第38卷第4期机电工程Vol.38No.4
2021年4月Journal of Mechanical&Electrical Engineering Apr.2021
DOI：10.3969/j.issn.1001-4551.2021.04.014
李笑勉1，刘涛2，张文龙3，刘志伟1
(1.东莞职业技术学院机电工程学院，广东东莞523808；2.广东弓叶科技有限公司，广东东莞523808；
3.广东省东莞市质量监督检测中心，广东东莞523808)
摘要：为准确地检测谐波减速器的性能指标，按照GB/T30819-2014国家标准要求，采用交流伺服电加载的方式，对扭转的变形量进行了检测，根据输岀载荷与理论载荷差距计算岀了扭转刚度；建立了启动转矩与速度的关系，对不同负载下的功率进行了测试分析，得到了功率和效率曲线图；采用角度和间隙传感器测得了角度和间隙信号，计算岀了传动误差；测试了扭转刚度、启动转矩、空程和传动误差等关键参数，完成了谐波减速器综合测试系统的开发；最后，以型号为RV320E的谐波减速器为测试对象，在综合测试系统上进行了试验。实验及研究结果显示：空程为0.476'(±3%额度扭矩时)，弹簧系数为424. 972N•“!/'，减速器精度为0.9303"，启动扭矩为0.95N•m，负载效率在70%~90%之间，传动误差为27.26"；将该结果与厂家测试的数据相比，误差在3.1%内，证明所开发的测试系统是有效的。
关键词：谐波减速器；测试系统；扭转刚度；传动误差
中图分类号:TH132.43文献标识码：A文章编号：1001-4551(2021)04-0484-05
Development of integrated test system for harmonic reducer
LI Xiao-mian1-LIU Tao2-ZHANG Wen-long3-LIU Zhi-wei1
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering-Dongguan Polytechnic-Dongguan523808-China;2.Guangdong
Gongye Technology Co.,Ltd.,Dongguan523808,China;3.Dongguan Quality Supervision and Testing Center
of Guangdong Province,Dongguan523808,China)
Abstract:In order to accurately detect the performance index of harmonic reducer-according to the re
quirements of GB/T30819-2014-the torsional deformation was detected by AC servo electric loading,and the torsional stiffness was calculated according to the difference between the output load and the theoretical load.The relationship between starting torque and speed was established,the power under different loads was tested and analyzed,and the power and efficiency curves were obtained.Angle and gap sensor were used to measure the angle and gap signal,and the transmission error was calculated.The key parameters such as torsional stiffness,starting torque,idle distance and transmission error were tested.Finally the comprehensive test system of harmonic reducer was completed.The harmonic reducer of RV320E was taken as the test object,and the test was carried out on the test system developed in this paper.The experimental results show that the idle range is0.476'(±3%of the rated torque)-the spring coefficient is424.972N•m/',the reducer accuracy is0.9303",the starting torque is0.95N•m,load efficiency is between70%-90%-transmission error is27.26".Comparing with the test data of the manufacturer,the error is within3 .1%which proves the effectiveness of the development of the test system.
