专利名称：适用于高精度低转速的转矩转角测试机构及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种转矩转角测试机构。
背景技术：
转矩常规测试方式主要分为磁粉制动器加载方式与电动加载方式。磁粉制动器加载方式磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。其具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系的特点，并可以输出大扭矩。磁粉制动器工作时能否输出平稳的扭矩取决于磁粉是否被打散，打均匀。这对磁粉制动器的工作转速有一定的要求，一般为每分钟几十转到几百转，在低速环境下工作会造成输出扭矩不平稳，波动较·大。电动机加载方式电动机的输出扭矩平稳，可以精确控制，但其输出扭矩的大小和电机功率成正比,若需要输出大扭矩就需要安装大功率电机,造成尺寸大,成本高,运输以及安装不便等问题；另一方面电动机工作在频繁换向状态时，容易造成输出扭矩波动，无法满足高精度测量要求。转角测试方式转角测量一般采用普通角度编码器，普通角度编码器通过轴承与旋转轴连接，轴旋转会产生摩擦力矩。转矩测量与角度测量相互影响之处在整个测试机构传递路线上，被测负载先通过角度编码器再连接到力矩传感器，此时角度编码器所测得的值直接就是被测件的角度变化值，但由于角度编码器的摩擦力从而导致力矩传感器测量值不准确；反之，如果被测件先通过力矩传感器后连接角度编码器，此时力矩测量无摩擦力矩影响，但由于力矩传感器在测量时必然会产生变形，只有产生变形才能输出力矩值，对高精度角度测量来说其变形角度较大，从而造成角度测量值不准确。
发明内容
为了克服已有转矩转角测试方法的测试精度较低、无法适应于低转速测量场合的不足，本发明提供一种测试精度较高、有效适应于低转速测量场合的适用于高精度低转速的转矩转角测试机构及其测试方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种适用于高精度低转速的转矩转角测试机构，包括安装平台，所述安装平台上安装交流伺服电机、磁粉制动器、安全离合器和扭矩传感器，所述交流伺服电机的输出轴与所述磁粉制动器连接，所述磁粉制动器与安全离合器连接，所述安全离合器与所述扭矩传感器连接，所述测试机构还包括空气轴承及角度编码器，所述扭矩传感器与轴连接，所述空气轴承及角度编码器安装在所述轴上；所述空气轴承及角度编码器包括左右两个空气轴承、高精度角度编码器读数头和角度编码器编码盘，两个空气轴承中间通过护套刚性连接，护套中间有气孔将两个空气轴承的进气口连接起来并通过空气轴承进气口引到外部；空气轴承靠近被测工件一侧安装高精度角度编码器读数头，所述轴与角度编码器读数头正对位置安装角度编码器编码盘。进一步，所述空气轴承及角度编码器还包括标定杆，所述护套和轴中部设有安装通孔和对中通孔，所述对中通孔和安装通孔均通过所述轴的同一个中点，所述标定杆穿过所述护套和轴中部的安装通孔。再进一步，所述空气轴承及角度编码器还包括锁紧杆，所述标定杆穿过所述护套和轴中部的安装通孔。一种高精度低转速的转矩转角测试方法，所述测试方法包括以下步骤1)在开始测试前，在空载的条件下让交流伺服电动机带动磁粉制动器旋转，打散磁粉；2)接上被测件后，对磁粉制动器输出扭矩采用开环控制，然后检测系统输出值，并与系统期望输出值进行比较，根据比较结果调整电机输出扭矩，使得电机始终工作在恒转矩模式。进一步，所述步骤2)中，系统输出扭矩值记为M，磁粉制动器输出扭矩值为M1,电机输出扭矩值为M2，则有 M=MJM2在正式测试之前运行磁粉制动器，确定磁粉制动器的波动范围ΛΜ1，ΛM1=Mlmax-Mlmin，而后根据AM1确定电机的型号，使电机的最大输出扭矩Iax=AAM1 ;调节M2
的输出范围为O 给磁粉制动器的预期输出值M1 =M-Iwi,,&作为输入值，检测系统的实际输出值
