一种基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统及方法技术方案

一种基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统，包括光路入射系统、谐波系统和光路采集系统。光路入射系统由导轨、光源、透镜和起偏镜组成，谐波系统由光弹贴片、电机、联轴器、谐波减速器和制动器组成，光路采集系统由导轨、玻璃板、检偏镜、补偿片和镜头组成。测试方法采用偏振光照射固定在待测轮齿端面上的光弹贴片，经贴片表面和轮齿端面反射后形成干涉条纹，透过检偏镜和补偿片后被镜头捕捉，经过标定和计算，可以得到任意啮合位置处齿面摩擦力的大小和方向及其沿齿面的分布，测量精度主要取决于所用补偿片的类型和光弹贴片的厚度。本发明专利技术不仅适用于不同型号的谐波减速器，还可以分析负载和输入转速等参数对齿面摩擦力的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于谐波齿轮传动测试
，具体地涉及一种基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统以及使用该系统进行测试的方法。
技术介绍
谐波齿轮传动凭借其轻量化、大传动比等优势在航空航天和机器人等领域得到广泛应用。由于谐波齿轮传动具有多齿啮合的特点，所以传动过程中的摩擦主要来源于轮齿啮合区域。摩擦对谐波齿轮的传动性能造成极大危害：一方面，摩擦导致谐波齿轮传动过程中大部分的能量损失；另一方面，摩擦与系统柔性耦合而诱发的刚度滞回现象进一步降低谐波齿轮传动的输出精度。因此，谐波齿轮传动齿面摩擦的精确描述对实现摩擦的建模与补偿以及研究滞回刚度的产生机理具有重要的意义。常见的谐波齿轮传动机构由波发生器、刚轮和柔轮组成，通过波发生器的连续转动使柔轮产生周期性弹性变形，并与刚轮相互啮合来实现运动和力的传递。从谐波齿轮传动的结构角度来看，其齿面摩擦测试的难度主要来源于两方面：第一，刚、柔轮的齿数较多，而模数很小，一般不超过0.5mm；第二，刚、柔轮之间采用内啮合传动方式，且啮合区域的位置随着波发生器的转动而不断改变。目前齿轮齿面摩擦的测试方法主要包括电阻应变片法、等效转矩法、等效重力摆法和光弹性法。但是，上述四种方法均不能直接应用于谐波齿轮传动齿面摩擦的测试。首先，电阻应变片不易固定在微小的柔轮齿面上，且其外围电路也很难设计；其次，等效转矩法通过测量传动系统整体的转矩损失来计算齿面摩擦系数，但对于谐波齿轮传动来说，波发生器柔性轴承内部区域以及波发生器柔性轴承外圈与柔轮接触区域的摩擦也是造成系统转矩损失的原因，所以由该方法得到的计算结果的精度有限，此外，即使假定谐波齿轮传动的能量损耗都来源于齿面摩擦，由于谐波齿轮传动过程中存在多齿啮合，也无法得到单个齿面上摩擦力的变化规律；再次，等效重力摆法常用于静态或准静态下齿面摩擦力的测试，且重力摆不易悬挂在尺寸极小的柔轮或者刚轮轮齿上；最后，由于刚、柔轮不具有光弹性材料，所以光弹性法也不合适。由于谐波齿轮传动齿面摩擦测试存在上述诸多难点，现阶段尚无成熟的谐波齿轮传动齿面摩擦测试技术。载人航天、微纳机器人等技术的发展对谐波齿轮传动的传动性能提出了更高的要求。因此，需要一种谐波齿轮传动齿面摩擦测试方法以系统地分析传动过程中齿面摩擦的变化规律，从而进一步研究谐波齿轮传动齿面摩擦的作用机理以及不同参数对齿面摩擦的影响，实现对谐波齿轮传动中摩擦的精确建模与补偿，提高谐波齿轮的传动性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统以及使用该系统进行测试的方法，用来填补谐波齿轮传动齿面摩擦测试研究领域的空白。本专利技术采用的技术方案是：该系统主要包括光路入射系统、谐波系统和光路采集系统。所述光路入射系统包括光路入射系统导轨、汞灯光源、透镜和起偏镜。汞灯光源安装在汞灯光源支架上，透镜安装在透镜支架上，起偏镜安装在起偏镜支架上；所述光路入射系统导轨上设置有便于支架滑动的凸台；所述汞灯光源支架底部设置有带凹槽的滑块，并安装在光路入射系统导轨上，所述汞灯光源支架滑块的凹槽与所述入射系统导轨的凸台配合设置，以便汞灯光源支架可以在光路入射系统导轨上自由滑动；所述透镜支架底部设置有带凹槽的滑块，并安装在光路入射系统导轨上，所述透镜支架滑块的凹槽与所述入射系统导轨的凸台配合设置，以便透镜支架可以在光路入射系统导轨上自由滑动；所述起偏镜支架底部设置有带凹槽的滑块，并安装在光路入射系统导轨上，所述偏镜支架滑块的凹槽与所述入射系统导轨的凸台配合设置，以便起偏镜支架可以在光路入射系统导轨上自由滑动；所述起偏镜支架、透镜支架和汞灯光源支架依次从光路入射系统导轨的游动端装入，并且保证汞灯光源、透镜和起偏镜的光轴重合。