焦登偉

摘要：傳統(tǒng)的機電集成設備力學特征傳動系統(tǒng)，由于傳動過程中精度低，導致力學特征傳動效果存在較大誤差。因此，提出關于機電集成設備的力學特征諧波傳動系統(tǒng)研究，實現(xiàn)對設備力學特征的準確傳遞。硬件方面，對諧波傳動齒輪與步進電機進行設置。軟件方面，首先構建一個力學特征模型，完成對設備力學特征變化的輸出。隨后，設置諧波傳動嚙合參數(shù)，再加上對步距角的計算，完成高精度力學特征傳動系統(tǒng)的驅動。實驗分析結果：同樣的驅動頻率變化條件下，隨著驅動頻率增加，三種系統(tǒng)關于力學特征傳動誤差情況都出現(xiàn)了向下降后上升的趨勢，傳動效果最優(yōu)的是在驅動頻率為5Hz時。和兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)傳動結果相比，文中系統(tǒng)傳遞誤差明顯更低。

關鍵詞：機電集成設備;力學特征;諧波傳動;系統(tǒng)

中圖分類號：TH13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0098-02

0 ?引言

諧波傳動是一種機械運動的傳遞技術，該技術應用的原理是柔性變形。正常情況下，諧波傳動的實現(xiàn)需要三個基本組成結構，即剛輪、柔輪、波發(fā)生器。在諧波傳動工作過程中，可以達到零側隙嚙合的實現(xiàn)，從而將傳動系統(tǒng)的誤差降到最低。并且，由于諧波傳動的體積、質量都比其他傳動機構要小很多。所以，會產生更廣闊的傳動比范圍，完成系統(tǒng)的機械細分。諧波傳動的主要應用對象是精密數(shù)控設備，因此，具有更高的可靠性。在機電集成設備的發(fā)展中，通過諧波傳動技術的應用，設計一個關于力學特征的傳統(tǒng)系統(tǒng)，可以在保證傳動精度提升的同時，具有可靠性高、性能穩(wěn)定、運維簡單的特點[1]。保證整個系統(tǒng)在工作環(huán)境下的可靠性。本文以力學特征諧波傳動系統(tǒng)設計為研究主題，通過對系統(tǒng)各重要環(huán)節(jié)的分析與計算，完成具有較好性能的傳動系統(tǒng)。希望可以幫助機電集成設備的力學特征更加精確傳遞，從而促進相關行業(yè)發(fā)展。

1 ?機電集成設備的力學特征諧波傳動系統(tǒng)硬件設計

1.1 諧波傳動齒輪設計

諧波傳動系統(tǒng)中，齒輪作為一個主要設備，力學特征需要經過齒輪進行傳動。其主要由波發(fā)生器、中心輪、活齒架構成。需要對諧波傳動結構和嚙合參數(shù)進行合理設置，以保證傳動系統(tǒng)的整體精度。作為擁有多對齒嚙合的齒輪副，諧波齒輪副在均化系統(tǒng)誤差的前提下，還可以實現(xiàn)嚙合剛度的增加。嚙合剛度的增加是隨著齒數(shù)的增加而增長的，因此需要將嚙合側隙盡量減小。具體的活齒傳動圖片如圖1所示。

1.2 步進電機設計

在傳動系統(tǒng)設計過程中，另外一個不可缺少的硬件設備就是步進電機設計，它承擔著系統(tǒng)驅動的作用。正常應用時，該電機通過脈沖信號的頻率改變轉速以及停止。當驅動器接收到信號后，對步進電機進行啟動，按照信號向設定的方向轉動。并且，可以通過控制脈沖個數(shù)，實現(xiàn)角位移量的控制，進行定位的精準。此外，還可以對電機轉動的速度進行控制，實現(xiàn)系統(tǒng)應用過程中的調速。將硬件設備設計完成后，以此作為依托，完成傳動系統(tǒng)軟件的設計。

2 ?機電集成設備的力學特征諧波傳動系統(tǒng)軟件設計

力學特征諧波傳動系統(tǒng)軟件設計，通過對機電集成設備力學特征模型的構建，獲得力學特征參數(shù)。之后，設置諧波傳動嚙合參數(shù)，計算傳動系統(tǒng)的步距角，最終完成系統(tǒng)設計與驅動[2]。

2.1 構建設備力學特征模型

關于機電集成設備的力學特性分析，很多傳統(tǒng)的力學模型，沒有全面的考慮到各方面的影響因素。在機電集成設備力學特性研究中，有一些因素的影響不可忽視。這些非線性環(huán)節(jié)都需要進行詳細分析嗎，從而得到更加精確地力學特征信息?？紤]到以上因素，構建的力學模型為：

其中，θ1代表輸入軸轉角，而θ0表示輸出軸轉角， J0、J1代表的是轉動慣量?！鞔碛嬎阏`差，而T0m、T1m、Tm分別表示輸入軸、輸出軸、靜態(tài)的平均荷載。等效阻尼用Ceq來表示，等效扭轉剛度則用KHD表示，i則代表減速比，δ0和ω0分別代表頻率與初相位。通過對公式（1）和公式（2）的分析，可以得出如下公式：

將以上公式進行結合，可以得出簡化版力學特征模型：

由于構建的力學特性模型，屬于非線性方程。因此，當求解時，可以采用Runge-Kutta方法進行解。采用四階公式，利用合理的步長對模型中的力學特征求解，獲得與實際數(shù)值誤差最小的結果。

