CN104006964A - 谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于谐波传动技术领域，具体涉及一种谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统。主要包括基座、谐波支架、电机支架、滑动架以及两套激光位移传感器平移系统；伺服电机及谐波传感器分别固定在电机支架及谐波支架上，并通过高速摄像机记录波发生器的转动；滑动架上安装两套水平及竖直位置可调的激光位移传感器，用来检测柔轮变形。本发明结构简单、装拆方便，通过选择不同的传感器和伺服电机，可以实现对各种尺寸的谐波减速器多种动态特性的测试；同时采用了纯机械结构的微动调节装置，调节精确。

Description

谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统

技术领域

本发明属于谐波传动技术领域，具体涉及一种谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统。

背景技术

谐波齿轮传动是现代机械传动中的一种新型传动方式。谐波传动机构主要由波发生器、刚轮和柔轮组成，利用波发生器的转动使柔轮产生可控弹性变形，并与刚轮相啮合来传递运动和动力；

影响谐波传动性能的主要因素包括非线性刚度、摩擦、滞后和运动学误差，国内外学者通过大量的实验分析与理论建模对上述行为进行了深入的研究，并已取得一定的成果，但是目前的研究多从系统动力学特性的角度去分析谐波传动装置的工作性能。由于谐波齿轮传动的啮合原理与受力特性与一般刚性齿轮传动有本质上的区别，轮齿啮合局部受力与运动的性能以及柔轮在变形传动中存在的偏斜、振动等现象将影响整个谐波传动系统的输出精度和运行效率，而现阶段关于谐波齿轮传动局部啮合的微观机理以及柔轮的变形机制尚未有系统的研究；

目前轮齿啮合特性的检测手段多为人工破环性检测。通常将谐波传动装置放在某个运行设备上，并在工作状态下不断运行，直到其零部件发生损坏，记录相应的时间与状态，这种检测方法所得数据不够精确，不能真实地反映谐波传动过程中的轮齿啮合情况。柔轮变形测试方法多采用电阻应变片法，该方法无法获得柔轮整体的应力、位移分布，其测量结果与实际情况存在较大的偏差；

综上所述，随着谐波传动在航空航天、机器人、机床、导弹等领域越来越广泛的应用，其自身的可靠性要求也得到了重视，因此急需一种能够观测轮齿啮合以及柔轮变形的装置，从而进一步研究刚、柔轮轮齿啮合过程中的啮合面相对运动以及柔轮的变形规律，提高啮合传动的精度和可靠性；

发明内容

本发明提供了一种谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统，用来解决传统测试装置功能单一、操作复杂、工作效率低、测量误差大的问题。

本发明采用的技术方案是：

该系统主要包括基座、谐波支架、电机支架、滑动架以及两套激光位移传感器平移系统；

所述基座的主体为底座，并在底座上设置两条平行的T型槽；

所述谐波支架通过T型滑块与底座上的T型槽配合，并在谐波支架上固定谐波减速器；

所述电机支架通过T型滑块与底座上的T型槽配合，并在电机支架上固定伺服电机；

所述伺服电机通过联轴器和传动轴与谐波减速器连接；

所述滑动架位于谐波支架和电机支架之间，并跨过传动轴，具体结构为：作为滑动架主体结构的第一滑动架支架和第三滑动架支架相互平行，两者间通过若干根金属柱、两个第二滑动架支架以及螺栓固定连接；第一滑动架支架和第三滑动架支架底端分别设置矩形凸缘，用来与底座上的T型槽配合；

所述两套激光位移传感器平移系统的结构相同，具体为：在第一滑动架支架上设置一组滑槽，包括两个沿竖直方向布置的方形滑槽以及两个沿水平方向布置的长方形滑槽；十字形的第二滑动架的四个臂分别经过四个滑槽，其水平臂的两端分别通过固接的滑块与两个沿水平方向布置的长方形滑槽配合；第二滑动架的竖直臂两端分别设置沿竖直方向布置的长方形滑槽，第一滑动架的两端通过固接的滑块与第二滑动架竖直臂两端的滑槽配合，激光位移传感器与第一滑动架固定连接；第一螺杆水平设置，一端与第一滑动架支架固接，另一端与第一滑动架支架上长方形滑槽内的滑块连接，通过转动第一螺杆使滑块及第二滑动架在水平方向运动；第二螺杆竖直设置，其一端与第二滑动架固接，另一端第二滑动架上长方形滑槽内的滑块连接，通过转动第二螺杆带动第一滑动架在长方形滑槽内沿竖直方向运动；

