阅读说明：本技术 模拟空间环境谐波减速器传动性能测试系统 (Space environmental simulation harmonic speed reducer transmission performance test macro ) 是由 杨军 胡明 高晓明 姜栋 王德生 伏彦龙 王琴琴 翁立军 孙嘉奕 于 2018-05-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了模拟空间环境谐波减速器传动性能测试系统,将谐波减速器的传动性能测试与高真空、高温、低温和高低温交变等空间环境模拟优化集成而成,以实现空间润滑技术处理后的谐波减速器在模拟空间环境中运转时的传动精度、传动扭矩、传动效率以及运转寿命的测试与考察,为空间飞行器用谐波减速器的润滑技术、谐波减速器机型与运转参数之间的选型匹配提供必要的测试及研究依据。(The invention discloses space environmental simulation harmonic speed reducer transmission performance test macros, transmission performance test and high vacuum by harmonic speed reducer, high temperature, the optimization of the space environment simulations such as low temperature and high/low temperature alternation is integrated to be formed, the transmission accuracy that treated to realize space lubrication technology when harmonic speed reducer operates in space environmental simulation, driving torque, the test and investigation of transmission efficiency and running life, for the lubrication technology of spacecraft harmonic speed reducer, type selecting between harmonic speed reducer type and operating parameters provides necessary test and research foundation.)

模拟空间环境谐波减速器传动性能测试系统

技术领域

本发明涉及一种模拟空间环境谐波减速器传动性能测试系统，属于空间机械的润滑技术领域。

背景技术

我国航天领域应用的谐波传动减速器（以下简称谐波减速器）主要包括空间飞行器的展开、驱动、精密指向、精密扫描、机械臂等关键转动单元。谐波减速器在空间高真空、高温、低温和高低温交变等特殊环境中运行，尤其是空间运动机构在无备份件的特殊条件下还需谐波减速器在高精度、长寿命、高可靠润滑工况下为空间飞行器服务。因此谐波减速器润在空间环境中应用的滑材料及技术将是空间润滑学科的重要研究领域，为此必须在地面实验室建立有效模拟空间环境中谐波减速器传动性能的测试系统，才能为研究空间飞行器用谐波减速器的传动特性、润滑方案、空间润滑材料的评价与筛选提供测试平台。

空间飞行器用谐波减速器的润滑技术通常包括液体、固体、固-液复合润滑材料及技术等。空间润滑技术处理后的谐波减速器还要依据空间机构的实际应用工况，筛选出谐波减速器机型与运转参数最佳匹配方案才能为空间飞行器所应用。该测试系统能为应用于空间飞行器中的谐波减速器提供必要的基础测试参数则是本测试系统又一重要工程应用价值所在。

发明内容

本发明的目的是提供模拟空间环境谐波减速器传动性能测试系统。该测试系统为研究空间飞行器用谐波减速器的传动特性、润滑方案和润滑材料的评价与筛选提供测试平台。

本发明是将谐波减速器的传动性能测试与高真空、高温、低温和高低温交变等空间环境模拟优化集成而成，以实现空间润滑技术处理后的谐波减速器在模拟空间环境中运转时的传动精度、传动扭矩、传动效率以及运转寿命的测试与考察，为空间飞行器用谐波减速器的润滑技术、谐波减速器机型与运转参数之间的选型匹配提供必要的测试及研究依据。

本发明中的传动性能测试系统主要由传动测试单元和空间环境模拟单元两部分构成。

本发明中的传动测试单元是以步进电机为驱动源，由步进电机通过各连接位置的十字滑块联轴器和刚性联轴器来带动真空室外扭矩测试仪、谐波减速器输入端磁流体密封轴、真空室内谐波减速器输入端光电编码器Ⅰ以及谐波减速器输入轴转动。通过谐波减速器内部波发生器、柔轮、刚轮三者之间的减速传动将转动传递给谐波减速器输出轴，由谐波减速器输出轴带动真空室内输出端光电编码器Ⅱ、输出端磁流体密封轴及真空室外磁粉制动器转动。