Key words：harmonic reducer;test system;torsional stiffness;transmission error
金瓶梅有几个版本
0弓|言器作为其中关键的部件，其品质的优劣直接影响到智
能设备的正常工作状态及其使用寿命[l]o和其他传随着智能制造机器的不断普及和应用，谐波减速动机构相比，谐波减速器具有结构简单、传动比大、传
收稿日期:2020-08-27
基金项目：2020年广东省科技创新战略专项资金资助项目(pdjh2020bl265)；2020年度广东省普通高校创新团队资助项目(2020KCXTD066)作者简介：李笑勉(1978-)，男，广西贵港人，硕士，讲师，主要从事机械制造、机电一体化产品等方面的研究。E-mail：****************
第4期李笑勉，等：谐波减速器综合测试系统的开发•485-
动精度高和工作平稳等优点，在智能设备等领域的应用非常广泛［2］o
围绕谐波减速器的各项性能，国内外各研究机构都展开了各自的研究。谐波传动有限公司(哈默纳科)开发了“S”齿形，使柔轮轮齿的抗疲劳强度能力提升了1倍，扭转刚度也提高了70%〜100%［3］。国产减速器生产公司绿的谐波传动科技公司开发了“P”齿形谐波减速器，能承载更大的转矩，降低了齿根断裂的风险，柔轮的疲劳寿命得到了提高，但带来了降低传动精度的问题［4］o郑钰馨等［5］开发了试验平台，针对RV减速器的动力性能进行了检测；何等围绕齿轮减速器传动效率的测量进行了研究；裴欣等［6］搭建了SCUAA-STCP1200试验平台，做了谐波齿轮传动装置的动态传动误差分析；宿鹏飞等⑺针对谐波减速器扭转刚度与疲劳失效问题，设计了一种可以连续加载和卸载的测试平台。
由于齿轮齿的啮合力求解受柔轮畸变和非线性接触等问题的影响，难以从理论上建立精确模型，目前大多还是从实验给出经验公式。
为规范谐波减速器的市场和促进国产谐波减速器的发展,2014年我国发布了关于谐波减速器分类、定义、试验方法和检验规则的国家标准(GB/T30819-2014)，但有关其中的性能检测，大部分是分开试验的，没有形成统一的试验平台，需要把各部分单独试验。
本文针对当前谐波减速器性能综合测试的需求，根据GB/T30819-2014国家标准设计一套谐波减速器综合测试系统，以实现对谐波减速器的扭转刚度、启动转矩、空程和传动误差等关键参数的综合测试。
1系统总体设计
根据GB/T30819-2014国家标准的要求，要进行以下关键性能测试，包括扭转刚度、启动转矩、负载效率和传动误差等模块，需要采集扭力、扭矩、角度、间隙和温度等信号。
测试系统的控制系统示意图如图1所示。
杨丽娟近况加载电机
1PH8107
图1控制系统示意图
该测试系统对信号进行AD转换，数字处理后输出图表和存储；采用伺服驱动的方式进行加载，通过联轴器将电机的扭力传递到谐波减速器，通过扭矩传感器采集扭力、扭矩信号；在被测减速器两端增加角度传感器，对角度和间隙进行测量，将信号传递到测试系统中⑻；通过震动传感器和温度传感器对震动和温升等物理量进行测量，并把信号传递给测试系统。
该综合测试系统具有数据采集处理显示与输出功能、存储回放数据曲线显示与输出功能、实时数据曲线显示与输出功能、手动与自动控制功能、试验检测功能、报告输出功能和设备故障与安全报警功能［9］。
2关键部件选型
2.1伺服系统和加载电机
试验台采用交流伺服电加载方式，由西门子集矢量变频伺服为一体的S120伺服系统和西门子伺服变频电机1PH8107组成。其中，西门子S120集伺服、变频一体的最新一代控制器可以四象限运行(满足伺服电机正转/反转、正向加载/反向加载、加速/制动、电动/制动等工况要求)，具有响应快(2ms~5ms)、加载稳定(0.3%)、功率因数(98%)和精度高等优点。
1PH8107的额定功率10kW，额定扭矩为55N・m，额定转速为1750r/min，最高转速为12000r/min。
