CN112903286A - 谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置及测试方法，涉及谐波减速器技术领域，采用蜗轮蜗杆加载机构替代砝码向谐波减速器施加扭矩，减少测试过程中人为因素导致的误差。该测试装置包括蜗轮蜗杆加载机构、扭矩传感器、角度编码器和用于固定安装谐波减速器的固定机构，蜗轮蜗杆加载机构、扭矩传感器、角度编码器以及谐波减速器依次相连；蜗轮蜗杆加载机构用于向谐波减速器平缓施加扭矩力；扭矩传感器用于实时采集蜗轮蜗杆加载机构施加的扭矩力；角度编码器用于实时采集谐波减速器在受力作用下的输出转角。
Description
技术领域
本发明涉及谐波减速器技术领域，尤其涉及一种谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置及测试方法。
背景技术
谐波减速器主要包括波发生器(WG)、柔轮(FS)、刚轮(CS)，波发生器通常为椭圆形的凸轮，当波发生器为主动时，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形变成椭圆形在椭圆的长轴两端柔轮齿与刚轮齿处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。凸轮在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿与刚轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。对于谐波减速器而言，谐波减速器三大组件中柔轮作为柔性部件，由于柔轮的特殊性质使得谐波减速器在传递力和运动过程中存在一定的滞后性，而柔轮扭转刚度决定了整个谐波减速器的传动性和可靠性，由于柔轮扭转刚度的不足制约着谐波减速器在高精密机电传动的发展，因此有必要针对谐波减速器进行精密准确的刚度测试实验。
目前对谐波减速器刚度的测试主要依赖实验法来进行，现有技术中使用的实验测试装置用砝码对谐波减速器施加扭矩，这种方法得到的数据较为离散，而且需要人工反复操作，比较繁琐。同时在砝码增加的过程中人为的误差因素会对刚度或滞回曲线产生较大的误差，另外现有的实验测试装置当中谐波减速器与角度编码器之间的连接方式也存在一定的柔性，也对刚度或滞回曲线产生不小的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置及测试方法，采用蜗轮蜗杆加载机构替代砝码向谐波减速器施加扭矩，减少测试过程中人为因素导致的误差。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置，包括蜗轮蜗杆加载机构、扭矩传感器、角度编码器和用于固定安装谐波减速器的固定机构，所述蜗轮蜗杆加载机构、所述扭矩传感器、所述角度编码器以及所述谐波减速器依次相连；
所述蜗轮蜗杆加载机构用于向所述谐波减速器平缓施加扭矩力；
所述扭矩传感器用于实时采集所述蜗轮蜗杆加载机构施加的扭矩力；
所述角度编码器用于实时采集所述谐波减速器在受力作用下的输出转角。
优选地，还包括设在所述蜗轮蜗杆加载机构和所述扭矩传感器之间的联轴器，以及设在所述扭矩传感器与所述角度编码器之间的联轴器；
所述蜗轮蜗杆加载机构通过所述联轴器与所述扭矩传感器连接，所述扭矩传感器通过所述联轴器与所述角度编码器连接。
较佳地，所述固定机构包括装夹工装和输入轴端盖，所述输入轴端盖用于将谐波减速器的刚轮与所述装夹工装的安装槽固定，所述角度编码器的输出轴与所述谐波减速器的柔轮固定。
进一步地，所述蜗轮蜗杆加载机构的输出轴、所述联轴器的输出轴、所述扭矩传感器的输出轴、所述角度编码器的输出轴以及所述谐波减速器的柔轮中心轴共同处于同一轴线。
优选地，还包括用于固定所述蜗轮蜗杆加载机构、所述扭矩传感器的支撑架、所述装夹工装的水平基材。
与现有技术相比，本发明提供的谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置具有以下有益效果：
本发明提供的谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置中，包括蜗轮蜗杆加载机构、扭矩传感器、角度编码器和固定机构，其中，固定机构用于固定安装谐波减速器，蜗轮蜗杆加载机构的输出端依次通过扭矩传感器、角度编码器与谐波减速器的输入端连接。在实验测试时，可由工程师顺时针方向平缓的旋转蜗轮蜗杆加载机构的施力轮，从零载荷逐步增加至额定载荷，用于向谐波减速器平缓施加扭矩力，然后再从额定载荷逐步减少至零载荷，在这过程中通过扭矩传感器实时读取扭矩力以及通过角度编码器实时读取转角，重复上述操作过程，获取多组数据并求其平均值作为最终的实验结果。
