谐波减速器传动效率控制系统的设计

饶建红，李铁才，石 坚

(1.深圳航天科技创新研究院 深圳市网络信息电器重点实验室，广州 深圳 518057； 2. 哈尔滨工业大学 深圳研究生院，广州 深圳 518067)

谐波减速器传动效率控制系统的设计

饶建红1，李铁才2，石 坚2

(1.深圳航天科技创新研究院 深圳市网络信息电器重点实验室，广州 深圳 518057； 2. 哈尔滨工业大学 深圳研究生院，广州 深圳 518067)

介绍了一种测试谐波减速器传动效率的控制系统，对该控制系统的硬件及软件部分分别给出了详细的介绍，硬件部分主要包括交流伺服电机、力矩电机、扭矩传感器、磁粉制动器、运动控制卡和数据采集卡等。力矩电机与磁粉制动器的结合使用为系统提供大范围且高精度加载。另外，运用模块化的编程方式进行了软件系统设计，设计的人机界面简单友好，易于操作。该套测试系统以较低的成本实现了高精度、高性能的测试。

谐波减速器; 传动效率; 控制系统

0 引言

谐波齿轮传动是20世纪50年代发展起来的一种原理创新的传动方式。由于具有体积小、重量轻、传动比大、精度高等特点，目前在各个领域得到广泛的应用。评估谐波减速器的传动性能的好坏成为目前减速器行业急需解决的难题[1-2]。

传动效率是谐波减速器两项重要指标之一。文献[3]及文献[4]所提到的测试方法中所需测试的物理量较多，包括电压、电流、转矩及转速多个物理量的测量，最后会造成所得到的结果相对误差较大。文献[5]中用磁粉制动器作为整个系统的加载装置使得系统的加载精度相对较低。针对上述的不足，提出了一种新的控制系统用来测试谐波减速的传动效率，根据文献[6]，谐波减速器的效率可以简化为谐波减速器输入轴与输出轴的扭矩值之比，测试的物理量相对较少，由误差传播规律可知，最后得出的效率的相对误差限为两个扭矩相对误差限之差。

此测试系统主要包括硬件平台的搭建和软件系统的设计。硬件部分主要包括驱动电机、力矩电机、磁粉制动器、扭矩传感器、数据采集卡、运动控制卡和工控机等。软件部分是基于Labview2009图形化编程语言，采用模块化的设计方式[7]，主要包括电机驱动模块、数据采集模块、波形显示及数据处理模块等。软件方便移植及维护且用户界面友好，操作简单，方便快捷。

1 主要性能测试原理及方法

1.1 测试原理

谐波减速器传动效率为输出端功率P2与输入端功率P1之比，具体表达式如下所示：

(1)

(2)

(3)

式中：η——谐波减速器效率；

η′——联轴器总的效率；

T2——谐波减速器输出轴扭矩；

T1——谐波减速器输入轴扭矩；

ε——谐波减速器减速比

1.2 测试方法

驱动电机(交流伺服电机)带动谐波减速器、力矩电机、磁粉制动器以某一恒定的转速运行，在谐波减速器两端安装扭矩传感器，通过数据采集卡的高频脉冲输入端采集扭矩传感器信号，由式(3)得到谐波减速器的传动效率[8]，测试不同工况下(转速变化或者负载变化)的谐波减速器效率。

2 测试系统总体设计

测试系统平台示意图如图1所示。

图1 测试系统平台示意图

2.1 测试系统硬件部分设计

测试系统硬件部分主要由交流伺服电机(驱动源)、力矩电机、磁粉制动器、扭矩传感器、工业计算机、PCI-7352运动控制卡和数据采集卡组成。图2是各个组件部分连接关系示意图。

图2 硬件连接示意图

2.2 测试系统软件部分设计

软件部分采用模块化的设计方式，减少代码冗余，方便代码移植及维护。主要包括电机驱动模块、力矩加载模块、信号采集模块和实验报告自动生成模块。

由式(3)可以得出，系统测试的关键在于力矩加载的稳定，因此如何实现高精度的加载是该系统的关键所在。系统加载由力矩电机与磁粉制动器完成，当系统所需负载小于20N.m时(由力矩电机最大扭矩决定)，可单独由力矩电机进行加载，磁粉制动器此时不工作，如果所需负载大于上述值时，由程序控制首先让磁粉制动器加载，直到此时扭矩传感器值为所需负载力矩值0.9倍时，保持磁粉制动器所给定的电压值不变，同时启动力矩电机，控制力矩电机使其与扭矩传感器形成力矩闭环，从而为系统提供精确的扭矩值。系统加载框及程序流程图分别如图3和图4所示。

