CN107421736B - 基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置与方法，装置包括实验台、固定底座、交流伺服电机、凸缘联轴器、单级谐波传动减速器、法兰盘、标定基板、标定板、工业镜头、环形光源以及高速工业相机；固定底座固定于所述实验台上，交流伺服电机固定于固定底座上；交流伺服电机通过凸缘联轴器连接并驱动单级谐波传动减速器，单级谐波传动减速器固定于实验台上；单级谐波传动减速器、法兰盘、标定基板以及标定板同心连接，高速工业相机通过一个相机固定支架固定于实验台上。本发明采用了高速工业相机的瞬间高分辨率拍照能力，精准地记录标定点不同时刻位置的特点，实现对谐波减速器谐波振动特性和非谐波振动特性的准确测量分析。

Description

基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置与方法

技术领域

本发明涉及柔性结构的定位和振动控制技术领域，尤其涉及一种基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置与方法。

背景技术

随着当今航天航空事业的高速发展，人类对太空空间探索的范围越来越大、距离越来越远，从而对航天器的各方面性能要求也急剧提升，而且此类问题的突破对航天事业的发展起着举足轻重的作用，因此全球范围内对此类问题的重视程度极高，大批的研究人员对其进行了相关的研究。

其中较为突出的问题便是柔性材料的大量应用，而柔性材料受到太空环境的复杂影响，使实现既定功能要求的控制变得愈加的困难。柔性结构材料具有小阻尼、轻质量和低模态频率等特点，能够很好地满足未来航天器对材料的使用要求，所以对柔性材料的有效控制是决定应用了柔性材料的航天器能否正常运作的重要环节，其中对柔性材料的动态振动特性的控制是最为主要的。因此，采用谐波减速器中柔轮具有动态传动的特性，测量并分析谐波减速器的动态传动特性，即可得出柔轮的动态振动特性。

现有技术范围内，研究柔性材料的动态振动特性，多采用接触式测量传感器进行动态测量、分析，例如加速度传感器、压电陶瓷传感器等，加速度传感器虽具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质，但其测量的精度有限且极容易因外界震动干扰为损坏、失效，同时因其接触式测量会对柔性材料产生附加质量，影响结果的测量。

因此，选用测量精度非常高的高速工业相机进行测量，能够准确地测量分析谐波减速器的动态传动特性，同时以无线加速度传感器测量系统为辅。又因为本装置测量不同附加质量下，谐波齿轮的动态传动特性，所以，无线加速度传感器节点的质量对测量结果影响很微弱。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置与方法，采用了高速工业相机的逐行扫描传感器和全局快门，在极短时间内能够清晰记录视景内信息的优点，实现对谐波减速器内谐波齿轮的传动特性进行实时动态记录，以便准确地分析谐波齿轮的动态传动特性。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置，包括实验台、固定底座、交流伺服电机、凸缘联轴器、单级谐波传动减速器、法兰盘、标定基板、标定板、工业镜头、环形光源以及高速工业相机；

所述固定底座固定于所述实验台上，且交流伺服电机固定于固定底座上；所述交流伺服电机通过所述凸缘联轴器连接并驱动所述单级谐波传动减速器，所述单级谐波传动减速器固定于所述实验台上；

所述单级谐波传动减速器、法兰盘、标定基板以及标定板同心连接，所述单级谐波传动减速器通过所述法兰盘驱动所述标定基板和标定板同步转动；

所述高速工业相机通过一个相机固定支架固定于所述实验台上；所述工业镜头正对所述标定板，并固定于所述高速工业相机一端；所述环形光源环绕工业镜头设置，且工业镜头环形光源以及标定板均同心。

