人机交互界面的智能化测试控制平台

摘要

　　随着谐波减速器的应用技术愈加成熟，其应用领域也越来越广泛。伴随着应用领域的扩展，带动了谐波减速器的大批量生产，生产的谐波减速器需经检测合格后方可投入使用，因此对谐波减速器的各项传动性能进行检测是十分必要的。但是目前对谐波减速器各项性能检测多是人工检测或使用仪器对其某项性能进行检测，或可实现对谐波减速器某项或多项性能进行检测的自动测试装置，尚不存在对谐波减速器的各项性能指标进行高精度的自动测试平台。

　　本文旨在研究一种可以对谐波减速器的空载跑合、负载、超载、传动效率、启动力矩、扭转刚度、空程、背隙、传动精度、寿命等指标进行测试的装置。首先介绍了谐波减速器的工作原理及结构组成，并针对检测的小型谐波减速器，在实际条件满足的情况下，搭建了由工控机、运动控制卡、计数卡、编码器、伺服驱动电机、扭矩传感器、角度编码器、磁粉制动器等仪器设备组成的小型谐波减速器传动性能分析研究的测试平台。

　　根据谐波减速器测试平台的特点和数据采集传输的方法，分析了系统的测试误差以及测试平台在安装调试过程中各种误差源对实验结果的影响，并利用 PID 控制器通过AD 转换器与磁粉制动器连接实现一个闭环的反馈控制，提高测试精度。

　　研究分析了与测试相关的伺服控制系统、动态链接库、运动控制卡、VC++串口通信技术等，开发了基于 VC6.0 的具有良好的人机交互界面的智能化测试控制平台。

　　关键词：谐波减速器 传动精度 PID 控制器 反馈控制

Abstract

　　With the application technology of harmonic reducer more mature, its application field is more and more widely. With the expansion of the application field, leading to the mass production of harmonic reducer, the harmonic reducer of production needs to be tested before it can be put into use, so it is necessary to detect the transmission performance of harmonic reducer. However, at present, the various performance detection of harmonic reducer is the manual detection or use of the instrument to detect one of its performance, or can realize the harmonic reducer one or more performance of the automatic test device, there is no high precision automatic test platform for the performance indicators of harmonic reducer.

　　This paper aims to study a device which can test the no-load running, load, overload, transmission efficiency, starting torque, torsional stiffness, empty range, back clearance, transmission precision and life of harmonic reducer. Firstly, the working principle and structure of the wave reducer are introduced, and the small harmonic reducer, which is composed of industrial control computer, motion control card, counting card, encoder, servo drive motor, torque sensor, angle encoder, magnetic powder brake and other instruments, is set up.

　　According to the characteristics of the harmonic reducer testing platform and the method of data acquisition and transmission, the test error of the system and the influence of various error sources on the experimental results are analyzed. through the PID controller, a closed-loop feedback control is realized through the connection of ad converter and magnetic powder brake, and the test precision is improved.

　　The research and analysis of the servo control system, dynamic link library, motion control card, VC + + serial communication technology, etc., developed the intelligent test control platform based on VC 6.0 with good man-machine interface.

　　Key Word: Harmonic speed reducer Transmission accuracy PID controller feedback control

　　早在上世纪五十年代美国C. Walton Musser教授专门针对空间应用需求发明了回差小、单级减速比范围大、运动平稳、低噪声、传动效率高、承载力大、体积小、质量轻的谐波减速器[1]。上个世纪六十年代前苏联也开始大力研制谐波传动理论，苏联学者们对谐波传动领域进行了深入系统的钻研，并在谐波传动的机械结构和应用领域取得了较大的发展。

　　第一个承载谐波传动理论的减速器也于 1960 年被苏联科学家研制出来。之后，利用谐波传动理论制造的减速器成功地应用于人们对太空的探索，如在火箭、卫星、航天飞机的传动系统设计中，都使用到了这种传动理论[2]。二十一世纪后，随着人们对于空间探索范围的不断扩大和深入，谐波减速器在航空领域的应用技术也越来越成熟，开始逐渐推广到其他应用传动技术的领域。在船舶、智能机械化、新能源开发等领域，谐波减速器具有无法替代的传动精度高的特点，现在已经在这些利用到传动装置的行业占据了举足轻重的位置[3]。

