基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统及方法技术方案

一种基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统，包括电机驱动系统、图像采集系统和静态加载系统，电机驱动系统主要包括：伺服电机、谐波减速器和联轴器；图像采集系统主要包括：光源、光束转折器、照相机、照相机升降台和镜头；静态加载系统主要包括：转动圆盘、U型支架、阶梯轴、砝码和轴承，首先在待测轮齿端面制备人工散斑，接着用照相机获取不同啮合位置处加载前后轮齿端面的啮合图像，通过计算待测轮齿发生的变形和受到的啮合力，可以得到啮合过程中待测轮齿啮合刚度的变化规律。本发明专利技术不仅适用于不同型号的谐波减速器，而且具有操作简便、计算高效等优点。

Measurement System and Method of Meshing Stiffness of Harmonic Drive Based on Digital Image Correlation Method

A measurement system of meshing stiffness of harmonic drive based on digital image correlation method includes motor drive system, image acquisition system and static loading system. Motor drive system mainly includes servo motor, harmonic reducer and coupling; image acquisition system mainly includes light source, beam turner, camera, camera lift and lens; static loading system mainly includes servo motor, harmonic reducer and coupling. Including: rotating disc, U-shaped bracket, stepped shaft, weight and bearing. Firstly, artificial speckles are made on the end face of the gear teeth to be measured. Then, the meshing images of the end face of the gear teeth before and after loading at different meshing positions are obtained by camera. By calculating the deformation of the gear teeth to be measured and the meshing force, the changing law of meshing stiffness of the gear teeth to be measured in the meshing process can be obtained. The invention is not only applicable to different types of harmonic reducers, but also has the advantages of simple operation and high efficiency of calculation.

