变工况同步关联跟踪加载柔性轴承和谐波减速器试验机

1.本发明涉及一种变工况同步关联跟踪加载柔性轴承和谐波减速器试验机，适用于谐波减速器和谐波减速器用柔性轴承动态性能测试，属于谐波减速器和谐波减速器用柔性轴承测试技术领域。


背景技术：

2.谐波减速器由波发生器(柔性轴承)、柔轮和刚轮等关键零部件组成，谐波传动啮合原理是由波发生器迫使柔轮产生沿着圆周移动的谐波弹性变形和大范围旋转的多齿啮合运动实现高精密运动或大扭矩动力传递。
3.谐波减速器凭借高传动比、高传动精度、高传动平稳性等特点，在机器人/机械臂、航空航天和军事设备等领域的高动态精密或大扭矩传动系统得到了广泛的应用。谐波减速器作为高精度机器人的三大典型的核心零部件之一，决定着高精度机器人或机械臂的动态性能，柔性轴承作为谐波减速器的三大核心零部件之一，对谐波减速器的整体性能起着至关重要的作用。国内绿的谐波传动公司、中技克美谐波传动公司等企业能提供不同安装与载荷形式的谐波减速器产品，但是用于关键部位的高性能谐波减速器仍依赖于进口，是制约我国机器人和航空航天等领域发展的关键技术瓶颈之一。
4.在高精度机器人传动、高动态伺服系统中，谐波减速器存在频繁变化的转速和负载，较大的起停转矩和外部冲击载荷，导致谐波减速器的弹性变形规律和动态特性变得更加复杂。柔性轴承在工作状态下，由于波发生器和负载共同作用，柔性轴承承受着动态作用力、预变形作用力和柔轮与钢轮多齿面啮合力等复杂的载荷。因此在对谐波减速器以及柔性轴承的研发过程中应对在复杂服役条件下谐波减速器的动态性能，柔性轴承的振动、静动态谐波变形、温度、回转精度和转速等性能进行测试。
5.现有的柔性轴承疲劳寿命试验机一种只满足谐波减速器输入转速恒定工况下柔性轴承的受力情况，另一种只满足谐波减速器输入转速恒定、且只能对柔性轴承施加动、静载荷来进行疲劳寿命试验。同时，谐波减速器和柔性轴承的动态性能检测试验只能采用不同的试验平台单独进行，往往柔性轴承性能检测脱离谐波减速器实际工作情况。考虑到谐波减速器在时变工况下输入转速会频繁变化，柔性轴承在谐波减速器中复杂的受力情况，在试验机中柔性轴承和谐波减速器之间的联系性等方面，现有的柔性轴承疲劳寿命试验机往往无法适用于时变工况下的柔性轴承。目前，针对处于时变工况下的谐波减速器和柔性轴承，尚未有较好的动态性能试验方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有的柔性轴承试验机仅能在特定工况条件下测试柔性轴承疲劳寿命，不能解决同时检测在时变工况下柔性轴承和谐波减速器动态性能，同时柔性轴承寿命测试通常脱离谐波减速器实际工作情况，二者同步变速关联性差等关键问题，提出变工况同步关联跟踪加载柔性轴承和谐波减速器性能综合试验装置，其核心的原理是变
速同步关联驱动装置通过双柔轮同步变速关联连接和双波发生器同步变速驱动，实现时变工况下待测谐波减速器中钢轮固定，波发生器输入，柔轮输出的待测柔性轴承运动状况，同步变速跟踪加载装置与同步波发生器轴向同心安装，实现待测谐波减速器中柔轮与刚轮的啮合区域负载始终随着同步波发生器转动而加载作用于同步波发生器长轴外侧的啮合区域，载荷直接作用于等效同步柔轮并传递给待测柔性轴承，实现时变工况下待测谐波减速器中柔性轴承负载状况。载荷调整固定后，待测柔性轴承和待测谐波减速器同步旋转进行动态性能测试的全过程中载荷保持不变。通过设计一种同步变速旋转跟踪加载机构实现对待测柔性轴承跟踪加载；通过设计一种双波发生器同步变速驱动机构和一种双柔轮同步关联连接机构实现关联待测谐波减速器中柔轮输出运动状况和同步驱动待测柔性轴承的内圈和外圈并获得时变工况下准确的同步时变减速比。