2.2双量程扭矩传感器新婚熄与翁公李钰雯
扭矩是伺服电机测试中最重要的测量参数，为达到测量跨度大且精度高的要求，此处笔者选用了进口具有双量程测量功能的KTELER扭矩传感器，其输出为标准信号(电压或频率)，满足伺服电机大跨度扭矩测试精度要求。其额定扭矩为2000N・m，最大扭矩为1.5倍额定扭矩，交变扭矩为0.7倍额定扭矩，精度等级为0.1，线性误差＜±0.1。
2.3PLC控制器和人机界面
该系统所有的逻辑控制都采用PLC来实现，根据控制要求选用西门子S7-200smart小型PLC,CPU型号为SR60-AC/DC/RLY，具有36点输入和24点继电器输出接口;
人机界面HMI采用台湾维纶通TK6102IV5，显示尺寸为10寸，分辨率为800x480,USB2.0接口。
3机构设计
根据测试系统总体设计方案和选型情况，笔者设计的各部件的结构以及安装示意图，如图2所示。
•486-机电工程第38卷
电机传感器传感器减速器1传感器减速器2驱动转矩转速角度被测转矩转速被测
图2综合测试系统结构图
该综合测试系统的重要机械安装部件包含底座、手柄、调节机构、电机和传感器等。
底座采用T型槽铸铁平台，材料HT250，尺寸3000mm X1000mm x150mm（台架可根据不同尺寸测试件进行调整），精度等级为1级，粗糙度为Ra 3.2，试验台上各部件稳固、可靠地固定在T型槽铸铁平台，运转平稳、可靠。
试验台各传动部件均通过弹性联轴器连接，以降低同心度要求，同时可保证试验台运行平稳。角度传感器与被测减速器采用刚性连接，以保证角度测量的可靠性和精度要求。被测减速器组件部分采用精密丝杆和导轨移动-以方便被测件的安装和更换。
被测减速器安装组件采用精密加工的过渡板结构，不同被测减速器只需更换安装在减速器L型支架上的不同过渡板，被测减速器安装精确定位由该安装过渡板保证，简化了不同被测减速器更换安装的要求，并且提高了安装效率［10］。不同量程的扭矩传感器安装在各自的精确加工的传感器底座上，并保证其中心髙度的一致性，提高了更换传感器的效率。全部测试台面的驱动电机、加载电机和被测减速机等高速旋转部位安装安全防护罩，厚度不低于2mm。
4关键试验模块的实现
在性能测试时，需要设置“恒速/恒扭”、“电磁制动启动”、“上位机启动”和“变频器启动”等工作状态；还要设置好“驱动电机”和“加载电机”的启停、“转速设定”、“扭矩设定”和“故障复位”等参数。
触摸屏操作图如图3所示。
设置好相应的参数系统后-进行扭转刚度、启动转矩、负载效率和传动误差等测试。
4.1刚度试验（空程、弹簧系数）
扭转刚度试验可以将谐波减速器的输入端或输出
恒速/恒扭电磁制动启动上位机启动变频器启动
厂丿卩
驱动电机
转向电机启学转弩定扭矩设定故障复位故障灯
⑥I®I I®o|國◎
加载电机
翌电机启/停转速设定扭笔学定故障复位故障灯
⑥I⑥I RjFI Q◎
W Y2020/5/2611:40
图3触摸屏操作图
端固定好-对另一端施加扭矩载荷-测量轴的扭矩和转角。由于变形作用，输出载荷与理论载荷存在差距，差距的大小直接反映刚度的大小［11］，此处建立扭转刚度、扭转扭矩和扭转角之间的关系：
0=黑⑴式中:0—扭转刚度;M—扭转扭矩；0—扭转角。
在扭转过程中，变形位置不一样，扭转刚度大小也不一样。此处采用平均法，在输出端取3个均等分布的截面上分别求取扭转刚度值，再取平均值，即:
°=网+观+讥（2）
v3d013d023d03
加载从-100%额度扭矩开始，逐渐加载直至+100%额度扭矩，然后反向加载回到-100%额度扭矩，通过计算机进行检测，并绘制出相应的扭矩-角度曲线。
4.2增速启动扭矩试验
增速启动试验包括输入端启动试验和输出端启动试验-小扭矩减速器采用输出端启动试验-大扭矩减速器采用输入端启动试验;
根据圆柱扭矩的计算方法，即：
M=K・a（3）式中:M—转矩；K—转动惯量；a—加速度。
当圆柱负载绕轴线旋转时，可用质量和体积计算转动惯量。根据在△方达到的要求，可算出圆柱的角加速度，得到圆柱扭矩，即：
