1.本发明涉及谐波减速器动态特性测试技术领域，特别涉及一种谐波减速器扭转模态测试方法及系统。
背景技术：2.谐波传动减速器是一种靠发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传动运动和动力的齿轮传动，主要由波发生器、柔性齿轮、柔性轴承和刚性齿轮四个基本构件组成。谐波减速器的传动性能与其动静态特性参数息息相关，性能参数直接表征了谐波传动的传动特性。
3.目前，谐波减速器的测试技术相对落后，性能测试指标主要以效率、静刚度等静态特性为主，动态特性涉及较少。以人机协作机器人为代表的新一代智能机器人，将在精密加工、智能制造等高精尖领域做更深更广泛的应用，对谐波减速器的动态传动精度、传动稳定性等动态特性提出了更高的要求。另外，谐波减速器测控系统自动化程度较低，不同指标的测试需要搭建不同的实验环境，实验环境的搭建与减速器的装卸繁琐不便。
技术实现要素：4.本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷和不足，提出一种可以测试谐波减速器动态特性，操作方便，测试数据可靠的谐波减速器扭转模态测试方法；并且，还提供一种性能高、集成度高和自动化程度高的谐波减速器扭转模态测试系统。
5.实现本发明目的的技术方案是：一种谐波减速器扭转模态测试方法，步骤如下：
6.s1.驱动电机上电初始化，采集板卡初始化；
7.s2.驱动电机按指定规律回转，编码器同步采集数据；
8.s3.驱动电机停止运动，数据采集停止；
9.s4.将采集的数据做差分/降噪处理；
10.s5.基于polymax模型对谐波减速器模态参数进行辨识。
11.进一步地，步骤s2具体为：
12.s21.通过编程实现驱动电机的运行速度满足激励信号变化规律；
13.s22.编码器同步采集数据。
14.进一步地，步骤s4具体为：
15.s41.对编码器同步采集的数据进行离散处理；
16.s42.对离散处理后的采集数据做差分处理；
17.s43.对差分处理后的采集数据进行中值滤波和小波降噪处理，转化为输入信号x(t)和输出信号u(t)；
18.s44.依据输入信号x(t)和输出信号u(t)构建谐波减速器的实验频响函数。
19.进一步地，步骤s44具体为：
20.s441.根据韦尔奇方法定义系统自功率谱密度函数和互功率谱密度函数分别为：
[0021][0022][0023]
式中：m—平均次数；n
fft
—快速傅里叶变换的计算点数；xi(k)—输入信号x(t)在第i个数据段的傅里叶变换，xi(k)和互为共轭复数；ui(k)—输出信号u(t)在第i个数据段的傅里叶变换；ui(k)和互为共轭复数。
[0024]
s442.计算系统的频响函数h(f)：
[0025][0026]
式中：x(f)为输入信号x(t)的频谱，u(f)为输出信号u(t)的频谱，x
*
(f)和x(f)互为共轭复数。
[0027]
进一步地，采用的激励方式为运动激励方法。
[0028]
一种谐波减速器扭转模态测试系统，具有谐波减速器1，包括测试系统软件2和测试系统硬件3，所述测试系统软件2包括扫频控制程序21和数据后处理/计算分析程序22，所述测试系统硬件3包括驱动控制设备31和数据采集设备32，所述数据采集设备32采集的数据由数据后处理/计算分析程序22处理，所述数据采集设备32分别设在谐波减速器1的两侧，所述驱动控制设备31由扫频控制程序21控制。
[0029]
进一步地，所述驱动控制设备31包括主动电机311和与主动电机311通信的陪试电机312，所述主动电机311通过输入轴33与谐波减速器1的一侧连接，所述陪试电机312通过输出轴34与谐波减速器1的另一侧连接，所述输入轴33与谐波减速器1的连接或断开由进给电机313控制。
[0030]
进一步地，所述数据采集设备32包括扭矩传感器组321和角度编码器组322，所述数据采集设备32分别安装在输入轴33和输出轴34。
[0031]
进一步地，所述输入轴33上安装有制动器35。
[0032]
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
[0033]
