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基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统及方法

阅读：686发布：2021-02-26

IPRDB可以提供基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统及方法，基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统包括：光路入射装置，光路入射装置包括：入射装置导轨；入射光源；激发滤光片；起偏镜；谐波传动装置,谐波传动装置包括：支撑台面；谐波减速器；伺服电机；磁粉制动器；光路采集装置,光路采集装置包括：采集装置导轨，采集装置导轨适于与入射装置导轨配合放置；第一波片；玻璃板；第二波片；分析镜；发射滤光片；摄像机。根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统具有使用简便、测试准确等优点。，下面是基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，其特征在于，包括：

光路入射装置，所述光路入射装置包括：

入射装置导轨；

入射光源，所述入射光源安装在所述入射装置导轨上；

激发滤光片，所述激发滤光片安装在所述入射装置导轨上；

起偏镜，所述起偏镜安装在所述入射装置导轨上；

谐波传动装置,所述谐波传动装置包括：

支撑台面，所述支撑台面适于与所述入射装置导轨配合放置；

谐波减速器，所述谐波减速器可拆卸地安装在所述支撑台面上，所述谐波减速器包括待测齿轮，所述待测齿轮的端面上涂覆有发光光弹性涂层；

伺服电机，所述伺服电机安装在所述支撑台面上且与所述谐波减速器传动连接；

磁粉制动器，所述磁粉制动器安装在所述支撑台面上且与所述谐波减速器传动连接；

光路采集装置,所述光路采集装置包括：

采集装置导轨，所述采集装置导轨适于与所述入射装置导轨配合放置；

第一波片，所述第一波片安装在所述采集装置导轨上；

玻璃板，所述玻璃板安装在所述采集装置导轨上；

第二波片，所述第二波片安装在所述采集装置导轨上；

分析镜，所述分析镜安装在所述采集装置导轨上；

发射滤光片，所述发射滤光片安装在所述采集装置导轨上；

摄像机，所述摄像机安装在所述采集装置导轨上。

2.根据权利要求1所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，其特征在于，所述入射装置导轨的长度方向沿横向定向，所述支撑台面和所述采集装置导轨的长度方向沿纵向定向且所述支撑台面和所述采集装置导轨在纵向上排列放置。

3.根据权利要求1所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，其特征在于，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜的光轴重合，所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器的中心轴线重合，所述第一波片、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机的光轴重合，所述光路采集装置的光轴经过且垂直于所述待测齿轮的端面，所述光路采集装置的光轴与所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器的中心轴线平行，所述光路入射装置的光轴和所述光路采集装置的光轴的高度相同且均经过所述玻璃板，所述光路入射装置的光轴和所述光路采集装置的光轴与所述玻璃板的法线成45°。

4.根据权利要求1所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，其特征在于，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜可滑动地设在所述入射装置导轨上，所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器固设在所述支撑台面上，所述玻璃板、所述第一波片、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机可滑动地设在所述采集装置导轨上。

5.根据权利要求4所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，其特征在于，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜分别通过多个入射装置支架可滑动地设在所述入射装置导轨上，所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器分别通过多个谐波支架固设在所述支撑台面上，所述玻璃板、所述第一波片、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机分别通过多个采集装置支架可滑动地设在所述采集装置导轨上，所述入射装置导轨上设有入射滑动凸台，所述入射滑动支架上设有入射滑槽，所述入射滑动凸台可滑动地配合在所述入射滑槽内，所述采集装置导轨上设有采集滑动凸台，所述采集装置支架上设有采集滑槽，所述采集滑动凸台可滑动地配合在所述采集滑槽内。

6.根据权利要求5所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，其特征在于，所述入射装置支架包括可滑动地配合在所述入射装置导轨上的入射滑动座、可移动地设在所述滑动座上的入射活动座和用于调节所述入射活动座在水平方向和竖直方向上的位置入射丝杠螺母，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜分别设在多个所述入射活动座上，所述采集装置支架包括可滑动地配合在所述采集装置导轨上的采集滑动座、可移动地设在所述滑动座上的采集活动座和用于调节所述采集活动座在水平方向和竖直方向上的位置的采集丝杠螺母，所述玻璃板、所述第一波片、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机分别设在多个所述采集活动座上。