7.本发明采用的技术方案是：一种变工况同步关联跟踪加载柔性轴承和谐波减速器试验机，包括安装平台底座1及安装在安装平台底座1上的变速同步关联驱动装置、同步变速跟踪加载装置和数据采集装置，数据采集装置安装在变速同步关联驱动装置和同步变速跟踪加载装置上，变速同步关联驱动装置包括：双波发生器同步变速驱动机构和双柔轮同步关联连接机构，双波发生器同步变速驱动机构中由一个伺服电机控制器同时控制谐波减速器驱动伺服电机2和同步波发生器驱动伺服电机28，同步波发生器驱动伺服电机28驱动同步波发生器32的旋转从而驱动待测柔性轴承33的内圈转动，谐波减速器驱动伺服电机2驱动待测谐波减速器9的波发生器；双柔轮同步关联连接机构中同步关联连接有等效同步柔轮14和待测谐波减速器9中柔轮，时变驱动待测谐波减速器9中波发生器转动，待测谐波减速器9中柔轮同步输出时变速度带动等效同步柔轮14旋转，实现同步变速驱动待测柔性轴承33的外圈转动，自动实现待测柔性轴承33内圈和外圈之间准确的同步时变转速比；同步变速跟踪加载装置与同步波发生器32轴向同心，通过同步变速跟踪加载装置中的加载滚针轴承17加载，试验过程中加载滚针轴承17随同步变速跟踪加载装置公转的同时沿着等效同步柔轮14表面进行滚动，载荷直接作用于等效同步柔轮14并传递给待测柔性轴承33，实现加载载荷跟踪同步波发生器32长轴变速转动的同时定载荷加载待测柔性轴承33。
8.具体地，除了前面提到的谐波减速器驱动伺服电机2、同步波发生器驱动伺服电机28、同步波发生器32、待测柔性轴承33，所述的双波发生器同步变速驱动机构还包括弹性联轴器3、谐波减速器驱动轴5、同步波发生器驱动轴25、v带轮26、v带27、同步波发生器驱动伺服电机座34、谐波减速器驱动伺服电座35；除了前面提到的等效同步柔轮14和待测谐波减速器9，双柔轮同步关联连接机构还包括谐波减速器支撑座8、连接轴12；同步波发生器32为椭圆凸轮活动安装在同步波发生器驱动轴25前端，待测柔性轴承33安装在同步波发生器32上，v带轮26安装在同步波发生器驱动轴25后端，同步波发生器驱动伺服电机28的通过v带27传动驱动同步波发生器驱动轴25旋转，从而带动同步波发生器32转动，进而带动待测柔性轴承33内圈旋转；等效同步柔轮14套于待测柔性轴承33外圈上，且等效同步柔轮14外圈无齿；待测谐波减速器9固定在谐波减速器支撑座8上；谐波减速器驱动轴5后端通过弹性联轴器3与谐波减速器驱动伺服电机2连接，前端联接待测谐波减速器9的波发生器；连接轴12右端连接待测谐波减速器9的柔轮，左端连接等效同步柔轮14，通过谐波减速器驱动伺服电机2驱动谐波减速器驱动轴5旋转，从而带动等效同步柔轮14旋转，待测柔性轴承33外圈跟着等效同步柔轮14旋转一同转动；谐波减速器驱动伺服电机2和同步波发生器驱动伺服电
机28由同一个伺服控制器控制；除了前面提到的加载滚针轴承17，同步变速跟踪加载装置还包括加载杆15、滚针轴承固定块16、加载滑块19、加载弹簧座20、加载弹簧21、丝杠23、转动盘体24、挡板30、带座轴承31，转动盘体24中心为一通孔，能使同步波发生器驱动轴25穿过，同步波发生器驱动轴25上有轴肩，转动盘体24与同步波发生器驱动轴25连接，挡板30固定在转动盘体24上，带座轴承31固定在挡板30上，加载滑块19中部有带螺纹的凸台，左右两边加工有滑槽，能在转动盘体24上径向移动，加载座29与加载滑块19连接，加载滑块19上有螺纹与丝杠23配合，丝杠23一端伸入