(1)本发明通过对采集数据做差分/降噪处理，再从实验频响函数出发，基于polymax模型实现了对谐波减速器模态参数的辨识，方法科学，测试数据可靠。
[0034]
(2)本发明的测控系统通过软件和硬件的结合，使其性能、集成度和自动化程度得到显著提高，不需要为不同指标的测试搭建不同的实验环境，测试效率高，从而为谐波减速器的性能优化和提升提供了良好的支持。
附图说明
[0035]
为了使本发明的内容更容易和清楚地被理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
[0036]
图1为本发明谐波减速器模态参数辨识流程图；
[0037]
图2为本发明测控系统硬件架构图；
[0038]
图3为本发明谐波减速器模态参数实验方案图；
[0039]
图4为本发明测控系统的示意图；
[0040]
图5为本发明测控系统的结构示意图；
[0041]
图6为本发明基于polymax模型的谐波减速器稳态图；
[0042]
图7为本发明基于polymax模型的谐波减速器频谱图；
[0043]
图8为本发明基于polymax模型的谐波减速器频谱图。
[0044]
图中：谐波减速器1、测试系统软件2、测试系统硬件3、扫频控制程序21、数据后处理/计算分析程序22、驱动控制设备31、数据采集设备32、输入轴33、输出轴34、制动器35、工业计算机36、进给轴37、减速器38、扭簧39、主动电机311、陪试电机312、进给电机313、扭矩传感器组321、角度编码器组322、温度传感器组323、声级计组324。
具体实施方式
[0045]
如图1所示，一种谐波减速器扭转模态测试方法，步骤如下：
[0046]
s1.驱动电机上电初始化，采集板卡初始化；
[0047]
s2.驱动电机按指定规律回转，编码器同步采集数据；
[0048]
s21.通过编程实现驱动电机的运行速度满足激励信号变化规律；
[0049]
s22.编码器同步采集数据。
[0050]
s3.驱动电机停止运动，数据采集停止；
[0051]
s4.将采集的数据做差分/降噪处理；
[0052]
s41.对编码器同步采集的数据进行离散处理，剔除粗大误差；
[0053]
s42.对离散处理后的采集数据做差分处理；
[0054]
s43.对处理后的数据进行中值滤波和小波降噪处理，转化为输入信号x(t)和输出信号u(t)；
[0055]
s44.依据输入信号x(t)和输出信号u(t)构建谐波减速器的实验频响函数。
[0056]
s5.基于polymax模型对谐波减速器模态参数进行辨识。
[0057]
本发明通过对采集的数据做差分/降噪处理，再从实验频响函数出发，基于polymax模型实现了对谐波减速器模态参数的辨识，方法科学，测试数据可靠。
[0058]
具体的，步骤s44的内容如下：
[0059]
s441.根据韦尔奇(welch)方法定义系统自功率谱密度函数和互功率谱密度函数分别为：
[0060][0061][0062]
式中：m—平均次数；n
fft
—快速傅里叶变换的计算点数；xi(k)—输入信号x(t)在第i个数据段的傅里叶变换，xi(k)和互为共轭复数；ui(k)—输出信号u(t)在第i个数据段的傅里叶变换；ui(k)和互为共轭复数。
[0063]
s442.计算系统的频响函数h(f)：
[0064][0065]
式中：x(f)为输入信号x(t)的频谱，u(f)为输出信号u(t)的频谱，x
*
(f)和x(f)互为共轭复数。
[0066]
在单输入输出系统中，系统的频响函数为h(f)：
[0067][0068]
通常对频响函数h(f)进行平均处理，实现其直接估计：
[0069][0070]
但是，在实际计算过程中，式(1-5)的分母可能为0，因此该方法无法实现。为了解决上述问题，本发明采用输入信号x(t)的自功率谱与输入信号x(t)关于输出信号u(t)互功率谱来计算频响函数为h(f)，即式(1-3)。
[0071]
具体的，对输入信号x(t),t＝1,2,3,...,n的自相关函数r
xx
(r)进行傅里叶变换，计算得到信号的自功率谱：
[0072][0073]
对输入信号x(t),t＝1,2,3,...,n关于输出信号u(t),t＝1,2,3,...,n的互相关函数r
xu
(r)进行傅里叶变换，计算得到信号的互功率谱：
