中一个关键的零部件。谐波减速器的性能、传动精度直接决定着机器人的性能[1]。由于受到加工精度、装配精度以及使用环境等不确定因素的制约，谐波减速器的实际传动精度往往达不到设计预期，因此需要对谐波减速器的传动精度等相关参数进行测量，为后续减速器的优化设计提供参考依据[2]。本文设计了一种测试仪，可用于谐波减速器传动精度的测量，且具有较高的测量精度。

1 系统设计

测试仪是根据莫尔条纹效应[3]，利用光栅法来测量齿轮的传动精度，通过光电转换将旋转的角位移信号转变为电信号，最终计算出传动的误差，光栅法测量齿轮精度具有效率高、分辨率高等优势。系统检测原理图如图1所示。

图1 系统检测示意图

将光栅传感器分别安装到谐波减速器的高速轴和低速轴上，利用放大分频电路将2个光栅传感器输出信号调整为同频率的脉冲信号，通过相敏解调电路求出脉冲信号的相位差。最终通过判断相位差的大小来判断谐波减速器的传动精度[4]。

2 硬件设计

系统硬件电路主要包括光栅传感器信号检测电路、放大分频电路、相敏解调电路以及串口传输电路等[5]。光栅传感器用于检测谐波减速器输入轴和输出轴的角速度，放大分频电路是将2个光栅传感器调整为2个频率相同的脉冲信号，相敏解调电路是提取信号中相位的差值，通过测量相位差值的大小判断谐波减速器的传动精度。硬件电路图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 光栅传感器选型

在设计时需要考虑到传感器的安装位置、精度以及分辨率等条件，综合各种因素最终选用RON系列光栅编码器[6]，该型传感器为增量式传感器，具有成本低、抗干扰能力强等优点。除此之外，其还具有高分辨率以及高精度等优点，精度达到±5″。增量式光栅传感器采用单5 V供电，输出信号为1Vpp的正弦波。

2.2 放大分频电路

在谐波减速的输入轴和输出轴分别安装有高精度光栅传感器，由于输出轴和输入轴之间存在一个传动比u，因此光栅传感器检测到输出轴和输入轴的转速不同，即传感器输出的信号频率不同[7-8]。硬件电路图如图3所示。

图3 放大分频电路

为了便于进行相敏解调，利用放大分频电路将2个正弦信号调整为同频率的脉冲信号，再利用相敏解调电路解调出2个信号的相位差，若2路信号的相位差发生变化，则说明被测的减速器存在传动误差，否则无传动误差。系统利用AD817将光栅传感器输出的信号放大到一定幅值，再利用电压比较器LM339将频率不同的信号调整为同频率的脉冲信号。

2.3 相敏解调电路

相敏解调电路也称做鉴相电路，其是整个系统的核心部分，其主要作用是提取2个光栅传感器输出信号的相位差值，系统依据相位差值的大小来判断谐波传感器的精度。相敏解调电路采用的是四象限模拟乘法器AD734实现的，具有高速、高精度、低失真的优点[9]。2个光栅传感器的信号从X1、Y1引脚输入，最后混频的信号从W引脚输出。硬件电路图如图4所示。

图4 相敏解调电路

2个光栅传感器的输出信号即为相敏解调电路的输入信号，记为：

f(t)=Asin(ωt+α)+n(t)

(1)

r(t)=Bsin(ωt+β)

(2)

式中：f，r为输入信号；A，B为幅值；ω为频率；α，β为相位；t为时间。

上述频率相同的2个信号同时经过乘法器后可得：

Vd=f(t)·r(t)=g(t)+C

(3)

式中：

由式(3)可知C为直流分量，而g(t)为交流分量，当低通滤波器的截止频率ωc远远小于频率ω时，交流分量将会被低通滤波器滤掉，而直流分量将完整通过，最终从相敏解调电路出来的信号为Vdc=C，此值仅与2个信号的幅值和2个信号的相位差有关系，当cos(α-β)=1时，则Vdc获得最大值，因此通过判断相敏解调电路输出信号的幅值即可判断出2个信号的相位差，从而判断出谐波减速器的传动精度[10]。

2.4 串口传输电路

单片机内部的A/D转换器对相敏解调电路输出的信号进行模数转换后，利用RS485传输电路将采集到的数据发送到上位机上，上位机再利用相关算法求得谐波减速器的传动精度[11]。RS485串口通讯电路所采用的是RS485电平转换芯片，其显著特点就是电平与TTL电平兼容，抗干扰能力强、通讯速率快、传输距离远等。RS485通讯电路图如图5所示。

图5 串口传输电路

3 软件设计

软件设计是系统的重要组成部分，是验证硬件功能的必要手段。系统软件主要包括按键控制程序、A/D采样程序、串口发送程序、定时器中断程序以及单片机最小系统程序等。系统上电后，等待启动按钮，接收到启动指令后，光栅传感器开始工作，采集谐波减速器高速轴和低速轴的转速，经相敏解调电路后，利用单片机自带的A/D转换器对此信号进行模数转换，最终通过RS485串口通讯方式把数据发送到上位机进行处理，最终实现对谐波减速器传动精度的检测。系统软件流程图如图6所示。

图6 系统软件流程图

4 实验数据分析

谐波减速器传动精度的检测方法是：谐波减速器的高速轴和低速轴旋转360°，记录每1°的旋转精度，将该精度与额定值相比得出旋转每s的误差值。通过驱动电机控制正反转，分别测量正反转时谐波减速器的传动精度。利用串口通讯方式把采集到的数据发送到上位机中，通过相关算法对数据进行处理得出回差测量曲线，电机正转时回差曲线如图7所示，电机反转时回差曲线如图8所示。

图7 电机正转时回差曲线

图8 电机反转时回差曲线

由上图实验数据可知，当电机正转时，回差大概在5″；当电机反转时，回差大概在7″。由此可见，系统测量的精度较高，测量精度达到8″，符合设计预期。

5 结束语

本文设计了一种谐波减速器传动精度测试仪，其创新性地利用增量式光栅传感器检测谐波减速器高速轴和低速轴的转速，利用相敏解调电路解调出2个信号的相位差，通过相位差的大小来判断谐波减速器的传动精度。增量式光栅传感器具有安装方便、抗干扰能力强等优点。实际测试结果表明，系统运行稳定可靠，能有效地检测出谐波传感器的传动精度，测量精度达到8″。