转动盘体24的径向小孔内，另一端与带座轴承31同心，加载座29两侧有凸起的挡板，挡板上打有孔，加载弹簧21一端与加载弹簧座20接触，另一端与压缩弹簧块22接触，加载弹簧座20固定在加载座29外侧的挡板上，压缩弹簧块22有螺纹孔与加载杆15连接，加载杆15穿过加载座两侧凸起的挡板的孔和加载弹簧22中心，一端连接有滚针轴承固定块16，另一端与紧锁螺母18连接；加载滚针轴承17位于滚针轴承固定块16中；等效同步柔轮14杯底端以及位于待测谐波减速器9的输入端分别设有温度传感器，同步波发生器驱动轴25、连接轴12、谐波减速器驱动轴5上方分别设有转速传感器；等效同步柔轮14杯底端侧上方、待测谐波减速器9的柔轮正上方分别安装有位移传感器。
9.优选地，所述的转动盘体24通过平键的连接方式与同步波发生器驱动轴25连接。
10.优选地，所述的安装平台底座1上还设有四组支撑装置，一组支撑装置包括轴承座支撑座6及其上方的轴承座7，同步波发生器驱动轴25的两端分别通过两组支撑装置支撑，谐波减速器驱动轴5的下端通过一组支撑装置支撑，连接轴12的下端通过一组支撑装置支撑。
11.优选地，所述的连接轴12右端通过右端法兰10连接待测谐波减速器9的柔轮，左端通过左端法兰13连接等效同步柔轮14。
12.具体地，第一温度传感器42位于等效同步柔轮14杯底端，第二温度传感器41位于待测谐波减速器9输入端，第一温度传感器42、第二温度传感器41均为红外线温度传感器；第一转速传感器36位于同步波发生器驱动轴25的上方，第二转速传感器38位于连接轴12的上方、第三转速传感器40位于谐波减速器驱动轴5的上方；第一位移传感器39位于等效同步柔轮14杯底端侧上方，第二位移传感器37位于待测谐波减速器9的柔轮的正上方。
13.优选地，所述的弹性联轴器3通过螺栓4与谐波减速器驱动伺服电机2连接，待测谐波减速器9通过钢轮与谐波减速器支撑座8连接固定。
14.优选地，所述的等效柔轮14通过螺栓与法兰盘13连接，连接轴12右端通过内六角螺栓11连接待右端法兰10。
15.本发明的有益效果是：本发明可较为真实的实现实际运行时变工况下谐波减速器用柔性轴承施加同步时变速度驱动和同步跟踪载荷，又能同时实现对谐波减速器和柔性轴承的振动、静动态谐波变形、温度、回转精度和转速的测量，同时具有结构巧妙，较高的测试精度，检测过程操作控制便捷，结果反馈性强等优点。
附图说明
16.图1为本发明的整体装配结构俯视图图2为本发明的整体装配结构正视图
图3为本发明中同步波发生器、待测柔性轴承和同步变速跟踪加载装置的装配示意图；图4为本发明中同步变速跟踪加载装置的装配示意图；图5为本发明中加载滑块、加载座、加载滚针轴承装配示意图；图6位本发明的机械机构总图。
17.附图标记：1.试验平台座，2.谐波减速器驱动伺服电机，3.弹性联轴器，4.螺栓，5.谐波减速器驱动轴，6.轴承座支撑座，7.轴承座，8.谐波减速器支撑座，9.待测谐波减速器，10.右端法兰，11.内六角螺栓，12.连接轴，13.左端法兰，14.等效同步柔轮，15.加载杆，16.滚针轴承固定块，17.加载滚针轴承，18.锁紧螺，19.加载滑块，20.加载弹簧座，21.加载弹簧，22.压缩弹簧块，23.丝杠，24.转动盘体，25.同步波发生器驱动轴，26.v带轮，27.v带，28.同步波发生器驱动伺服电机，29.加载座，30.挡板，31.带座轴承，32.同步波发生器，33.待测柔性轴承，34.同步波发生器驱动伺服电机座，35.谐波减速器驱动伺服电机座，36.第一转速传感器，38.第二转速传感器，40.第三转速传感器，37.第二位移传感器，39.第一位移传感器，41.第二温度传感器，42.第一温度传感器。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的说明。