高速摄像机固定于底座上，设置在谐波减速器一端，用来记录柔轮与刚轮的啮合过程；

电机控制器设置于底座上，用来控制伺服电机的转速。

所述两套激光位移传感器平移系统相互垂直布置，使两个激光位移传感器分别位于谐波减速器的上方和侧方。

所述第一螺杆和第二螺杆经过的金属柱上开孔，第一螺杆和第二螺杆通过套筒、螺母和垫片与金属柱连接。

所述金属柱为铜柱。

所述输出轴通过螺纹与销轴的一端连接，销轴的另一端与谐波减速器通过键连接。

本发明的有益效果是：

(1)结构简单、成本低；

(2)当谐波减速器的型号发生变化时，只需更换一个支架，使其与被测谐波减速器相匹配，而不必改变其他零件，不仅操作简单、裝拆方便，同时拓宽了本发明的检测范围，可以实现对各种尺寸的谐波减速器动态特性的测试；

(3)采用了纯机械结构的微动调节装置，与普通微位移装置相比，不仅体积大大减小，同时降低了使用成本，并且可以达到相近的精调效果；

(4)通过选择不同的传感器和伺服电机，可以实现在一个实验台上对谐波减速器的多种动态特性进行测试。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为底座、谐波支架、电机支架部分的结构示意图；

图3为滑动支架及一套激光位移传感器平移系统的正视图；

图4为滑动支架及两套激光位移传感器平移系统的俯视图；

图5为第一滑动架支架与两套激光位移传感器平移系统的连接关系图；

图6为滑动支架及两套激光位移传感器平移系统的立体图；

图7为第一滑动架支架的形状示意图；

图8为第三滑动架支架的形状示意图；

图9为第一滑动架的形状示意图；

图10为第二滑动架的形状示意图。

图中编号：

1-高速摄像机，2-销轴，3-谐波减速器，4-联轴器，5-电机控制器，6-伺服电机，7-传动轴，8-第一滑动架支架，9-第二滑动架支架，10-第一滑动架，11-手柄，12-第一螺杆，13-第一套筒，14-第二滑动架，15-激光位移传感器，16-第二套筒，17-第二螺杆，20-第三滑动架支架，21-底座，22-第一支架，23-第二支架，24-第三支架，25-第四支架。

具体实施方式

本发明提供了一种谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统，下面结合附图对本发明的结构原理与工作原理作进一步的说明。

如图1所示，该系统主要包括基座、谐波支架、电机支架、滑动架以及两套激光位移传感器平移系统。

如图2所示，基座的主体为底座21，并在底座21上设置两条平行的T型槽。谐波支架由第一支架22、第二支架23、第四支架25组成，通过T型滑块与底座21上的T型槽配合，并在谐波支架上固定谐波减速器3；电机支架由第一支架21、第三支架24、第四支架25组成，通过T型滑块与底座21上的T型槽配合，并在电机支架上固定伺服电机6；谐波支架与电机支架位置相对且位置可调。

伺服电机6通过联轴器4与传动轴7的一端连接，输出轴7的另一端通过螺纹与销轴2的一端连接，销轴2的另一端与谐波减速器3通过键连接；伺服电机6输出轴的输出动力传递至谐波减速器3的波发生器，带动其转动，使谐波减速器3正常工作。

如图6、7、8所示，滑动架位于谐波支架和电机支架之间，并跨过传动轴7，具体结构为：作为滑动架主体结构的第一滑动架支架8和第三滑动架支架20相互平行，两者间通过若干根铜柱、两个第二滑动架支架9以及螺栓固定连接；第一滑动架支架8和第三滑动架支架20底端分别设置矩形凸缘，用来与底座21上的T型槽配合。

如图3、4、5、9、10所示，两套激光位移传感器平移系统的结构相同，具体为：在第一滑动架支架8上设置一组滑槽，包括两个沿竖直方向布置的方形滑槽以及两个沿水平方向布置的长方形滑槽；十字形的第二滑动架14的四个臂分别经过四个滑槽，其水平臂的两端分别通过固接的滑块与两个沿水平方向布置的长方形滑槽配合；第二滑动架14的竖直臂两端分别设置沿竖直方向布置的长方形滑槽，第一滑动架10的两端通过固接的滑块与第二滑动架14竖直臂两端的滑槽配合，激光位移传感器15与第一滑动架10固定连接；第一螺杆12水平设置，一端与第一滑动架支架8固接，另一端与第一滑动架支架8上长方形滑槽内的滑块连接，通过转动第一螺杆12使滑块及第二滑动架14在水平方向运动；第二螺杆17竖直设置，其一端与第二滑动架14固接，另一端第二滑动架14上长方形滑槽内的滑块连接，通过转动第二螺杆17带动第一滑动架10在长方形滑槽内沿竖直方向运动；其中，第一螺杆12和第二螺杆17经过的金属柱上开孔，第一螺杆12和第二螺杆17分别通过第一套筒13、第二套筒16以及螺母和垫片与金属柱连接。两套激光位移传感器平移系统相互垂直布置，使两个激光位移传感器15分别位于谐波减速器3的上方和侧方。