M=2□厂4厶（4）式中:m一质量；厂一圆柱底面半径;p—密度；厂一圆柱体半径；厶一长度；卩一转动角度讣一时间。
试验时，试验台空载状态，控制器设置“恒扭矩”工作方式缓慢启动（零扭矩开始），通过计算机快速检测减速器驱动扭矩-并绘制出实时曲线（同时检测转速或角度信号作为启动信号检测）。
4.3负载效率试验
负载效率可通过输出功率P o和输入功率P i
之比
第4期李笑勉，等：谐波减速器综合测试系统的开发•487•
来计算[12]，即：
P°
j(5)计算转矩与功率的关系如下：
P
M二9550 (6)
s
式中：M—转矩，N・m；P—功率,kW；s—转速,r/min。
考虑到传动比i二S/S。是恒定的，可得到负载效率如下：
M0S0M o
n-M,S,-iM t
()因为试验台采用四象限运行的交流伺服电加载器，可以模拟任意工况进行动态或静态加载试验；在25%、50%、75%和100%额度负载下，分别检测减速器的输入和输出功率；最后再由计算机进行自动加载，自动检测并绘制出效率曲线。
4.4传动误差(角度传递误差)试验
在电机上输入正弦信号，在输入轴和输出轴上分别安装角度和间隙传感器，测得角度和间隙信号。其中，输入轴与输出轴的转角差为△久如下[13，14]:
©
Z=申0-亍(8)式中：卩。一输出转角一轴入转角;i—减速比。
笔者在被测减速器输入和输出端安装了高精度角度传感器，用于检测输入、输出角度的变化。在试验时，减速器低速转动，计算机检测输入和输出端角度，计算出对应输入端角度变化和输出端角度变化误差；同时，实时显示输出端每转动一圈的角度变化曲线，从而得到减速器传动误差值。
5试验结果分析
该试验以台湾建韦RV320E型号减速器为例，选用减速比为129，输出转矩为4341N・m，输入容量304KW，在综合测试系统上进行测试。
综合测试系统全图如图4所示。5.1刚度试验结果
试验时，被测减速器输入端固定，输出端提供交流伺服回馈电加载；加载从-100%额度扭矩开始，逐渐加载至+100%额度扭矩，接着反向加载回到-100%额度扭矩；计算机进行检测，并绘制出相应的扭矩-角度曲线，如图5所示。
。不显示标记坐标
輛财
Silvia
中问曲翱
图5刚度试验
图5中，空程为0.476'(±3%额度扭矩时)，弹簧系数为424.972N・m/'，减速器精度二空程+传动误差二0.476〃+0.4543〃二0.9303〃。
5.2增速启动扭矩试验结果
试验时，试验台空载状态，控制器设置“恒扭矩”工作方式缓慢启动(零扭矩开始)，计算机快速检测减速器驱动扭矩，并绘制出实时曲线，速度与扭矩的关系如图6所示。
图6增速启动扭矩试验
图4综合测试系统全图
图6中，经测试得到，扭矩达到0.95N・m时，速度可达到900r/min。
5.3负载效率试验结果
在25%、50%、75%,100%额度负载下分别检测减速器的效率，可由计算机自动加载，自动检测并绘制出功率、效率曲线图，如图7所示。
图7的效率试验结果显示，负载效率在70%〜90%之间变化
。
• 488 -机 电 工 程第 38 卷
效率
显示标记坐标
5M
倾■：舷仏
ioo,s
功率
显示标记坐标
iow
图7负载效率试验
5・4传动误差试验结果
试验时，减速器低速转动，计算机快速且精确地检 测输入和输出端角度，计算出对应输入端角度变化与输 出端角度变化的误差；同时，实时显示输出端一个圆周
角度上的角度变化曲线，从而得到减速器传动误差值。
运动误差曲线如图8所示。
图8传动误差试验
图8的传动误差试验结果显示，传动误差为27.26〃。5.5与厂家标称数据比较
笔者把本文测量的关键参数与厂家的测试数据进
行比较(均采用了 GB/T30819 -2014国家标准要求的
测试方法)，结果如表1所示。
表1数据比较
刚度试验增速启动扭矩
负载效率传动误差
厂家测量
0.960 2〃0.93 N • m 70% 〜90%27.60〃本文系统0.930 3〃0.95 N • m 70% 〜90%