【技术实现步骤摘要】
基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统及方法
本专利技术涉及谐波齿轮传动测试
，特别涉及基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统及方法。
技术介绍
谐波齿轮传动是目前工业机器人和空间机器人中的核心零部件。由于谐波齿轮传动基于柔轮的连续弹性变形来实现啮合传动，所以啮合过程中轮齿之间存在非常复杂的非线性力学行为。其中，啮合刚度的变化是导致系统振动和传动误差的主要原因之一。由于传统的理论和数值方法均不能准确地预测谐波齿轮传动啮合刚度的真实变化规律，而本领域缺少相应的测试技术，导致现有的谐波齿轮传动系统动力学模型不完善，限制了机器人工作精度和可靠性的提升。现有的实验技术主要用于测试谐波齿轮传动系统的扭转刚度，无法测试谐波齿轮传动啮合过程中轮齿的啮合刚度。包括以下专利：一种谐波齿轮减速器啮合扭转刚度的测量装置，申请号：CN201610985989.5；一种谐波齿轮减速器啮合扭转刚度的测量方法，申请号：CN201610985990.8；一种谐波减速器动态扭转刚度分析装置与方法，申请号：CN201710756536.X；一种滞回刚度测量装置，申请号：CN201410820925.0；一种谐波减速器传动刚度测试方法，申请号：CN201610489051.4；一种应用于谐波减速器的扭转刚度测试机，申请号：CN201520306860.8等。综上所述，需要一种谐波齿轮传动啮合刚度测试系统及方法来系统地分析啮合过程中轮齿啮合刚度的变化规律，从而实现谐波齿轮传动系统动力学模型的精细建模，提高谐波齿轮传动的传动性能。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统及方法，可以系统地分析啮合过程中轮齿啮合刚度的变化规律，从而实现谐波齿轮传动系统动力学模型的精细建模，提高谐波齿轮传动的传动性能。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统，包括设置在光学平台17上的电机驱动系统、图像采集系统和静态加载系统；所述的电机驱动系统包括第一联轴器13，第一联轴器13一端连接伺服电机11，另一端连接谐波减速器14一端，谐波减速器14另一端连接第二联轴器16的一端，第二联轴器16的另一端连接在静态加载系统上；所述的静态加载系统包括与第二联轴器16连接的阶梯轴34，阶梯轴34另一端连接转动圆盘31，所述阶梯轴34通过轴承33安装在U型支架32上，所述的转动圆盘31、U型支架32和阶梯轴34轴线重合；所述的图像采集系统包括光源21、光束转折器上反射镜22和照相机27，光束转折器上反射镜22安装在光束转折器上反射镜镜架23的下端，光束转折器的上反射镜镜架23安装在光束转折器立柱26上，光束转折器下反射镜24安装在光束转折器下反射镜镜架25的上端，光束转折器下反射镜镜架25设置在光束转折器立柱26上，光束转折器下反射镜24对准所述谐波减速器14的轮齿啮合区域，光束转折器上反射镜22和光束转折器下反射镜24的光轴重合，照相机27设置在照相机升降台28上，照相机27与镜头29的光轴重合，并通过光束转折器上反射镜22的圆心，镜头29安装在镜头支架210上，光源21平行于所述光学平台17，并分别从所述光束转折器立柱26的两侧照射到所述谐波减速器14局部的啮合区域。所述的伺服电机11安装在伺服电机支架12上，所述谐波减速器14安装在所述谐波减速器支架15上，所述的服电机支架12和谐波减速器支架15设置在所述光学平台17上。所述的U型支架32设置在光学平台17上，转动圆盘31上通过铁丝悬挂有砝码35。所述的光束转折器立柱26、照相机升降台28和镜头支架210设置在所述光学平台17上。所述的伺服电机11、第一联轴器13、谐波减速器14、第二联轴器16、阶梯轴34、转动圆盘31的轴线相互重合。所述光束转折器上反射镜镜架23和光束转折器下反射镜镜架25均可以绕光束转折器立柱26转动，从而带动安装在其中的光束转折器上反射镜22和光束转折器下反射镜24绕光束转折器立柱26转动；所述光束转折器上反射镜22还可绕所述光束转折器上反射镜镜架23转动，所述光束转折器下反射镜24还可绕所述光束转折器下反射镜镜架25转动。所述的照相机27的光轴与机驱动系统的轴线垂直。该测试方法包括准备阶段和测试阶段，其中准备阶段具体包括以下步骤：(1)通过喷漆的方法在谐波减速器14待测轮齿端面制备人工散斑；(2)调整电机驱动系统中伺服电机11和谐波减速器14的位置，以及静态加载系统中转动圆盘31、U型支架32和阶梯轴34的位置，使其满足同轴度要求；(3)调整图像采集系统中光束转折器上反射镜22、光束转折器下反射镜24、照相机27和镜头29的位置，通过旋转光束转折器下反射镜镜架25和光束转折器下反射镜24，调整所述光束转折器下反射镜镜架25的高度，使光束转折器下反射镜24对准谐波减速器14的某一个轮齿啮合区域；调整光束转折器上反射镜镜架23的位置，使光束转折器上反射镜22与光束转折器下反射镜24的光轴重合；调整照相机升降台28和镜头支架210的高度，使照相机27与镜头的光轴29重合，并通过光束转折器上反射镜22的圆心；(4)调整图像采集系统中光源21的位置，使光源21的两个激光头平行于光学平台17，并分别从光束转折器立柱26的两侧照射到谐波减速器14局部的啮合区域，使光束转折器下反射镜24中呈现清晰的啮合图像；测试阶段具体包括以下步骤：(1)设置伺服电机11的参数，使谐波减速器14正常工作；(2)开启照相机27，并在计算机上打开配套的软件，保证两者的连接；(3)打开光源21，调节至合适光强并照射在谐波减速器14的轮齿啮合区域，经光束转折器下反射镜24和光束转折器上反射镜22的反射以及镜头29的放大作用后，通过照相机27观察到轮齿端面的清晰图像；(4)调整伺服电机11的输出转角，使待测轮齿刚好进入啮合状态，采用照相机27分别记录下加载前后待测轮齿端面的啮合图像；(5)增大伺服电机11的输出转角，使得待测轮齿进入下一个啮合状态，采用照相机27分别记录下加载前后待测轮齿端面的啮合图像；(6)继续增大伺服电机11的输出转角，重复上述工作，直到完成一个完整啮合过程为止；(7)将上述获得的一系列啮合图像导入计算机进行数字图像相关处理，获得在不同啮合状态下加载前后待测轮齿端面的变形信息，通过理论计算求得所述谐波减速器待测轮齿在啮合过程中啮合刚度的变化规律。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术基于数字图像相关原理，通过对涂有散斑的轮齿啮合图像的采集与处理，可以得到谐波传动任意啮合位置处轮齿啮合刚度的大小，从而实现对整个啮合过程中轮齿啮合刚度的动态测量；(2)本专利技术通过光束转折器立柱、照相机升降台和镜头支架来调整各个光学元器件的位置，使光路系统的安装和调试过程更为方便和准确；(3)本专利技术通过更换谐波减速器支架并调整其他支架的位置，可以适用于不同型号的谐波减速器；(4)本专利技术通过设计不同的数字图像相关算法，可以满足不同精度等级的谐波传动啮合刚度测试需求。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图。图2为电机驱动系统结构示意图。图3为图像采集系统结构示意图。图4为静态加载系统结构示意图。图5为静态加载系统结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统，其特征在于，包括设置在光学平台(17)上的电机驱动系统、图像采集系统和静态加载系统；所述的电机驱动系统包括第一联轴器(13)，第一联轴器(13)一端连接伺服电机(11)，另一端连接谐波减速器(14)一端，谐波减速器(14)另一端连接第二联轴器(16)的一端，第二联轴器(16)的另一端连接在静态加载系统上；所述的静态加载系统包括与第二联轴器(16)连接的阶梯轴(34)，阶梯轴(34)另一端连接转动圆盘(31)，所述阶梯轴(34)通过轴承(33)安装在U型支架(32)上，所述的转动圆盘(31)、U型支架(32)和阶梯轴(34)轴线重合；所述的图像采集系统包括光源(21)、光束转折器上反射镜(22)和照相机(27)，光束转折器上反射镜(22)安装在光束转折器上反射镜镜架(23)的下端，光束转折器的上反射镜镜架(23)安装在光束转折器立柱(26)上，光束转折器下反射镜(24)安装在光束转折器下反射镜镜架(25)的上端，光束转折器下反射镜镜架(25)设置在光束转折器立柱(26)上，光束转折器下反射镜(24)对准所述谐波减速器(14)的轮齿啮合区域，光束转折器上反射镜(22)和光束转折器下反射镜(24)的光轴重合，照相机(27)设置在照相机升降台(28)上，照相机(27)与镜头(29)的光轴重合，并通过光束转折器上反射镜(22)的圆心，镜头(29)安装在镜头支架(210)上，光源(21)平行于所述光学平台(17)，并分别从所述光束转折器立柱(26)的两侧照射到所述谐波减速器(14)局部的啮合区域。...