　　随着科技的进步，谐波减速器被应用到更多的行业，人们也开始对谐波减速器进行更加深入的研究，对它的传动性能和产品质量提出了更加严格的要求，但是对谐波减速器的研究仍然不是非常深入[4]，谐波减速器传动性能测试装置就是为了对谐波减速器的综合传动性能进行测试分析的装置，因而，开发一套谐波减速器传动性能测试平台具有特别重要的意义。但是人们对谐波减速器的综合传动性能还没有一个多性能高精度的自动化测试平台。本文就是为了研究谐波减速器综合传动性能的问题。

　　本课题是某航天单位自主研发项目，该单位根据目前航天领域的发展需求自己设计制造，但是当谐波减速器制造完成后需要对生产的减速器的传动性能等指标进行生产完成后的全面检测，包括对谐波减速器的空载跑合、负载、超载、传动效率、启动力矩、扭转刚度、空程、背隙、传动精度、寿命等指标进行测试，测试结果是否符合标准要求是产品能否投入使用的标准。根据不同应用领域的测试要求，该单位确定谐波减速器传动性能测试试验平台是该单位的刚性需求，并且详细提出了测试的指标以及对测试结果的要求，要求谐波减速器的传动精度、传动效率、回差及扭转刚度等传动性能评价指标可根据需要采集各传感器中的数据进行处理后，实现在线原位的实时检测。谐波减速器能自动进行数据采集，数据可显示为曲线，数据采集间隔需满足测试要求或可调，数据实时记录并可输出、打印。

　　谐波减速器的特点是具有较高的传动效率、较小的回差、运动状态稳定和范围较大的一级减速比[5]，而且由于小巧轻便的特点，被广泛的应用于航空航天、武器装备以及机电一体化等领域。谐波减速器是利用降低速度来达到增加传动力的核心部件，它的质量对整个传动装置的性能具有直接的影响[6]，甚至整个项目能否成功在一定程度上都取决于谐波减速器能否稳定工作。

　　谐波减速器由刚轮、柔轮和波发生器组成，通过输出轴完成加速或减速后的传动输出。为了保证谐波减速器整体性能，在其实用前需要对谐波减速器的性能进行检测，如传动精度、传动效率、回差及扭转刚度等传动性能的检测[7]，因此再生产谐波减速器的过程中其各项指标的检测是不可缺少和十分重要的。

　　随着科学技术的不断发展，截止到目前为止，还是美国和德国在谐波减速器的制造设计方面处于世界领先地位。自 1978 年以来，我国在减速器领域的制造设计方面取得了一定的进步，但是在要求较高的领域，我国自主制造的谐波减速器还不能满足需求，与先进国家之间还有一定的距离[8]，正因如此，我国现使用的高要求的谐波减速器大部分是从国外引进进来的[9]。

　　十九世纪五六十年代美国C. Walton Musser教授专门针对空间应用需求发明了谐波减速器，苏联也于六十年代开始了谐波减速器传动理论的研究，并且在谐波传动的类型、结构及应用等方面取得了较大的进展；上个世纪七十年代谐波减速器技术从美国引入日本，目前可以大批量制造各种类型的减速器，并且完成了其标准化、系列化等工作[10]。谐波传动技术于 1961 年引入我国，我国对其给予了充分的重视，并积极的深化这项技术，取得了一定成绩，成为了世界上掌握这项技术的国家之一[11]。谐波减速器测试平台是研究谐波减速器各种传动性能，评价产品是否合格的重要指标。

　　通过测试平台对谐波减速器各项性能指标的测定，可以确定产品的设计是否合理，在加工制造、装配和调试上的工艺性是否完善。根据得到的测试结果并对其进行分析可以确定设备的各项性能是否符合要求，并对以后完善和改进谐波减速器提供重要的参考和依据。随着科学技术的发展，针对于谐波减速器的传动性能的测试要求变得更加严格[12]。

　　谐波减速器测试平台的现状与测试控制系统息息相关。之前的测试平台仅仅是对为测试装置提供驱动的电机做了微弱的保护，直到控制系统发展到一定阶段之后才在测试平台引入了基本的控制机制（如液压控制、继电器控制等），慢慢增加的显示功能，减少了不足之处，使测试平台的发展水平向前迈出了坚实的一步。近年来，随着计算机技术的发展，传统的测试平台也迎来了一场新的技术革新，液压或继电器控制逐步的被计算机控制系统所代替，测试平台开始进入集成化、自动化和智能化的发展阶段。

