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                    人機交互界面的智能化測試控制平臺

                    添加時間:2019/08/26 來源:北華航天工業學院 作者:李嘯天
                    隨著諧波減速器應用領域的逐漸擴大,它在機械傳動領域具有不可替代的地位,尤其是空間領域及自動控制領域,正因如此人們對諧波減速器性能的要求也變得更加嚴格。本文針對某航天單位自主研發制造的諧波減速器為對象。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      隨著諧波減速器的應用技術愈加成熟,其應用領域也越來越廣泛。伴隨著應用領域的擴展,帶動了諧波減速器的大批量生產,生產的諧波減速器需經檢測合格后方可投入使用,因此對諧波減速器的各項傳動性能進行檢測是十分必要的。但是目前對諧波減速器各項性能檢測多是人工檢測或使用儀器對其某項性能進行檢測,或可實現對諧波減速器某項或多項性能進行檢測的自動測試裝置,尚不存在對諧波減速器的各項性能指標進行高精度的自動測試平臺。

                      本文旨在研究一種可以對諧波減速器的空載跑合、負載、超載、傳動效率、啟動力矩、扭轉剛度、空程、背隙、傳動精度、壽命等指標進行測試的裝置。首先介紹了諧波減速器的工作原理及結構組成,并針對檢測的小型諧波減速器,在實際條件滿足的情況下,搭建了由工控機、運動控制卡、計數卡、編碼器、伺服驅動電機、扭矩傳感器、角度編碼器、磁粉制動器等儀器設備組成的小型諧波減速器傳動性能分析研究的測試平臺。

                      根據諧波減速器測試平臺的特點和數據采集傳輸的方法,分析了系統的測試誤差以及測試平臺在安裝調試過程中各種誤差源對實驗結果的影響,并利用 PID 控制器通過AD 轉換器與磁粉制動器連接實現一個閉環的反饋控制,提高測試精度。

                      研究分析了與測試相關的伺服控制系統、動態鏈接庫、運動控制卡、VC++串口通信技術等,開發了基于 VC6.0 的具有良好的人機交互界面的智能化測試控制平臺。

                      關鍵詞:諧波減速器 傳動精度 PID 控制器 反饋控制

                    Abstract

                      With the application technology of harmonic reducer more mature, its application field is more and more widely. With the expansion of the application field, leading to the mass production of harmonic reducer, the harmonic reducer of production needs to be tested before it can be put into use, so it is necessary to detect the transmission performance of harmonic reducer. However, at present, the various performance detection of harmonic reducer is the manual detection or use of the instrument to detect one of its performance, or can realize the harmonic reducer one or more performance of the automatic test device, there is no high precision automatic test platform for the performance indicators of harmonic reducer.

                      This paper aims to study a device which can test the no-load running, load, overload, transmission efficiency, starting torque, torsional stiffness, empty range, back clearance, transmission precision and life of harmonic reducer. Firstly, the working principle and structure of the wave reducer are introduced, and the small harmonic reducer, which is composed of industrial control computer, motion control card, counting card, encoder, servo drive motor, torque sensor, angle encoder, magnetic powder brake and other instruments, is set up.

                      According to the characteristics of the harmonic reducer testing platform and the method of data acquisition and transmission, the test error of the system and the influence of various error sources on the experimental results are analyzed. through the PID controller, a closed-loop feedback control is realized through the connection of ad converter and magnetic powder brake, and the test precision is improved.

                      The research and analysis of the servo control system, dynamic link library, motion control card, VC + + serial communication technology, etc., developed the intelligent test control platform based on VC 6.0 with good man-machine interface.

                      Key Word: Harmonic speed reducer Transmission accuracy PID controller feedback control

                      早在上世紀五十年代美國C. Walton Musser教授專門針對空間應用需求發明了回差小、單級減速比范圍大、運動平穩、低噪聲、傳動效率高、承載力大、體積小、質量輕的諧波減速器[1]。上個世紀六十年代前蘇聯也開始大力研制諧波傳動理論,蘇聯學者們對諧波傳動領域進行了深入系統的鉆研,并在諧波傳動的機械結構和應用領域取得了較大的發展。

                      第一個承載諧波傳動理論的減速器也于 1960 年被蘇聯科學家研制出來。之后,利用諧波傳動理論制造的減速器成功地應用于人們對太空的探索,如在火箭、衛星、航天飛機的傳動系統設計中,都使用到了這種傳動理論[2]。二十一世紀后,隨著人們對于空間探索范圍的不斷擴大和深入,諧波減速器在航空領域的應用技術也越來越成熟,開始逐漸推廣到其他應用傳動技術的領域。在船舶、智能機械化、新能源開發等領域,諧波減速器具有無法替代的傳動精度高的特點,現在已經在這些利用到傳動裝置的行業占據了舉足輕重的位置[3]。

