高低温环境下谐波减速器刚度测试技术研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:谭立

  谐波减速器处于高低温环境中,使用电机带动滑轮绳组实现谐波减速器输出端的弯矩或扭矩加载,使用激光干涉仪测量输出端受弯矩或扭矩后的偏转角,实现谐波减速器等部件在高低温环境下的弯曲刚度和扭转刚度测试,为极端温度条件下的力矩测试和角度测试提供了可行的方法,并可消除因测试设备自身变形产生的系统误差对刚度测试结果的影响。目前测试的温度范围为-65 ℃ ~ +80 ℃。

1、引言

  谐波减速器在极端高低温环境中,受材料热胀冷缩的影响,其刚度将发生变化,可通过试验方法测定。在高低温环境中刚度的测试,由于受到测量传感器温度条件的限制,经常需要对测试件或传感器进行单独温控,造成测试件局部温度不均匀、测量传感器失效、测量误差不可控等,影响测量结果的准确性。采用高低温刚度测试方法,将测量传感器置于温度环境外部,可测试谐波减速器在极端温度下的刚度值,包括扭转刚度和弯曲刚度。

2、刚度测试系统设计

2.1、弯曲刚度和扭转刚度测量原理

  如图1 和图2 所示,将谐波减速器安装在基板上,固定输入端,在输出端由零逐渐增加一额定弯矩或扭矩T,测量输出端相对于安装基板的偏转角度Φ,由公式(1) 计算出当前温度下的弯曲刚度或扭转刚度K。

K = T /Φ

  式(1) 中,弯曲偏转角Φ 定义为谐波减速器输出端与安装面连线的偏转角度,而非轴端法向的转动角度。弯矩T=加载力F×力臂L; 扭矩T=加载力F×力臂L。

弯曲、扭转刚度测量原理图

图1 弯曲、扭转刚度测量原理图

1. 谐波减速器; 2. 安装基板; 3. 加载轴(轴)

2.2、刚度测试系统

  刚度测试系统主要由测试机构单元、控制和软件单元组成。完成被测件(如谐波减速器等) 在高低温环境中的弯曲刚度和扭转刚度测量。

2.2.1、测试机构单元

  测试机构单元主要由激光干涉仪、激光角反射镜、力矩加载轴(盘) 、谐波减速器、高低温箱体、支架、拉力传感器、加载电机、钢丝绳等组成,被测谐波减速器固定在支架的测试平台上; 力矩加载通过力矩加载轴(盘) 实现; 激光头发出激光束,穿过温度箱的玻璃,经安装在谐波减速器输出轴和安装面上的角反射镜反射,回到干涉仪的激光接收器,测量出谐波减速器力矩加载前后输出轴和安装支架的偏转角度; 电机等部件完成拉力的施加和释放; 力传感器完成加载绳拉力的测量; 高低温箱为谐波减速器提供所需的高低温环境,如图2 和图3 所示。

弯曲刚度测试机构

图2 弯曲刚度测试机构

1. 激光头; 2. 激光角反射镜; 3. 加载轴; 4. 谐波减速器; 5. 高低温箱; 6. 支架; 7. 加载电机; 8. 钢丝绳; 9. 拉力传感器

扭转刚度测试机构

图3 扭转刚度测试机构

1. 激光头; 2. 激光角反射镜; 3. 加载盘; 4. 谐波减速器; 5. 高低温箱;6. 支架; 7. 钢丝绳; 8. 定滑轮; 9. 动滑轮; 10. 加载电机; 11. 拉力传感器

5、结果分析

  (1) 刚度测试结果可以反映谐波减速器加载过程的动态变化,体现出谐波间隙的影响,刚度的不均匀性等特征;

  (2) 常温下被测谐波减速器两个方向的扭转刚度约为: 11000 N·m/rad 和15000 N·m/rad,弯曲刚度约为30000 N·m/rad;

  (3) 对同一状态,刚度测试结果的重复性可以达到1%以内;

  (4) 高低温(80 ℃,-65 ℃) 和常温相比,扭转刚度变化量约为5%,弯曲刚度在低温下变化量可能高达33%。进一步测试表明,弯曲刚度的这种变化和波发生器与弯矩加载方向的相对位置有关;

  (5) 该刚度测试方法实现了谐波减速器等部件在高低温环境下的扭转刚度和弯曲刚度测试,测试系统误差小,重复性好。

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