进一步地，还包括无线加速度传感器节点、无线网关、编码器以及工业计算机；其中

所述无线加速度传感器节点安装于所述标定基板上，用于测量标定基板的加速度，并将相应的加速度信息通过无线网关传输至所述工业计算机；

所述工业计算机用于接收以及处理所述无线加速度传感器和高速工业相机发送过来的数据；

所述编码器集成在交流伺服电机上，用于测量交流伺服电机的角位移和角速度，将测量的编码器信号经过编码器解算卡后输入到工业计算机进行处理。

进一步地，所述无线加速度传感器数量为2个。

进一步地，还包括安全保护罩，所述安全保护罩固定于所述实验台上，且所述固定底座、交流伺服电机、凸缘联轴器、单级谐波传动减速器、法兰盘、标定基板以及标定板均设置于安全保护罩的内部。

进一步地，所述实验台包括T型槽铸铁平台、T型槽用螺栓、实心方钢型材架、板材以及固定螺栓，T型槽铸铁平台通过水泥浇筑和地脚螺栓水平固定在地面上，实心方钢型材架采用多个对称均布的T型槽用螺栓固定安装在T型槽铸铁平台中部位置，板材通过固定螺栓固定安装在实心方钢型材架上。

进一步地，所述固定底座包括底板、侧板、托板、限位支撑板Ⅰ以及限位支撑板Ⅱ，底板一端固定侧板、另一端固定限位支撑板Ⅱ，托板固定于侧板上，限位支撑板Ⅰ固定于托板上；

所述交流伺服电机安装在固定底座的托板上，其输出端与限位支撑板Ⅰ的限位孔同心、重合装配，形成对交流伺服电机的冗余定位；底板通过螺母螺栓固定在实验台的板材上；

所述单级谐波传动减速器安装在固定底座的限位支撑板Ⅱ上，保持单级谐波传动减速器和交流伺服电机的机轴同心。

本发明另一目的是提供一种基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性方法，包括下述步骤：

S1、高速旋转的交流伺服电机驱动单级谐波传动减速器，使单级谐波传动减速器的输出轴产生振动特性，再由标定板放大以利于被高速工业相机所识别、记录；

S2、高速工业相机拍摄、记录标定板上标志点的位置信息，再将所有标志点的位置图片传到工业计算机；

S3、无线加速度传感器节点实时将其所测得的加速度信息经过无线网关(基站接收后，再传输到工业计算机中以待处理；

S4、工业计算机应用相应的算法处理图片中的标志点信息以及无线加速度传感器节点所获信息，分析交流伺服电机在匀速、匀变速以及速度不规律变化等多种情况下，单级谐波传动减速器内部柔轮和刚轮间的齿轮动态谐波特性、非谐波特性等物理特性。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明交流伺服电机具有很宽的转速范围，能够实现更广的振动范围测量分析，同时能够轻易地控制伺服电机以不同的运动规律转动，如匀速转动、匀变速转动、阶跃式转动等；

(2)本发明的单级谐波传动减速器的输出轴直接连接标定板，使谐波齿轮动态传动特性能够几乎无损地经标定板展现出来，高速工业相机的使用提升了其对标定板动态传动特性的测量精准程度，控制每个传递环节的精准度，实现最终结果能很好地被测量分析；

(3)本发明具有很强的替换性，可以更换不同质量的标定基板，实现不同负载情况下，谐波齿轮传动的动态特性测量分析，以及改用行星减速器代替单级谐波传动减速器进行测量分析；

(4)本发明无线加速度传感器的应用，无线加速度传感器节点能够和标定板同步转动，并动态测量其加速度量，实现与高速工业相机一同测量谐波齿轮传动的动态特性，提高装置的测量准度。

附图说明

图1为本发明基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的结构示意图；

图2为本发明基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的标定板侧向视图；

图3为本发明基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的俯视图；

图4为本发明基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的侧视图；

图5为本发明基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的固定底座示意图；

图6为本发明基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的单级谐波传动减速器的等轴示意图；

图7为本发明基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的实验台等轴视图；

图8为本发明基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的标定基板图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

如图1至图8所示，本发明提供一种基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置，主体包括伺服电机与谐波减速机构成的运动装置本体部分、铸铁平台与实心方钢型材架组成的实验平台部分以及单目机器视觉测量分析系统部分，下面对每一部分进行详细描述。