2.2 設置諧波傳動嚙合參數(shù)

力學特征獲得后，在信息傳送過程中，需要使用計算機對嚙合性能進行分析，降低傳動誤差。參考嚙合性能分析，造成諧波齒輪信息傳遞誤差的原因包括很多，柔輪變形量系數(shù)、柔輪和剛輪的變位系數(shù)、齒頂高系數(shù)等等。并且，諧波齒輪傳動中大的傳動比，是較多的柔輪和剛輪齒數(shù)構成的。因此，其相關裝置在設計、加工和裝配過程中，仍須嚴格控制一些配置的誤差，例如：軸承內圈徑向跳動、配合間隙等。假如我們將傳動比設置為30時，可以得到一些相關活齒傳動參數(shù)，如表1所示。

通過表1的具體數(shù)值，可以完成諧波傳動結構設置。除此之外，關于嚙合性能分析，其準則為嚙合側隙最小、嚙合齒數(shù)最多。具體的嚙合分析曲線如圖2所示。

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，嚙合側隙隨著波發(fā)生器轉角的度數(shù)增加而不斷變化。當最小嚙合側隙與零接近，波發(fā)生器轉角角度為30°，也就是說嚙合的齒數(shù)可達30%。以此為依托，完成嚙合參數(shù)的設置，可以促進傳動系統(tǒng)的高精度工作。

2.3 計算步距角驅動系統(tǒng)

在傳動系統(tǒng)中，除了傳動部分的設置，還有一個重要環(huán)節(jié)，就是驅動部分的設置，這一環(huán)節(jié)主要對步進電機的參數(shù)進行計算。通常情況下，步進電機的步距角，是通過步進電機的相數(shù)、轉子齒數(shù)共同決定的。但是，因為步進電機可以增加有限的的相數(shù)和齒數(shù)，所以為了保證系統(tǒng)控制精度提升，使用電子、機械細分技術，則步距角計算為：

公式中，電子細分數(shù)用k來表示，傳動比用i來表示。關于步進電機控制，有限的電子細分數(shù)約束了步進電機發(fā)展。超過限制就會造成系統(tǒng)傳動誤差。目前來說，由于機電集成設備的力學特征諧波傳動系統(tǒng)中存在一些齒側間隙。所以，振動、噪聲和系統(tǒng)誤差這些都會隨之而來，對整個傳動系統(tǒng)的準確度有所影響。因此，在設計過程中，必須將傳動系統(tǒng)動態(tài)性能、轉動慣量同電機控制相結合考慮。進行詳細分析，保證相互匹配。所以，可以以機電一體化為前提，提供一種模塊化的開環(huán)步進控制系統(tǒng)產品。經過步進電機的步距角的計算，最終實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的驅動。

3 ?實驗論證分析

為了確保本文設計的傳動系統(tǒng)在實際應用中可以產生良好的效果，特進行實驗論證。將本文設計的系統(tǒng)作為實驗組測試對象，其對照組測試對象選擇兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)來充當。在同樣的條件下，進行機電集成設備力學特征信息傳遞誤差的對比。本次實驗測試采用的儀器設備的型號分別為：安泰信雙路可調穩(wěn)壓直流電源、自主設計的四通道可調式信號發(fā)生器、芯明天三通道壓電驅動電源。在不同驅動頻率條件下，先使用兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)進行力學特征的傳動，并記錄其誤差情況。之后，采用本文設計系統(tǒng)，針對該設備應用力學特征模型，并設置諧波傳動結構和嚙合參數(shù)，以及步距角參數(shù)。最后，監(jiān)測設備的力學特征諧波傳動效記錄，最終實驗結果如表2所示。

根據(jù)表2，我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著驅動頻率的不斷提升，三種傳動系統(tǒng)的力學特征信息，傳動誤差都在不斷變化，整體上都處于先下降、后上升的情況。在驅動頻率為5Hz的時候，出現(xiàn)了誤差最低的階段。相比兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)，文中系統(tǒng)整體誤差較低，其最高點是9.19%。而兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)的最高誤差分別達到了35.19%、31.45%。所以文中設計的系統(tǒng)在應用中更具有優(yōu)勢。此外，我們可以發(fā)現(xiàn)，傳動系統(tǒng)的驅動頻率對傳動信息誤差影響很大。因此，在工作中盡量控制驅動頻率的數(shù)值。

4 ?結束語

本文以諧波傳動技術為核心，實現(xiàn)機電集成設備的力學特征諧波傳動系統(tǒng)設計，根據(jù)設備力學特征模型，實現(xiàn)小誤差的力學特征分析，然后構建諧波傳動結構，以及分析系統(tǒng)中各方面參數(shù)，實現(xiàn)高準確度力學特征傳動。通過本文研究，促進了機電集成設備力學特征傳遞精度提升，有利于生產過程穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻：

[1]婁軍強，周優(yōu)鵬，張振振，陳特歡，楊依領，魏燕定.諧波驅動柔性臂系統(tǒng)耦合動力學建模及辨識[J].振動.測試與診斷，2019，39（06）：1198-1204，1358-1359.

[2]王瑞鋒，張立勇，張建偉，王長路.諧波齒輪傳動概述[J].機械傳動，2019，43（01）：171-176.

[3]王長明，陽培，張立勇.諧波齒輪傳動概述[J].機械傳動，2006（4）：86-88.