CN111207871B

CN111207871B - 一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统及其分析方法

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Publication number: CN111207871B
Application number: CN202010137713.8A
Authority: CN
Inventors: 任玉波; 许立忠; 梁永丽; 宛瑞; 马耀阳; 史艳国
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: CN111207871A

Abstract

本发明属于传动领域，具体涉及一种电磁谐波活齿传动转矩的分析系统并公开了其分析方法，包括电磁谐波活齿传动装置本体和端盖，柔轮的表面设有压力传感器，还包括转矩测试仪、联轴器和飞轮；电磁谐波活齿传动装置本体和转矩测试仪上均对应设置有机架，且电磁谐波活齿传动装置本体、转矩测试仪和飞轮之间通过输出轴连接，输出轴之间通过联轴器固定；端盖上设有摄像机和多个照明灯，每个照明灯均设有独立的控制线路，电磁谐波活齿传动装置本体和端盖安装后控制线路闭合。与传统的电磁谐波活齿的分析系统相比，本方案结合了受力分析和转矩测试仪的结果，利用普通的转矩测试仪即可可靠地对电磁谐波活齿进行分析，最大程度的增加传动转矩的精确性。

Description

一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统及其分析方法

技术领域

本发明属于传动领域，具体涉及一种电磁谐波活齿传动转矩的分析系统。

背景技术

在众多的传动场合中，都需要低转速地输出动力，目前低速传动大多都是采用伺服电机带机械齿轮减速器的办法来实现的。

为此，专利号为CN201510106656.6的专利，公开了一种电磁谐波活齿传动装置，机座的两端固定连接端盖。在机座的内部设定子组件。在定子组件的内部置有杯状柔轮，柔轮的一端与上述机座一端的端盖A固定连接，柔轮的自由端外侧套接活齿架，该活齿架的一端固定连接输出轴。活齿架的壁上设有一周径向通孔，在该径向通孔内设有活齿，该活齿与中心轮内壁的内齿形相啮合。中心轮为环状筒体，该中心轮的外径与上述机座的内径相同。在上述机座另一端的端盖B中部设有轴承，上述输出轴的另一端通过轴承的中部，延伸到端盖B的外部。该方案传动精度高，噪声小，响应速度快，具有较小转动惯量的低速旋转构件，控制系统智能，体积小，在电子组装、医疗器械、航空及军工等领域具有广阔的应用前景。

但是产品在实际量产中，其输出力矩等特性参数必须进行严格的分析论证。由于产品的特殊性，包括夹角、齿架半径、线圈匝数、定子槽数、气隙系数、抖动等都会严重的影响输出力矩。而现有的力矩测量仪由于未对本产品进行专门的优化，测量效果有一定的误差。

因此，急需一种测试效果好，并适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统及其分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试效果好，并适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统。

为了达到上述目的，本方案提供一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统，包括设有柔轮的电磁谐波活齿传动装置本体和可拆卸设置在电磁谐波活齿传动装置上的端盖，所述柔轮的表面设有压力传感器，还包括转矩测试仪、联轴器和飞轮；所述电磁谐波活齿传动装置本体和转矩测试仪上均对应设置有机架，且电磁谐波活齿传动装置本体、转矩测试仪和飞轮之间通过输出轴连接，输出轴之间通过联轴器固定；所述端盖上设有摄像机和多个照明灯，每个照明灯均设有独立的控制线路，所述电磁谐波活齿传动装置本体和端盖安装后控制线路闭合。

本方案的原理在于：

压力传感器可以测得柔轮受到的压力，而摄像机对活齿、活齿架、柔轮等全程过程进行记录，这些参数通过筛选后即可计算出电磁谐波活齿装置的传动扭矩；配合着转矩测试仪测得的数据，两者进行平均即可得到最终的转矩结果。

本方案的有益效果在于：

1、端盖为固定的部件，通过更换电磁谐波活齿传动装置本体的内的其他部件可保证单一变量，使得测量的结果更为准确；

2、仅在柔轮的表面设置压力传感器，无需在活齿、活齿架等部件均设置压力传感器，结构更加简单，测量精度也更高；

3、照明灯的设置，可确保摄像机的图像质量，在进行受力分析时更加准确；而设置多个照明灯，如果一旦设备有较大的抖动，这样电磁谐波活齿传动装置本体和端盖之间的触点在会错开，导致照明灯熄灭。这样在选择图像的时候，则可通过图像的亮度来判断此时是否发生抖动，进而排除抖动对传动转矩的影响。同时，也可以对比不同亮度的图像来分析抖动对传动转矩的影响。