可见，相较于现有技术采用添加砝码的加载方式，其得到的实验数据较为离散，且由于载荷的不稳定性导致人为添加砝码会产生一定的误差。本发明通过蜗轮蜗杆加载装置，单方向的连续加载或卸载，蜗轮蜗杆加载装置加载或者卸载后都能通过自锁保持载荷值的稳定性，尽量减少因测试设备自身变形产生的***误差以及传动链产生的误差对刚度测试结果的影响，且可连续、快速、精确的测试与处理不同型号的谐波减速器的静态刚度与和滞回曲线，进而分析谐波减速器中扭矩力与转角的关系。
本发明的第二方面提供一种谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试方法，包括：
采用谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置对谐波减速器测试，对应获取多组测试数据，每组所述测试数据包括输入扭矩和输出转角；
基于所述测试数据构建静态刚度与滞回曲线，所述静态刚度与滞回曲线用于表征输入扭矩与输出转角的变量关系。
与现有技术相比，本发明提供的谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试方法的有益效果与上述技术方案提供的谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置的有益效果相同，在此不做赘述。
本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试方法的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的计算机可读存储介质的有益效果与上述技术方案提供的谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试方法的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置的结构示意图一；
图2为本发明实施例中谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置的结构示意图二。
附图标记：
1-输入轴端盖， 2-谐波减速器；
3-角度编码器， 4-扭矩传感器；
5-联轴器， 6-蜗轮蜗杆加载机构。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1和图2，本实施例提供一种谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置，包括：
蜗轮蜗杆加载机构6、扭矩传感器4、角度编码器3和用于固定安装谐波减速器2的固定机构，蜗轮蜗杆加载机构6、扭矩传感器4、角度编码器3以及谐波减速器2依次相连；蜗轮蜗杆加载机构6用于向谐波减速器2平缓施加扭矩力；扭矩传感器4用于实时采集蜗轮蜗杆加载机构6施加的扭矩力；角度编码器3用于实时采集谐波减速器2在受力作用下的输出转角。
本发明提供的谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置中，包括蜗轮蜗杆加载机构6、扭矩传感器4、角度编码器3和固定机构，其中，固定机构用于固定安装谐波减速器2，蜗轮蜗杆加载机构6的输出端依次通过扭矩传感器4、角度编码器3与谐波减速器2的输入端连接。在实验测试时，可由工程师顺时针方向平缓的旋转蜗轮蜗杆加载机构6的施力轮，从零载荷逐步增加至额定载荷，用于向谐波减速器2平缓施加扭矩力，然后再从额定载荷逐步减少至零载荷，在这过程中通过扭矩传感器4实时读取扭矩力以及通过角度编码器3实时读取转角，重复上述操作过程，获取多组数据并求其平均值作为最终的实验结果。
可见，相较于现有技术采用添加砝码的加载方式，其得到的实验数据较为离散，且由于载荷的不稳定性导致人为添加砝码会产生一定的误差。本实施例通过蜗轮蜗杆加载装置，单方向的连续加载或卸载，蜗轮蜗杆加载装置加载或者卸载后都能通过自锁保持载荷值的稳定性，尽量减少因测试设备自身变形产生的***误差以及传动链产生的误差对刚度测试结果的影响，采用积分微分方程来描述滞回曲线，并利用函数拟合方式进行参数辨识以获得谐波减速器2精密刚度与滞回曲线，可连续、快速、精确的测试与处理不同型号的谐波减速器2的静态刚度与和滞回曲线。
上述实施例中，还包括设在蜗轮蜗杆加载机构6和扭矩传感器4之间的联轴器5，以及设在扭矩传感器4与角度编码器3之间的联轴器5；蜗轮蜗杆加载机构6通过联轴器5与扭矩传感器4连接，扭矩传感器4通过联轴器5 与角度编码器3连接。