4
Μ’，与系统预期输出值M相比较，将它们的差值M-M ’作为交流伺服电机的输入值，保证系统实际输出值M = M1丨+M2丨的准确性。再进一步，所述步骤2)中，如果所需Mmax的值超于设定阈值，测试机构选配减速器。本发明的有益效果主要表现在1、利用非接触式角度编码器及空气轴承等实现角度测量与转矩测量不会互相干扰；2、利用交流伺服电机对磁粉制动器打散磁粉，使磁粉均匀；3、利用交流伺服电机输出扭矩对磁粉制动器输出扭矩进行补偿，使磁粉制动器可以在低速情况下输出平稳大扭矩；4、能对弹簧机构进行收拢及展开测试。这里所说的弹簧机构是指一种无源驱动机构，利用弹簧展开产生转矩驱动；5、本发明能够利用交流伺服电机工作在位置模式对弹簧机构自动收拢，然后将交流伺服电机切换到转矩工作模式，弹簧机构展开进行转矩加载试验。一次测试完成后可以利用交流伺服电机重新对弹簧机构收拢，为下一次测试做准备。
图I是高精度低转速的转矩转角测试机构的示意图。图2是空气轴承及角度编码器的标定状态示意图。图3是空气轴承及角度编码器的锁紧结构示意图。图4是空气轴承及角度编码器的锁紧状态示意图。图5是锁紧杆的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。实施例I参照图I 图5，一种适用于高精度低转速的转矩转角测试机构，包括安装平台15，所述安装平台15上安装交流伺服电机I、磁粉制动器9、安全离合器10和扭矩传感器11，所述交流伺服电机I的输出轴与所述磁粉制动器9连接，所述磁粉制动器9与安全离合器10连接，所述安全离合器10与所述扭矩传感器11连接，所述测试机构还包括空气轴承及角度编码器13，所述扭矩传感器11与轴14连接，所述空气轴承及角度编码器13安装在所述轴14上；所述空气轴承及角度编码器包括左右两个空气轴承、高精度角度编码器读数头23和角度编码器编码盘24，两个空气轴承中间通过护套刚性连接，护套中间有气孔将两个空气轴承的进气口连接起来并通过空气轴承进气口 21引到外部；空气轴承靠近被测工件一
侧安装高精度角度编码器读数头23，所述轴14与角度编码器读数头23正对位置安装角度编码器编码盘24。所述空气轴承及角度编码器还包括标定杆26，所述护套和轴中部设有安装通孔和对中通孔，所述对中通孔和安装通孔均通过所述轴的同一个中点，所述标定杆26穿过所述护套和轴中部的安装通孔。所述空气轴承及角度编码器还包括锁紧杆28，所述标定杆穿过所述护套和轴中部的安装通孔。高精度低速旋转的转矩转角测试机构如下图I所示。交流伺服电机I安装在电动机安装架2，所述交流伺服电机I的输出轴通过双膜片联轴器3与连接轴4连接，所述连接轴4与减速器5 —端连接，所述减速器5安装在减速器安装架6上，所述减速器5的另一端与单膜片联轴器连接，所述单膜片联轴器与磁粉制动器9连接，所述磁粉制动器9安装在磁粉加载器安装架8上，所述磁粉制动器9与安全离合器10连接，所述安全离合器10与扭矩传感器11连接，所述扭矩传感器11与轴14连接，所述轴14上套装空气轴承及角度编码器13，所述空气轴承安装在空气轴承安装架12上。其中，安全离合器起保护作用，可以防止扭矩输出过大；其中角度编码器安装在空气轴承上构成非接触式角度编码器。具体结构如图2所示；空气轴承的输出端用于连接被测件，可以是电机、减速器、弹簧机构等。本发明在传递路线上先安装非接触式角度编码器(无磨擦)，后为力矩传感器，并且角度编码器安装在空气轴承上。这样既保证角度测量的准确性，转矩测量时也没有摩擦力矩的影响。如图I所示，13为空气轴承及角度编码器，该机构包含左右两个普通的空气轴承，两个空气轴承中间通过护套刚性连接，护套中间有气孔将两个空气轴承的进气口连接起来并通过空气轴承进气口 21引到外部。