19.实施例1：如图1-6所示，为了解决现有技术中存在的问题，本发明的构思是：设计一种变工况同步关联跟踪加载柔性轴承和谐波减速器试验机，双波发生器同步变速驱动机构中由一个伺服电机控制器同时控制谐波减速器驱动伺服电机2和同步波发生器驱动伺服电机28，将柔性轴承33安装于同步波发生器32上，柔性轴承发生装配预变形，通过同步波发生器32的旋转驱动待测柔性轴承33的内圈转动；设计一种双柔轮同步关联连接机构，将等效同步柔轮14安装在待测柔性轴承外圈33上，同步关联连接等效同步柔轮14和待测谐波减速器9中柔轮，通过时变驱动待测谐波减速器9中波发生器转动，待测谐波减速器9中柔轮同步输出时变速度，实现同步变速驱动待测柔性轴承33的外圈转动。无需单独调节同步波发生器32和等效同步柔轮14的转速，就能自动实现待测柔性轴承33内圈和外圈之间准确的同步时变转速比。设计一种同步变速旋转跟踪加载机构，其特点是能跟踪同步波发生器32长轴变速转动的同时定载荷加载待测柔性轴承33。
20.根据上述发明构思本发明采用如下技术方案：一种变工况同步关联跟踪加载柔性轴承和谐波减速器试验机，包括安装平台底座1及安装在安装平台底座1上的变速同步关联驱动装置、同步变速跟踪加载装置和数据采集装置，数据采集装置安装在变速同步关联驱动装置和同步变速跟踪加载装置上，变速同步关联驱动装置包括：双波发生器同步变速驱动机构和双柔轮同步关联连接机构，双波发生器同步变速驱动机构中由一个伺服电机控制器同时控制谐波减速器驱动伺服电机2和同步波发生器驱动伺服电机28，同步波发生器驱动伺服电机28驱动同步波发生器32的旋转从而驱动待测柔性轴承33的内圈转动，谐波减速器驱动伺服电机2驱动待测谐波减速器9的波发生器；双柔轮同步关联连接机构中同步关联连接有等效同步柔轮14和待测谐波减速器9中柔轮，时变驱动待测谐波减速器9中波发生器转动，待测谐波减速器9中柔轮同步输出时变速度带动等效同步柔轮14旋转，实现同步变速驱动待测柔性轴承33的外圈转动，自动实现待测柔性轴承33内圈和外圈之间准确的同步时
变转速比；同步变速跟踪加载装置与同步波发生器32轴向同心，通过同步变速跟踪加载装置中的加载滚针轴承17加载，试验过程中加载滚针轴承17随同步变速跟踪加载装置公转的同时沿着等效同步柔轮14表面进行滚动，载荷直接作用于等效同步柔轮14并传递给待测柔性轴承33，实现加载载荷跟踪同步波发生器32长轴变速转动的同时定载荷加载待测柔性轴承33。
21.进一步地，除了前面提到的谐波减速器驱动伺服电机2、同步波发生器驱动伺服电机28、同步波发生器32、待测柔性轴承33，所述的双波发生器同步变速驱动机构还包括弹性联轴器3、谐波减速器驱动轴5、同步波发生器驱动轴25、v带轮26、v带27、同步波发生器驱动伺服电机座34、谐波减速器驱动伺服电座35；除了前面提到的等效同步柔轮14和待测谐波减速器9，双柔轮同步关联连接机构还包括谐波减速器支撑座8、连接轴12；同步波发生器32为椭圆凸轮活动安装在同步波发生器驱动轴25前端，待测柔性轴承33安装在同步波发生器32上，v带轮26安装在同步波发生器驱动轴25后端，同步波发生器驱动伺服电机28的通过v带27传动驱动同步波发生器驱动轴25旋转，从而带动同步波发生器32转动，进而带动待测柔性轴承33内圈旋转；等效同步柔轮14套于