运动装置本体部分：交流伺服电机2，固定安装在已固定于实验台12的固定底座1上，通过凸缘联轴器4驱动单级谐波传动减速器5转动，单级谐波传动减速器5通过法兰盘6驱动标定基板8和标定板14同步转动；交流伺服电机2底座位于实验台12宽度方向中部，与实验台12工作面相距155mm，电机背面和实验台12侧面重合，固定底座1由横向以距离为85mm均布5个、纵向以距离为150mm均布2个的M12螺母螺栓组合阵列，固定在实验台12的板材122上；单级谐波传动减速器5输入轴轴线与交流伺服电机2的输出轴轴线共线，两轴端面相距16mm，并用凸缘联轴器4将两轴固定连接，交流伺服电机2输出轴和凸缘联轴器4间用半圆头键Ⅰ连接，凸缘联轴器4和单级谐波传动减速器5输入轴间用圆头键连接；

单级谐波传动减速器5的刚轮52同心固定安装在其内部，转动的波发生器54通过柔性轴承53使柔轮51发生循环周期变形，柔轮51采用其外齿与刚轮52的内齿相互啮合，实现其周期变形转换为周期转动和很大的传动比；单级谐波传动减速器5的结构如图6所示；

标定基板8、标定板14、法兰盘6和单级谐波传动减速器5的输出轴均同心安装，标定板14非标定面通过小径(PCD为80mm)均布6个和大经(PCD为320mm)均布12个的M4螺栓重合固定在标定基板8一端面，法兰盘6大端面(PCD为110mm)均布6个的M6螺栓重合固定在标定基板8另一端面，法兰盘6和单级谐波传动减速器5的输出轴重合部分为40mm；，单级谐波传动减速器5输出轴和法兰盘6间用半圆头键Ⅱ及紧定螺钉连接。

本实施例中，交流伺服电机2选用广州腾公司宏拓数控牌，主轴基频为50Hz的伺服电机，型号为TH08-3-9.5-1.5/2.2-4-1500，功率为1.5kW，转矩为9.5N.m；半圆头键Ⅰ选用型号为键C 8×7×45CB1096—1979，普通圆头键选用型号为键5×5×20CB1096—1979，紧定螺钉选用内六角平端紧定螺钉，型号标准为GB/T 77—2000—M8×25，半圆头键Ⅱ选用型号为键C 10×8×40CB1096—1979，凸缘联轴器4选用标准件，型号为GY2联轴器J₁ 24x38/J116x30；单级谐波传动减速器5选用北京中技克美谐波传动公司的XB1单级谐波传动减速器，机型为100，速比为160。

实验平台部分：实验台12主体由T型槽铸铁平台125、实心方钢型材架123和板材122构成；T型槽铸铁平台125的T型槽宽度(基本尺寸)A为18mm，T型槽间距p为100mm；实心方钢型材架123的型材横截面为50mm×50mm，其组成的型材长度分别为：1250mm，550mm和600mm；相互连接的两者间使用高强度螺栓固定，T型槽铸铁平台125和实心方钢型材架123间用M16的T型槽用螺母螺栓连接，横向以150mm为间距均布6个，纵向以100mm为间距均布5个，实心方钢型材架123和板材122间用M8粗牙螺栓连接，横向以150mm为间距均布9个，纵向以200mm为间距均布4个，以保证在巨大的振动作用下实验台12仍能保持稳定；实验台12的结构如图7所示。

本实施例中，T型槽铸铁平台125选用泊头市利晟铸造公司的T型槽平台；实心方钢型材架123选用星昱方钢公司的冷拉方钢，材质为Q235，使用焊接方式将各相邻方钢型材固定连接；板材122选用山东起瑞金属材料公司的中厚板，中厚板的尺寸为1250mm×650mm×20mm。