[0074][0075]
根据式(1-6)和式(1-7)，计算信号在时域的自相关函数和互相关函数是计算自功率谱与互功率谱的前提。然而，通常需要利用卷积才能完成时域中自相关函数的计算，计算工作量大，因此本发明采用韦尔奇(welch)方法予以简化计算。
[0076]
如图2-图5所示，一种谐波减速器扭转模态测试系统，具有谐波减速器1，包括测试系统软件2和测试系统硬件3，测试系统软件2包括扫频控制程序21和数据后处理/计算分析程序22，测试系统硬件3包括驱动控制设备31、数据采集设备32和工业计算机36，数据采集设备32采集的数据由数据后处理/计算分析程序22处理，数据采集设备32分别设在谐波减速器1的两侧，驱动控制设备31由扫频控制程序21控制，测试系统软件2安装于工业计算机36，本测控系统通过软件和硬件的结合，使其性能、集成度和自动化程度得到显著提高，不需要为不同指标的测试搭建不同的实验环境，测试效率高，从而为谐波减速器的性能优化和提升提供了良好的支持。具体的，驱动控制设备31包括主动电机311和陪试电机312，主动电机311依次通过rs232、基于modbus协议的串口与工业计算机36通信，主动电机311通过canopen总线与陪试电机312通信，主动电机311通过输入轴33与谐波减速器1的一侧连接，陪试电机312通过输出轴34与谐波减速器1的另一侧连接，输入轴33与谐波减速器1的连接或断开由进给电机313通过进给轴37控制，进给电机313依次通过固高控制卡、pci总线与工业计算机36通信，进给轴37通过固高控制卡实现对进给电机313的实时控制，完成工作台的进给运动，进而实现输入轴33上各设备与输出轴34上各设备的分离，从而实现系统带载与
空载的切换。数据采集设备32包括扭矩传感器组321、角度编码器组322、温度传感器组323和声级计组324，扭矩传感器组321依次通过pci1712、pci总线与工业计算机36通信，角度编码器组322依次通过ik220、pci总线与工业计算机36通信，温度传感器组323和声级计组324分别依次通过udp协议、rj45与工业计算机36通信，扭矩传感器组321和角度编码器组322均安装在输入轴33和输出轴34上，扭矩传感器组321和角度编码器组322分别对待测谐波减速器1的角度和扭矩数据进行采集，温度传感器组323和声级计组324分别对待测谐波减速器1的噪声和温度数据进行采集。输入轴33上的扭矩传感器组321和角度编码器组322之间安装有制动器35，制动器35在静刚度等实验中锁止待测谐波减速器1的输入轴33。陪试电机312通过减速器38与输出轴34连接，输出轴34上的扭矩传感器组321和减速器38之间安装有扭簧39。谐波减速器1的装配与拆卸通过装夹工装实现，从而提高了谐波减速器1装配与拆卸的效率。
[0077]
模态试验中，激励方式的选取尤为重要，力锤和激振源等传统属于静态非工况激励，无法集成于测控系统整机，所以本发明的测控系统采用运动激励方法开展相关的模态参数辨识实验。进行模态测试时，驱动电机和采集板卡通电开启，初始化完成后，通过扫频控制程序21启动主动电机311，主动电机311按稳态正弦扫频信号运行带动谐波减速器1运动自激励。激励期间，角度编码器组322对输入角度和输出角度进行同步采集，将采集的数据实时传输给数据后处理/计算分析程序22。数据后处理/计算分析程序22接收完数据后，首先对采集的数据进行离散处理，剔除粗大误差；再对离散处理后的采集数据做差分处理，得到输入速度和输出速度；然后对输入速度和输出速度进行中值滤波和小波降噪处理，得到测控系统的输入信号x(t)和输出信号u(t)；最后根据韦尔奇(welch)方法定义的测控系统自功率谱密度函数s
xx
(k)和互功率谱密度函数s
xu
(k)，由此构建谐波减速器的实验频响函数h(f)。从实验频响函数h(f)出发，基于polymax模型对谐波减速器模态参数进行辨识，得到如图6所示的谐波减速器稳态图。从图6中可以看出，系统极点位置在20阶后趋于稳定，所以本发明选定的polymax模型的拟合阶次为30阶，从而得到如图7和图8所示的谐波减速器频谱图。从图7和图8中可以看出，谐波减速器实验频响的分析结果：谐波减速器的一阶固有频率f
h1
＝238.5hz，二阶固有频率f