                      隨著科技的進步,諧波減速器被應用到更多的行業,人們也開始對諧波減速器進行更加深入的研究,對它的傳動性能和產品質量提出了更加嚴格的要求,但是對諧波減速器的研究仍然不是非常深入[4],諧波減速器傳動性能測試裝置就是為了對諧波減速器的綜合傳動性能進行測試分析的裝置,因而,開發一套諧波減速器傳動性能測試平臺具有特別重要的意義。但是人們對諧波減速器的綜合傳動性能還沒有一個多性能高精度的自動化測試平臺。本文就是為了研究諧波減速器綜合傳動性能的問題。

                      本課題是某航天單位自主研發項目,該單位根據目前航天領域的發展需求自己設計制造,但是當諧波減速器制造完成后需要對生產的減速器的傳動性能等指標進行生產完成后的全面檢測,包括對諧波減速器的空載跑合、負載、超載、傳動效率、啟動力矩、扭轉剛度、空程、背隙、傳動精度、壽命等指標進行測試,測試結果是否符合標準要求是產品能否投入使用的標準。根據不同應用領域的測試要求,該單位確定諧波減速器傳動性能測試試驗平臺是該單位的剛性需求,并且詳細提出了測試的指標以及對測試結果的要求,要求諧波減速器的傳動精度、傳動效率、回差及扭轉剛度等傳動性能評價指標可根據需要采集各傳感器中的數據進行處理后,實現在線原位的實時檢測。諧波減速器能自動進行數據采集,數據可顯示為曲線,數據采集間隔需滿足測試要求或可調,數據實時記錄并可輸出、打印。

                      諧波減速器的特點是具有較高的傳動效率、較小的回差、運動狀態穩定和范圍較大的一級減速比[5],而且由于小巧輕便的特點,被廣泛的應用于航空航天、武器裝備以及機電一體化等領域。諧波減速器是利用降低速度來達到增加傳動力的核心部件,它的質量對整個傳動裝置的性能具有直接的影響[6],甚至整個項目能否成功在一定程度上都取決于諧波減速器能否穩定工作。

                      諧波減速器由剛輪、柔輪和波發生器組成,通過輸出軸完成加速或減速后的傳動輸出。為了保證諧波減速器整體性能,在其實用前需要對諧波減速器的性能進行檢測,如傳動精度、傳動效率、回差及扭轉剛度等傳動性能的檢測[7],因此再生產諧波減速器的過程中其各項指標的檢測是不可缺少和十分重要的。

                      隨著科學技術的不斷發展,截止到目前為止,還是美國和德國在諧波減速器的制造設計方面處于世界領先地位。自 1978 年以來,我國在減速器領域的制造設計方面取得了一定的進步,但是在要求較高的領域,我國自主制造的諧波減速器還不能滿足需求,與先進國家之間還有一定的距離[8],正因如此,我國現使用的高要求的諧波減速器大部分是從國外引進進來的[9]。

                      十九世紀五六十年代美國C. Walton Musser教授專門針對空間應用需求發明了諧波減速器,蘇聯也于六十年代開始了諧波減速器傳動理論的研究,并且在諧波傳動的類型、結構及應用等方面取得了較大的進展;上個世紀七十年代諧波減速器技術從美國引入日本,目前可以大批量制造各種類型的減速器,并且完成了其標準化、系列化等工作[10]。諧波傳動技術于 1961 年引入我國,我國對其給予了充分的重視,并積極的深化這項技術,取得了一定成績,成為了世界上掌握這項技術的國家之一[11]。諧波減速器測試平臺是研究諧波減速器各種傳動性能,評價產品是否合格的重要指標。

                      通過測試平臺對諧波減速器各項性能指標的測定,可以確定產品的設計是否合理,在加工制造、裝配和調試上的工藝性是否完善。根據得到的測試結果并對其進行分析可以確定設備的各項性能是否符合要求,并對以后完善和改進諧波減速器提供重要的參考和依據。隨著科學技術的發展,針對于諧波減速器的傳動性能的測試要求變得更加嚴格[12]。