安全保护罩3安装在交流伺服电机2至标定基板8间的外侧，以防高速旋转时无线加速度传感器或螺栓等物体飞出，误伤周围人员，同时可以更佳有效的采用环形光源13发射出来的光照，使高速工业相机10获取高质量照片；

该装置采用高速相机10对谐波减速器输出带有标志的负载盘进行测量，测量谐波减速器在不同输入转速情况下，以及不同惯性负载情况下，输出的谐振谐波特性和间隙特性对输出负载瞬时特性的影响和分析。

单目机器视觉测量分析系统部分：高速工业相机10和工业镜头9构成测量分析系统主要部分，两个无线加速度传感器节点7和无线网关16(基站)组成测量分析系统辅助部分；

工业镜头9、环形光源13与标定板14同心，高速工业相机10正对标定板14标定点平面，经相机固定支架11固定在实验台12上，两个无线加速度传感器节点7对称安装在标定基板8两侧；

高速工业相机10，通过M4螺栓对称固定安装在已固定于实验台12的相机固定支架11上，其中相机固定支架11通过对称各均布间距为50mm的M8螺母螺栓组合固定于实验台12的板材122上，环形光源13通过M4螺栓和两块三角延伸板间接固定到相机固定支架11的两个相机架立板前端面，并使环形光源13、工业镜头9及标定板14三者同心安装，工业镜头9端面距离标定板14为250mm；两个无线加速度传感器节点7对称安装在标定基板8侧平面上，两个传感器节点底面相距340mm；安全保护罩3对称安装在实验台12宽度方向中线上，位于固定底座1外部，长度为660mm、宽度为430mm、高度为470mm，厚度为2mm，散热通孔大小为

其端面距离工业镜头9端面为160mm。

本实施例中，高速工业相机10选用合肥君达高科信息技术公司的高速工业相机，型号为千眼狼5KF10，感光芯片类型为COMS，感光芯片尺寸为17.92mm×12.04mm，像元尺寸为14μm×14μm，分辨率(像素)为1280×860，

像素位深为10bit，快门为全局快门；工业镜头选用理光公司的镜头，型号为FL-CC0814-2M，焦距为8mm，长度为44mm，外形尺寸为

C型接口，画面尺寸为2/3＂，最大口径比为1：1.4；无线加速度传感器节点7及其配套无线网关(基站)选用北京必创科技公司的传感器，型号为A302，节点功耗为25mA，空中传输速率为250K BPS，主体的尺寸为60mm×52mm×33mm；环形光源13选用东莞乐视自动化科技公司的环形无影光源，型号为LTS-HPR180-B/G/W,外径为/>

内径为/>

外形尺寸为W196mm×H25.5mm。

另外，本发明装置还包括有编码器15、无线网关16(基站)和工业计算机17，所述无线加速度传感器节点安装于所述标定基板上，用于测量标定基板的加速度，并将相应的加速度信息通过无线网关传输至所述工业计算机；所述工业计算机用于接收以及处理所述无线加速度传感器和高速工业相机发送过来的数据；所述编码器集成在交流伺服电机上，用于测量交流伺服电机的角位移和角速度，将测量的编码器信号经过编码器解算卡后输入到工业计算机进行处理。

本发明一种基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的使用方法，具体包括如下步骤：

第一步高速旋转的交流伺服电机2驱动单级谐波传动减速器5，使单级谐波传动减速器5的输出轴产生振动特性，再由标定板放大以利于被高速工业相机10所识别、记录；

第二步高速工业相机10以每秒1000帧甚至更高的速度拍摄、记录标定板14上标志点的位置信息，再将所有标志点的位置图片传到工业计算机17；

第三步两个无线加速度传感器节点7实时将其所测得的加速度信息经过相配套的无线网关(基站)接收后，传输到工业计算机17中以待处理；

第四步工业计算机17应用相应的算法处理图片中的标志点信息，以及无线加速度传感器节点所获信息，分析交流伺服电机2在匀速、匀变速以及速度不规律变化等多种情况下，单级谐波传动减速器5内部柔轮51和刚轮52间的齿轮动态谐波特性、非谐波特性等物理特性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的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及其等同范围限定。

