万筱剑，姚志飞，孔 翔

（1. 深圳航天科技创新研究院，深圳 518057；2. 河北广播电视大学，石家庄 050071）

谐波齿轮减速器虚拟测试系统的研究

万筱剑1，姚志飞2，孔 翔1

（1. 深圳航天科技创新研究院，深圳 518057；2. 河北广播电视大学，石家庄 050071）

0 引言

谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，谐波齿轮传动（简称谐波传动），是建立在弹性变形理论基础上的一种新型的机械传动方式，它是依据柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种齿轮传动。该传动是由美国人马塞尔于1959年发明的，它的出现被认为是机械传动的重大突破。它具有体积小、重量轻、传动比大、精度高等特点，目前被广泛应用在航空航天、仪器仪表、机器人、雷达等需要精密定位的领域。谐波减速器的在各个领域中的应用，在不同条件下需要不同的技术指标，如何评价其技术指标便成为减速器行业面临的一个难题。为解决这一难题，研究开发了谐波减速器测试系统[1]。

该系统采用虚拟仪器构成，虚拟仪器的精髓在于用户可以根据自己的需求来定义功能和性能，复杂的硬件功能可以通过简单的软件方法来实现。采用虚拟仪器技术进行减速器性能测试，充分利用了虚拟仪器“软件就是仪器”的思想，在必需的硬件环境下尽可能发挥软件功能，完成信号采集、信号分析、测试结果的存储显示、测试数据的管理等工作。该测试系统不仅能综合测试谐波减速器的总体性能，而且还能根据这些测试数据进行分析，对谐波减速器的优化设计提供帮助[2]。

1 主要测试参数及测试原理、方法

1.1 机械效率的测试原理与测试方法[3]

1.1.1 测试原理

转矩、转速、功率均是减速器工作时的重要参数，选择合适的测量原理是决定测试系统成败的关键。

转矩测量：使机械元件转动的力偶或力矩叫做转动力矩，简称转矩。采用扭矩传感器进行测量，扭矩传感器采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴变形的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，转变成与扭应变成正比的频率信号。

转速的测量原理：转速测量必须与转矩测量保持同步，才能确保测出的机械效率值准确可靠。转速测量采用光电码盘的方法进行测量，每一光电编码器的线数为2048，轴带动光电码盘每旋转一周可产生2048个脉冲，高速或中速采样时可以用测频的方法，低速采样时可以用测周期的方法测出准确的转速。

机械效率的测量原理：当转速，转矩信号都测试出来以后，根据电工学公式：

式中：P为谐波减速器的输入或者是输出功率，kw；

T为谐波减速器的输入或者输出扭矩，Nm；

n为谐波减速器输入或者输出转速，rpm；

由于安装需要，实际检测装置中，输入传感器与减速器之间，减速器与输出传感器之间各有一个联轴器，如图1所示。

图1 效率传递示意图

考虑到联轴器的机械效率ηl的影响，则减速器的输入功率的计算公式变为：

减速器输出功率的计算公式变为：

1.1.2 测试方法

在谐波减速器的输入输出端通过联轴器连接转矩转速传感器，由输入扭矩传感器测出的转矩乘以联轴器效率，输出扭矩传感器测出的转矩除以联轴器的效率，就可以分别的求出输入、输出扭矩值。

通过驱动电机尾端的光电编码器可以测得输入轴的转速，力矩电机负载模拟器尾端的光电编码器就可以测得输出轴的转速。

将转矩传感器通过数采卡进行数据采集，光电编码器通过运动控制卡读回的编码器位置信号，最终通过计算机进行数据的分析、处理、得出同一时刻的输入输出转速，输入输出转矩，计算出效率，并且绘制出波形。

1.1.3 减速器效率η计算方法

机械效率是系统要得到的主要数据，其计算方法如下，减速器输出功率除以减速器的输入功率即得到减速器的效率，公式如下：

通过公式(2)和(3)，计算出减速器的机械效率为：

1.2 噪声的测试原理和方法

按GB6404规定测试，将声级计安装在距离减速器外壳1米处，在额定转速和额定负载下测试，找出声级计最大的测试数据用来评价减速器的性能，要求噪声不大于60dB。

1.3 温升的测试原理和方法

1.3.1 测试原理

谐波减速器温升计算需要测试环境温度和减速器温度，根据谐波减速器的使用环境要求：-40～+55℃；所以测试的时候要在两个极端的温度下进行，即高低温环境试验，在控温箱中进行。温度测量采用热敏电阻，热敏电阻的引出线连接数据采集卡上，通过labview软件编程，将数据采集卡采集到的数据进行定标换算成温度信号，在前面板进行数值显示、波形绘制等。最终可以得到环境温度和减速器温度的平均值，峰值以及实时温度波形图。

1.3.2 测试方法

将热敏电阻粘贴于保温箱上，将测试的数据作为环境温度，热敏电阻粘贴于减速器外壳上，将测试的数据作为减速器温度，两者之差即为温升。

要求在-40℃保温2小时能正常空载启动，在+55℃保温条件下，以额定转速、额定负载正常运转约 2小时，其热平衡温度不超过100℃(温升45℃)。

1.4 传动精度的测试原理与测试方法[4]

减速器输出轴相对于输入轴的理论转角与实际转角之差，即为传动误差。动态测量采用编码器，通过编码器测出输入与输出信号的差值，绘出误差曲线，取其最大值。

1.4.1 测试原理

1）角度的测量：输入输出的角度的测量均通过读取编码器的位置值来实现，输入轴的角度值由驱动电机尾端的编码器提供，输出轴的角度值由负载模拟器（即力矩电机）尾端的编码器提供，运动控制卡采集到编码器的位置值，通过labview编程把这个值实时记录下来。