具体实施时，由于蜗轮蜗杆加载机构6输出轴与扭矩传感器4输入轴的大小尺寸可能不相同，扭矩传感器4的输出轴与角度编码器3输入轴的大小尺寸可能也不相同，为了减少蜗轮蜗杆加载机构6输出轴与扭矩传感器4输入轴之间的传动误差，以及扭矩传感器4输出轴与角度编码器3输入轴之间的传动误差，采用联轴器5能够减少测试装置中零部件间的传动链，提升其传动的契合度，实现对谐波减速器2刚度的精密测量。
上述实施例中，固定机构包括装夹工装和输入轴端盖1，输入轴端盖1用于将谐波减速器2的刚轮与装夹工装的安装槽固定，角度编码器3的输出轴与谐波减速器2的柔轮固定。
具体实施时，装夹工装包括固定在基材上的底座，设在底座上的支撑板，以及固定在支撑板上用于安装减速器的安装部，安装部呈通透的管状结构，谐波减速器2的刚轮通过安装部支撑，安装部和输入轴端盖1上设有通孔，刚轮上设有与通孔位置对应的螺纹槽，使用螺栓依次穿过输入轴端盖1和安装部尚的通孔，并与刚轮的螺纹槽螺纹连接，即可实现谐波减速器2在装夹工装上的固定。
上述实施例中，蜗轮蜗杆加载机构6的输出轴、联轴器5的输出轴、扭矩传感器4的输出轴、角度编码器3的输出轴以及谐波减速器2的柔轮中心轴共同处于同一轴线。
上述实施例中，还包括用于固定蜗轮蜗杆加载机构6、扭矩传感器4的支撑架、装夹工装的水平基材。
具体实施时，基材为大理石基材，蜗轮蜗杆加载机构6的输出轴、联轴器5的输出轴、扭矩传感器4的输出轴、角度编码器3的输出轴以及谐波减速器2的柔轮中心轴共同处于同一轴线，其零件布置的同轴度和直线度误差很小，同时在各个零件的连接过程中，都两两通过红外线激光对中仪进行对中，极大的减少直线度，同轴度等带来的误差。另外，本实施例相对比于现有技术中的测试装置，极大的减少了零部件的传动链，通过使用最少的零部件来缩短传动，将谐波减速器2输出端与角度编码器3直接固连在装夹机构上，因此可准确对刚度进行精密测量。而且，本实施例相对于使用电机加载的刚度测试实验台，本实施例的结构简单可靠，造价成本低，无电机堵转现象，避免了加载过程中的电机损耗和烧毁。采用蜗轮蜗杆作为加载装置，操作人员使用方便，通过上位机软件可以实时读取加载力矩。
实施例二
本实施例提供一种谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试方法，包括：
采用谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置对谐波减速器测试，对应获取多组测试数据，每组所述测试数据包括输入扭矩和输出转角；
基于所述测试数据构建静态刚度与滞回曲线，所述静态刚度与滞回曲线用于表征输入扭矩与输出转角的变量关系。
对于刚柔复合传动***而言，输入扭矩h和输出转角θ，现有技术通常用一个非线性方程h＝k(θ)来描述，其中，h用来表示谐波减速器的静态刚度与滞回曲线的函数，实验表明，输出转角θ不仅仅与当前的输入扭矩h有关，还与之前的加载的扭矩有关，即迟滞现象具有记忆特性，考虑迟滞现象的记忆特性时，迟滞模型可用积分微分方程来描述，故可在技术的非线性方程之上添加修正项z表示：
h＝k(θ)+z (1)
其中φ(t,τ)是记忆函数，如果忽略t0＜t的记忆效应，则可以将t0作为初始时间(t0＝0)，则(1)和(2)式写为
τ表示t的一个时刻，通过一些简单的假设，我们可以知道记忆函数的特性，假设记忆效应的影响在逐渐变小，φ(u)是一个有限连续的减函数，且可以用一个指数函数的和代替：
分析迟滞曲线的特点可知，总迟滞扭矩还和角速度dθ/dτ有关，其中τ∈(0,t)。换句话说，总迟滞扭矩h(t)的值与k(θ)和dθ/dτ有关。
将函数h(t)进一步简化得：
其中
代表θ在区间(s,t)的总变化量。
从数学分析的角度来看，式(4)与式(6)是相等的。实际上，t＝0时θ＝0，对于式(5)的积分部分可以用微分方程了代替。如果记忆函数用一阶指数函数
来代替，则迟滞函数具有如下形式：
这个模型能非常准确的动态描述谐波减速器的行为，且具有以下两个性质：
1、半全局Lipschitz连续性
迟滞模型由式(7)描述，可以看到迟滞模型函数h是半全局Lipschitz 连续的。
2、速度不相关性
对于周期运动(θ是周期的)，稳态迟滞曲线是与速度无关的。虽然速度θ作为微分方程(7)的输入，可以看出迟滞曲线在稳态时与速度
是无关的。举个例子，如果我们给定两个输入θ1和θ2，θ1和θ2的幅值相等而频率不相等，最终我们得到的稳态迟滞曲线是一样的。
滞回曲线函数描述参数辨识：
假设扭矩τn(t)是连续的且周期为T，则θ的函数也一个周期为T的函数。如果θ(t)＝Qsin(ωt)，则转矩—转角曲线收敛到对称的迟滞曲线。