27.26〃
误差
3.1%
2. 2%
0%
1.2%
由表1可知，本文测量的关键参数与厂家的测试
数据接近，两者的差值在3.1%以内。
6结束语反侦察
根据GB/T30819 -2014国家标准要求，笔者开发
了一套谐波减速器综合测试系统；采用本文开发的综
合测试系统对台湾建韦RV320E 型号谐波减速器进行
了测试，完成对谐波减速器的扭转刚度、启动转矩、空 程和传动误差等关键参数的测试。
测试结果显示，所得的参数均在合格的范围之内,
空程0.476'( ±3%额度扭矩时)，弹簧系数424. 972 N ・m/'，减速器精度0.930 3〃，启动扭矩为0.95 N ・m,
负载效率在70%〜90%之间，传动误差为27.26〃；与
厂家测试数据相比，该结果误差很小，证明了该测试系
统是有效的。
参考文献(References ):
［1］
向珍琳，李 霆，杨 林，等.谐波减速器研究现状及问题 研究［J ］.机械传动,2020,44(7) ：151-161.
［2］ 王瑞锋，张立勇，张建伟，等.谐波齿轮传动概述［J ］.机械 传动,2019,43(1):171-176.
［3］
屈 峰，刘栋良，李阿强，等.多源激励下电机-减速器一体 化系统NVH 的研究［J ］.机电工程,2020,37(6) ：659-664.
［4］ 谭 晶，黄炜灵，黄迪山，等.谐波减速器的扭转刚度试验 研究［J ］.计量与测试技术,2019,46(4) ：3-5.
dopodo［5］
郑钰馨，奚 鹰，袁 浪，等.RV 减速器动力性能综合检
测试验平台设计［J ］.中国工程机械学报,2017,15(6)： 536-541.
［6］
裴 欣，张立华，周广武，等.谐波齿轮传动装置的动态传
动误差分析［J ］.工程科学与技术,2019,51(4) ：163-170.
［7］
宿鹏飞，刘积昊，管恩广，等.谐波减速器扭转刚度与疲劳 失效［J ］.机械与电子,2020,38(4) ：41-50.
［8］
孙震震，李玉光，王淑芬，等.基于齿轮参数优化的减速器传 动效率提高方法研究［J ］.机电工程,2020,37(1) ：26-31.
［9］ 叶南海，邓 鑫，何 韵，等•谐波柔轮力学分析与疲劳寿命 研究［J ］.湖南大学学报：自然科学
版,2018,45⑵：18-25.［10］ 刘志伟，熊长炜，梅阳寒，等.双轨迹同步控制快速涂胶
系统的设计［J ］.机电工程,2017,34(8) ：901-905.
［11］
汪 龙，刘 博，张加波，等•谐波齿轮减速器间隙空程 分析［J ］.机械传动,2019,43(3):126-129.
［12］ 何毅斌，张 娟，陈定方，等.齿轮减速器传动效率的测
量与研究［J ］ •测量与检测技术,2009,36(8) ：63-65.
［13 ］邓一波，刘泓滨，吴智恒，等.谐波减速器柔轮装配过程
的应力研究［J ］ •机床与液压,2020,48(4) ：1-4.
［14］党选举，王凯利，姜 辉，等.SDH 模型与神经网络串联
的谐波减速器混合迟滞建模研究［J ］.机械传动,2019,
43(8) ：1-5.
悬崖边的贵族
［编辑：雷敏］
本文引用格式：
李笑勉，刘 涛，张文龙，等•谐波减速器综合测试系统的开发[J].机电工程,2021,38(4) ：484 -488.
LI Xiao-mian , LIU Tao, ZHANG Wen-long, et al. Development of integrated test system for harmonic reducer [J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineer ing, 2021,38(4) ：484 -488.
《机电工程》杂志：
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议