CN113587833A - 一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置及方法，通过在谐波减速器刚轮上加工形成观察豁口，利用激光位移传感器沿谐波减速器中心轴方向分别测量谐波减速器啮合运动时不同位置柔轮轮齿的径向变形量。本发明可测得柔轮啮合运动时的真实径向变形量，为刚轮齿形设计、修改提供真实有效的指导参数，帮助提升谐波减速器刚轮齿形设计精度，解决谐波减速器柔轮与刚轮存在的部分干涉问题，对设计和优化谐波减速器刚轮齿形具有重要意义。

Description

一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及谐波减速器齿轮齿廓检测与设计技术领域，尤其涉及一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置及方法，适用于指导谐波减速器的刚轮齿形设计、优化，解决谐波减速器刚轮与柔轮的干涉问题。

背景技术

谐波减速器具有传动比大、传动精度高、结构紧凑、承载能力强等特点，因此适用于高精、高负载、安装空间小的应用场景，目前被广泛应用于航空航天、工业机器人等领域。谐波减速器主要由波发生器、刚轮、柔轮构成。波发生器装入柔轮内部，柔轮因被波发生器撑大而产生与波发生形状相同的变形。装入波发生器后的柔轮长轴部分齿与刚轮齿接触、啮合，短轴部分齿与刚轮齿脱开。长短轴的位置随着波发生器的转动发生交替变化。刚轮和柔轮之间因存在极小的齿数差，依据传动比公式i＝(Zf-Zc)/Zf(Zf是柔轮齿数，Zc是刚轮齿数)，可实现大减速比传动。

柔轮贴合波发生器产生较大形状变化是谐波减速器实现运动的基础。柔轮径向变形量大小直接影响柔轮的运动轨迹，进而影响柔轮和刚轮间的接触。精确测量运动状态下柔轮轮齿径向变形量是刚轮齿形设计、制造误差溯源的关键。

目前测量柔轮径向变形的手段多采用三坐标测量。该测量方法属于静态测量，无法测得谐波减速器在运动状态下柔轮轮齿径向变形量，且该方法测量时间长，精确度不高。目前已有基于激光测距测量柔轮径向变形量的动态测量方法，但已有方法只可测量啮合运动状态下柔轮杯部的径向变形量或非啮合状态下柔轮轮齿径向变形量。该方法无法测量啮合运动状态下柔轮轮齿的径向变形量，而啮合运动状态下的柔轮轮齿的径向变形量才是决定柔轮在啮合区域运动轨迹的决定性参数，决定了柔轮、刚轮轮齿的啮合效果。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置及方法，实现对谐波减速器啮合运动状态下柔轮轮齿径向变形量测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，包括固定安装在固定基座上的运动装置本体部分和参数测量部分；

所述的运动装置本体部分包括有有交流伺服电机、十字滑块联轴器一、转矩转速传感器一、十字滑块联轴器二、特定二次加工的谐波减速器、凸缘联轴器、转矩转速传感器二、十字滑块联轴器三和磁粉制动器；所述交流伺服电机通过十字滑块联轴器一驱动扭矩转速传感器一转动，扭矩转速传感器一通过十字滑块联轴器二与特定二次加工的谐波减速器输入端连接并驱动，特定二次加工的谐波减速器通过凸缘联轴器驱动扭矩转速传感器二转动，扭矩转速传感器二通过十字滑块联轴器三驱动磁粉制动器转动；

所述的参数测量部分位于特定二次加工的谐波减速器上方，包括有点激光位移传感器、传感器固定板、三自由度位移台、位移台固定板和位移台支架，所述点激光位移传感器通过所述传感器固定板固定于所述三自由度位移台上；所述三自由度位移台通过所述位移台固定板固定于所述位移台支架上；所述位移台支架固定于所述固定基座上；所述激光位移传感器可在所述三自由度位移台的带动下分别沿固定基座的x轴、y轴、z轴移动，x轴与y轴方向行程均为25mm，z轴方向行程为60mm,分厘卡最小读数为0.01mm。

