谐波减速器综合测试系统的开发*

李笑勉,刘 涛,张文龙,刘志伟

(1.东莞职业技术学院 机电工程学院，广东 东莞 523808；2.广东弓叶科技有限公司，广东 东莞 523808；3.广东省东莞市质量监督检测中心,广东 东莞 523808)

0 引 言

随着智能制造机器的不断普及和应用，谐波减速器作为其中关键的部件，其品质的优劣直接影响到智能设备的正常工作状态及其使用寿命[1]。和其他传动机构相比，谐波减速器具有结构简单、传动比大、传动精度高和工作平稳等优点，在智能设备等领域的应用非常广泛[2]。

围绕谐波减速器的各项性能，国内外各研究机构都展开了各自的研究。谐波传动有限公司(哈默纳科)开发了“S”齿形，使柔轮轮齿的抗疲劳强度能力提升了1倍，扭转刚度也提高了70%～100%[3]。国产减速器生产公司绿的谐波传动科技公司开发了“P”齿形谐波减速器，能承载更大的转矩，降低了齿根断裂的风险，柔轮的疲劳寿命得到了提高，但带来了降低传动精度的问题[4]。郑钰馨等[5]开发了试验平台，针对RV减速器的动力性能进行了检测;何等围绕齿轮减速器传动效率的测量进行了研究;裴欣等[6]搭建了SCUAA-STCP1200试验平台，做了谐波齿轮传动装置的动态传动误差分析;宿鹏飞等[7]针对谐波减速器扭转刚度与疲劳失效问题，设计了一种可以连续加载和卸载的测试平台。

由于齿轮齿的啮合力求解受柔轮畸变和非线性接触等问题的影响，难以从理论上建立精确模型，目前大多还是从实验给出经验公式。

为规范谐波减速器的市场和促进国产谐波减速器的发展，2014年我国发布了关于谐波减速器分类、定义、试验方法和检验规则的国家标准(GB/T30819-2014)，但有关其中的性能检测，大部分是分开试验的，没有形成统一的试验平台，需要把各部分单独试验。

本文针对当前谐波减速器性能综合测试的需求，根据GB/T30819-2014国家标准设计一套谐波减速器综合测试系统，以实现对谐波减速器的扭转刚度、启动转矩、空程和传动误差等关键参数的综合测试。

1 系统总体设计

根据GB/T30819-2014国家标准的要求，要进行以下关键性能测试，包括扭转刚度、启动转矩、负载效率和传动误差等模块，需要采集扭力、扭矩、角度、间隙和温度等信号。

测试系统的控制系统示意图如图1所示。

图1 控制系统示意图

该测试系统对信号进行AD转换，数字处理后输出图表和存储；采用伺服驱动的方式进行加载，通过联轴器将电机的扭力传递到谐波减速器，通过扭矩传感器采集扭力、扭矩信号；在被测减速器两端增加角度传感器，对角度和间隙进行测量，将信号传递到测试系统中[8]；通过震动传感器和温度传感器对震动和温升等物理量进行测量，并把信号传递给测试系统。

该综合测试系统具有数据采集处理显示与输出功能、存储回放数据曲线显示与输出功能、实时数据曲线显示与输出功能、手动与自动控制功能、试验检测功能、报告输出功能和设备故障与安全报警功能[9]。

2 关键部件选型

2.1 伺服系统和加载电机

试验台采用交流伺服电加载方式，由西门子集矢量变频伺服为一体的S120伺服系统和西门子伺服变频电机1PH8107组成。其中，西门子S120集伺服、变频一体的最新一代控制器可以四象限运行(满足伺服电机正转/反转、正向加载/反向加载、加速/制动、电动/制动等工况要求)，具有响应快(2 ms～5 ms)、加载稳定(0.3%)、功率因数(98%)和精度高等优点。

1PH8107的额定功率10 kW，额定扭矩为55 N·m，额定转速为1 750 r/min，最高转速为12 000 r/min。

2.2 双量程扭矩传感器

扭矩是伺服电机测试中最重要的测量参数，为达到测量跨度大且精度高的要求，此处笔者选用了进口具有双量程测量功能的KTELER扭矩传感器，其输出为标准信号(电压或频率),满足伺服电机大跨度扭矩测试精度要求。其额定扭矩为2 000 N·m，最大扭矩为1.5倍额定扭矩，交变扭矩为0.7倍额定扭矩，精度等级为0.1，线性误差<±0.1。

