CN110082104B - 一种谐波传动减速器及传动系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传动技术领域，公开了一种谐波传动减速器及传动系统及检测方法，谐波传动减速器及传动系统包括：噪声检测模块、承重检测模块、刚度检测模块、主控模块、传动速比计算模块、寿命预测模块、检测数据存储模块、显示模块。本发明通过刚度检测模块可以直接利用器件的实际工作数据进行在线或离线测量，而无需特定的实验测量装置；这一方面可以节省专用测试装置，大大节省成本、提高器件研制效率；同时，通过寿命预测模块提高谐波减速器传动误差检测精度，进而提高谐波减速器可靠寿命评估精度。
Description
技术领域
本发明属于传动技术领域，尤其涉及一种谐波传动减速器及传动系统及检测方法。
背景技术
谐波传动减速器主要由波发生器、柔性齿轮、柔性轴承、刚性齿轮四个基本构件组成，谐波传动减速器，是一种靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。应用学科：机械工程(一级学科)；传动(二级学科)；齿轮传动(三级学科)谐波齿轮传动减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动(简称谐波传动)。然而，现有谐波传动减速器刚度检测不准确；同时，不能准确的预测谐波传动减速器寿命。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有谐波传动减速器刚度检测不准确；同时，不能准确的预测谐波传动减速器寿命。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种谐波传动减速器及传动系统及检测方法。
本发明是这样实现的，一种谐波传动减速器及传动系统的检测方法，所述谐波传动减速器及传动系统的检测方法包括：
步骤一，通过噪声检测模块利用噪声传感器检测谐波传动减速器噪声数据；
利用信号噪声谱测量数据，进行曲线拟合，得到噪声谱模型中的噪声参考数据初值，并编写正则方程组对噪声参考数据进行修正，最终得到满足既定要求的噪声参考数据；再根据信号噪声谱与其谐波传动减速器噪声幂律模型的关系，将求得的噪声参考数据代入谐波传动减速器噪声幂律模型中，进而得到被测信号的谐波传动减速器噪声测量结果。
通过承重检测模块利用压力传感器检测谐波传动减速器称重压力数据；通过刚度检测模块利用检测设备对谐波传动减速器刚度进行检测；
步骤二，主控模块通过传动速比计算模块利用计算程序计算谐波传动减速器传动速比数据；
通过寿命预测模块利用预测程序对谐波传动减速器寿命进行预测；
所述刚度检测模块检测方法包括：
(1)配置谐波减速器检测噪声参考数据，以谐波减速器关节构成的器件作为对象，利用其控制系统，对器件的输出端控制，使其作规律的正弦运动；
(2)根据影响传动刚度的相关因素以及器件的测试环境，建立器件中的谐波减速器传动刚度的动力学模型，并建立相应的约束条件；其中，所述相关因素包括谐波减速器关节的非线性刚度、迟滞效应、间隙、非线性摩擦、低频运动误差和阻尼；
(3)启动待测量器件，开始测试：
根据步进电机噪声参考数据获得谐波减速器关节输入角度；直接测量谐波减速器关节输出角度；利用差分算法，根据各时刻谐波减速器关节输入角度和各时刻谐波减速器关节输出角度，获得输入角速度和输出角速度；根据获得的输入角速度和输出角速度获得相对角速度；
根据获得的输入角度和输出角度获得相对角位移；
共测试n组，获得n组运动学噪声参考数据；
(4)根据步骤(3)中获得的n组运动学噪声参考数据，利用输出角速度信息，采用差分法估计输出角加速度信息，并利用滑动平均滤波器对所得的输出角加速度信息进行滤波处理，获得滤波后的输出角加速度；
将谐波减速器关节输出端惯量与滤波后的输出角加速度相乘，获得谐波减速器关节输出端力矩；并求所有相对角位移和关节输出力矩的平均值，获得平均相对角位移和平均关节输出力矩；
(5)根据步骤(3)和步骤(4)中获得的噪声参考数据，代入步骤二中建立的传动刚度动力学模型中，进行刚度噪声参考数据辨识，进而获得传动刚度动力学模型的最终表达式；在实际测试传动刚度时，将谐波减速器的相对角位移代入，即可获得谐波减速器关节的输出力矩，进而确定输出力矩与相对角位移之间的关系，即传动刚度；
步骤三，通过检测数据存储模块利用存储器存储检测的噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息；
步骤四，通过显示模块利用显示器显示检测的谐波传动减速器噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息。