所述的伺服交流电机、十字滑块联轴器一、转矩转速传感器一、十字滑块联轴器二、特定二次加工的谐波减速器、凸缘联轴器、转矩转速传感器二、十字滑块联轴器三和磁粉制动器同心连接；

所述的交流伺服电机、转矩转速传感器一、特定二次加工的谐波减速器和转矩转速传感器二分别通过电机固定底座、传感器固定底座一、减速器固定底座和传感器固定底座二固定安装在固定基座上；所述的磁粉制动器与固定基座相连。

还包括有综合电源、控制器、显示面板以及工业计算机；

其中，所述综合电源为伺服交流电机、磁粉制动器、点激光位移传感器和显示面板供应电能；所述控制器调节伺服交流电机转速和控制磁粉制动器的制动载荷；所述显示面板用于实时显示点激光位移传感器的测量数据；所述工业计算机用于存储点激光位移传感器测量得到的数据、绘制柔轮径向变形量图谱以及数据处理。

所述的特定二次加工的谐波减速器的刚轮通过二次切割加工形成观测豁口，所述观测豁口形状呈扇形体，扇形体两弧线中心均位于刚轮中心轴线上，半径分别同刚轮齿顶圆半径与刚轮外轮廓半径相等，扇形体高度与刚轮齿轮长度相等，扇形体对应一定的圆心角。

所述的电机固定底座、传感器固定底座一、减速器固定底座、传感器固定底座二通过滑块螺母螺栓与固定基座连接。

所述的点激光位移传感器通过螺孔螺栓连接方式固定于传感器固定板，传感器固定板通过螺孔螺栓连接方式固定于三自由度位移台，最终实现激光位移传感器与三自由度位移台连接，并且激光位移传感器依靠三自由度位移台实现空间移动。

所述的三自由度位移台通过螺孔螺栓连接方式实现与位移台固定板连接，位移台固定板通过角码、滑块螺栓组合与位移台支架连接，位移台支架通过滑块螺母螺栓与固定基座连接。

所述的位移台支架包括有两个平行对称布置于固定基座宽度方向中部的固定支架板一和固定支架板二。

一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量方法，包括下述步骤：

S1、通过综合电源为伺服交流电机、磁粉制动器、显示面板、点激光位移传感器供应电能；

S2、高速旋转的交流伺服电机驱动扭矩转速传感器、特定二次加工的谐波减速器、磁粉制动器转动，使特定二次加工的谐波减速器的柔轮与刚轮进行周期性啮合运动；

S3、点激光位移传感器实时测量特定二次加工的谐波减速器柔轮径向变形量，显示面板实时显示点激光位移传感器测得的柔轮径向变形量，测得数据被传至工业计算机并存储；

S4、沿特定二次加工的谐波减速器轴线方向依次测量不同轴向位置处的柔轮径向变形量，并将数据储存于工业计算机；

S5、将储存于工业计算机中不同轴向位置的柔轮径向变形量图谱化，去除图中的突变点，从优化后的图谱中得到不同轴向位置处柔轮径向变形量的最大值，最终得出沿谐波减速器中心轴线方向的不同位置处柔轮径向变形量的变化规律和大小。

本发明的优点是：本发明通过对谐波减速器刚轮进行特定二次加工形成观测豁口，采用点激光位移传感器探入观测豁口实时采集柔轮轮齿径向变形量，利用三自由度位移台使传感器沿轴向移动以测量柔轮不同轮齿位置的径向变形量，实现对谐波减速器啮合运动状态下柔轮轮齿径向变形量测量。

在一些实施例中，还具有如下优点：

(1)本发明能够测量得到谐波减速器运动状态下柔轮的真实径向变形量，测量结果可靠；

(2)本发明的交流伺服电机具有较宽的转速范围，能够实现提供不同转速工况，同时能够轻易控制交流伺服电机以不同的运动规律运动，例如匀速运动、变速运动等；

(3)本发明的磁粉制动器具有较宽的扭矩范围，能够提供不同工况的负载，帮助测量不同负载状况下柔轮轮齿的径向变形量；

(4)本发明的转矩转速传感器可测量设备运转过程中实际转速与实际扭矩，能够与交流伺服电机输入转速、磁粉制动器输入扭矩形成对照，帮助提高输入工况的准确性。

附图说明

图1是本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的结构示意图；

图2是本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的左视图；

图3是本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的俯视图；

图4是本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的运动机构***视图；

图5是本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的特定二次加工的谐波减速器***视图；

图6是本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的减速器固定底座侧视图；

图7是本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的位移台支架侧视图；

图8是本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的检测部件侧视图；

图9是本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例

如图1至图8所示，一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，包括固定安装在固定基座上的运动装置本体部分和参数测量部分；下面对每一部分进行详细的描述。