高速摄像机1固定于底座21上，设置在谐波减速器3一端，用来记录柔轮与刚轮的啮合过程。

电机控制器5设置于底座21上，用来控制伺服电机6的转速，从而观测不同输入转速下的轮齿啮合及柔轮变形动力学特性。

本系统的工作过程如下；

首先调整高速摄像机1与谐波减速器3之间的相对位置，以取得最佳的成像效果，高速摄像机1可外接配套的显示设备。

然后再调整激光位移传感器15的位置，两个激光位移传感器15分别用来检测谐波减速器3柔轮沿水平和竖直方向的变形量，下面以检测垂直方向的激光位移传感器为例。该传感器被固定在第一滑动架10上，其水平和竖直方向的位置可以分别通过对应于两个方向上的手柄11进行精调，先微调其竖直位置，以保证激光位移传感器15的读数有效，然后微调其水平位移，可以检测出柔轮上不同部位的变形。

再将电机控制器5与伺服电机6相连，电机控制器5与计算机相连，通过相应的操作软件调节伺服电机6的输出转速，并实时显示测量数据。

完成以上准备工作后，即可进行观测。接通电源，伺服电机6通过传动轴7带动销轴2旋转，销轴2通过键带动波发生器旋转，于是在高速摄像机1的显示设备上可以观察到谐波减速器3正常工作下轮齿啮合的全过程；再按上述方式调节激光位移传感器15的位置，便可以在计算机上显示出柔轮变形的全过程；调节伺服电机6的输出转速，即可测出其在不同工作转速下的动力学特性。

Claims (5)

1.谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统，其特征在于，主要包括基座、谐波支架、电机支架、滑动架以及两套激光位移传感器平移系统；

所述基座的主体为底座(21)，并在底座(21)上设置两条平行的T型槽；

所述谐波支架通过T型滑块与底座(21)上的T型槽配合，并在谐波支架上固定谐波减速器(3)；

所述电机支架通过T型滑块与底座(21)上的T型槽配合，并在电机支架上固定伺服电机(6)；

所述伺服电机(6)通过联轴器(4)和传动轴(7)与谐波减速器(3)连接；

所述滑动架位于谐波支架和电机支架之间，并跨过传动轴(7)，具体结构为：作为滑动架主体结构的第一滑动架支架(8)和第三滑动架支架(20)相互平行，两者间通过若干根金属柱、两个第二滑动架支架(9)以及螺栓固定连接；第一滑动架支架(8)和第三滑动架支架(20)底端分别设置矩形凸缘，用来与底座(21)上的T型槽配合；

所述两套激光位移传感器平移系统的结构相同，具体为：在第一滑动架支架(8)上设置一组滑槽，包括两个沿竖直方向布置的方形滑槽以及两个沿水平方向布置的长方形滑槽；十字形的第二滑动架(14)的四个臂分别经过四个滑槽，其水平臂的两端分别通过固接的滑块与两个沿水平方向布置的长方形滑槽配合；第二滑动架(14)的竖直臂两端分别设置沿竖直方向布置的长方形滑槽，第一滑动架(10)的两端通过固接的滑块与第二滑动架(14)竖直臂两端的滑槽配合，激光位移传感器(15)与第一滑动架(10)固定连接；第一螺杆(12)水平设置，一端与第一滑动架支架(8)固接，另一端与第一滑动架支架(8)上长方形滑槽内的滑块连接，通过转动第一螺杆(12)使滑块及第二滑动架(14)在水平方向运动；第二螺杆(17)竖直设置，其一端与第二滑动架(14)固接，另一端第二滑动架(14)上长方形滑槽内的滑块连接，通过转动第二螺杆(17)带动第一滑动架(10)在长方形滑槽内沿竖直方向运动；

高速摄像机(1)固定于底座(21)上，设置在谐波减速器(3)一端，用来记录柔轮与刚轮的啮合过程；

电机控制器(5)设置于底座(21)上，用来控制伺服电机(6)的转速。

2.根据权利要求1所述的谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统，其特征在于，所述两套激光位移传感器平移系统相互垂直布置，使两个激光位移传感器(15)分别位于谐波减速器(3)的上方和侧方。

3.根据权利要求1所述的谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统，其特征在于，所述第一螺杆(12)和第二螺杆(17)经过的金属柱上开孔，第一螺杆(12)和第二螺杆(17)通过套筒、螺母和垫片与金属柱连接。

4.根据权利要求1所述的谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统，其特征在于，所述金属柱为铜柱。

5.根据权利要求1所述的谐波传动轮齿啮合及柔轮变形动力学特性测试系统，其特征在于，所述输出轴(7)通过螺纹与销轴(2)的一端连接，销轴(2)的另一端与谐波减速器(3)通过键连接。