CN101598631A

CN101598631A - 减速器用机电式动态加载装置

Info

Publication number: CN101598631A
Application number: CNA2009100231397A
Authority: CN
Inventors: 梅雪松; 赵飞; 陶涛; 许睦旬; 章云; 余新木
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2009-12-09

Abstract

本发明公开了一种减速器用机电式动态加载装置，其特征在于，包括设置在电机支架上一个自带旋转编码器的伺服电机，该伺服电机与设置在第一支架上的调速装置的输入端轴向连接，调速装置的输出端与负载缓冲器的一端轴向连接，负载缓冲器的另一端通过一个连接结构与设置在第二支架内侧的角度编码器轴向连接；所述电机支架、第一支架和第二支架，分别与底板固联；所述连接结构伸出第二支架外侧的部分与被测减速器连接后即可实现对被测减速器扭转动态加载。

Description

减速器用机电式动态加载装置

技术领域

本发明涉及一种机电式动态加载装置，特别涉及一种减速器负载测试用机电式动态加载装置。

背景技术

扭矩加载装置是传动机械尤其是减速机/器效率测试、负载能力测试及寿命测试等检测试验中所需的重要设备，在各种检测试验台中有广泛的应用。目前使用最广泛的加载装置为磁粉制动器，它根据电磁原理并以磁粉作为加载介质来传达转矩的，其传达之转矩与激磁电流基本成线性关系。通过改变通过电流的大小来改变输出扭矩的大小。但是这种方式最适合的方式是用于静态加载，对于动态加载则由于扭矩调整过程缓慢而不能满足要求；另一方面，磁粉制动器不适合用于低速运行的使用环境。国内有学者发明了一种动态扭矩加载器，(CN1610226A)。该加载器采用电动机励磁原理，通过改变励磁绕组中的电流改变加载器的输出力矩。上述方法可以实现动态加载，但是此发明的磁极对数只有两对，加载力矩的范围不能达到很高。也有人采用液压加载原理，进行加载器设计。液压加载精度相对较高，但存在液压设备的固有缺点。还有人采用摩擦力矩原理设计了扭矩加载器，利用其结构中内外环的相对滑动和滚动摩擦产生摩擦力矩，提供负载。该方式的加载力矩范围受摩擦力和结构限制不能达到较高的力矩，并且采用摩擦方式结构易磨损。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时适用于高速和低速运行环境，可精确对被测减速器进行动态加载的加载装置。

为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种减速器用机电式动态加载装置，其特征在于，包括设置在电机支架上一个自带旋转编码器的伺服电机，该伺服电机与设置在第一支架上的调速装置的输入端轴向连接，调速装置的输出端与负载缓冲器的一端轴向连接，负载缓冲器的另一端通过一个连接结构与设置在第二支架内侧的角度编码器轴向连接；所述电机支架、第一支架和第二支架，分别与底板固联；所述连接结构伸出第二支架外侧的部分与被测减速器连接后即可实现对被测减速器扭转动态加载。

上述方案中，所述连接结构包括一个阶梯轴和一个专用螺母，阶梯轴上设有粗轴和细轴，角度编码器套在粗轴上，并通过粗轴左侧的轴肩定位，粗轴右侧通过专用螺母螺纹连接使角度编码器的内部部件定位并固定，内部部件可随粗轴转动。所述负载缓冲器为一根弹性变形轴，该弹性变形轴径向截面为圆形或正方形。所述调速装置为一个谐波减速器。所述伺服电机与调速装置输入端的轴向连接采用一个弹性联轴器实现。所述调速装置输出端与负载缓冲器的轴向连接采用一个刚性联轴器实现。

本发明装置工作时，交流伺服电机带动谐波减速器运动，谐波减速器将交流伺服电机的低扭矩，高转速输出转换为大扭矩、低转速输出。通过控制伺服电机的转速使负载缓冲器的工作段两端产生一定的角度变形(由角度编码器和伺服电机自带旋转编码器测得)，使扭杆产生负载，并通过与被测件相连的连接结构施加到被测减速器输出端上，实现动态加载。

本发明装置具有以下优点：力矩加载精确；加载响应速度快；力矩加载范围可达1到1000Nm；力矩加载线性度好。

附图说明

图1为本发明加载装置的整体结构示意图。图中：1-交流伺服电机；2-电机支架；3-弹性联轴器；4-支架；5-谐波减速器；6-刚性联轴器；7-底板；8-负载缓冲器；9-连接结构10-角度编码器；11-支架；12-螺栓。

图2为图1中连接结构9的局部放大图。图中：13、阶梯连接轴；14、专用螺母；15、粗轴；16、细轴；17、轴肩。

图3为图1中的负载缓冲器刚度特性曲线与力矩加载实际测量值示意图。

图4为图1中的负载缓冲器结构形式一。

图5为图1中的负载缓冲器结构形式二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作原理作进一步详细说明。

参见图1、图2，一种减速器用机电式动态加载装置，交流伺服电机1通过止口安装在电机支架2上，并通过弹性联轴器3与谐波减速器5输入端轴向相连；谐波减速器5输出端通过刚性联轴器6与负载缓冲器8的一端轴向相连；负载缓冲器8的另一端通过一个连接结构9与角度编码器10连接，角度编码器10的外壳使用螺钉与支架11连接，连接结构9包括一个阶梯轴13和一个专用螺母14。阶梯轴13上设有粗轴15和细轴16，角度编码器11套在粗轴15上，左侧通过阶梯轴13上的轴肩17定位，右侧通过专用螺母14拧紧使角度编码器10的内部部件定位并固定，角度编码器10的内部部件可随粗轴15转动。细轴16伸出支架11内侧与负载缓冲器8远离谐波减速器5的一端连接(图2)。电机支架2、支架4、11，分别通过螺栓12与底板7相连。被加载减速器(被测试件)与连接结构9伸出支架11外侧的阶梯轴13连接后即可实现测试加载。伺服电机1自带有用于测量输入端角度旋转编码器，角度编码器10的测量精度大于伺服电机1自带旋转编码器的测量精度。角度编码器10用于测量输出端角度。