空气轴承13靠近被测工件一侧安装高精度角度编码器读数头23，轴14与角度编码器读数头23正对位置安装角度编码器编码盘24，当轴14旋转时，角度编码器读数头23就能获得轴14的旋转角度，角度的测量为非接触式，因此不产生任何附加力矩，并且读数头及编码盘靠近工件侧，因此其测得的角度就是工件侧的角度值，轴14及其后连接部分产生的变形对角度测量无任何影响，从而保证角度测量的准确性。本发明所采用的机构还包含对转矩进行静态标定的功能，具体标定方法采用常规的砝码进行标定，即固定力臂，通过吊挂不同质量的砝码产生标准力矩值。如图2所示，标定杆26在力矩标定时插入空气轴承及角度编码器机构13，并穿过轴14中部的通孔，轴14需要预先旋转到通孔和空气轴承中部的通孔正对，标定杆中心位置有一螺孔，图2中25为通孔，当标定杆插入空气轴承13及轴14后，标定杆中心孔对准通孔25后固定标定杆。然后可以在标定杆两侧吊挂砝码实现转矩值标定。本发明还包含空气轴承保护装置。空气轴承必须在对轴承套供气前提下使用，如果未对空气轴承供气直接转动轴14，则会因为轴14与空气轴承的摩擦损坏空气轴承。图4中的锁紧杆28 (锁紧杆的具体安装结构见图4)起着锁紧保护作用，当测试完成时，将锁紧杆28插入空气轴承13中部及轴14，此时空气轴承13和轴14无法产生相对运动，也就起到了对空气轴承的保护作用。当需要进行测试时，首先取出锁紧杆28，然后才能正常使用。如果用户忘了取出锁紧杆直接驱动电机1，由于空气轴承不会随着电机一起转动从而产生堵转，但由于有着安全离合器的保护，也不会造成测试设备的损坏。
实施例2参照图f图5，一种高精度低转速的转矩转角测试方法，所述测试方法包括以下步骤1)在开始测试前，在空载的条件下让交流伺服电动机带动磁粉制动器旋转，打散磁粉；2)接上被测件后，对磁粉制动器输出扭矩采用开环控制，然后检测系统输出值，并与系统期望输出值进行比较，根据比较结果调整电机输出扭矩，使得电机始终工作在恒转矩模式。针对磁粉制动器在低速环境下工作时会造成输出扭矩不平稳的情况，在开始测试前在空载的条件下让伺服电动机带动磁粉制动器旋转，打散磁粉，改善其输出扭矩不平稳的情况。接上负载后，由于我们所研究的问题是在低速小角度旋转的情况下，磁粉制动器未能工作在适宜转速下，始终存在输出驱动扭矩不平稳有波动的缺陷，无法满足高精度的要求。为解决该问题，我们采用电机输出扭矩补偿磁粉制动器输出扭矩，电机始终工作在恒转矩模式。电机输出扭矩补偿具体实施办法为对磁粉制动器输出扭矩采用开环控制，然后检测系统输出值，并与系统期望输出值进行比较，根据比较结果调整电机输出扭矩，保证总的输出值精确。加载过程的控制原理图如图2所示。如图所示，将系统输出扭矩值记为M，磁粉制动器输出扭矩值为M1,电机输出扭矩值为M2，则有M=MJM2首先根据所需输出扭矩M的大小选择合适的磁粉制动器，在正式测试之前运行磁粉制动器，确定其波动范围Λ Ml ( Λ M1=Mlmax-Mlmin),而后根据AM1确定电机的型号，使电机的最大输出扭矩Mmax=AAM1 (Mmax的值可根据实际工况进行适当调整)。针对前文所述电机
不适合工作在频繁换向状态，调节M2的输出范围为O + Mmax。另一方面如果所需Mmax的值
过大，测试机构可以选配减速器，增大电机的补偿范围，并且不引起电机换向。因此在正式测试前，应该确定磁粉制动器输出扭矩的波动范围，以决定是否选用减速器。控制过程如
下给磁粉制动器的预期输出值V = M - + 作为其输入值，检测系统的实际输出值Μ’，
4
与系统预期输出值M相比较，将它们的差值Μ-Μ’作为电机的输入值，即对电机采用闭环控制，保证电机的补偿值M2 '的精确性，从而保证系统实际输出值M = M1 ' ’ +M2的准确性。
以上测试方案是基于磁粉制动器的波动范围是稳定的条件上建立的，可以作为选择电机及减速器的依据。如果由于一些外部因素的干扰，使得磁粉制动的波动范围有较大变化，可以采用以下控制方案计算机可以根据力矩传感器的检测值判断磁粉的波动范围
是否超出 ，如果超出，计算机可以发出指令调整磁粉制动器的预期输出值44
