航天器諧波傳動機構(gòu)效率試驗測控系統(tǒng)設(shè)計

孫　宇，劉高同，李　強，顧志飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境研究所，北京　100094）

航天器諧波傳動機構(gòu)效率試驗測控系統(tǒng)設(shè)計

孫宇，劉高同，李強，顧志飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境研究所，北京100094）

介紹了諧波傳動機構(gòu)的原理和應(yīng)用，針對工作于空間環(huán)境下的航天器諧波傳動機構(gòu)，設(shè)計了一套傳動效率試驗測控系統(tǒng)；敘述了整套測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理，設(shè)計了一套諧波傳動機構(gòu)在空間環(huán)境下的效率試驗方法；并針對傳統(tǒng)試驗裝置的缺點和不足，在實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，采用了針對性的軟件設(shè)計，設(shè)計了一套自動測試流程，提高了整套系統(tǒng)的自動化水平；同時，針對測試數(shù)據(jù)無規(guī)則跳變的問題，設(shè)計了數(shù)據(jù)篩選算法，提高了控制精度和試驗的準(zhǔn)確性。

諧波傳動機構(gòu)；空間環(huán)境；力矩測試；數(shù)據(jù)篩選

0　引言

20世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，美國學(xué)者C.Walton.Musser發(fā)明了諧波傳動機構(gòu)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、承載能力高等優(yōu)秀的機械性能，諧波傳動機構(gòu)廣泛應(yīng)用與空間技術(shù)、能源、機床等各個工業(yè)領(lǐng)域。對于應(yīng)用在空間技術(shù)領(lǐng)域的諧波轉(zhuǎn)動機構(gòu)，可靠性要求更加嚴(yán)格，為保證航天器的穩(wěn)定運行，必須進(jìn)行大量的地面試驗以驗證其穩(wěn)定的使用性能和良好的傳動效率，因此諧波傳動機構(gòu)的試驗裝置與技術(shù)顯得尤為重要。

1　諧波傳動機構(gòu)工作原理［

諧波傳動機構(gòu)的傳動原理與普通齒輪傳動原理有本質(zhì)區(qū)別，它是利用機械波控制柔性齒輪的彈性變形來實現(xiàn)傳遞運動和力的傳動機構(gòu)。如圖1所示［4 5］。

圖1　諧波傳動機構(gòu)工作原理圖

諧波轉(zhuǎn)動機構(gòu)主要有3個構(gòu)件組成：鋼輪1、柔輪2和波形發(fā)生器H。固定其中一件，其余兩件一件為主動，另一件為從動。在未裝配前，柔輪的齒數(shù)比鋼輪略少，而波形發(fā)生器的最大直徑比柔輪內(nèi)圓直徑略大。當(dāng)把波形發(fā)生器裝入柔輪時，迫使柔輪發(fā)生變形，在其長軸兩端的齒恰好與鋼輪齒完全嚙合，短軸處的齒則完全脫開；而處在波形發(fā)生器長短軸之間的、沿周長不同區(qū)域的齒處于嚙入或嚙出的不同過渡狀態(tài)。當(dāng)波形發(fā)生器回轉(zhuǎn)時，將迫使柔輪齒依次同鋼輪齒嚙合，由于齒數(shù)不同，故波形發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，使柔輪在相反方向轉(zhuǎn)過鋼輪與柔輪的齒數(shù)差，從而獲得變速傳動。諧波傳動機構(gòu)在傳遞運動和力時，其彈性元件將產(chǎn)生一個可移動的變形波，即柔輪各點的徑向位移隨轉(zhuǎn)角的變化情況為一個基本對稱的簡諧波，因此把這種傳動成為諧波傳動。

2　諧波傳動機構(gòu)效率試驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

諧波傳動機構(gòu)效率試驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由空間環(huán)境模擬系統(tǒng)和試驗測控系統(tǒng)兩部分組成，如圖2所示。

空間環(huán)境模擬系統(tǒng)采用成熟技術(shù)，包括真空系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)兩個分系統(tǒng)。兩個分系統(tǒng)協(xié)同工作，共同完成真空冷黑環(huán)境的模擬，為諧波傳動機構(gòu)的試驗提供背景環(huán)境。

試驗測控系統(tǒng)包括流程控制系統(tǒng)、紅外加熱系統(tǒng)、力矩加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個分系統(tǒng)，用于驅(qū)動諧波轉(zhuǎn)動機構(gòu)在熱真空環(huán)境（模擬空間環(huán)境）中進(jìn)行傳動效率測試，從而分析其在熱真空環(huán)境中的使用性能。