7.根据权利要求1所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，其特征在于，所述分析镜可沿所述光路采集装置的光轴的轴向滑动且能够以所述光路采集装置的光轴为旋转轴线转动。

8.根据权利要求1所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，其特征在于，在所述入射装置导轨上，从远离所述采集装置导轨的一端至邻近所述采集装置导轨的一端，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜依次排列设置；

在所述支撑台面上，从远离所述采集装置导轨的一端至邻近所述采集装置导轨的一端，所述磁粉制动器、所述谐波减速器和所述伺服电机依次排列设置；

在所述采集装置导轨上，从邻近所述支撑台面的一端至远离所述支撑台面的一端，所述第一波片、所述玻璃板、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机依次排列设置。

9.根据权利要求1所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，其特征在于，所述伺服电机的电机轴与所述谐波减速器通过第一联轴器传动连接，所述谐波减速器通过第二联轴器与所述磁粉制动器传动连接。

10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统的测试方法，其特征在于，包括准备阶段和测试阶段，其中所述准备阶段包括以下步骤：制备发光光弹性涂层，通过测试获取所述发光光弹性涂层的基本物理参数；

将所述发光弹性涂层涂覆在所述待测齿轮的端面上；

调整所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器的位置，使三者的中心轴线重合；

调整所述光路采集装置导轨的位置，保证光路采集系统导轨的轴线与所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器的中心轴线平行；

调整所述第一波片、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机的位置，使其光轴重合，并保证光轴通过所述待测轮齿端面上的所述发光光弹性涂层，记录所述分析镜的初始位置；

调整所述入射装置导轨的位置，使其与所述采集装置导轨相互垂直；

调整所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜的位置，使三者的光轴重合，保证所述光路入射装置和所述光路采集装置的光轴高度相同且均经过所述玻璃板；

调整所述玻璃板的角度，使其法线与所述光路入射装置和所述光路采集装置的光轴均成45°；

所述测试阶段包括以下步骤：

设置所述伺服电机和所述磁粉制动器的参数，使所述谐波减速器在预定驱动转速和预定载荷下正常工作；

所述入射光源发出预定波长的光波，所述光波通过所述激发滤光片和所述起偏镜，经过所述玻璃板反射，再经过所述第一波片后形成圆偏振光，照射到涂有所述发光光弹性涂层的所述待测轮齿的端面上，所述发光光弹性涂层中的荧光染料受到激发并发射荧光信号，所述荧光信号经过所述第一波片、所述玻璃板、所述第二波片、所述分析镜和所述发射滤光片后通过所述摄像机进行采集，完成多个完整啮合周期的采集后关闭摄像机，对采集到的荧光信号进行处理得到不同啮合位置处的荧光信号强度图像；

将所述分析镜以所述光路采集装置的光轴为转动轴线转动10°，重新打开所述摄像机，重复上一步骤，直至所述分析镜转满180°为止，所述分析镜每转动一次，记录一次所述分析镜和所述起偏镜偏振轴方向的夹角，当采集完不同夹角下的强度图像后，对每个啮合位置的强度图像中每一个像素点对应的夹角和光强进行正弦拟合，得到该啮合位置处所述待测轮齿的端面的应力、应变分布信息，并计算出沿所述待测轮齿的啮合齿面切向的切应力，将切应力沿啮合齿面进行积分得到沿啮合齿面切向的摩擦力大小和方向，得到任意啮合位置处齿面摩擦力的大小和方向；

调节所述磁粉制动器和所述伺服电机的参数，重复上一步骤，得到所述谐波减速器在不同工况下齿面摩擦力的变化规律。

说明书全文

基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及谐波齿轮传动测试技术领域，具体而言，涉及一种基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统和所述基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系
统的测试方法。

背景技术

[0002] 谐波齿轮具有多齿啮合的特点，传动过程中啮合区域的摩擦不仅会造成能量损失，而且会导致刚度滞回，对传动性能造成极大的危害。

[0003] 为此，需要获得谐波齿轮齿面摩擦的真实变化规律，实现对谐波齿轮齿面摩擦的精确建模与补偿。

[0004] 相关技术中的谐波齿轮齿面摩擦的测试方法具有光弹性贴片的制作和粘贴过程比较复杂，光弹性贴片的厚度以及轮齿端面的加工缺陷会对测量精度造成影响，测试数据
的后处理过程比较复杂等不足。