如果仅仅是通过受力分析来进行判断，则会忽略掉各部件的装配间隙、摩擦力等的影响，导致技术出的精度有误差；而如果仅仅是通过转矩测试仪来进行测量，要么需要上百万的昂贵设备，要么普通的设备精度又不够。与传统的电磁谐波活齿的分析系统相比，本方案结合了受力分析和转矩测试仪的结果，利用普通的转矩测试仪即可可靠地对电磁谐波活齿进行分析，最大程度的增加传动转矩的精确性。

进一步，所述端盖上设有多个凸块，所述电磁谐波活齿传动装置本体上对应设有与凸块匹配的凹槽，所述凸块上设有与控制线路连通的第一触点，所述凹槽内设有第二触点，所述第一触点和第二触点接触时控制线路闭合。

凸块和凹槽的设置，一方面可以使电磁谐波活齿传动装置本体和端盖安装得更加稳固；另一方面，将两者安装好后可以通过照明灯是否点亮来判断电磁谐波活齿传动装置本体和端盖是否安装到位，简单方便。

进一步，所述机架为升降机架。这样设置，可方便的调整高度，以适应于不同尺寸的电磁谐波活齿装置。

进一步，所述压力传感器为柔性薄膜压力传感器。柔性薄膜压力传感器可方便的检测到各个方位的压力，可变性高，可配合柔轮一起形变。

本方案的另一目的在于提供一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统的分析方法，包括以下几个步骤：

步骤S10：安装好各个设备，确保各个照明灯正常点亮；

步骤S20：启动电磁谐波活齿传动装置，当其转动稳定后记录下转矩测试仪的转矩参数；

步骤S30：选取摄像机拍摄的图像，建立柔轮、活齿架、中心轮之间的力学分析图；结合压力传感器的测得的各个阶段的压力值，计算出转矩参数；

步骤S40：将步骤S20和S30中测得的转矩参数进行平均，即得到最终的转矩参数；

步骤S50：保留端盖；更换电磁谐波活齿传动装置中的电磁绕组的匝数，保持电磁谐波活齿传动装置的其他部分不变；重复S10-S40得到新的转矩参数，将两者的参数进行对比分析即可得到电磁绕组的匝数对传动转矩的影响。

进一步，在步骤S50中，保留端盖；更换电磁谐波活齿传动装置中的活齿架半径，保持电磁谐波活齿传动装置的其他部分不变；重复S10-S40得到新的转矩参数，将两者的参数进行对比分析即可得到活齿架半径对传动转矩的影响。

进一步，在步骤S50中，保留端盖；更换电磁谐波活齿传动装置中的定子槽数，保持电磁谐波活齿传动装置的其他部分不变；重复S10-S40得到新的转矩参数，将两者的参数进行对比分析即可得到定子槽数对传动转矩的影响。

进一步，在步骤S30中，选择亮度更高的图像进行分析。亮度偏低的图像，往往就是发生抖动较大的图像，这样的受力分析会受到很大的影响。选择亮度更高的图像进行分析，可大幅度地提高测量的精度。

附图说明

图1为本发明适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统实施例的示意图；

图2为本发明适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统实施例的示意图；

图3为本发明适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统实施例的示意图；

图4为图1中电磁谐波活齿装置的剖视图；

图5为图4中A-A处的结构示意图；

图6为图4中柔轮、活齿架、中心轮和活齿的受力分析图；

图7为活齿的受力分析图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：电磁谐波活齿传动装置1、转矩测试仪2、支承3、飞轮4、联轴器5、壳体10、端盖21、照明灯22、凸块23、摄像机24、电磁绕组31、柔轮32、中心轮41、活齿42、活齿架43、输出轴51、轴承52。