2.3 PLC控制器和人机界面

该系统所有的逻辑控制都采用PLC来实现，根据控制要求选用西门子S7-200smart小型PLC, CPU型号为SR60-AC/DC/RLY，具有36点输入和24点继电器输出接口；

人机界面HMI采用台湾维纶通TK6102IV5，显示尺寸为10寸，分辨率为800×480，USB2.0接口。

3 机构设计

根据测试系统总体设计方案和选型情况，笔者设计的各部件的结构以及安装示意图，如图2所示。

图2 综合测试系统结构图

该综合测试系统的重要机械安装部件包含底座、手柄、调节机构、电机和传感器等。

底座采用T型槽铸铁平台，材料HT250，尺寸3 000 mm×1 000 mm×150 mm(台架可根据不同尺寸测试件进行调整)，精度等级为1级，粗糙度为Ra 3.2，试验台上各部件稳固、可靠地固定在T型槽铸铁平台，运转平稳、可靠。

试验台各传动部件均通过弹性联轴器连接，以降低同心度要求，同时可保证试验台运行平稳。角度传感器与被测减速器采用刚性连接，以保证角度测量的可靠性和精度要求。被测减速器组件部分采用精密丝杆和导轨移动，以方便被测件的安装和更换。

被测减速器安装组件采用精密加工的过渡板结构，不同被测减速器只需更换安装在减速器L型支架上的不同过渡板，被测减速器安装精确定位由该安装过渡板保证，简化了不同被测减速器更换安装的要求，并且提高了安装效率[10]。不同量程的扭矩传感器安装在各自的精确加工的传感器底座上，并保证其中心髙度的一致性，提高了更换传感器的效率。全部测试台面的驱动电机、加载电机和被测减速机等高速旋转部位安装安全防护罩，厚度不低于2 mm。

4 关键试验模块的实现

在性能测试时，需要设置“恒速/恒扭”、“电磁制动启动”、“上位机启动”和“变频器启动”等工作状态；还要设置好“驱动电机”和“加载电机”的启停、“转速设定”、“扭矩设定”和“故障复位”等参数。

触摸屏操作图如图3所示。

图3 触摸屏操作图

设置好相应的参数系统后，进行扭转刚度、启动转矩、负载效率和传动误差等测试。

4.1 刚度试验(空程、弹簧系数)

扭转刚度试验可以将谐波减速器的输入端或输出端固定好，对另一端施加扭矩载荷，测量轴的扭矩和转角。由于变形作用，输出载荷与理论载荷存在差距，差距的大小直接反映刚度的大小[11]，此处建立扭转刚度、扭转扭矩和扭转角之间的关系：

(1)

式中：Q—扭转刚度；M—扭转扭矩；θ—扭转角。

在扭转过程中，变形位置不一样，扭转刚度大小也不一样。此处采用平均法，在输出端取3个均等分布的截面上分别求取扭转刚度值，再取平均值，即：

(2)

加载从-100%额度扭矩开始，逐渐加载直至+100%额度扭矩，然后反向加载回到-100%额度扭矩，通过计算机进行检测，并绘制出相应的扭矩-角度曲线。

4.2 增速启动扭矩试验

增速启动试验包括输入端启动试验和输出端启动试验，小扭矩减速器采用输出端启动试验，大扭矩减速器采用输入端启动试验；

根据圆柱扭矩的计算方法，即：

M=K·α

(3)

式中：M—转矩；K—转动惯量；α—加速度。

当圆柱负载绕轴线旋转时，可用质量和体积计算转动惯量。根据在△t达到△φ的要求，可算出圆柱的角加速度，得到圆柱扭矩，即：

(4)

式中：m—质量；r—圆柱底面半径；ρ—密度；r—圆柱体半径；L—长度；φ—转动角度；t—时间。

试验时，试验台空载状态，控制器设置“恒扭矩”工作方式缓慢启动(零扭矩开始)，通过计算机快速检测减速器驱动扭矩，并绘制出实时曲线(同时检测转速或角度信号作为启动信号检测)。