2.1試驗測控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

測控系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)上采用集散控制的方式，分為二級控制，即：由傳感器、執(zhí)行器、PLC、儀表、按鈕、控制柜組成的現(xiàn)場控制層；由上位機組態(tài)軟件控制的遠(yuǎn)程集中控制層。測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、測控原理如圖3所示。

圖2　諧波傳動試驗裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3　試驗測控系統(tǒng)總體設(shè)計

2.2流程控制系統(tǒng)

流程控制系統(tǒng)用于空間環(huán)境的模擬與檢測，完成各個泵、閥門、制冷機的控制以及容器真空度的測量，和熱沉溫度的測量。其中：分子泵帶有專用的控制器，流程控制系統(tǒng)通過對分子泵控制器的操作來實現(xiàn)分子泵的遠(yuǎn)程控制；機械泵以及管路閥門的啟停通過由PLC驅(qū)動的繼電器來控制；制冷機的啟?？刂?、除霜控制通過遠(yuǎn)控端子完成；真空度數(shù)據(jù)和熱沉溫度數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳入PLC，并在本地控制柜和遠(yuǎn)程上位機上顯示。

2.3紅外加熱系統(tǒng)

外熱流加熱采用紅外燈組為試件高溫工況提供加熱熱源。為減少熱損失，降低紅外燈組對冷背景的不利影響，同時增加紅外熱源的利用率，選用了半側(cè)渡有反射膜的石英燈管。燈具的主體結(jié)構(gòu)采用LY12硬鋁材料加工，并采用陶瓷柱對燈管進(jìn)行支撐和絕緣。加熱燈組共包括8盞紅外燈，通過控溫儀配合調(diào)功器控制紅外燈組，實現(xiàn)對試件溫度的控制，外熱流控制原理圖如圖4所示。

2.4力矩加載系統(tǒng)

動力矩加載系統(tǒng)主要完成對試驗試件的動力矩加載、力矩顯示等功能，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。在真空度、溫度等環(huán)境參數(shù)達(dá)到預(yù)定后，驅(qū)動裝置開始運行，當(dāng)驅(qū)動裝置在某一轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，通過制動裝置，給試驗試件加載力矩，并長時間穩(wěn)定運行。由于試驗試件的多樣性，對于試件驅(qū)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩要求也難以統(tǒng)一，給試件驅(qū)動機構(gòu)的選擇帶來了一定的難度。傳統(tǒng)的測試方法通常選用多套驅(qū)動設(shè)備以適應(yīng)不同試件需求，每次試驗前需要更換驅(qū)動裝置，調(diào)整整套傳動系統(tǒng)的同軸度、水平度等參數(shù)，不但操作繁瑣、易引入人為誤差，也降低了試驗效率。因此，為解決上述問題，本系統(tǒng)選用伺服電機作為試件驅(qū)動裝置，不但滿足了試件的多樣性要求，也提高了控制精度。制動裝置采用最大扭矩630 Nm的磁粉制動器以滿足各種試驗要求。

圖4　外熱流控制原理圖

圖5　動力矩加載系統(tǒng)

2.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成試驗中的過程數(shù)據(jù)采集，并將采集的試驗數(shù)據(jù)保存為文檔格式以供后期分析。采用的測量儀器為圖5中的輸入、輸出力矩傳感器，采集的數(shù)據(jù)包括試驗試件轉(zhuǎn)速、輸入力矩、輸出力矩等，并根據(jù)試件的傳動比計算出試件的傳動效率。

3　試驗測控系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的諧波傳動效率試驗系統(tǒng)，大多采用離散的控制方式，通過對單一設(shè)備、儀表的操作來完成整個試驗，不具備遠(yuǎn)程集中控制層。這樣的試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，但自動化程度不高，操作繁瑣，而且要求試驗人員對各個分系統(tǒng)了解深入，增大了試驗難度和出現(xiàn)誤操作的可能性。針對以上問題，本套測控系統(tǒng)充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)優(yōu)勢，大大提高了自動化水平和控制精度，同時也降低了對試驗人員的要求。此外，具有針對性的軟件設(shè)計也在很大程度上提高了本套系統(tǒng)的使用性能，填補了傳統(tǒng)方式的空白。

3.1空間環(huán)境模擬

為真實再現(xiàn)空間環(huán)境，要在效率試驗開始前模擬出一個真空冷背景環(huán)境。針對本套系統(tǒng)最終用戶的特殊性，在軟件設(shè)計中加入了自動流程設(shè)計，包括真空自動流程設(shè)計和溫度循環(huán)設(shè)計。