待测柔性轴承33外圈上，且等效同步柔轮14外圈无齿；待测谐波减速器9固定在谐波减速器支撑座8上；谐波减速器驱动轴5后端通过弹性联轴器3与谐波减速器驱动伺服电机2连接，前端联接待测谐波减速器9的波发生器；连接轴12右端连接待测谐波减速器9的柔轮，左端连接等效同步柔轮14，通过谐波减速器驱动伺服电机2驱动谐波减速器驱动轴5旋转，从而带动等效同步柔轮14旋转，待测柔性轴承33外圈跟着等效同步柔轮14旋转一同转动；谐波减速器驱动伺服电机2和同步波发生器驱动伺服电机28由同一个伺服控制器控制；除了前面提到的加载滚针轴承17，同步变速跟踪加载装置还包括加载杆15、滚针轴承固定块16、加载滑块19、加载弹簧座20、加载弹簧21、丝杠23、转动盘体24、挡板30、带座轴承31，转动盘体24中心为一通孔，能使同步波发生器驱动轴25穿过，同步波发生器驱动轴25上有轴肩，转动盘体24与同步波发生器驱动轴25连接，挡板30固定在转动盘体24上，带座轴承31固定在挡板30上，加载滑块19中部有带螺纹的凸台，左右两边加工有滑槽，能在转动盘体24上径向移动，加载座29与加载滑块19连接，加载滑块19上有螺纹与丝杠23配合，丝杠23一端伸入转动盘体24的径向小孔内，另一端与带座轴承31同心，加载座29两侧有凸起的挡板，挡板上打有孔，加载弹簧21一端与加载弹簧座20接触，另一端与压缩弹簧块22接触，加载弹簧座20固定在加载座29外侧的挡板上，压缩弹簧块22有螺纹孔与加载杆15连接，加载杆15穿过加载座两侧凸起的挡板的孔和加载弹簧22中心，一端连接有滚针轴承固定块16，另一端与紧锁螺母18连接；加载滚针轴承17位于滚针轴承固定块16中；等效同步柔轮14杯底端以及位于待测谐波减速器9的输入端分别设有温度传感器，同步波发生器驱动轴25、连接轴12、谐波减速器驱动轴5上方分别设有转速传感器；等效同步柔轮14杯底端侧上方、待测谐波减速器9的柔轮正上方分别安装有位移传感器。各温度传感器、转速传感器、位移传感器均与外部的数据采集装置连接。
22.进一步地，所述的转动盘体24通过平键的连接方式与同步波发生器驱动轴25连接。
23.进一步地，所述的安装平台底座1上还设有四组支撑装置，一组支撑装置包括轴承座支撑座6及其上方的轴承座7，同步波发生器驱动轴25的两端分别通过两组支撑装置支撑，谐波减速器驱动轴5的下端通过一组支撑装置支撑，连接轴12的下端通过一组支撑装置
支撑。通过支撑装置的支撑，使得各轴工作稳定。
24.进一步地，所述的连接轴12右端通过右端法兰10连接待测谐波减速器9的柔轮，左端通过左端法兰13连接等效同步柔轮14，连接牢固。
25.进一步地，第一温度传感器42位于等效同步柔轮14杯底端，第二温度传感器41位于待测谐波减速器9输入端，第一温度传感器42、第二温度传感器41均为红外线温度传感器，能实现非接触测温；第一转速传感器36位于同步波发生器驱动轴25的上方，第二转速传感器38位于连接轴12的上方、第三转速传感器40位于谐波减速器驱动轴5的上方，实现非接触测转速；第一位移传感器39位于等效同步柔轮14杯底端侧上方，第二位移传感器37位于待测谐波减速器9的柔轮的正上方，实现非接触测位移量。
26.进一步地，所述的弹性联轴器3通过螺栓4与谐波减速器驱动伺服电机2连接，待测谐波减速器9通过钢轮与谐波减速器支撑座8连接固定。所述的等效柔轮14通过螺栓与法兰盘13连接，连接轴12右端通过内六角螺栓11连接在右端法兰10。结构简单，安装方便。