　　国外的一些先进的测试平台早已进入到计算机控制时代，并且对平台各个模块的控制、软件程序的编制、测试参数的检测、监控以及测试数据的分析处理等工作均由计算机完成，实现了高度的自动化和智能化。上个世纪七十年代日本丰田公司第一个实现了对测试装置的自动控制；随后又在此系统的基础上进行了改进和完善，用 4 台微型计算机对平台进行控制代替了原来的单个微型计算机控制，并增添了校正系统和监控装置。随着计算机技术的快速发展，丰田公司又设计出了一种由主计，算机、微型计算机和平台控制微机组成的三级控制系统，可以对测试得到的数据进行集中分析处理。

　　迄今为止，现代的测试平台已经普遍的采用了计算机控制技术和现代控制理论来完成测试过程中对电机的自动控制，并可以在超出警戒值时启动保护机制等。从测量技术上说，基本上对测试数据的自动采集利用的都是计算机自动测量技术[13]。

人机交互界面的智能化测试控制平台：

参数配置界面

工控机 IPC-610H 实物图

TS0020 驱动器内部结构简图

HCNJ-103 和 HCNJ-101 实物图

机械平台组件

电机安装效果图

转速转矩传感器安装效果图

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题的研究目的和意义
　　　　1.2 谐波减速器的概述
　　　　1.3 国内外研究现状
　　　　　　1.3.1 谐波减速器的发展现状
　　　　　　1.3.2 谐波减速器测试平台的现状
　　　　1.4 论文的主要研究内容
　　　　　　1.4.1 主要内容
　　　　　　1.4.2 综述
　　第 2 章 谐波减速器测试平台的工作原理和方案设计
　　　　2.1 谐波减速器测试平台测试原理
　　　　　　2.1.1 谐波减速器齿轮传动简介
　　　　　　2.1.2 谐波减速器传动性能测量方法
　　　　　　2.1.3 谐波减速器测试过程中的误差来源及测量原理
　　　　2.2 谐波减速器测试平台的总体设计
　　　　　　2.2.1 谐波减速器测试平台的预期功能
　　　　　　2.2.2 谐波减速器测试平台的总体设计
　　　　2.3 本章小结
　　第 3 章 谐波减速器测试平台硬件系统的设计与实现
　　　　3.1 小型谐波减速器测试平台的硬件类型选择
　　　　　　3.1.1 数据采集与处理部分
　　　　　　3.1.2 硬件驱动部分
　　　　　　3.1.3 传感器的选型
　　　　　　3.1.4 负载反馈部分的选择
　　　　3.2 小型谐波减速器测试平台的整体装配
　　　　3.3 本章小结
　　第 4 章 谐波减速器测试系统软件系统的编制
　　　　4.1 小型谐波减速器测试装置软件系统的总体设计
　　　　　　4.1.1 软件部分需要实现的功能
　　　　　　4.1.2 软件部分的结构设计与功能模块划分
　　　　4.2 小型谐波减速器测试装置软件系统开发工具的选择
　　　　　　4.2.1 软件开发平台的选择
　　　　　　4.2.2 数据库的选择
　　　　　　4.2.3 数据库系统的设计实现
　　　　4.3 小型谐波减速器测试装置软件系统的界面设计
　　　　4.4 小型谐波减速器测试装置软件系统功能模块设计与实现
　　　　　　4.4.1 参数配置模块
　　　　　　4.4.2 串口通信模块
　　　　　　4.4.3 运动控制模块
　　　　　　4.4.4 数据采集模块
　　　　　　4.4.5 数据处理模块
　　　　　　4.4.6 数据存储模块
　　　　4.5 本章小结
　　第 5 章 小型谐波减速器测试装置性能实验分析
　　　　5.1 误差分析
　　　　5.2 系统调试
　　　　5.3 本章小结
　　第 6 章 结论
　　参考文献
　　附 录 1
　　攻读学位期间所取得的相关科研成果
　　致 谢

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