进一步，确定噪声参考数据初值的方法包括：
依据式
采用非线性最小二乘法，确定噪声参考数据的初值，取
(β＝0,1,2,3,4)，即需要选择aβ的初值，将式
表示为如下的矩阵形式：
FA＝S；
其中：
A＝[a0 a1…a4]T S＝[S0 S1…S4]T；
矩阵F中所要用的数据点是从N个{(fi,Si)}i＝1,2,…,N中选取五个频率点，选取的数值应保证矩阵F是满秩可逆；
由此得表示噪声参考数据aβ初值的矩阵A的初值为：
以
为初始值进行迭代对矩阵A的值进行估计，l表示迭代次数，此时l＝0。
进一步，所述噪声参考数据估计的误差
由以下方程估算：
其中系数
和
为：
其中Sk表示频率fk处的噪声谱测量值，
表示频率fk处对应的噪声谱的第l次迭代值，即：
进一步，所述噪声模型噪声参考数据估计的判断方法为：
判断
如不满足误差要求，令：
l＝l+1；
并将修正后的
和对应的噪声谱测量数据
代入正则方程组进行求解，得到各噪声参考数据的修正值
重新判断
直至误差
满足测量要求或达到设定的迭代次数。
进一步，满足误差要求，则将噪声参考数据值
作为
(β＝0,1,2,3,4)的值代入式
中，即得到被测信号的谐波传动减速器噪声，并由此绘制谐波传动减速器噪声曲线。
所述寿命预测模块预测方法包括：
1)通过数据采集设备采集谐波减速器传动精度退化数据，并对采集数据进行校正，利用检测装置连续检测谐波减速器的传动误差数据；
2)基于传动误差数据得到谐波减速器的传动误差动态曲线；
3)提取传动误差动态曲线的极大极小值点，利用最小二乘法拟合传动精度退化轨迹方程。
进一步，所述寿命预测模块预测方法进一步包括：
将预定的失效阈值代入传动精度退化轨迹方程，计算谐波减速器的失效寿命。
进一步，所述寿命预测模块预测方法进一步包括：
假设谐波减速器失效寿命分布，利用分布检验方法检验寿命分布的符合性；
利用最大似然估计法估计谐波减速器寿命分布噪声参考数据，最终得到谐波减速器可靠寿命评估模型。
本发明的另一目的在于提供种谐波传动减速器及传动系统，所述谐波传动减速器及传动系统包括：
噪声检测模块，与主控模块连接，用于通过噪声传感器检测谐波传动减速器噪声数据；
承重检测模块，与主控模块连接，用于通过压力传感器检测谐波传动减速器称重压力数据；
刚度检测模块，与主控模块连接，用于通过检测设备对谐波传动减速器刚度进行检测；
主控模块，与噪声检测模块、承重检测模块、刚度检测模块、传动速比计算模块、寿命预测模块、检测数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
传动速比计算模块，与主控模块连接，用于通过计算程序计算谐波传动减速器传动速比数据；
寿命预测模块，与主控模块连接，用于通过预测程序对谐波传动减速器寿命进行预测；
检测数据存储模块，与主控模块连接，用于通过存储器存储检测的噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息；
显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示检测的谐波传动减速器噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述谐谐波传动减速器及传动系统的波传动减速器。
本发明的优点及积极效果为：本发明通过刚度检测模块在利用与器件实际服役工况相仿的周期性、带载激励作用下，本发明所述方法能够连续、自动、准确地测试谐波减速器的动态传动刚度；无需对谐波减速器一端进行固定，对输出力矩测量条件也较为宽松(输出力矩可以通过运动学噪声参考数据估计)，因此，本发明可以直接利用器件的实际工作数据进行在线或离线测量，而无需特定的实验测量装置。这一方面可以节省专用测试装置，大大节省成本、提高器件研制效率；同时，通过寿命预测模块采集谐波减速器传动精度退化数据，可以反映出谐波减速器在转动中，由负载与惯性载荷变化引起的连续的传动误差变化，解决静态传动误差检测法仅仅只能反映谐波减速器静止情况下间断的几个点处的传动误差的缺陷，提高谐波减速器传动误差检测精度，进而提高谐波减速器可靠寿命评估精度。
本发明通过噪声检测模块利用噪声传感器检测谐波传动减速器噪声数据；
利用信号噪声谱测量数据，进行曲线拟合，得到噪声谱模型中的噪声参考数据初值，并编写正则方程组对噪声参考数据进行修正，最终得到满足既定要求的噪声参考数据；再根据信号噪声谱与其谐波传动减速器噪声幂律模型的关系，将求得的噪声参考数据代入谐波传动减速器噪声幂律模型中，进而得到被测信号的谐波传动减速器噪声测量结果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的谐波传动减速器及传动系统结构框图。