将稳态迟滞曲线划分为3个部分：刚度曲线k(θ)部分，位移增加时 (dθ/dt＞0)的上升部分zu，位移减小时(dθ/dt＜0)的下降部分zd。
曲线z是对称的即zu(θ)＝-zd(-θ)。
为了完整地表征迟滞现象，考虑到振幅变化的影响，我们将模拟迟滞曲线簇，而不是单个迟滞回路。因此，单回路模型由两条曲线组成，也即静态刚度与滞回的两条曲线通过式(110)和式(11)来表示：
接下来，两条曲线的参数都可以由实验数据通过非线性拟合获得。刚度曲线函数f(θ)选择奇多项式函数：
k(θ)＝a1θ+a2θ3+a3θ5 (12)
刚度参数(a1,a2,a3)和记忆函数参数(A,α)利用非线性最小二乘法拟合获得：
其中huj和hdj是第j(j＝1,…m)次实验数据的迟滞曲线，εuj，εdj是拟合误差， m是实验数据的组数。
然后，利用最小二乘法选择最佳的参数，最小二乘的标准化函数为：
其中n是一条迟滞曲线(上升部分或者下降部分)包含数据点的个数。辨识的参数
可以用来估计传递扭矩。也可以用其逆函数来求扭转变形量。
最终通过函数拟合可以求得滞回曲线的所有函数描述参数。
与现有技术相比，本实施例充分考虑了迟滞现象的记忆特性，因此绘制的滞回曲线更精确。
实施例三
本实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试方法的步骤。
与现有技术相比，本实施例提供的计算机可读存储介质的有益效果与上述技术方案提供的谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试方法的有益效果相同，在此不做赘述。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述发明方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，上述程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置，其特征在于，包括蜗轮蜗杆加载机构、扭矩传感器、角度编码器和用于固定安装谐波减速器的固定机构，所述蜗轮蜗杆加载机构、所述扭矩传感器、所述角度编码器以及所述谐波减速器依次相连；
所述蜗轮蜗杆加载机构用于向所述谐波减速器平缓施加扭矩力；
所述扭矩传感器用于实时采集所述蜗轮蜗杆加载机构施加的扭矩力；
所述角度编码器用于实时采集所述谐波减速器在受力作用下的输出转角。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括设在所述蜗轮蜗杆加载机构和所述扭矩传感器之间的联轴器，以及设在所述扭矩传感器与所述角度编码器之间的联轴器；
所述蜗轮蜗杆加载机构通过所述联轴器与所述扭矩传感器连接，所述扭矩传感器通过所述联轴器与所述角度编码器连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述固定机构包括装夹工装和输入轴端盖，所述输入轴端盖用于将谐波减速器的刚轮与所述装夹工装的安装槽固定，所述角度编码器的输出轴与所述谐波减速器的柔轮固定。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述蜗轮蜗杆加载机构的输出轴、所述联轴器的输出轴、所述扭矩传感器的输出轴、所述角度编码器的输出轴以及所述谐波减速器的柔轮中心轴共同处于同一轴线。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，还包括用于固定所述蜗轮蜗杆加载机构、所述扭矩传感器的支撑架、所述装夹工装的水平基材。
6.一种谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试方法，其特征在于，包括：
采用谐波减速器静态刚度与滞回曲线精密测试装置对谐波减速器测试，对应获取多组测试数据，每组所述测试数据包括输入扭矩和输出转角；
基于所述测试数据构建静态刚度与滞回曲线，所述静态刚度与滞回曲线用于表征输入扭矩与输出转角的变量关系。
7.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器运行时执行上述权利要求6所述方法的步骤。
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2021
- 2021-02-09 CN CN202110178060.2A patent/CN112903286A/zh active Pending
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