                      諧波減速器測試平臺的現狀與測試控制系統息息相關。之前的測試平臺僅僅是對為測試裝置提供驅動的電機做了微弱的保護,直到控制系統發展到一定階段之后才在測試平臺引入了基本的控制機制(如液壓控制、繼電器控制等),慢慢增加的顯示功能,減少了不足之處,使測試平臺的發展水平向前邁出了堅實的一步。近年來,隨著計算機技術的發展,傳統的測試平臺也迎來了一場新的技術革新,液壓或繼電器控制逐步的被計算機控制系統所代替,測試平臺開始進入集成化、自動化和智能化的發展階段。

                      國外的一些先進的測試平臺早已進入到計算機控制時代,并且對平臺各個模塊的控制、軟件程序的編制、測試參數的檢測、監控以及測試數據的分析處理等工作均由計算機完成,實現了高度的自動化和智能化。上個世紀七十年代日本豐田公司第一個實現了對測試裝置的自動控制;隨后又在此系統的基礎上進行了改進和完善,用 4 臺微型計算機對平臺進行控制代替了原來的單個微型計算機控制,并增添了校正系統和監控裝置。隨著計算機技術的快速發展,豐田公司又設計出了一種由主計,算機、微型計算機和平臺控制微機組成的三級控制系統,可以對測試得到的數據進行集中分析處理。

                      迄今為止,現代的測試平臺已經普遍的采用了計算機控制技術和現代控制理論來完成測試過程中對電機的自動控制,并可以在超出警戒值時啟動保護機制等。從測量技術上說,基本上對測試數據的自動采集利用的都是計算機自動測量技術[13]。

                    人機交互界面的智能化測試控制平臺:

                    參數配置界面
                    參數配置界面

                    工控機 IPC-610H 實物圖
                    工控機 IPC-610H 實物圖

                    TS0020 驅動器內部結構簡圖
                    TS0020 驅動器內部結構簡圖

                    HCNJ-103 和 HCNJ-101 實物圖
                    HCNJ-103 和 HCNJ-101 實物圖

                    機械平臺組件
                    機械平臺組件

                    電機安裝效果圖
                    電機安裝效果圖

                    轉速轉矩傳感器安裝效果圖
                    轉速轉矩傳感器安裝效果圖

                    目 錄

                      摘 要
                      Abstract
                      第 1 章 緒論
                        1.1 課題的研究目的和意義
                        1.2 諧波減速器的概述
                        1.3 國內外研究現狀
                          1.3.1 諧波減速器的發展現狀
                          1.3.2 諧波減速器測試平臺的現狀
                        1.4 論文的主要研究內容
                          1.4.1 主要內容
                          1.4.2 綜述
                      第 2 章 諧波減速器測試平臺的工作原理和方案設計
                        2.1 諧波減速器測試平臺測試原理
                          2.1.1 諧波減速器齒輪傳動簡介
                          2.1.2 諧波減速器傳動性能測量方法
                          2.1.3 諧波減速器測試過程中的誤差來源及測量原理
                        2.2 諧波減速器測試平臺的總體設計
                          2.2.1 諧波減速器測試平臺的預期功能
                          2.2.2 諧波減速器測試平臺的總體設計
                        2.3 本章小結
                      第 3 章 諧波減速器測試平臺硬件系統的設計與實現
                        3.1 小型諧波減速器測試平臺的硬件類型選擇
                          3.1.1 數據采集與處理部分
                          3.1.2 硬件驅動部分
                          3.1.3 傳感器的選型
                          3.1.4 負載反饋部分的選擇
                        3.2 小型諧波減速器測試平臺的整體裝配
                        3.3 本章小結
                      第 4 章 諧波減速器測試系統軟件系統的編制
                        4.1 小型諧波減速器測試裝置軟件系統的總體設計
                          4.1.1 軟件部分需要實現的功能
                          4.1.2 軟件部分的結構設計與功能模塊劃分
                        4.2 小型諧波減速器測試裝置軟件系統開發工具的選擇
                          4.2.1 軟件開發平臺的選擇
                          4.2.2 數據庫的選擇
                          4.2.3 數據庫系統的設計實現
                        4.3 小型諧波減速器測試裝置軟件系統的界面設計
                        4.4 小型諧波減速器測試裝置軟件系統功能模塊設計與實現
                          4.4.1 參數配置模塊
                          4.4.2 串口通信模塊
                          4.4.3 運動控制模塊
                          4.4.4 數據采集模塊
                          4.4.5 數據處理模塊
                          4.4.6 數據存儲模塊
                        4.5 本章小結
                      第 5 章 小型諧波減速器測試裝置性能實驗分析
                        5.1 誤差分析
                        5.2 系統調試
                        5.3 本章小結
                      第 6 章 結論
                      參考文獻
                      附 錄 1
                      攻讀學位期間所取得的相關科研成果
                      致 謝

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