扭矩传感器通过数据采集卡的高速脉冲输入端口，通过换算得到系统的扭矩值，最后根据公式(3)得到谐波减速器的效率值。

程序面板由参数输入、数据显示、波形显示和实验报告生成等一些功能键组成。数据显示主要用来显示测试过程中一些重要的物理量，如驱动电机速度、负载扭矩值和传动效率等，通过波形实时动态显示一些物理量的变化趋势。最后在测试完成时，点击生成试验报告按钮，自动生成word格式实验报告[9]，附有实验数据表格及实验数据曲线，方便快捷，简化测试的步骤，节约整个测试的时间，见图5和图6。

图3 系统加载框图

图4 加载程序流程图

图5 传动效率测试前面板

图6 实验报告程序框图

3 实验结果及波形

驱动电机为台达交流伺服电机，两个扭矩传感器精度均为0.5%，选用Akribis力矩电机及磁粉制动器作为系统负载，所能提供的最大扭矩为100N.m，表1为型号XB1-100-100谐波减速器在各个转速和负载下所测得的平均效率值，由所测得的数据可以看出，在同转速下，负载越大(小于谐波减速器最大负载)，谐波减速器的传动效率越高；在相同负载下，转速越高，谐波减速器的传动效率越低。

表1 谐波减速器的传动效率

图7 力矩波形图(1)

图8 力矩波形图(2)

图7和图8都为驱动电机转速为200rpm，给定负载为100N.m下所测得的力矩波形图。图7为力矩电机与磁粉制动器共同加载的波形图，图8为单独由磁粉制动器加载的波形图。从结果可以看出采用力矩电机与磁粉制动器相结合的方法使得加载精度较高，提高了系统测试的精度。

4 结束语

该套测试系统的设计通用性强，硬件只需作少许的改动就可以测试谐波减速器另一项指标—传动误差。软件部分通过调用通用的模块进行组合，就可以完成传动误差测试的软件编程。用户界面简洁，易于操作，测试方便快捷。通过多次实验，体现了该套系统具有可靠性好，测试精度高等优点。

[1]阳培，张立勇.谐波齿轮传动技术发展概述[J].机械传动，2005，3(1)：15-19.

[2]万筱剑，姚志飞，孔翔.谐波齿轮减速器虚拟测试系统的研究[J].制造业自动化，2011，4(33)：15-16.

[3]韩敏，刘坤，吴开春，等.谐波齿轮减速器测试系统的研究[J].机床与液压，2010(38)：90-91.

[4]蔡振，吕新生，李志远，等.基于虚拟仪器的微型减速器机械效率测试系统[J].仪表技术与传感器，2008(10)：31-33.

[5]胡利永，郑堤.齿轮蜗杆减速机效率动态测量[J].机床与液压，2005(10)：149-150.

[6]GB/T 14231-93, 齿轮装置效率测定方法[S].

[7]李曼，冯华光.减速器性能测试虚拟仪器的研究与开发[J].组合机床与自动化加工技术，2006(1)：33-34.

[8]孙瑞涛，辛洪兵，丁熙元，等.谐波齿轮传动系统的各误差分量及其综合[J].北京工商大学学报(自然科学版)，2002，20(1)：49-50.

[9]骆庆.基于LABVIEW的蜗杆减速器测试系统[J].机电工程，2007，24(8)：109-110.

(编辑 赵蓉)

A Control System Design of Testing Harmonic Drive Reducer Transmission Efficiency

RAO Jian-hong1, LI Tie-cai2, SHI Jian2

(1.Shenzhen Key Laboratory of Network information Appliance, Shenzhen Academy of Aerospace Technology,Shenzhen Guangzhou 518057,China; 2.Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, Shenzhen Guangzhou 518067,China)

A control system is designed to test transmission efficiency of harmonic drive reducer. Hardware and software design of the system are introduced respectively. Hardware system is composed of AC servo motor, torque sensor, torque motor, magnetic powder brake, data acquisition card etc. Wide range and high precision load is realized because of torque motor and magnetic powder brake used in combination. Function modules are used in software system. Human-machine interface designed is friend and maneuverable. The system designed in low cost is of high-precision and high-performance.

harmonic reducer; transmission efficiency; control system

1001-2265(2014)06-0055-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.015

2013-09-24；

2013-10-24

饶建红(1983—)，女，江西抚州人，深圳航天科技创新研究院工程师，主要从事运动控制系统方面的研究，(E-mail)qiushui0451@163.com。

TH132; TG65

A