本发明式动态加载装置的工作原理如下：

根据材料力学理论计算得知制造缓冲器所用的材料的抗扭刚度为K。理论上，材料的扭转刚度与变形角度间满足胡克定律。经过多次试验验证，本发明负载缓冲器所用材料的抗扭刚度为一常数，其刚度曲线如图3所示，基本为一直线。负载缓冲器所承载力矩T与变形角θ之间的关系为

θ = \frac{T}{K}

---------------------------------------式1。

交流伺服电机1、谐波减速器5、负载缓冲器8等通过联轴器相连，被测试减速器安装在被测试件安装支架上，并与连接结构9轴向相连，构成完整的传动链。

在进行加载工作时，被测试件以工作速度运行，本发明通过对角度编码器10的检测值进行处理得到被测试件的运行速度V，控制交流伺服电机1以相同速度V运行，运动平稳后，根据式1计算出所需加载的力矩M对应的变形角度值θ，并根据此角度值计算出交流伺服电机所需运行的步长L。控制交流伺服电机1滞后被测试件运行，通过交流伺服电机1自身所带的旋转编码器和角度编码器10测量负载缓冲器8两端的角度差值a，当角度差值a与计算出的变形角度值θ相等时，停止加载过程，并使交流伺服电机1再次以速度V运行，完成加载过程。由于交流伺服电机的额定输出扭矩较小，本发明采用谐波减速器5，通过降低速度，获取大的扭矩输出值。

被测试件的运行速度V，通过以下原理进行检测：设采样时间间隔为Δt，第一次采样角度值为θ₁，第二次采样角度值为θ₂，则Δt时间内被测试件的角位移为θ₂-θ₁＝Δθ。根据速度与位移关系

v = \frac{s}{t}

知被测试件的速度计算公式为：

v = \frac{Δθ}{Δt}

---------------------------------------式2

以使用计算刚度为379.4599Nm/rad负载缓冲器，加载负载为31Nm时的一次测量结果为例。根据公式1负载缓冲器所需的角度变形量

θ = \frac{31}{379.4599} = 0.0817 rad,

实际检测到的角度形变量为0.0819rad实际加载力矩值M＝31.0759，加载绝对误差M_e＝0.0759Nm，相对误差

M_{r} = \frac{m_{e}}{M} \times 100 % = 0.24 % .

加载后稳定运行过程中力矩波动量ΔM＝±0.0532，相对波动误差为

M_{b} = \frac{ΔM}{M} \times 100 % = 0.17 % .

力矩加载与负载缓冲器形变量理论值与实际测量值如图3所示。

通过更换负载缓冲器8和谐波减速器5可以使本发明装置的扭矩加载范围从0到1000N.m。

如图4、5所示，通过计算并经过实验验证，负载缓冲器8的截面形式设计为圆形或方形时，加载时刚度的线性度最好，因此本发明中的负载缓冲器8的截面形式采用上述两种截面结构。

不需要加载时，通过加载器控制电路和角度编码器10计算得到被测件的实际运行速度并反馈给伺服电机控制机构，伺服电机控制机构通过调整伺服电机1的速度使负载缓冲器8的转速与被测件输出速度完全同步。负载缓冲器8的变形角为0。

本发明通过调整电机的运行速度控制达到低速和高速运行的要求。通过控制电路对编码器角度值进行处理得到被测件的输出端实际速度，以此控制伺服交流电机的运动速度，保证负载缓冲器两端角度差Δθ的恒定，从而保证加载力矩的恒定。本发明中角度编码器采用高精度角度编码器，角度分辨率可以达到秒级，再加上负载缓冲器优良的线性刚度特性，使本装置的扭矩加载精度达到很高。

Claims

1、一种减速器用机电式动态加载装置，其特征在于，包括设置在电机支架上的一个自带旋转编码器的伺服电机，该伺服电机与设置在第一支架上的调速装置的输入端轴向连接，调速装置的输出端与负载缓冲器的一端轴向连接，负载缓冲器的另一端通过一个连接结构与设置在第二支架内侧的角度编码器轴向连接；所述电机支架、第一支架和第二支架分别与底板固联；所述连接结构伸出第二支架外侧的部分与被测减速器连接后即可实现对被测减速器扭转动态加载。

2、如权利要求1所述的减速器用机电式动态加载装置，其特征在于，所述连接结构包括一个阶梯轴和一个专用螺母，阶梯轴上设有粗轴和细轴，角度编码器套在粗轴上，并通过粗轴左侧的轴肩定位，粗轴右侧通过专用螺母螺纹连接使角度编码器的内部部件定位并固定，角度编码器的内部部件可随粗轴转动。

3、如权利要求1所述的减速器用机电式动态加载装置，其特征在于，所述负载缓冲器为一根弹性变形轴。

4、如权利要求3所述的减速器用机电式动态加载装置，其特征在于，所述弹性变形轴径向截面为圆形或正方形。

5、如权利要求1所述的减速器用机电式动态加载装置，其特征在于，所述调速装置为一个谐波减速器。

6、如权利要求1所述的减速器用机电式动态加载装置，其特征在于，所述伺服电机与调速装置输入端的轴向连接采用一个弹性联轴器实现。

7、如权利要求1所述的减速器用机电式动态加载装置，其特征在于，所述调速装置输出端与负载缓冲器的轴向连接采用一个刚性联轴器实现。