【技术特征摘要】
1.基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统，其特征在于，包括设置在光学平台(17)上的电机驱动系统、图像采集系统和静态加载系统；所述的电机驱动系统包括第一联轴器(13)，第一联轴器(13)一端连接伺服电机(11)，另一端连接谐波减速器(14)一端，谐波减速器(14)另一端连接第二联轴器(16)的一端，第二联轴器(16)的另一端连接在静态加载系统上；所述的静态加载系统包括与第二联轴器(16)连接的阶梯轴(34)，阶梯轴(34)另一端连接转动圆盘(31)，所述阶梯轴(34)通过轴承(33)安装在U型支架(32)上，所述的转动圆盘(31)、U型支架(32)和阶梯轴(34)轴线重合；所述的图像采集系统包括光源(21)、光束转折器上反射镜(22)和照相机(27)，光束转折器上反射镜(22)安装在光束转折器上反射镜镜架(23)的下端，光束转折器的上反射镜镜架(23)安装在光束转折器立柱(26)上，光束转折器下反射镜(24)安装在光束转折器下反射镜镜架(25)的上端，光束转折器下反射镜镜架(25)设置在光束转折器立柱(26)上，光束转折器下反射镜(24)对准所述谐波减速器(14)的轮齿啮合区域，光束转折器上反射镜(22)和光束转折器下反射镜(24)的光轴重合，照相机(27)设置在照相机升降台(28)上，照相机(27)与镜头(29)的光轴重合，并通过光束转折器上反射镜(22)的圆心，镜头(29)安装在镜头支架(210)上，光源(21)平行于所述光学平台(17)，并分别从所述光束转折器立柱(26)的两侧照射到所述谐波减速器(14)局部的啮合区域。2.根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统，其特征在于，所述的伺服电机(11)安装在伺服电机支架(12)上，所述谐波减速器(14)安装在所述谐波减速器支架(15)上，所述的服电机支架(12)和谐波减速器支架(15)设置在所述光学平台(17)上。3.根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统，其特征在于，所述的U型支架(32)设置在光学平台(17)上，转动圆盘(31)上通过铁丝悬挂有砝码(35)。4.根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统，其特征在于，所述的光束转折器立柱(26)、照相机升降台(28)和镜头支架(210)设置在所述光学平台(17)上。5.根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统，其特征在于，所述的伺服电机(11)、第一联轴器(13)、谐波减速器(14)、第二联轴器(16)、阶梯轴(34)、转动圆盘(31)的轴线相互重合。6.根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的谐波传动啮合刚度测试系统，其特征在于，所述光束转折器上反射镜镜架(23)和光束转折器下反射镜镜架(25)均可以绕光束转折器立柱(26)转动，从而带动安装在其中的光束转折...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎绍泽，马东辉，王帅奇，王洋，刘秋平，李岩，
申请(专利权)人：清华大学，北京中技克美谐波传动股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11