M1，从而确保电机的输出扭矩为O |Mmax。
权利要求
1.一种适用于高精度低转速的转矩转角测试机构，包括安装平台，所述安装平台上安装交流伺服电机、磁粉制动器、安全离合器和扭矩传感器，所述交流伺服电机的输出轴与所述磁粉制动器连接，所述磁粉制动器与安全离合器连接，所述安全离合器与所述扭矩传感器连接，其特征在于所述测试机构还包括空气轴承及角度编码器，所述扭矩传感器与轴连接，所述空气轴承及角度编码器安装在所述轴上； 所述空气轴承及角度编码器包括左右两个空气轴承、高精度角度编码器读数头和角度编码器编码盘，两个空气轴承中间通过护套刚性连接，护套中间有气孔将两个空气轴承的进气口连接起来并通过空气轴承进气口引到外部；空气轴承靠近被测工件一侧安装高精度角度编码器读数头，所述轴与角度编码器读数头正对位置安装角度编码器编码盘。
2.如权利要求I所述的适用于高精度低转速的转矩转角测试机构，其特征在于所述空气轴承及角度编码器还包括标定杆，所述护套和轴中部设有安装通孔和对中通孔，所述对中通孔和安装通孔均通过所述轴的同一个中点，所述标定杆穿过所述护套和轴中部的安装通孔。
3.如权利要求2所述的适用于高精度低转速的转矩转角测试机构，其特征在于所述空气轴承及角度编码器还包括锁紧杆，所述标定杆穿过所述护套和轴中部的安装通孔。
4.一种用如权利要求I所述的适用于高精度低转速的转矩转角测试机构实现的测试方法，其特征在于所述测试方法包括以下步骤 1)在开始测试前，在空载的条件下让交流伺服电动机带动磁粉制动器旋转，打散磁粉； 2)接上被测件后，对磁粉制动器输出扭矩采用开环控制，然后检测系统输出值，并与系统期望输出值进行比较，根据比较结果调整电机输出扭矩，使得电机始终工作在恒转矩模式。
5.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于所述步骤2)中，系统输出扭矩值记为M,磁粉制动器输出扭矩值为M1,电机输出扭矩值为M2，则有M=MJM2 在正式测试之前运行磁粉制动器，确定磁粉制动器的波动范围ΛΜ1，AM1=Mlmax-Mlmin,而后根据AM1确定电机的型号，使电机的最大输出扭矩Iax=AAM1 ;调节M2的输出范围为O-^max ； 给磁粉制动器的预期输出值;Wi =M-作为输入值，检测系统的实际输出值M’， 4与系统预期输出值M相比较，将它们的差值M-M ’作为交流伺服电机的输入值，保证系统实际输出值M = M1 ’ +M2 ’的准确性。
6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于所述步骤2)中，如果所需Mmax的值超于设定阈值，测试机构选配减速器。
7.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于所述被测件为无源展开机构，利用交流伺服电机工作在位置模式对无源展开机构自动收拢，然后将交流伺服电机切换到转矩工作模式，无源展开机构展开进行转矩加载试验，得到无源展开机构的展开角度。
全文摘要
一种适用于高精度低转速的转矩转角测试机构，包括安装平台，所述安装平台上安装交流伺服电机、磁粉制动器、安全离合器和扭矩传感器，所述交流伺服电机的输出轴与所述磁粉制动器连接，所述磁粉制动器与安全离合器连接，所述安全离合器与所述扭矩传感器连接，所述测试机构还包括空气轴承及角度编码器，所述扭矩传感器与轴连接，所述空气轴承及角度编码器安装在所述轴上。以及提供一种高精度低转速的转矩转角测试方法。本发明提供一种测试精度较高、有效适应于低转速测量场合的适用于高精度低转速的转矩转角测试机构及其测试方法。
文档编号G01B21/22GK102865848SQ20121022850
公开日2013年1月9日 申请日期2012年6月30日 优先权日2012年6月30日
发明者孙建辉, 单晓杭, 周海清, 陈文庆 申请人:浙江工业大学