3.1.1真空自動流程設(shè)計

為防止由于試驗人員對熱真空試驗了解不多，在實際操作中出現(xiàn)誤操作的情況出現(xiàn)，本系統(tǒng)在上位機中設(shè)計了一套“一鍵式”真空工藝流程，包括自動抽真空流程和自動停機流程。在實際操作中，對于暫時無法熟練使用本套試驗裝置的實驗人員，可以通過上位機中的兩個自動流程按鍵輕松完成真空系統(tǒng)的啟動和停機，而不需要對真空系統(tǒng)工藝流程有深刻的理解，在很大程度避免了由于人為誤操作而給設(shè)備帶來的損害。

3.1.2溫度循環(huán)設(shè)計

由于諧波傳動機構(gòu)的傳動效率試驗需要長時間進(jìn)行，并且需要試件溫度進(jìn)行多次的高低溫交變，為降低試驗人員的工作量，降低引入人為誤差的概率，在軟件上本系統(tǒng)設(shè)計了溫度循環(huán)控制功能。試驗開始前，試驗人員可在上位機預(yù)先設(shè)置本次試驗所需要進(jìn)行的高低溫交變工況，包括目標(biāo)溫度、持續(xù)時間ts、單周期工況數(shù)Ds、循環(huán)周期總數(shù)Ts等參數(shù)。在試驗環(huán)境達(dá)到要求后，只需“一鍵”即可完成所有工況。溫度循環(huán)軟件流程圖如圖6所示，其中：T為當(dāng)前循環(huán)周期號，D為當(dāng)前工況號，td為計時時間。

圖6　溫度循環(huán)軟件流程圖

3.2試件驅(qū)動

試件驅(qū)動機構(gòu)用于給試件施加特定的轉(zhuǎn)速。伺服電機由與其相配套的伺服放大器控制，如圖7所示。PLC通過AO端口向伺服放大器輸出模擬信號指令，用以設(shè)置伺服電機的轉(zhuǎn)速。與此同時，伺服放大器將伺服電機的實時轉(zhuǎn)速通過AI端口反饋給PLC，形成閉環(huán)控制，大大提高了控制精度，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

在實驗過程中，諧波傳動機構(gòu)會多次經(jīng)歷從靜止啟動或由低轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速變化的過程，此時，對于減速比較大的型號，即使沒有負(fù)載也能帶來較大的瞬時阻礙力矩，且慣性越大的機構(gòu)沖擊越大。因此設(shè)計保護(hù)程序如下：當(dāng)設(shè)置的轉(zhuǎn)速與當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值大于某一特定值△P時，伺服電機將以階梯的形式開始遞增加速，即每一個計算周期增加轉(zhuǎn)速△S，直到加速至設(shè)定值。其中△P、△S可根據(jù)試驗試件的不同由用戶改變。

圖7　伺服放大器原理圖

3.3試件加載

試件的力矩加載采用磁粉制動器，制動力矩的大小由模擬量控制，0～3 A對應(yīng)0～630 Nm。但由于磁粉制動器的制動力矩會受到溫濕度、試件轉(zhuǎn)速等因素的影響，所以采用傳統(tǒng)的定值控制方式可能帶來較大的誤差，影響最終的試驗結(jié)果。而且，由于諧波傳動機構(gòu)的機械慣性，直接輸出某一定值的制動力矩會帶來很大的尖峰脈沖力矩，不利于設(shè)備的安全使用。

為解決上述問題，在上位機程序中，力矩的加載方式采用逐步加載，實時微調(diào)的方法：當(dāng)用戶輸入設(shè)置制動力矩的命令后，由程序控制磁粉制動器以一分鐘為加載周期逐步加載至設(shè)置值的95%，之后結(jié)合測量的反饋至微調(diào)加載至設(shè)定值。這種方法不但提高了控制精度，而且有效地減少了可能出現(xiàn)的瞬間沖擊，有利于試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.4數(shù)據(jù)篩選

為了實時的計算諧波傳動試件的傳動效率，需要采集試件的輸入、輸出力矩。本系統(tǒng)輸入、輸出力矩的測量選用力矩傳感器，結(jié)合力矩傳感器所配套的扭矩儀。扭矩儀具有本地顯示功能，可以在控制柜上直接讀取數(shù)據(jù)。同時，扭矩儀支持串口通信，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為Profibus-DP總線數(shù)據(jù)，與PLC連接，通過組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