图中：1、噪声检测模块；2、承重检测模块；3、刚度检测模块；4、主控模块；5、传动速比计算模块；6、寿命预测模块；7、检测数据存储模块；8、显示模块。
图2是本发明实施例提供的谐波传动减速器及传动系统的检测方法流程图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明包括。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的谐波传动减速器及传动系统包括：噪声检测模块1、承重检测模块2、刚度检测模块3、主控模块4、传动速比计算模块5、寿命预测模块6、检测数据存储模块7、显示模块8。
噪声检测模块1，与主控模块4连接，用于通过噪声传感器检测谐波传动减速器噪声数据；
承重检测模块2，与主控模块4连接，用于通过压力传感器检测谐波传动减速器称重压力数据；
刚度检测模块3，与主控模块4连接，用于通过检测设备对谐波传动减速器刚度进行检测；
主控模块4，与噪声检测模块1、承重检测模块2、刚度检测模块3、传动速比计算模块5、寿命预测模块6、检测数据存储模块7、显示模块8连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
传动速比计算模块5，与主控模块4连接，用于通过计算程序计算谐波传动减速器传动速比数据；
寿命预测模块6，与主控模块4连接，用于通过预测程序对谐波传动减速器寿命进行预测；
检测数据存储模块7，与主控模块4连接，用于通过存储器存储检测的噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息；
显示模块8，与主控模块4连接，用于通过显示器显示检测的谐波传动减速器噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息。
本发明提供的刚度检测模块3检测方法包括：
(1)配置谐波减速器检测噪声参考数据，以谐波减速器关节构成的器件作为对象，利用其控制系统，对器件的输出端控制，使其作规律的正弦运动；
(2)根据影响传动刚度的相关因素以及器件的测试环境，建立器件中的谐波减速器传动刚度的动力学模型，并建立相应的约束条件；其中，所述相关因素包括谐波减速器关节的非线性刚度、迟滞效应、间隙、非线性摩擦、低频运动误差和阻尼；
(3)启动待测量器件，开始测试：
根据步进电机噪声参考数据获得谐波减速器关节输入角度；直接测量谐波减速器关节输出角度；利用差分算法，根据各时刻谐波减速器关节输入角度和各时刻谐波减速器关节输出角度，获得输入角速度和输出角速度；根据获得的输入角速度和输出角速度获得相对角速度；
根据获得的输入角度和输出角度获得相对角位移；
共测试n组，获得n组运动学噪声参考数据；
(4)根据步骤(3)中获得的n组运动学噪声参考数据，利用输出角速度信息，采用差分法估计输出角加速度信息，并利用滑动平均滤波器对所得的输出角加速度信息进行滤波处理，获得滤波后的输出角加速度；
将谐波减速器关节输出端惯量与滤波后的输出角加速度相乘，获得谐波减速器关节输出端力矩；并求所有相对角位移和关节输出力矩的平均值，获得平均相对角位移和平均关节输出力矩；
(5)根据步骤(3)和步骤(4)中获得的噪声参考数据，代入步骤二中建立的传动刚度动力学模型中，进行刚度噪声参考数据辨识，进而获得传动刚度动力学模型的最终表达式；在实际测试传动刚度时，将谐波减速器的相对角位移代入，即可获得谐波减速器关节的输出力矩，进而确定输出力矩与相对角位移之间的关系，即传动刚度。
本发明提供的寿命预测模块6预测方法包括：
1)通过数据采集设备采集谐波减速器传动精度退化数据，并对采集数据进行校正，利用检测装置连续检测谐波减速器的传动误差数据；
2)基于传动误差数据得到谐波减速器的传动误差动态曲线；
3)提取传动误差动态曲线的极大极小值点，利用最小二乘法拟合传动精度退化轨迹方程；
4)将预定的失效阈值代入传动精度退化轨迹方程，计算谐波减速器的失效寿命；
5)假设谐波减速器失效寿命分布，利用分布检验方法检验寿命分布的符合性；
6)利用最大似然估计法估计谐波减速器寿命分布噪声参考数据，最终得到谐波减速器可靠寿命评估模型。
图2是本发明实施例提供的谐波传动减速器及传动系统的检测方法包括：
S101,通过噪声检测模块1利用噪声传感器检测谐波传动减速器噪声数据；通过承重检测模块2利用压力传感器检测谐波传动减速器称重压力数据；通过刚度检测模块3利用检测设备对谐波传动减速器刚度进行检测.