27.本发明的工作原理是：如图1、2所示，变工况同步关联跟踪加载柔性轴承和谐波减速器试验机，通过一个伺服电机控制器同时控制谐波减速器伺服电机2和同步波发生器驱动伺服电机28的时变转速，谐波减速器伺服电机2驱动待测谐波减速器驱动轴5带动待测谐波减速器9波发生器旋转，待测谐波减速器9柔轮同步输出时变转速带动等效同步柔轮14旋转，等效同步柔轮14带动待测柔性轴承33外圈旋转，同步波发生器驱动伺服电机28驱动同步波发生器驱动轴25带动同步波发生器32旋转，同步变速跟踪加载装置随同步波发生器驱动轴25转转动，加载滚针轴承17随同步变速跟踪加载装置公转的同时沿着等效同步柔轮14表面进行滚动，载荷直接作用于等效同步柔轮14并传递给待测柔性轴承33，实现时变工况下待测谐波减速器中钢轮固定，波发生器输入，柔轮输出的待测柔性轴承运动状况。
28.如图1、2所示，连接轴12通过右端法兰10连接待测谐波减速器9的柔轮，左端法兰13连接等效同步柔轮14，关联待测谐波减速器9中柔轮输出运动状况和同步驱动待测柔性轴承的内圈和外圈并获得时变工况下准确的同步时变减速比。
29.如图1,2所示，同步变速跟踪加载装置与同步波发生器32轴向同心安装，同步变速跟踪加载装置始终随着同步波发生器32转动作用于同步波发生器32长轴外侧的啮合区域，载荷直接作用于等效同步柔轮14并传递给待测柔性轴承33，实现时变工况下待测谐波减速器中柔性轴承负载状况。载荷调整固定后，待测柔性轴承33和待测谐波减速器9同步旋转进行动态性能测试的全过程中载荷保持不变。
30.如图1、2、4、5所示，施加载荷时，通过旋转转动盘体24上的丝杠23能将其旋转运动转换为加载滑块19的径向移动，使对称分布的两加载滑块19在转动盘体24上同步发生径向位移，同时带动加载滚针17径向移动，转动盘体24与同步波发生器32同步转动，当加载滚针轴承17刚与等效同步柔轮14接触时，加载弹簧21处于未变形状态，丝杠23转动的圈数和它的导程计算出加载滑块移动的距离，进而得出加载弹簧21被压缩的位移，从而通过弹簧力的计算公式比较准确的计算出加载载荷的大小。通过调整加载滑块19、加载杆15的径向位置能实现对待测柔性轴承33施加不同载荷以及适用不同尺寸的目的。
31.如图1、2、5加载滚针轴承17只有滚动体和保持架，通过滚针轴承固定块16在加载杆15上固定限位，测试装置运行时，加载滚针轴承17通过滚针沿着等效柔轮14表面以滚动的形式运动。
32.如图1,3所示，同步波发生器32安装在波发生器驱动轴25前端，待测柔性轴承33内圈套在同步波发生器32上，通过定制不同尺寸的波发生器32实现不同型号的柔性轴承检测试验。
33.本发明能够通过设计一系列的机构，能够模拟时变工况下谐波减速器的运行状况和柔性轴承在谐波减速器中的受力情况，并能检测谐波减速器和柔性轴承的动态性能。
34.本发明基于谐波减速器和柔性轴承的特点来设计，谐波减速器在时变工况下输入转速会频繁变化，起动、停止时会有较大的转矩作用；工作状态下待测柔性轴承33内圈与外圈有一定的减速比，其承受椭圆凸轮的作用被迫变成椭圆形状，所承受的待测谐波减速器9的柔轮与钢轮多齿面啮合力的啮合区域始终处于同步波发生器32长轴位置，并随同步波发生器32长轴位置的转动而转动。通过测试处于时变工况下的待测谐波减速器9和待测柔性轴承33的动态性能，能针对发现的问题来解决谐波减速器关键零部件的共性科学问题和关键技术问题，提升高精度机器人和高性能减速器(柔性轴承)的自主创新能力。
35.实施例仅为本发明的较佳的实例而已，并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。