运动装置本体部分：交流伺服电机2固定安装在固定于固定基座1的电机固定底座3上，通过十字滑块联轴器一4驱动扭矩转速传感器一5转动，扭矩转速传感器一5通过十字滑块联轴器二7带动特定二次加工的谐波减速器9转动，特定二次加工的谐波减速器9通过凸缘联轴器驱动扭矩转速传感器二16转动，扭矩转速传感器二16通过十字滑块联轴器三18驱动磁粉制动器19转动；电机固定底座3位于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座1端口200mm，电机固定底座3的底面与固定基座1上表面重合，并由横向以距离为200mm均布2个，纵向以距离100mm均布2个的M20的滑块螺母螺栓组合阵列，固定在固定基座1上；交流伺服电机2通过4个间距为80mm方形均布螺栓固定于电机固定底座3上端中心处；扭矩转速传感器一5通过十字滑块联轴器一4与交流伺服电机2连接，三者同心，扭矩转速传感器一5通过4个间距为100mm方形均布螺栓固定于传感器固定底座一6上，传感器固定底座一6通过4个间距为200mm方形均布滑块螺母螺栓阵列组合固定于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座端口500mm；特定二次加工的谐波减速器9的输入端通过十字滑块联轴器二7与转矩转速传感器一5连接，三者同心，特定二次加工的谐波减速器9通过半径为80mm的360度螺栓螺孔阵列组合固定于减速器固定底座8上端中部，减速器固定底座8位于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座1端口800mm，减速器固定底座8的底面与固定基座1上表面重合，并由横向以距离为200mm均布2个，纵向以距离100mm均布2个的M20的滑块螺母螺栓组合阵列，固定在固定基座1上；转矩转速传感器二16通过凸缘联轴器15与特定二次加工的谐波减速器9输出端连接，三者同心，扭矩转速传感器二16通过4个间距为100mm方形均布螺栓固定于传感器固定底座二17上，传感器固定底座二17通过4个间距为200mm方形均布滑块螺母螺栓阵列组合固定于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座1端口1000mm；磁粉制动器19通过十字滑块联轴器三18与转矩转速传感器二16连接，磁粉制动器19位于固定基座1宽度方向中部，长度方向距离固定基座1端口1500mm，磁粉制动器19底部与固定基座1上表面重合，并由横向以距离为500mm均布2个，纵向以距离200mm均布2个的M20的滑块螺母螺栓组合阵列，固定在固定基座1上；磁粉制动器19可用于模拟不同负载。

扭矩转速传感器设置目的是确保被测谐波减速器的输入工况达到理想标准，最终保证测量结果的准确性。作用是检测谐波减速器输入端实际转速与伺服电机输出转速是否一致，检测谐波减速器输出端的转矩与磁粉制动器输入的方向转矩是否相同。两个扭矩转速传感器具体实施方式：开启综合电源后扭矩转速传感器进入工作状态，扭矩转速传感器通过工业计算机的显示屏实时反馈谐波减速器输入端与输出端的实时转矩和转速参数。

特定二次加工的谐波减速器9的刚轮94同心固定安装在其内部，与滚子轴承95通过螺栓螺孔连接，转动的波发生器91通过柔轮轴承92使柔轮93发生循环周期变形，柔轮93采用其外齿与刚轮94的内齿相互啮合，实现周期变形转换为周期运动和高传动比；刚轮94通过二次切割加工形成特定形状的观测豁口96，观测豁口96形状呈扇形体，扇形两弧线中心均位于刚轮中心轴线上，半径分别同刚轮齿顶圆半径与刚轮外轮廓半径相等，扇形体高度与刚轮齿轮长度相等，扇形所对应圆心角的度数为27.5度。