S102,主控模块4通过传动速比计算模块5利用计算程序计算谐波传动减速器传动速比数据；通过寿命预测模块6利用预测程序对谐波传动减速器寿命进行预测.
S103,通过检测数据存储模块7利用存储器存储检测的噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息.
S104,通过显示模块8利用显示器显示检测的谐波传动减速器噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息。
本发明通过噪声检测模块利用噪声传感器检测谐波传动减速器噪声数据；
利用信号噪声谱测量数据，进行曲线拟合，得到噪声谱模型中的噪声参考数据初值，并编写正则方程组对噪声参考数据进行修正，最终得到满足既定要求的噪声参考数据；再根据信号噪声谱与其谐波传动减速器噪声幂律模型的关系，将求得的噪声参考数据代入谐波传动减速器噪声幂律模型中，进而得到被测信号的谐波传动减速器噪声测量结果。
确定噪声参考数据初值的方法包括：
依据式
采用非线性最小二乘法，确定噪声参考数据的初值，取
(β＝0,1,2,3,4)，即需要选择aβ的初值，将式
表示为如下的矩阵形式：
FA＝S；
其中：
A＝[a0 a1…a4]T S＝[S0 S1…S4]T；
矩阵F中所要用的数据点是从N个{(fi,Si)}i＝1,2,…,N中选取五个频率点，选取的数值应保证矩阵F是满秩可逆；
由此得表示噪声参考数据aβ初值的矩阵A的初值为：
以
为初始值进行迭代对矩阵A的值进行估计，l表示迭代次数，此时l＝0。
所述噪声参考数据估计的误差
由以下方程估算：
其中系数
和
为：
其中Sk表示频率fk处的噪声谱测量值，
表示频率fk处对应的噪声谱的第l次迭代值，即：
所述噪声模型噪声参考数据估计的判断方法为：
判断
如不满足误差要求，令：
l＝l+1；
并将修正后的
和对应的噪声谱测量数据
代入正则方程组进行求解，得到各噪声参考数据的修正值
重新判断
直至误差
满足测量要求或达到设定的迭代次数。
满足误差要求，则将噪声参考数据值
作为
(β＝0,1,2,3,4)的值代入式
中，即得到被测信号的谐波传动减速器噪声，并由此绘制谐波传动减速器噪声曲线。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种谐波传动减速器及传动系统的检测方法，其特征在于，所述谐波传动减速器及传动系统的检测方法包括：
步骤一，通过噪声检测模块利用噪声传感器检测谐波传动减速器噪声数据；
利用信号噪声谱测量数据，进行曲线拟合，得到噪声谱模型中的噪声参考数据初值，并编写正则方程组对噪声参考数据进行修正，最终得到满足既定要求的噪声参考数据；再根据信号噪声谱与其谐波传动减速器噪声幂律模型的关系，将求得的噪声参考数据代入谐波传动减速器噪声幂律模型中，进而得到被测信号的谐波传动减速器噪声测量结果；
通过承重检测模块利用压力传感器检测谐波传动减速器称重压力数据；通过刚度检测模块利用检测设备对谐波传动减速器刚度进行检测；
步骤二，主控模块通过传动速比计算模块利用计算程序计算谐波传动减速器传动速比数据；
通过寿命预测模块利用预测程序对谐波传动减速器寿命进行预测；
所述刚度检测模块检测方法包括：
(1)配置谐波减速器检测噪声参考数据，以谐波减速器关节构成的器件作为对象，利用其控制系统，对器件的输出端控制，使其作规律的正弦运动；
(2)根据影响传动刚度的相关因素以及器件的测试环境，建立器件中的谐波减速器传动刚度的动力学模型，并建立相应的约束条件；其中，所述相关因素包括谐波减速器关节的非线性刚度、迟滞效应、间隙、非线性摩擦、低频运动误差和阻尼；
(3)启动待测量器件，开始测试：
根据步进电机噪声参考数据获得谐波减速器关节输入角度；直接测量谐波减速器关节输出角度；利用差分算法，根据各时刻谐波减速器关节输入角度和各时刻谐波减速器关节输出角度，获得输入角速度和输出角速度；根据获得的输入角速度和输出角速度获得相对角速度；