谐波减速器输出端所加载负载是通过调节磁粉制动器供电电源的电流、电压值来控制磁粉制动器的载荷输出。并由磁粉制动器力臂的另一端作用在测试平台Ⅰ下部安装的压力传感器上，由压力传感器测出谐波减速器输出轴带动磁粉制动器顺时或逆时针运转时力臂作用于传感器的力值，通过力臂与作用力乘积（L×F=M）计算出磁粉制动器的输出力矩。

本发明中的谐波减速器传动精度测试是在常温、常压和谐波减速器输出端空载或负载条件下，由光电编码器Ⅰ、光电编码器Ⅱ和真空室外角位显示仪a、角位显示仪b完成转角测试。且通过谐波减速器输入、输出端测出实际转角与理论转角差值（Δϕ =ϕ₀ −ϕ_i/ i式中ϕ₀ 输出轴实际转角；ϕ_i 输入轴实际转角；i 谐波传动比）计算出谐波减速器在不同测试条件下的传动精度。

本发明中的谐波减速器传动扭矩、传动效率、运转寿命测试是在模拟空间环境高真空、高温、低温和高低温交变条件下，在不连接光电编码器Ⅰ、光电编码器Ⅱ并通过十字滑块联轴器将输入端磁流体密封轴、输出端磁流体密封轴与谐波减速器输入轴、输出轴直接相连接的状态下进行的。通过扭矩测试仪实时监测不同负载、转速、温度及真空度条件下谐波减速器的运转扭矩、传动效率、转动寿命等参数来判断谐波减速器工作面经空间润滑材料及技术处理后的工作状况。

本发明中的空间环境模拟单元由真空室、热沉、真空抽气机组、真空计量四部分构成。

本发明中的真空室是以卧式圆柱体真空室为主体，真空室固定安装于测试平台Ⅰ上，真空室一端密封另一端装有真空室大门。真空室内部由用于控温的热沉和室内测试平台Ⅱ构成，热沉由降温液氮储罐和紫铜板加热腔体组成；液氮储罐是由双层不锈钢焊接隔层结构的卧式园筒组成，筒体上部安装有进液氮接口和出液氮接口且通过法兰与真空室筒体相连。低温环境是通过向液氮储罐内充入液氮以冷却筒体获得低温；高温环境是通过紫铜板腔体内均匀分布的加热丝和温度传感器、真空电缆、电极法兰和真空室外温控电路构成来获得高温。由液氮冷却和电加热的交替进行实现真空室内高、低温交变环境温度的调控。

真空室上装有进液氮口、出液氮口、航空插座Ⅰ、航空插座Ⅱ、电极法兰、输入端磁流体密封轴、输出端磁流体密封轴以及进放气阀门。

真空室内两组温度传感器通过信号电缆以及安装于真空室上的航空插座Ⅰ分别与真空室外智能温控仪和温度巡检仪相连接，分别检测热沉和谐波减速器温度。

本发明中的真空抽气机组主要由真空插板阀、分子泵、电磁阀及机械泵组成。真空插板阀与真空室下方的法兰连接，真空插板阀另一侧法兰与分子泵连接，再通过波纹管将分子泵与电磁阀及机械泵相连接。

本发明中的真空计量由安装于真空室底部的电阻规管和电离规管通过信号电缆与复合真空测试仪相连接构成。

本发明中的测试数据实时采集、空间环境模拟的自动控制由安装测控软件的工业计算机完成。工业计算机通过多串口卡上的RS（Recommended Standard推荐性标准）485通讯端口分别对下位机中各个仪表包括扭矩显示仪、直流电源、PLC(Programmable LogicController可编程逻辑控制器)、智能温控仪、温度循检仪、复合真空计、角位显示仪a、角位显示仪b进行实时通讯；通过采集各仪表数据并由计算机给各下位机发送控制指令，以实现各仪表数据的实时采集和测试设备的有效控制及管理。

