研究背景    

驅(qū)動(dòng)工程行業(yè)中的部件需要測(cè)試多種機(jī)械特性，例如，需要檢查齒輪箱的長(zhǎng)期平滑度、同步性、齒隙、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦行為和機(jī)械彈性^[1,2]。測(cè)試實(shí)驗(yàn)室通常配備各種測(cè)試臺(tái)，以便于在接近真實(shí)世界的條件下分析齒輪，確定并確保其技術(shù)特性。

WITTENSTEIN alpha是attocube母公司W(wǎng)ITTENSTEN SE的戰(zhàn)略業(yè)務(wù)部門，負(fù)責(zé)精度需求超高的機(jī)電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)和機(jī)械生產(chǎn)。WITTENSTEIN在垂直線性運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)上使用了attocube的皮米精度激光干涉儀-IDS3010。IDS3010能夠提供皮米分辨率，1MHz的數(shù)據(jù)輸出，可有效幫助測(cè)試齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)中行星齒輪箱機(jī)械參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)裝置    

試驗(yàn)臺(tái)包含沿垂直軸移動(dòng)的400 kg負(fù)載質(zhì)量。該負(fù)載與齒輪齒條系統(tǒng)相連，齒輪齒條系統(tǒng)由WITTENSTEIN alpha齒輪箱和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成。

傳統(tǒng)的玻璃標(biāo)尺在精度、靈活性和檢測(cè)高頻振動(dòng)方面十分受限，無(wú)法收集該測(cè)試臺(tái)所需的所有數(shù)據(jù)。為了更好地了解變速箱的性能，需要精度更高且易于集成到現(xiàn)有裝置中的設(shè)備。皮米精度激光干涉儀-IDS3010具有皮米級(jí)精度、緊湊的傳感器頭和模塊化設(shè)計(jì)、通過(guò)光纖傳輸激光等特性，工程師將其集成到裝置中并實(shí)現(xiàn)了快速安裝和快速對(duì)齊。在開始整合兩小時(shí)內(nèi)，使用IDS3010在整個(gè)0.747米的工作范圍內(nèi)完成了測(cè)量。圖1顯示了測(cè)試臺(tái)，包括安裝在400 kg重量上的角錐棱鏡和M12/C7.6準(zhǔn)直傳感器頭，同時(shí)以1 MHz帶寬從IDS3010讀取模擬Sin/Cos數(shù)據(jù)。

Figure 1: Test bench for mechanical load tests of a gearbox

測(cè)試結(jié)果分析    

圖2顯示了工作范圍內(nèi)幾個(gè)周期的位移數(shù)據(jù)。如下圖（a）所示，循環(huán)結(jié)果接近正弦曲線；圖（b）是運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)放大的曲線數(shù)據(jù)。高分辨率位移數(shù)據(jù)為同步和傳動(dòng)誤差的齒輪箱行為提供了新證據(jù)。探索納米級(jí)細(xì)節(jié)的能力為頻率和運(yùn)動(dòng)分析提供了新的機(jī)會(huì)。通過(guò)IDS3010和進(jìn)一步優(yōu)化，可以可視化完成行星齒輪箱中單齒的影響。此外，如圖（e）所示，兩種方法的差異表明，玻璃尺讀數(shù)提供的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差。兩個(gè)信號(hào)之間差異的周期性明顯，表明不是由于噪聲或變化造成的數(shù)據(jù)誤差，而是因?yàn)椴ＡС呔幋a器位于遠(yuǎn)離感興趣的測(cè)量點(diǎn)和玻璃刻度不精確。此外，IDS3010及其光學(xué)組件具有更明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如緊湊的傳感器頭和質(zhì)量可忽略的角錐棱鏡。

Figure 2: Displacement data of the weight moved by the gearbox. (a) shows the position of the mass that was measured with the IDS3010. (b) is a 160 000 times magnified segment of a) to show the precision of the interferometric measurement. (c) is the speed measurement of the weight movement obtained from the data of a). (d) is the same measurement as a) but with an optical linear encoder – which looks similar until one looks at the detail of the difference – as seen in plot (e).

結(jié)論  

綜上所述，IDS3010提高了測(cè)試臺(tái)的精度和分辨率。基于激光的測(cè)量和小型化組件對(duì)無(wú)限接近感興趣的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量成為可能，且不會(huì)影響整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)行為。這使得測(cè)試和開發(fā)工程師能夠確定更多無(wú)法使用玻璃尺檢測(cè)到的機(jī)械和摩擦現(xiàn)象。此外，IDS3010緊湊的設(shè)計(jì)、易于安裝和快速對(duì)準(zhǔn)的特性，允許在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的多個(gè)測(cè)試臺(tái)上靈活應(yīng)用和集成。由于IDS3010可測(cè)量長(zhǎng)達(dá)5米的工作距離，多達(dá)三個(gè)的光軸，因此干涉儀也可用于更大的測(cè)試臺(tái)。

References    

[1] R. Russo, R. Brancati, E. Rocca: “Experimental investigations about the influence of oil lubricant between teeth on the gear rattle phenomenon”, Journal of Sound and Vibration, Volume 321, Issues 3-5, 2009, Pages 647-661.

[2] Y. Chen, A. Ishibashi: “Investigation of the Noise and Vibration of Planetary Gear Drives”, GEAR TECHNOLOGY, Jan/Feb 2006.