测量装置部分：位移台支架11包括有固定支架板一111和固定支架板二112，固定支架板一111和固定支架板二112平行对称布置于固定基座1宽度方向中部，固定支架板一111与固定支架板二112宽度方向相距600mm，两支架板中心在长度方向距离固定基座1端口1000mm；固定支架板一111和固定支架板二112均为H型，固定支架板一111和固定支架板二112底部均连接有长度为600mm的铝型架113；三自由度位移台13由位移台一131、位移台二132、位移台三133三个不同位移方向的位移台连接构成，三自由度位移台13底部通过4个间距为50mm方形均布螺栓螺孔阵列组合固定于位移台固定板14的中心位置，位移台固定板14由横向以距离为580mm均布2个，纵向以距离80mm均布2个的M8的滑块螺母螺栓阵列组合，固定在固定支架板一111和固定支架板二112上；点激光位移传感器10通过4个间距为80mm方形均布螺栓螺孔阵列组合固定于传感器固定板12的一端，传感器固定板12通过4个间距为80mm方形均布螺栓螺孔阵列组合固定于位移台一131上。

本实施案例中，交流伺服电机2选用NIDEC牌，型号为MH401N2LN07，额定功率为400W,额定转速为3000r/min，速度响应频率为200KHz；转矩转速传感器一5、转矩转速传感器二16均选用江苏兰菱机电科技有限公司的ZJ-A型转矩转速传感器，传感器型号为ZJ-20A,转矩量程为20N·m,转速量程为6000r/min,准确度等级为±0.2％；特定二次加工的谐波减速器9是基于国际精密集团FS-25-50款谐波减速器加工得到，FS-25-50款谐波减速器减速比为50；磁粉制动器19选用江苏兰菱机电科技有限公司的FZ1000J/Y磁粉制动器，额定转矩为1000N·m,滑差功率为20kW,激磁电流为2.5A,重量为215kg；位移台一131与位移台二132选用Zolix牌，型号均为PSM25A-65CZ,行程为25mm，位移台三133选用BOCIC牌，型号为VTS102,分辨率为0.01mm,负载为20kg,行程为60mm；点激光位移传感器10选用基恩士的LK-H025激光位移传感器，测量距离为±3mm,参考距离为20mm,线性度为±0.02％；显示面板22选用基恩士的LK-HD500，最小显示模块为0.001μm。

如图9所示，本发明一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置的使用方法，具体包括下述步骤：

第一步打开综合电源20开关，设置点激光位移传感器10的采样频率，并使其持续保持工作状态，调整三自由度位移台13使点激光位移传感器10测量点与特定二次加工的谐波减速器9的观测豁口96最右端平齐；

第二步调节点激光位移传感器10使其激光通过特定二次加工的谐波减速器9的中心轴线；

第三步控制器21控制控制伺服电机2转动50圈，从工业计算机23中读取点激光位移传感器10的传回参数，并绘成柔轮径向变形图谱；

第四步将点激光位移传感器10沿特定二次加工的谐波减速器9的轴线向观测豁口96左端移动0.5mm；

第五步重复第三步、第四步,直到点激光位移传感器10移动至观测豁口96最左端；

第六步使用工业计算机23对柔轮径向变形图谱进行优化处理，并提取得到柔轮轮齿沿特定二次加工的谐波减速器9轴向不同截面的径向变形量。

尽管已经示出和描述了本发明专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求机器等同范围限定。

Claims (10)

1.一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，其特征在于：包括固定安装在固定基座上的运动装置本体部分和参数测量部分；

所述的运动装置本体部分包括有有交流伺服电机、十字滑块联轴器一、转矩转速传感器一、十字滑块联轴器二、谐波减速器、凸缘联轴器、转矩转速传感器二、十字滑块联轴器三和磁粉制动器；所述的谐波减速器的刚轮形成有观测豁口，所述交流伺服电机通过十字滑块联轴器一驱动扭矩转速传感器一转动，扭矩转速传感器一通过十字滑块联轴器二与谐波减速器输入端连接并驱动，谐波减速器通过凸缘联轴器驱动扭矩转速传感器二转动，扭矩转速传感器二通过十字滑块联轴器三驱动磁粉制动器转动；