XOY为系统固定坐标系；

X'OY'与X"OY"分别为旋转磁场及活齿架的连体坐标系；

O为激波器与活齿架的回转中心；

O_i为活齿中心；

激波器对活齿的作用力为F_1i；

活齿架对活齿的作用力为F_2i；

中心轮内齿对活齿的作用力为F_3i。

本方案提供一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统，如图1、图2和图3所示，主要包括四个部分，从左到右分别是电磁谐波活齿传动装置1、转矩测试仪2、支承3和飞轮4。这四个部分之间通过输出轴51进行连接，输出轴51和输出轴51之间则是通过联轴器5进行固定。电磁谐波活齿传动装置1、转矩测试仪2和支承3的下方均设有机架，机架采用可升降的升降，可根据实际情况来进行调整。转矩测试仪2采用型号为SGDN-50的动态转矩测试仪2，结构简单，精度高。

如图4所示，电磁谐波活齿装置主要包括五个部分，激波器、活齿轮、中心轮41、壳体10和端盖21。激波器由电磁绕组31和柔轮32组成，柔轮32的外表面包覆有一层压力传感器，压力传感器采用型号为SF15-150的柔性薄膜压力传感器。柔轮32和压力传感器一起组成半径为r、厚度为t的杯状金属圆柱，与壳体10固定连接。壳体10的输出端还设有轴承52。另外，像控制器处理器、线路布局、电源等都是现有技术，就不赘述了。柔轮32与电磁绕组31之间是厚度为δ的空气隙。柔轮32在旋转磁场的作用下会发生变形，即将磁场力顺序施加于不同的相对应的两个扇区内，柔轮32会在相应的位置发生变形。柔轮32发生变形时，将推动活齿42沿着活齿架43的径向导槽移动。由于柔轮32变形具有对称性，所以电磁谐波的激波器相当于活齿42传动中的双向凸轮激波器。

如图5所示，活齿轮由活齿架43和一组活齿42组成，本方案中有12个活齿42，活齿42采用钢球组成，活齿架43为薄壁的圆通，其余输出轴51的左端固定连接。中心轮41的内齿形是活齿42外端齿形曲线的包络线。

当系统通入三相交流电时，柔轮32在电磁绕组31的作用下会产生周期性的径向弹性变形，柔轮32径向尺寸的变化会产生径向推力，迫使与中心轮41工作齿形接触的诸活齿42沿着活齿架43的径向导槽移动，与此同时，活齿42因受活齿架43、中心轮41齿轮廓高副的约束，在沿着内齿中心轮41齿轮廓运动的过程中，推动活齿架43以等角速度转动，于是，活齿42传动完成了转速变化运动。而与中心轮41非工作齿廓接触的诸活齿42，在活齿架43径向导槽的推动下，顺序地返回工作起始位置，完成它的一个工作循环。每一个活齿42智能推动从动件转动一定的角度，而活齿42传动的连续运动，则是靠各活齿42的接替工作来实现的。

端盖21作为不变量，而激波器、活齿轮、中心轮41、壳体10这四个部分组成主体，通过更换这部分内部的部件来进行变量分析。如图1、图5所示，端盖21朝着主体的方向设有摄像机24和多个指示灯，摄像机24采用微型摄像机24，指示灯和摄像机24上下各一组。壳体10上设有凹槽，对应的端盖21上设有凸块23，凸块23插入凹槽中然后通过紧固螺栓可拆卸地连接在一起。值得注意的是，每个照明灯22均设有独立的控制线路，同时，凸块23上设有与控制线路连通的第一触点，凹槽内设有第二触点，这样将两者安装好后可以通过照明灯22是否点亮来判断电磁谐波活齿传动装置1本体和端盖21是否安装到位，简单方便。

当要分析电磁绕组31的匝数对传动转矩的影响时，通过以下步骤进行测得数据进行分析：

步骤S10：安装好各个设备，确保各个照明灯22正常点亮；

步骤S20：启动电磁谐波活齿传动装置1，当其转动稳定后记录下转矩测试仪2的转矩参数；

步骤S30：选取摄像机24拍摄的亮度最高的图像进行分析，建立柔轮32、活齿架43、中心轮41之间的力学分析图；结合压力传感器的测得的各个阶段的压力值，计算出转矩参数；

步骤S50：保留端盖21；更换电磁谐波活齿传动装置1中的电磁绕组31的匝数，保持电磁谐波活齿传动装置1的其他部分不变；重复S10-S40得到新的转矩参数，将两者的参数进行对比分析即可得到电磁绕组31的匝数对传动转矩的影响。