本发明中的测试系统具有下列优点：

1、将谐波减速器传动性能测试与空间环境模拟优化集成，为研究空间飞行机构用谐波减速器的传动特性、润滑方案、空间润滑材料评价与筛选提供研究及测试平台。

2、为空间飞行器用谐波减速器机型与运转参数最佳匹配方案的筛选提供了测试平台。

3、为空间飞器关键转动单元的可靠运行提供了重要的技术支撑与保障。

附图说明

图1是本发明的谐波减速器传动测试单元示意图。

图2是本发明的空间环境模拟单元示意图。

图3是本发明的电器控制示意图。

图4是谐波减速器在全寿命周期6.0×10⁶r内传动效率随输入端转动圈数的变化情况。

图中：1-支撑平台Ⅰ，2-步进电机，3-电机支架，4-十字滑块联轴器Ⅰ，5-扭矩测试仪，6-测试平台Ⅰ，7-十字滑块联轴器Ⅱ，8-输入端磁流体密封轴，9-真空室，10-电极法兰，11-加热腔体，12-液氮储罐，13-三维微调平台支架Ⅰ，14-三维微调平台Ⅰ，15-十字滑块联轴器Ⅲ，16-光电编码器Ⅰ，17-刚性联轴器Ⅰ，18-测试平台Ⅱ，19-谐波减速器，20-谐波减速器支架，21-刚性联轴器Ⅱ，22-三维微调平台支架Ⅱ，23-三维微调平台Ⅱ，24-光电编码器Ⅱ，25-十字滑块联轴器Ⅳ，26-航空插座Ⅰ，27-航空插座Ⅱ，28-输出端磁流体密封轴，29-十字滑块联轴器Ⅴ，30-磁粉制动器支架，31-磁粉制动器，32-支撑平台Ⅱ，33-力臂，34-压力传感器，35-机械泵，36-电磁阀，37-波纹管，38-进放气阀门，39-真空室大门，40-进液氮口，41-出液氮口，42-热偶规管，43-电离规管，44-插板阀，45-分子泵。

具体实施方式

本发明中的测试系统主要由谐波减速器传动测试单元和空间环境模拟单元两部分构成。

参见图1，本发明中的谐波减速器传动测试单元传动输入部分由安装于真空室9外的步进电机2为驱动源，其安装于真空室9外支撑平台Ⅰ1的电机支架3上。步进电机2转轴则通过十字滑块联轴器Ⅰ4与安装于支撑平台Ⅰ1的扭矩测试仪5输入轴相连接，扭矩测试仪5输出轴则通过十字滑块联轴器Ⅱ7与安装于真空室9外的谐波减速器19输入端磁流体密封转轴8相连接。真空室9和支撑平台Ⅰ1均固定于测试平台Ⅰ6上。

本发明中的谐波减速器19输入端磁流体密封轴8在真空室9内一端则通过十字滑块联轴器Ⅲ15与光电编码器Ⅰ16转轴相连接，光电编码器Ⅰ16转轴另一端则通过刚性联轴器Ⅰ17与谐波减速器19输入轴相连接。光电编码器Ⅰ16安装于三维微调平台Ⅰ14，三维微调平台Ⅰ14固定于三维微调平台支架Ⅰ13，三维微调平台支架Ⅰ13固定于真空室9内测试平台Ⅱ18。谐波减速器19固定于谐波减速器支架20，谐波减速器支架20固定于真空室内测试平台Ⅱ18。

参见图1，本发明中的谐波减速器传动测试单元传动输出部分是由真空室9内谐波减速器19输出轴通过刚性联轴器Ⅱ21与光电编码器Ⅱ24转轴相连接，光电编码器Ⅱ24转轴另一端通过十字滑块联轴器Ⅳ25与安装于真空室9上的输出端磁流体密封轴28相连接。光电编码器Ⅱ24安装于三维微调平台Ⅱ23，三维微调平台Ⅱ23固定于三维微调平台支架Ⅱ22，三维微调平台支架Ⅱ22固定于真空室9内测试平台Ⅱ18。真空室9外输出端磁流体密封转轴28一端则通过十字滑块联轴器Ⅴ29与磁粉制动器支架30上的磁粉制动器31转轴相连接；磁粉制动器31上安装有力臂33，力臂33的另一端作用在测试平台Ⅰ6下部安装的两只压力传感器34上；磁粉制动器支架30固定于支撑平台Ⅱ32，支撑平台Ⅱ32则固定于测试平台Ⅰ6。