发明内容

[0005] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，该基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩
擦力测试系统具有使用简便、测试准确等优点。

[0006] 本发明还提出一种上述基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统的测试方法。

[0007] 为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，所述基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统包
括：光路入射装置，所述光路入射装置包括：入射装置导轨；入射光源，所述入射光源安装在
所述入射装置导轨上；激发滤光片，所述激发滤光片安装在所述入射装置导轨上；起偏镜，
所述起偏镜安装在所述入射装置导轨上；谐波传动装置,所述谐波传动装置包括：支撑台
面，所述支撑台面适于与所述入射装置导轨配合放置；谐波减速器，所述谐波减速器可拆卸
地安装在所述支撑台面上，所述谐波减速器包括待测齿轮，所述待测齿轮的端面上涂覆有
发光光弹性涂层；伺服电机，所述伺服电机安装在所述支撑台面上且与所述谐波减速器传
动连接；磁粉制动器，所述磁粉制动器安装在所述支撑台面上且与所述谐波减速器传动连
接；光路采集装置,所述光路采集装置包括：采集装置导轨，所述采集装置导轨适于与所述
入射装置导轨配合放置；第一波片，所述第一波片安装在所述采集装置导轨上；玻璃板，所
述玻璃板安装在所述采集装置导轨上；第二波片，所述第二波片安装在所述采集装置导轨
上；分析镜，所述分析镜安装在所述采集装置导轨上；发射滤光片，所述发射滤光片安装在
所述采集装置导轨上；摄像机，所述摄像机安装在所述采集装置导轨上。

[0008] 根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，具有使用简便、测试准确等优点。

[0009] 另外，根据本发明上述实施例的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统还可以具有如下附加的技术特征：

[0010] 根据本发明的一个实施例，所述入射装置导轨的长度方向沿横向定向，所述支撑台面和所述采集装置导轨的长度方向沿纵向定向且所述支撑台面和所述采集装置导轨在
纵向上排列放置。这样便于实现所述基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统的
测试功能，便于所述光路入射装置、所述谐波传动装置和所述光路采集装置的设置，便于提
高所述测试系统的结构稳定性。

[0011] 可选地，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜的光轴重合，所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器的中心轴线重合，所述第一波片、所述第二波片、所
述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机的光轴重合，所述光路采集装置的光轴经过且垂
直于所述待测齿轮的端面，所述光路采集装置的光轴与所述伺服电机、所述谐波减速器和
所述磁粉制动器的中心轴线平行，所述光路入射装置的光轴和所述光路采集装置的光轴的
高度相同且均经过所述玻璃板，所述光路入射装置的光轴和所述光路采集装置的光轴与所
述玻璃板的法线成45°。这样便于从所述入射光源发出光线的光路的形成，便于所述待测齿
轮齿面摩擦力的测试。

[0012] 根据本发明的又一个实施例，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜可滑动地设在所述入射装置导轨上，所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器固设在
所述支撑台面上，所述玻璃板、所述第一波片、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片
和所述摄像机可滑动地设在所述采集装置导轨上。这样在测试时，所述入射光源、所述激发
滤光片和所述起偏镜可以随测试需要在所述入射装置导轨上滑动地调整，所述玻璃板、所
述第一波片、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机可以随测试需要在
所述采集装置导轨上滑动地调整。

[0013] 进一步地，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜分别通过多个入射装置支架可滑动地设在所述入射装置导轨上，所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动
器分别通过多个谐波支架固设在所述支撑台面上，所述玻璃板、所述第一波片、所述第二波
片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机分别通过多个采集装置支架可滑动地设在
所述采集装置导轨上，所述入射装置导轨上设有入射滑动凸台，所述入射滑动支架上设有
入射滑槽，所述入射滑动凸台可滑动地配合在所述入射滑槽内，所述采集装置导轨上设有
采集滑动凸台，所述采集装置支架上设有采集滑槽，所述采集滑动凸台可滑动地配合在所
述采集滑槽内。这样可以利用所述入射滑动凸台、所述入射滑槽和所述采集滑动凸台、所述
采集滑槽，分别对所述光路入射装置和所述光路采集装置的各部件进行定位和导向，便于
所述光路入射装置和所述光路采集装置的各部件的顺畅运动。