Claims (5)

1.一种基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置，其特征在于，包括实验台、固定底座、交流伺服电机、凸缘联轴器、单级谐波传动减速器、法兰盘、标定基板、标定板、工业镜头、环形光源以及高速工业相机；

所述固定底座固定于所述实验台上，且交流伺服电机固定于固定底座上；所述交流伺服电机通过所述凸缘联轴器连接并驱动所述单级谐波传动减速器，所述单级谐波传动减速器固定于所述实验台上；

所述单级谐波传动减速器、法兰盘、标定基板以及标定板同心连接，所述单级谐波传动减速器通过所述法兰盘驱动所述标定基板和标定板同步转动；

所述高速工业相机通过一个相机固定支架固定于所述实验台上；所述工业镜头正对所述标定板，并固定于所述高速工业相机一端；所述环形光源环绕工业镜头设置，且工业镜头环形光源以及标定板均同心；

还包括无线加速度传感器节点、无线网关、编码器以及工业计算机；其中

所述无线加速度传感器节点安装于所述标定基板上，用于测量标定基板的加速度，并将相应的加速度信息通过无线网关传输至所述工业计算机；

所述工业计算机用于接收以及处理所述无线加速度传感器和高速工业相机发送过来的数据；

所述编码器集成在交流伺服电机上，用于测量交流伺服电机的角位移和角速度，将测量的编码器信号经过编码器解算卡后输入到工业计算机进行处理；

所述固定底座包括底板、侧板、托板、限位支撑板Ⅰ以及限位支撑板Ⅱ，底板一端固定侧板、另一端固定限位支撑板Ⅱ，托板固定于侧板上，限位支撑板Ⅰ固定于托板上；

所述交流伺服电机安装在固定底座的托板上，其输出端与限位支撑板Ⅰ的限位孔同心、重合装配，形成对交流伺服电机的冗余定位；底板通过螺母螺栓固定在实验台的板材上；

所述单级谐波传动减速器安装在固定底座的限位支撑板Ⅱ上，保持单级谐波传动减速器和交流伺服电机的机轴同心。

2.如权利要求1所述的基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置，其特征在于，所述无线加速度传感器数量为2个。

3.如权利要求1所述的基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置，其特征在于，还包括安全保护罩，所述安全保护罩固定于所述实验台上，且所述固定底座、交流伺服电机、凸缘联轴器、单级谐波传动减速器、法兰盘、标定基板以及标定板均设置于安全保护罩的内部。

4.如权利要求1所述的基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置，其特征在于，所述实验台包括T型槽铸铁平台、T型槽用螺栓、实心方钢型材架、板材以及固定螺栓，T型槽铸铁平台通过水泥浇筑和地脚螺栓水平固定在地面上，实心方钢型材架采用多个对称均布的T型槽用螺栓固定安装在T型槽铸铁平台中部位置，板材通过固定螺栓固定安装在实心方钢型材架上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于高速相机测量分析谐波齿轮动态传动特性装置的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、高速旋转的交流伺服电机驱动单级谐波传动减速器，使单级谐波传动减速器的输出轴产生振动特性，再由标定板放大以利于被高速工业相机所识别、记录；

S2、高速工业相机拍摄、记录标定板上标志点的位置信息，再将所有标志点的位置图片传到工业计算机；

S3、无线加速度传感器节点实时将其所测得的加速度信息经过无线网关基站接收后，再传输到工业计算机中以待处理；

S4、工业计算机应用相应的算法处理图片中的标志点信息以及无线加速度传感器节点所获信息，分析交流伺服电机在匀速、匀变速以及速度不规律变化多种情况下，单级谐波传动减速器内部柔轮和刚轮间的齿轮动态谐波特性、非谐波特性物理特性。

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