所述谐波系统包括支撑台面、光弹贴片、伺服电机、联轴器、谐波减速器和磁粉制动器。光弹贴片固定在谐波减速器待测轮齿的端面上，伺服电机安装在电机支架上，谐波减速器安装在谐波减速器支架上，磁粉制动器安装在制动器支架上，伺服电机通过第一联轴器与谐波减速器连接，谐波减速器通过第二联轴器与磁粉制动器连接；所述谐波减速器支架通过螺栓与支撑台面固定；所述电机支架通过螺栓与支撑台面固定；所述制动器支架通过螺栓与支撑台面固定；所述伺服电机、联轴器、谐波减速器和磁粉制动器的轴线重合；定义支撑台面的某一侧面为A面，谐波系统的轴线和A面法线平行；所述光路采集系统包括光路采集系统导轨、玻璃板、检偏镜、补偿片和镜头。玻璃板安装在玻璃板支架上，检偏镜安装在检偏镜支架上，补偿片安装在补偿片支架上,镜头安装在镜头支架上。所述光路采集系统导轨上设置有便于支架滑动的凸台；所述玻璃板支架底部设置有带凹槽的滑块，并安装在光路采集系统导轨上，所述玻璃板支架滑块的凹槽与所述光路采集系统导轨的凸台配合设置，以便玻璃板支架可以在光路采集系统导轨上自由滑动，同时玻璃板的法线与光路入射以及光路采集系统的光轴均成45°角；所述检偏镜支架底部设置有带凹槽的滑块，并安装在光路采集系统导轨上，所述检偏镜支架滑块的凹槽与所述光路采集系统导轨的凸台配合设置，以便检偏镜支架可以在光路采集系统导轨上自由滑动；所述补偿片支架底部设置有带凹槽的滑块，并安装在光路采集系统导轨上，所述补偿片支架滑块的凹槽与所述光路采集系统导轨的凸台配合设置，以便补偿片支架可以在光路采集系统导轨上自由滑动；所述镜头支架底部设置有带凹槽的滑块，并安装在光路采集系统导轨上，所述镜头支架滑块的凹槽与所述光路采集系统导轨的凸台配合设置，以便镜头支架可以在光路采集系统导轨上自由滑动；所述玻璃板支架、检偏镜支架、补偿片支架和镜头支架依次从光路采集系统导轨的游动端装入，并保证检偏镜、补偿片和镜头的光轴重合。所述光路入射系统导轨的一端和光路采集系统导轨的一端接触且相互垂直，并且光路入射系统导轨和光路采集系统导轨分别设置在玻璃板的两侧；所述支撑台面的A面法线与光路入射系统导轨的轴线垂直且与光路采集系统导轨的轴线平行；所述光路采集系统的光轴经过谐波系统中谐波减速器待测轮齿端面上的光弹贴片，并且和轮齿端面垂直；所述光路入射和光路采集系统中所有支架上均安装有高度和水平微调丝杠螺母机构，便于调整支架上各个仪器的位置。该测试方法包括系统准备阶段和系统测试阶段，其中系统准备阶段包括以下步骤：(a)调整谐波系统中的伺服电机、谐波减速器和磁粉制动器的位置，给定波发生器初始转动位置；(b)调整光路采集系统中光路采集系统导轨、检偏镜、补偿片和镜头的位置；(c)调整光路入射系统中光路入射系统导轨、汞灯光源、透镜和起偏镜的位置；(d)对起偏镜和检偏镜的转角进行标定；系统测试阶段包括以下步骤：(a)接通电源，使谐波减速器和磁粉制动器发生旋转；(b)调整镜头的采样频率；(c)汞灯光源发出光线，先反射到贴有光弹贴片的待测轮齿端面上，然后再反射到镜头；(d)转动起偏镜，记录干涉条纹。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术基于光弹性原理，通过对光弹条纹图的分析与计算，可以得到谐波齿轮传动任意啮合位置处齿面摩擦力的大小和方向及其沿齿面的分布，从而实现对整个啮合过程中齿面摩擦的动态测量；(2)本专利技术可以实现对不同型号的谐波减速器齿面摩擦的测试。当谐波减速器的型号发生变化时，只需更换与谐波减速器配套的支架，并调整其他支架的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统，其特征在于，包括：光路入射系统、谐波系统和光路采集系统；所述光路入射系统包括：光路入射系统导轨(14)、汞灯光源(11)、透镜(12)和起偏镜(13)；所述谐波系统包括：支撑台面(210)、光弹贴片(26)、伺服电机(28)、第一联轴器(27)、第二联轴器(23)、谐波减速器(24)和磁粉制动器(21)，定义支撑台面(210)的其中一侧面为A面，光弹贴片(26)固定设置在谐波减速器(24)待测轮齿的端面上，伺服电机(28)通过第一联轴器(27)与谐波减速器(24)连接，谐波减速器(24)通过第二联轴器(23)与磁粉制动器(21)连接；所述光路采集系统包括：光路采集系统导轨(37)、玻璃板(31)、检偏镜(32)、补偿片(33)和镜头(34)。