本发明中的光电编码器Ⅰ16、光电编码器Ⅱ24分别通过信号电缆及安装于真空室上的航空插座Ⅱ27分别与真空室外角位显示仪a、角位显示仪b相连接。

参见图1，本发明是由步进电机2通过各连接位置的十字滑块联轴器和刚性联轴器带动真空室外扭矩测试仪5、谐波减速器19输入端磁流体密封轴8、真空室9内光电编码器Ⅰ16及谐波减速器19输入轴转动。通过谐波减速器19内部的波发生器、柔轮、刚轮三者之间的减速传动，将转动传递给谐波减速器输出轴。由谐波减速器19输出轴带动光电编码器Ⅱ24、输出端磁流体密封轴28及真空室9外磁粉制动器31转动。

谐波减速器19输出端所加载负载是通过调节磁粉制动器31供电电源的电压、电流值来控制磁粉制动器31的载荷输出。并由磁粉制动器31力臂33另一端作用在测试平台Ⅰ下部安装的压力传感器34上，由压力传感器34测出谐波减速器19输出轴带动磁粉制动器31顺时针或逆时针运转时力臂33作用于传感器的力值，通过力臂33与作用力乘积（L×F=M）计算出磁粉制动器31的输出力矩。

本发明中的谐波减速器19传动精度测试是在常温、常压和谐波减速器19输出端空载或负载条件下，由光电编码器Ⅰ16、光电编码器Ⅱ24和真空室9外角位显示仪a、角位显示仪b完成转角测试。并通测出过谐波减速器19输入、输出端实际转角与理论转角差值（Δϕ=ϕ₀ −ϕ_i/ i 式中ϕ₀ 输出轴实际转角；ϕ_i 输入轴实际转角；i 谐波传动比）计算出谐波减速器在不同测试条件下的传动误差和回差。

本发明中的谐波减速器19传动扭矩、传动效率、运转寿命测试是在模拟空间环境高真空、高温、低温和高低温交变条件下，在不连接光电编码器Ⅰ16、光电编码器Ⅱ24并通过十字滑块联轴器将输入端磁流体密封轴8、输出端磁流体密封轴28与谐波减速器19输入轴、输出轴直接相连的状态下进行的。通过扭矩测试仪5实时监测不同负载、转速、温度及真空度条件下谐波减速器19的运转扭矩、传动效率、转动寿命等来判断谐波减速器工作面经空间润滑材料润滑处理后的工作状况。

本发明中的空间环境模拟单元由真空室、热沉、真空抽气机组、真空计量四部分构成。

参见图2，本发明中的真空室是以卧式圆柱体真空室9为主体，真空室9固定安装于测试平台Ⅰ6上，真空室9一端密封另一端装有真空室大门39。真空室9内部由用于控温的热沉和室内测试平台Ⅱ18构成，热沉由降温液氮储罐12和紫铜板加热腔体11组成；液氮储罐12是由双层不锈钢焊接隔层结构的卧式园筒组成，筒体上部安装有进液氮接口40和出液氮接口41且通过法兰与真空室9筒体相连。低温环境是通过向液氮储罐12内充入液氮以冷却筒体获得低温；高温环境是通过紫铜板加热腔体11内均匀分布的加热丝和温度传感器、真空电缆、电极法兰10和真空室9外温控电路构成来获得高温。由液氮冷却和电加热的交替进行实现真空室内高、低温交变环境温度的调控。

真空室9上装有进液氮口40、出液氮口41、航空插座Ⅰ26、航空插座Ⅱ27、电极法兰10、输入端磁流体密封轴8、输出端磁流体密封轴28以及进放气阀门38。

真空室9内两组温度传感器通过信号电缆以及安装于真空室9上的航空插座Ⅰ26分别与真空室9外智能温控仪和温度巡检仪相连接，分别检测热沉和谐波减速器19温度。

本发明中真空抽气机组主要由真空插板阀44、分子泵45、电磁阀36及机械泵35组成。真空插板阀44与真空室9下方的法兰连接，真空插板阀44另一侧法兰与分子泵45连接，再通过波纹管37将分子泵45与电磁阀36及机械泵35相连接。