2）高精度的力矩加载：磁粉制动器通过模拟量给定阻力矩值，作为大的力矩负载加载。大力矩加载时，磁粉制动器作为阻力矩的大部分给定，输出电机通过力矩闭环控制加载的精度。

1.4.2 测试方法

驱动电机速度模式，负载电机力矩模式，开始测试时，同时记录输入轴与输出轴的编码器值，每隔一段时间采样一个点。小力矩加载时，通过输出电机与扭矩传感器构成力矩闭环实现，加载精度控制在0.5%。

具体实施步骤：首先要输入待测减速器参数，包括减速器型号，减速比，精度等级。然后输入电机参数，包括驱动电机转速，力矩加载（磁粉制动器，力矩电机指令）等参数。运行时启动驱动电机，带动减速器运转，监测系统的稳定性，监测驱动电机的转速和输出扭矩传感器的力矩值，待系统稳定后，开始测试。开始进入测试，记录输入输出编码器的值，采样点不少于720个（可连续采样）。

实时计算传动误差，根据计算的结果实时显示曲线，测试结束后，取最大值，即为测得的传动误差。

1.5 振动的测试原理和方法

为了得到谐波减速器的振动情况记录，根据GB2423.10，在减速器正上方、侧边、输入轴附近分别安装3个压电加速度传感器，依次测量减速器的竖直、水平、轴向的振动情况。将压电加速度传感器连接至数据采集卡上，通过labview编程，将数据采集卡采集到的数据进行定标、积分、功率谱分析、加窗函数等处理，最后得到减速器三个方向上的振动的加速度、速度、位移的峰值、均值及波形图，还可以得到其振动的功率谱波形，峰值频率等。

2 谐波齿轮减速器测试系统的设计

根据谐波减速器各个参数的测试方法，同时依据功能齐全、结构简单、操作方便、测试精度高、运行安全可靠和成本低的原则，对谐波减速器测试系统进行了软件、硬件的设计。

2.1 测试系统的硬件设计

减速器测试系统硬件实验台由驱动电机、输入扭矩传感器、被测谐波减速器、输出扭矩传感器、负载模拟器（由磁粉制动器和力矩电机共同组成）、数据采集卡、运动控制卡、工控机等组成，谐波减速器效率测试和精度测试所需的硬件略有不同，在精度测试的时候输入轴的扭矩传感器是不需要的，具体的测试示意图如图2所示。

图2中，被测减速器的输入位置角度值由驱动电机的编码器提供，输入转矩信号由输入扭矩传感器提供，输出位置角度值由负载力矩电机的编码器提供，输出扭矩信号由输出扭矩传感器提供。

图2-a 谐波减速器的效率测试示意图

图2-b 谐波减速器的精度测试示意图

试验时，根据不同的测试项目，只要把按照图示的安装方式安装，调用相应的测试软件，即可测得所需的测试数据，计算出减速器的参数值。

2.2 测试系统的软件设计

测试系统采用labview2009进行开发，包括运动控制软件、监控界面以及测试算法的编写。测试系统软件流程框图如图3所示。

图3 测试系统软件流程框图

在研究了以上检测方法和原理的基础上，运用Laview2009软件对谐波减速器的测试系统进行了设计。谐波减速器性能测试系统部分前面板如图4所示。

图 4 虚拟测试系统部分前面板

3 结论

在虚拟仪器技术的基础上，对谐波齿轮减速器的虚拟测试系统进行了研究和设计。确定了谐波齿轮减速器的转矩、转速、效率、温升、振动、传动精度等参数的测试方法、测试原理，并确定了各传感器的类型，搭建了硬件实验台。同时，在虚拟仪器技术基础上，运用Laview软件进行编程，设计了适用于谐波齿轮减速器的虚拟测试系统，并进行了仿真。可以完成对谐波齿轮减速器各个参数的信号采集、信号处理、数据显示、波形绘制等功能，充分发挥了软件强大的数据处理能力，在提高精度的同时大大降低了硬件成本。将虚拟仪器技术应用于谐波减速器的性能测试，利用软件即是硬件的思想，有以下优点：编程简便，可以将更多的精力投入到算法和课题的研究中；成本较低，只需要购买通用性强的外端数据采集设备即可；可以提高测试系统的自动化水平和测试精度。

该设计通用性强，只需要在原有试验装置的基础上进行一定的改动，增加相应的传感器，即可利用本系统重构成为新的虚拟仪器测试设备。通过试验，验证了谐波减速器新产品的主要性能参数，同时对其进一步优化设计提供了重要的参考数据。

[1]姚俊武,王建中.谐波减速器在自重构机器人的应用研究[J].制造业自动化,2006(08):51-52,58.

[2]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):32-34.

[3]蔡振,吕新生,李志远,王亚芹.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.

[4]李召华,扬帆,韩梅.谐波齿轮传动装置的传动精度分析[J].机电产品开发与创新,2010(02):9-11.

The research on virtal testing system of harmonic gearbox

WAN Xiao-jian1, YAO Zhi-fei2, KONG Xiang1

在对谐波齿轮减速器的转矩、转速、效率、传动精度等参数的测试方法、测试原理研究的基础上，利用虚拟仪器技术，对谐波齿轮减速器的性能测试系统进行了研究和设计。并运用labview2009软件编程，设计了适用于谐波齿轮减速器的虚拟测试系统。该测试系统充分发挥了计算机的处理能力，降低了硬件成本投入。

虚拟仪器；谐波齿轮减速器；测试系统

万筱剑（1978 -），男，河北无极人，工程师，硕士，主要从事运动控制及系统集成研发工作。

TH17

A

1009-0134(2011)4(上)-0015-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).05

2010-10-12