【技术特征摘要】
1.一种基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统，其特征在于，包括：光路入射系统、谐波系统和光路采集系统；所述光路入射系统包括：光路入射系统导轨(14)、汞灯光源(11)、透镜(12)和起偏镜(13)；所述谐波系统包括：支撑台面(210)、光弹贴片(26)、伺服电机(28)、第一联轴器(27)、第二联轴器(23)、谐波减速器(24)和磁粉制动器(21)，定义支撑台面(210)的其中一侧面为A面，光弹贴片(26)固定设置在谐波减速器(24)待测轮齿的端面上，伺服电机(28)通过第一联轴器(27)与谐波减速器(24)连接，谐波减速器(24)通过第二联轴器(23)与磁粉制动器(21)连接；所述光路采集系统包括：光路采集系统导轨(37)、玻璃板(31)、检偏镜(32)、补偿片(33)和镜头(34)。2.根据权利要求1所述的基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统，其特征在于：所述光路入射系统的汞灯光源(11)安装在汞灯光源支架(17)上，透镜(12)安装在透镜支架(16)上，起偏镜(13)安装在起偏镜支架(15)上；起偏镜支架(15)、透镜支架(16)和汞灯光源支架(17)依次从光路入射系统导轨(14)的游动端装入；所述汞灯光源支架(17)、透镜支架(16)和起偏镜支架(15)安装在光路入射系统导轨(14)上，可在光路入射系统导轨(14)上自由滑动。3.根据权利要求1所述的基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统，其特征在于：所述谐波系统的伺服电机(28)安装在电机支架(29)上，谐波减速器(24)安装在谐波减速器支架(25)上，磁粉制动器(21)安装在制动器支架(22)上，所述谐波减速器支架(25)通过螺栓与支撑台面(210)固定；所述电机支架(29)通过螺栓与支撑台面(210)固定；所述制动器支架(22)通过螺栓与支撑台面(210)固定。4.根据权利要求1所述的基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统，其特征在于：所述光路采集系统的玻璃板(31)安装在玻璃板支架(39)上，检偏镜(32)安装在检偏镜支架(38)上，补偿片(33)安装在补偿片支架(36)上,镜头(34)安装在镜头支架(35)上；玻璃板支架(39)、检偏镜支架(38)、补偿片支架(36)和镜头支架(35)依次从光路采集系统导轨(37)的游动端装入；所述玻璃板支架(39)、检偏镜支架(38)、补偿片支架(36)和镜头支架(35)安装在光路采集系统导轨(37)上，可在光路采集系统导轨(37)上自由滑动。5.根据权利要求1所述的基于光弹性贴片法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统，其特征在于：所述光路入射系统导轨(14)的一端和光路采集系统导轨(37)的一端接触且相互垂直，并且光路入射系统导轨(14)和光路采集系统导轨(37)分别设置在玻璃板(31)的两侧；谐波系统的轴线和A面法线平行，所述支撑台面(210)的A面法线与光路入射系统导轨(14)的轴线垂直且与光路采集系统导轨(37)的轴线平行；所述光路采集系统的光轴经过谐波系统中谐波减速器(24)待测轮齿端面上的光弹贴片(26)，并且和轮齿端面垂直。6.使用根据权利要求1-5任一项所述的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统进行测试的方法，其特征在于：所述方法包括系统准备阶段和系统测试阶段，其中系统准备阶段包括以下步骤：(a)调整谐波系统中的伺服电机(28)、谐波减速器(24)和磁粉制动器(21)的位置，给定波发生器初始转动位...

【专利技术属性】
技术研发人员：马东辉，吴泽，林大渊，阎绍泽，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11