本发明中真空计量由安装于真空室底部的电阻规管42和电离规管43通过信号电缆与复合真空测试仪相连接构成。

本发明中的测试数据实时采集、空间环境模拟的自动控制由安装测控软件的工业计算机完成。参见图3，工业计算机通过多串口卡上的RS485通讯端口分别对下位机中各个仪表包括扭矩显示仪、直流电源、PLC、智能温控仪、温度循检仪、复合真空计、角位显示仪a、角位显示仪b进行实时通讯；通过采集各仪表数据并由计算机给各下位机发送控制指令，以实现各仪表数据的实时采集和测试设备的有效控制及管理。

应用本发明的模拟空间环境中谐波减速器传动性能测试系统对空间飞行机构用XBS-80-100-2-3_/3型固体润滑谐波减速器进行了传动性能测试。

该测试系统中的电机采用86BYG001型步进电机，转速0～300 r/min；扭矩测试仪为HX-905型，量程0~2 Nm，精度0.001 Nm；磁流体为V6602530型和V66002522型各一台；光电编码器为精度优于10″的AFS60/AFM60型绝对值光电编码器两台，配XYZ60型三维微调平台和TEB-M-PZ型角位显示仪各两台；磁粉制动器为FZ100/Y型配24V3A可调DH1715A-5型直流稳压电源一台；压力传感TH-5型两只，量程100.0N，精度优于0.5%，配NS-YB05C型精密压力测试仪两台；测试系统机械件均由1Cr18Ni 9Ti不锈钢制造。

模拟空间环境是以卧式圆柱体结构SUS304不锈钢材制真空室为主体，筒体直径F1000mm，长度1200mm；热沉腔体净尺寸F750×850mm，电加热功率0～3 kW可调高；真空抽气机组由CCD高真空插板阀、FF-160/620C型分子泵和VDN401型机械泵组成；真空度由ZJ-52T电阻规、ZJ-27型电离规和ZDF-X型高真空测试仪计量；真空室内可获得极限真空度5.0×10^-4Pa，极限温度-80～+100℃；计算机为装有MOMAX多串口卡及测控软件的研华工控机；下位机为三菱PLC、AL808D型智能温控仪、XSL/8型温度巡检仪及ZDF-X型高真空测试仪及控制电路组成。

XBS-80-100-2-3_/3型谐波减速器传动比100：1、模数2、传动精度优于3′、传动回差优于3′、润滑方式固体润滑。

测试条件

1．传动精度测试

常温、常压，谐波减速器输入转速2～3转/分，输出端空载和负载5Nm条件下，输入端顺时针转动100圈再逆时针回转100圈至最初位置。由光电编码器Ⅰ测出输入端两次转动实际转角，由光电编码器Ⅱ测出输出端两次转动实际转角，通过公式Δϕ =ϕ₀ −ϕ_i/ i （式中ϕ₀ 输出轴实际转角；ϕ_i 输入轴实际转角；i 谐波传动比）计算出谐波减速器顺时针转动100圈时的传动误差和逆时针回转时的传动回差，合格传动精度要求优于3′。

2．运转扭矩、传动效率测试

真空度优于1.3×10^-3Pa、高温+85℃、低温-40℃、循环次数3次、保温时间6小时、控温速率1~2℃/min；谐波减速器输入转速25r/min、输出负载5Nm、20Nm、30Nm条件下进行输入扭矩、传动效率测试，合格传动效率要求大于50%。

3．运转寿命测试

真空度优于1.3×10^-3Pa、温度常温、输入转速100r/min、输出扭矩10.0 Nm。

测试结果

1.传动精度测试数据见表1

2.运转扭矩、传动效率的测试数据见表2和表3。

表3 真空高、低温运转扭矩测试表

3.运转寿命测试结果见图4。

图4为谐波减速器在全寿命周期6.0×10⁶r内传动效率随输入端转动圈数的变化情况。可以看出在谐波减速器的全寿命测试中，传动效率曲线分为1→2磨合阶段、2→3稳定阶段、3→4失效阶段。传动效率在磨合阶段迅速增大，稳定阶段传动效率保持在70%-80%，失效阶段迅速降低。

以上测试结果表明，本发明中模拟空间环境谐波减速器传动性能测试系统可满足谐波减速器在模拟空间环境条件下的传动性能测评。为空间飞行机构中的谐波减速器和空间润滑材料及技术的研究及应用提供地面测试平台。