在步骤S30中，具体的计算如下。如图6、图7所示，各构件对活齿42的作用力都通过球心并沿活齿42齿面的法线方向。显然，这是一个平面汇交力系，活齿42在每个工作瞬时处于平衡状态，则系统的输出转矩为：

式中，m、n和p、q分别为处于两个不同啮合区的活齿42编号；Rc为活齿架43平均半径。

因此，通过压力传感器可以测得柔轮32受到的压力，而摄像机24对活齿42、活齿架43、柔轮32等全程过程进行记录，这些参数通过筛选后即可计算出电磁谐波活齿装置的传动扭矩；配合着转矩测试仪2测得的数据，两者进行平均即可得到最终的转矩结果。

当要分析电磁绕组31的匝数对传动转矩的影响时，只需将步骤S50中，保留端盖21；更换电磁谐波活齿传动装置1中的活齿架43半径，保持电磁谐波活齿传动装置1的其他部分不变；重复S10-S40得到新的转矩参数，将两者的参数进行对比分析即可得到活齿架43半径对传动转矩的影响。

当要分析定子槽数对传动转矩的影响时，只需步骤S50中，保留端盖21；更换电磁谐波活齿传动装置1中的定子槽数，保持电磁谐波活齿传动装置1的其他部分不变；重复S10-S40得到新的转矩参数，将两者的参数进行对比分析即可得到定子槽数对传动转矩的影响。

与传统的电磁谐波活齿的分析系统相比，本方案结合了受力分析和转矩测试仪的结果，利用普通的转矩测试仪即可可靠地对电磁谐波活齿进行分析，最大程度的增加传动转矩的精确性。

需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统，包括设有柔轮的电磁谐波活齿传动装置本体和可拆卸设置在电磁谐波活齿传动装置上的端盖，其特征在于：所述柔轮的表面设有压力传感器，还包括转矩测试仪、联轴器和飞轮；所述电磁谐波活齿传动装置本体和转矩测试仪上均对应设置有机架，且电磁谐波活齿传动装置本体、转矩测试仪和飞轮之间通过输出轴连接，输出轴之间通过联轴器固定；所述端盖上设有摄像机和多个照明灯，每个照明灯均设有独立的控制线路，所述电磁谐波活齿传动装置本体和端盖安装后控制线路闭合，所述端盖上设有多个凸块，所述电磁谐波活齿传动装置本体上对应设有与凸块匹配的凹槽，所述凸块上设有与控制线路连通的第一触点，所述凹槽内设有第二触点，所述第一触点和第二触点接触时控制线路闭合，照明灯的设置，可确保摄像机的图像质量，在进行受力分析时更加准确；而设置多个照明灯，如果一旦设备有较大的抖动，这样电磁谐波活齿传动装置本体和端盖之间的触点在会错开，导致照明灯熄灭，这样在选择图像的时候，则可通过图像的亮度来判断此时是否发生抖动，进而排除抖动对传动转矩的影响，同时，也可以对比不同亮度的图像来分析抖动对传动转矩的影响。

2.根据权利要求1所述的一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统，其特征在于：所述机架为升降机架。

3.根据权利要求1所述的一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统，其特征在于：还包括支承，所述支承设置在飞轮和转矩测试仪之间。

4.根据权利要求1所述的一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统，其特征在于：所述压力传感器为柔性薄膜压力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统的分析方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤S10：安装好各个设备，确保各个照明灯正常点亮；

6.根据权利要求5所述的一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统的分析方法，其特征在于：在步骤S50中，保留端盖；更换电磁谐波活齿传动装置中的活齿架半径，保持电磁谐波活齿传动装置的其他部分不变；重复S10-S40得到新的转矩参数，将两者的参数进行对比分析即可得到活齿架半径对传动转矩的影响。

7.根据权利要求5所述的一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统的分析方法，其特征在于：在步骤S50中，保留端盖；更换电磁谐波活齿传动装置中的定子槽数，保持电磁谐波活齿传动装置的其他部分不变；重复S10-S40得到新的转矩参数，将两者的参数进行对比分析即可得到定子槽数对传动转矩的影响。

8.根据权利要求5-7任一项所述的一种适用于电磁谐波活齿传动转矩特性分析系统，其特征在于：在步骤S30中，选择亮度更高的图像进行分析。