本系統(tǒng)輸入力矩傳感器選用量程10 Nm的力矩傳感器，輸出力矩傳感器選用量程500 Nm的力矩傳感器，分別可滿足輸入10 Nm，輸出500 Nm的測量要求。

在任何測量系統(tǒng)的輸入信號中，都難免會引入噪聲和干擾，所謂的數(shù)字濾波就是通過一定的計算或判斷程序減少或削弱噪聲的影響。常用的數(shù)字濾波方法有限副濾波法、中位值濾波法、遞推平均濾波法、一階滯后濾波法等，每種濾波法都有其優(yōu)、缺點適用于不同的環(huán)境。本套試驗裝置主要輸入信號為力矩，由于機械結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)動時可能引入尖峰噪聲和周期性噪聲，因此，本系統(tǒng)采用限副濾波法與遞推平均濾波法相結(jié)合的濾波方式，具體實施為：當(dāng)試驗試件穩(wěn)定運行后，在采集到新的信號時，將其與上一次的值進(jìn)行比較，如果二者偏差較大，則此次值無效，反之有效；將連續(xù)取得的n個有效值按照順序存入緩沖區(qū)，每當(dāng)?shù)玫揭粋€新的有效值，就存入緩沖區(qū)并把緩沖區(qū)中最早得到的有效值刪除，將其余的有效值的算術(shù)平均值作為濾波后的數(shù)值，如圖8所示。以上方法有效的屏蔽了由于機械安裝而帶來的尖峰和周期性誤差。

3.5測試結(jié)果與分析

為驗證本套試驗測控系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)方式設(shè)計上的先進(jìn)性，進(jìn)行有載試驗，并分別采用傳統(tǒng)方法與本套測控系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。試驗條件為：試件減速比1∶100，輸入轉(zhuǎn)速1 000 rpm，輸出轉(zhuǎn)速10 rpm，真空度3×10-4Pa，試件溫度-40℃，環(huán)境溫度-140℃，力矩加載曲線如圖9所示。未經(jīng)數(shù)據(jù)篩選的試驗數(shù)據(jù)如圖10所示，數(shù)據(jù)篩選后的數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖8　數(shù)字濾波示意圖

圖9　力矩加載曲線

圖10　數(shù)據(jù)篩選前數(shù)據(jù)曲線

圖11　數(shù)據(jù)篩選后數(shù)據(jù)曲線

圖10、圖11對比可知，由于諧波傳動結(jié)構(gòu)在運行時會出現(xiàn)不規(guī)則機械振動，對力矩測試儀產(chǎn)生沖擊，使得所測數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，同時由于試驗試件傳動比較大，致使計算傳動效率時會出現(xiàn)較大偏差，有時甚至出現(xiàn)大于100%和小于0%的數(shù)值，影響最終實驗結(jié)果。而通過數(shù)字濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選后，有效地去除了絕大部分假值和無效值，使得最終試驗結(jié)果更加貼近實際使用效果。

4　結(jié)論

諧波傳動機構(gòu)效率試驗系統(tǒng)的設(shè)計采用成熟的空間環(huán)境模擬技術(shù)，并結(jié)合自主研發(fā)的試驗測控系統(tǒng)，按照標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的要求進(jìn)行實施，滿足測試要求。此外，為彌補傳統(tǒng)試驗裝置的缺點和不足，在實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，采用了針對性的軟件設(shè)計，不但提高了整套系統(tǒng)的自動化水平和控制精度，而且降低了試驗人員的操作難度，提高了控制精度和試驗的準(zhǔn)確性，最大程度的降低了由于使用不當(dāng)給設(shè)備造成損害的危險。

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Design of Measurement and Control System for the Efficiency Test of Spacecraft Harmonic Drive Mechanism

Sun Yu，Liu Gaotong，Li Qiang，Gu Zhifei
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

The principle and application of harmonic drive is introduced，for spacecraft harmonic drive mechanism working in space environment，a set of transmission efficiency test and control system is designed.The structure and principle of the whole control system is described，the efficiency test method in the spaceenvironment of a harmonic drive is designed.To improve the traditional test device，pertinence software is designed based on the realization of the basic functions，improve the level of automation of the whole system.At the same time，to solve the irregular jumping problem of the test data，a data selection software is designed，improving the accuracy of control and test.

harmonic drive；space environment；torque testing；data filtering

1671-4598（2016）05-0096-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.028

TP3

A

2016-03-04；

2016-03-14。

孫宇（1985-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，主要從事空間環(huán)境模擬設(shè)備研制，以及工業(yè)現(xiàn)場總線應(yīng)用的方向的研究。