所述的参数测量部分位于谐波减速器上方，包括有点激光位移传感器、传感器固定板、三自由度位移台、位移台固定板和位移台支架，所述点激光位移传感器通过所述传感器固定板固定于所述三自由度位移台上；所述三自由度位移台通过所述位移台固定板固定于所述位移台支架上；所述位移台支架固定于所述固定基座上；所述激光位移传感器可在所述三自由度位移台的带动下分别沿固定基座的x轴、y轴、z轴移动。

2.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，其特征在于：所述的伺服交流电机、十字滑块联轴器一、转矩转速传感器一、十字滑块联轴器二、谐波减速器、凸缘联轴器、转矩转速传感器二、十字滑块联轴器三和磁粉制动器同心连接。

3.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，其特征在于：所述的交流伺服电机、转矩转速传感器一、谐波减速器和转矩转速传感器二分别通过电机固定底座、传感器固定底座一、减速器固定底座和传感器固定底座二固定安装在固定基座上；所述的磁粉制动器与固定基座相连。

4.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，其特征在于：还包括有综合电源、控制器、显示面板以及工业计算机；其中：

所述综合电源为伺服交流电机、磁粉制动器、点激光位移传感器和显示面板供应电能；所述控制器调节伺服交流电机转速和控制磁粉制动器的制动载荷；所述显示面板用于实时显示点激光位移传感器的测量数据；所述工业计算机用于存储点激光位移传感器测量得到的数据、绘制柔轮径向变形量图谱以及数据处理。

5.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，其特征在于：所述的谐波减速器的刚轮是通过二次切割加工形成观测豁口的，所述观测豁口形状呈扇形体，扇形体两弧线中心均位于刚轮中心轴线上，半径分别同刚轮齿顶圆半径与刚轮外轮廓半径相等，扇形体高度与刚轮齿轮长度相等，扇形体对应一定的圆心角。

6.根据权利要求3所述的一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，其特征在于：所述的电机固定底座、传感器固定底座一、减速器固定底座、传感器固定底座二通过滑块螺母螺栓与固定基座连接。

7.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，其特征在于：所述的点激光位移传感器通过螺孔螺栓连接方式固定于传感器固定板，传感器固定板通过螺孔螺栓连接方式固定于三自由度位移台，最终实现激光位移传感器与三自由度位移台连接，并且激光位移传感器依靠三自由度位移台实现空间移动。

8.根据权利要求7所述的一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，其特征在于：所述的三自由度位移台通过螺孔螺栓连接方式实现与位移台固定板连接，位移台固定板通过角码、滑块螺栓组合与位移台支架连接，位移台支架通过滑块螺母螺栓与固定基座连接。

9.根据权利要求1所述的一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量装置，其特征在于：所述的位移台支架包括有两个平行对称布置于固定基座宽度方向中部的固定支架板一和固定支架板二。

10.一种谐波减速器柔轮轮齿径向变形量测量方法，其特征在于：包括下述步骤：

S1、通过综合电源为伺服交流电机、磁粉制动器、显示面板、点激光位移传感器供应电能；

S2、高速旋转的交流伺服电机驱动扭矩转速传感器、谐波减速器、磁粉制动器转动，使谐波减速器的柔轮与刚轮进行周期性啮合运动；

S3、点激光位移传感器实时测量谐波减速器柔轮径向变形量，显示面板实时显示点激光位移传感器测得的柔轮径向变形量，测得数据被传至工业计算机并存储；

S4、沿谐波减速器轴线方向依次测量不同轴向位置处的柔轮径向变形量，并将数据储存于工业计算机；

S5、将储存于工业计算机中不同轴向位置的柔轮径向变形量图谱化，去除图中的突变点，从优化后的图谱中得到不同轴向位置处柔轮径向变形量的最大值，最终得出沿谐波减速器中心轴线方向的不同位置处柔轮径向变形量的变化规律和大小。

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