4.3 负载效率试验

负载效率可通过输出功率Po和输入功率Pi之比来计算[12]，即：

(5)

计算转矩与功率的关系如下：

(6)

式中：M—转矩，N·m；P—功率，kW；s—转速，r/min。

考虑到传动比i=Si/So是恒定的，可得到负载效率如下：

(7)

因为试验台采用四象限运行的交流伺服电加载器，可以模拟任意工况进行动态或静态加载试验；在25%、50%、75%和100%额度负载下，分别检测减速器的输入和输出功率；最后再由计算机进行自动加载，自动检测并绘制出效率曲线。

4.4 传动误差(角度传递误差)试验

在电机上输入正弦信号，在输入轴和输出轴上分别安装角度和间隙传感器，测得角度和间隙信号。其中，输入轴与输出轴的转角差为Δφ，如下[13,14]：

(8)

式中：φo—输出转角；φi—轴入转角；i—减速比。

笔者在被测减速器输入和输出端安装了高精度角度传感器，用于检测输入、输出角度的变化。在试验时，减速器低速转动，计算机检测输入和输出端角度，计算出对应输入端角度变化和输出端角度变化误差；同时，实时显示输出端每转动一圈的角度变化曲线，从而得到减速器传动误差值。

5 试验结果分析

该试验以台湾建韦RV320E型号减速器为例，选用减速比为129，输出转矩为4 341 N·m，输入容量304 KW，在综合测试系统上进行测试。

综合测试系统全图如图4所示。

图4 综合测试系统全图

5.1 刚度试验结果

试验时，被测减速器输入端固定，输出端提供交流伺服回馈电加载；加载从-100%额度扭矩开始，逐渐加载至+100%额度扭矩，接着反向加载回到-100%额度扭矩；计算机进行检测，并绘制出相应的扭矩-角度曲线，如图5所示。

图5 刚度试验

图5中，空程为0.476′(±3%额度扭矩时)，弹簧系数为424.972 N·m/′，减速器精度=空程+传动误差=0.476″+0.454 3″=0.930 3″。

5.2 增速启动扭矩试验结果

试验时，试验台空载状态，控制器设置“恒扭矩”工作方式缓慢启动(零扭矩开始)，计算机快速检测减速器驱动扭矩，并绘制出实时曲线，速度与扭矩的关系如图6所示。

图6 增速启动扭矩试验

图6中，经测试得到，扭矩达到0.95 N·m时，速度可达到900 r/min。

5.3 负载效率试验结果

在25%、50%、75%、100%额度负载下分别检测减速器的效率，可由计算机自动加载，自动检测并绘制出功率、效率曲线图，如图7所示。

图7 负载效率试验

图7的效率试验结果显示，负载效率在70%～90%之间变化。

5.4 传动误差试验结果

试验时，减速器低速转动，计算机快速且精确地检测输入和输出端角度，计算出对应输入端角度变化与输出端角度变化的误差；同时，实时显示输出端一个圆周角度上的角度变化曲线，从而得到减速器传动误差值。

运动误差曲线如图8所示。

图8 传动误差试验

图8的传动误差试验结果显示，传动误差为27.26″。

5.5 与厂家标称数据比较

笔者把本文测量的关键参数与厂家的测试数据进行比较(均采用了GB/T30819-2014国家标准要求的测试方法)，结果如表1所示。

表1 数据比较

由表1可知，本文测量的关键参数与厂家的测试数据接近，两者的差值在3.1%以内。

6 结束语

根据GB/T30819-2014国家标准要求，笔者开发了一套谐波减速器综合测试系统；采用本文开发的综合测试系统对台湾建韦RV320E型号谐波减速器进行了测试，完成对谐波减速器的扭转刚度、启动转矩、空程和传动误差等关键参数的测试。

测试结果显示，所得的参数均在合格的范围之内，空程0.476′(±3%额度扭矩时)，弹簧系数424.972 N·m/′，减速器精度0.930 3″，启动扭矩为0.95 N·m，负载效率在70%～90%之间，传动误差为27.26″；与厂家测试数据相比，该结果误差很小，证明了该测试系统是有效的。