h2
＝403.7hz。
[0078]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种谐波减速器扭转模态测试方法，其特征在于,步骤如下：s1.驱动电机上电初始化，采集板卡初始化；s2.驱动电机按指定规律回转，编码器同步采集数据；s3.驱动电机停止运动，数据采集停止；s4.将采集的数据做差分/降噪处理；s5.基于polymax模型对谐波减速器模态参数进行辨识。2.根据权利要求1所述的一种谐波减速器扭转模态测试方法，其特征在于,步骤s2具体为：s21.通过编程实现驱动电机的运行速度满足激励信号变化规律；s22.编码器同步采集数据。3.根据权利要求1所述的一种谐波减速器扭转模态测试方法，其特征在于,步骤s4具体为：s41.对编码器同步采集的数据进行离散处理；s42.对离散处理后的采集数据做差分处理；s43.对差分处理后的采集数据进行中值滤波和小波降噪处理，转化为输入信号x(t)和输出信号u(t)；s44.依据输入信号x(t)和输出信号u(t)构建谐波减速器的实验频响函数。4.根据权利要求3所述的一种谐波减速器扭转模态测试方法，其特征在于,步骤s44具体为：s441.根据韦尔奇方法定义系统自功率谱密度函数和互功率谱密度函数分别为：s441.根据韦尔奇方法定义系统自功率谱密度函数和互功率谱密度函数分别为：式中：m—平均次数；n
fft
—快速傅里叶变换的计算点数；x
i
(k)—输入信号x(t)在第i个数据段的傅里叶变换，x
i
(k)和互为共轭复数；u
i
(k)—输出信号u(t)在第i个数据段的傅里叶变换；u
i
(k)和互为共轭复数。s442.计算系统的频响函数h(f)：式中：x(f)为输入信号x(t)的频谱，u(f)为输出信号u(t)的频谱，x
*
(f)和x(f)互为共轭复数。5.根据权利要求1-4任一所述的一种谐波减速器扭转模态测试方法，其特征在于：采用的激励方式为运动激励方法。6.一种谐波减速器扭转模态测试系统，具有谐波减速器(1)，其特征在于：包括测试系统软件(2)和测试系统硬件(3)，所述测试系统软件(2)包括扫频控制程序(21)和数据后处理/计算分析程序(22)，所述测试系统硬件(3)包括驱动控制设备(31)和数据采集设备(32)，所述数据采集设备(32)采集的数据由数据后处理/计算分析程序(22)处理，所述数据
采集设备(32)分别设在谐波减速器(1)的两侧，所述驱动控制设备(31)由扫频控制程序(21)控制。7.根据权利要求6所述的一种谐波减速器扭转模态测试系统，其特征在于：所述驱动控制设备(31)包括主动电机(311)和与主动电机(311)通信的陪试电机(312)，所述主动电机(311)通过输入轴(33)与谐波减速器(1)的一侧连接，所述陪试电机(312)通过输出轴(34)与谐波减速器(1)的另一侧连接，所述输入轴(33)与谐波减速器(1)的连接或断开由进给电机(313)控制。8.根据权利要求7所述的一种谐波减速器扭转模态测试系统，其特征在于：所述数据采集设备(32)包括扭矩传感器组(321)和角度编码器组(322)，所述数据采集设备(32)分别安装在输入轴(33)和输出轴(34)。9.根据权利要求7或8所述的一种谐波减速器扭转模态测试系统，其特征在于：所述输入轴(33)上安装有制动器(35)。
技术总结本发明涉及一种谐波减速器扭转模态测试方法，步骤如下：驱动电机上电初始化，采集板卡初始化；驱动电机按指定规律回转，编码器同步采集数据；驱动电机停止运动，数据采集停止；将采集的数据做差分/降噪处理；基于PolyMAX模型对谐波减速器模态参数进行辨识；本发明通过对采集数据进行差分/降噪处理，构建实验频响函数，基于PolyMAX模型实现了对谐波减速器模态参数的辨识，方法科学，测试数据可靠；而且，本发明的测控系统性能高、集成度高和自动化程度高，测试效率高，从而为谐波减速器的性能优化和提升提供了良好的支持。和提升提供了良好的支持。和提升提供了良好的支持。
技术研发人员：杨学志 梅雪松 赵飞 巩潇 葛耀谋 梁学修
受保护的技术使用者：无锡超通智能制造技术研究院有限公司
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/7/5