根据获得的输入角度和输出角度获得相对角位移；
共测试n组，获得n组运动学噪声参考数据；
(4)根据步骤(3)中获得的n组运动学噪声参考数据，利用输出角速度信息，采用差分法估计输出角加速度信息，并利用滑动平均滤波器对所得的输出角加速度信息进行滤波处理，获得滤波后的输出角加速度；
将谐波减速器关节输出端惯量与滤波后的输出角加速度相乘，获得谐波减速器关节输出端力矩；并求所有相对角位移和关节输出力矩的平均值，获得平均相对角位移和平均关节输出力矩；
(5)根据步骤(3)和步骤(4)中获得的噪声参考数据，代入步骤二中建立的传动刚度动力学模型中，进行刚度噪声参考数据辨识，进而获得传动刚度动力学模型的最终表达式；在实际测试传动刚度时，将谐波减速器的相对角位移代入，即可获得谐波减速器关节的输出力矩，进而确定输出力矩与相对角位移之间的关系，即传动刚度；
步骤三，通过检测数据存储模块利用存储器存储检测的噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息；
步骤四，通过显示模块利用显示器显示检测的谐波传动减速器噪声、称重压力、刚度、传动速比、寿命数据信息。
2.如权利要求1所述谐波传动减速器及传动系统的检测方法，其特征在于，
确定噪声参考数据初值的方法包括：
依据式
采用非线性最小二乘法，确定噪声参考数据的初值，取
即需要选择aβ的初值，将式
表示为如下的矩阵形式：
FA＝S；
其中：
A＝[a0 a1 … a4]T S＝[S0 S1 … S4]T；
矩阵F中所要用的数据点是从N个{(fi,Si)}i＝1,2,…,N中选取五个频率点，选取的数值应保证矩阵F是满秩可逆；
由此得表示噪声参考数据aβ初值的矩阵A的初值为：
以
为初始值进行迭代对矩阵A的值进行估计，l表示迭代次数，此时l＝0。
3.如权利要求1所述谐波传动减速器及传动系统的检测方法，其特征在于所述噪声参考数据估计的误差
由以下方程估算：
其中系数
和
为：
其中Sk表示频率fk处的噪声谱测量值，
表示频率fk处对应的噪声谱的第l次迭代值，即：
4.如权利要求1所述谐波传动减速器及传动系统的检测方法，其特征在于，所述噪声模型噪声参考数据估计的判断方法为：
判断
如不满足误差要求，令：
l＝l+1；
并将修正后的
和对应的噪声谱测量数据
代入正则方程组进行求解，得到各噪声参考数据的修正值
重新判断
直至误差
满足测量要求或达到设定的迭代次数。
5.如权利要求4所述谐波传动减速器及传动系统的检测方法，其特征在于，满足误差要求，则将噪声参考数据值
作为
的值代入式
中，即得到被测信号的谐波传动减速器噪声，并由此绘制谐波传动减速器噪声曲线。
6.如权利要求1所述谐波传动减速器及传动系统的检测方法，其特征在于，所述寿命预测模块预测方法包括：
1)通过数据采集设备采集谐波减速器传动精度退化数据，并对采集数据进行校正，利用检测装置连续检测谐波减速器的传动误差数据；
2)基于传动误差数据得到谐波减速器的传动误差动态曲线；
3)提取传动误差动态曲线的极大极小值点，利用最小二乘法拟合传动精度退化轨迹方程。
7.如权利要求6所述谐波传动减速器及传动系统的检测方法，其特征在于，所述寿命预测模块预测方法进一步包括：
将预定的失效阈值代入传动精度退化轨迹方程，计算谐波减速器的失效寿命。
8.如权利要求6所述谐波传动减速器及传动系统的检测方法，其特征在于，所述寿命预测模块预测方法进一步包括：
假设谐波减速器失效寿命分布，利用分布检验方法检验寿命分布的符合性；
利用最大似然估计法估计谐波减速器寿命分布噪声参考数据，最终得到谐波减速器可靠寿命评估模型。
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