[0014] 更进一步地，所述入射装置支架包括可滑动地配合在所述入射装置导轨上的入射滑动座、可移动地设在所述滑动座上的入射活动座和用于调节所述入射活动座在水平方向
和竖直方向上的位置入射丝杠螺母，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜分别设
在多个所述入射活动座上，所述采集装置支架包括可滑动地配合在所述采集装置导轨上的
采集滑动座、可移动地设在所述滑动座上的采集活动座和用于调节所述采集活动座在水平
方向和竖直方向上的位置的采集丝杠螺母，所述玻璃板、所述第一波片、所述第二波片、所
述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机分别设在多个所述采集活动座上。这样可以利用
所述入射丝杠螺母和所述采集丝杠螺母进行微调，提高所述基于光弹性涂层法的谐波齿轮
齿面摩擦力测试系统的测量精度和准确性。

[0015] 根据本发明的再一个实施例，所述分析镜可沿所述光路采集装置的光轴的轴向滑动且能够以所述光路采集装置的光轴为旋转轴线转动。这样在测试时可以得到所述分析镜
和所述起偏镜之间不同的夹角，便于得到所述分析镜和所述起偏镜之间不同夹角的测试结
果。

[0016] 可选地，在所述入射装置导轨上，从远离所述采集装置导轨的一端至邻近所述采集装置导轨的一端，所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜依次排列设置；在所述支
撑台面上，从远离所述采集装置导轨的一端至邻近所述采集装置导轨的一端，所述磁粉制
动器、所述谐波减速器和所述伺服电机依次排列设置；在所述采集装置导轨上，从邻近所述
支撑台面的一端至远离所述支撑台面的一端，所述第一波片、所述玻璃板、所述第二波片、
所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机依次排列设置。这样便于基于光弹性涂层法的
所述谐波齿轮齿面摩擦力测试系统各结构的设置，进一步便于保证所述测试系统测试的准
确性。

[0017] 根据本发明的另一个实施例，所述伺服电机的电机轴与所述谐波减速器通过第一联轴器传动连接，所述谐波减速器通过第二联轴器与所述磁粉制动器传动连接。这样可以
将所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器传动连接，避免三者之间发生相对转
动，便于提高所述谐波传动装置的传动效率。

[0018] 根据本发明的第二方面的实施例提出一种根据本发明的第一方面的实施例所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统的测试方法。

[0019] 所述测试方法包括准备阶段和测试阶段，其中所述准备阶段包括以下步骤：

[0020] 制备发光光弹性涂层，通过测试获取所述发光光弹性涂层的基本物理参数；

[0021] 将所述发光弹性涂层涂覆在所述待测齿轮的端面上；

[0022] 调整所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器的位置，使三者的中心轴线重合；

[0023] 调整所述光路采集装置导轨的位置，保证光路采集系统导轨的轴线与所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器的中心轴线平行；

[0024] 调整所述第一波片、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机的位置，使其光轴重合，并保证光轴通过所述待测轮齿端面上的所述发光光弹性涂层，记录所
述分析镜的初始位置；

[0025] 调整所述入射装置导轨的位置，使其与所述采集装置导轨相互垂直；

[0026] 调整所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜的位置，使三者的光轴重合，保证所述光路入射装置和所述光路采集装置的光轴高度相同且均经过所述玻璃板；

[0027] 调整所述玻璃板的角度，使其法线与所述光路入射装置和所述光路采集装置的光轴均成45°；

[0028] 所述测试阶段包括以下步骤：

[0029] 设置所述伺服电机和所述磁粉制动器的参数，使所述谐波减速器在预定驱动转速和预定载荷下正常工作；

[0030] 所述入射光源发出预定波长的光波，所述光波通过所述激发滤光片和所述起偏镜，经过所述玻璃板反射，再经过所述第一波片后形成圆偏振光，照射到涂有所述发光光弹
性涂层的所述待测轮齿的端面上，所述发光光弹性涂层中的荧光染料受到激发并发射荧光
信号，所述荧光信号经过所述第一波片、所述玻璃板、所述第二波片、所述分析镜和所述发
射滤光片后通过所述摄像机进行采集，完成多个完整啮合周期的采集后关闭摄像机，对采
集到的荧光信号进行处理得到不同啮合位置处的荧光信号强度图像；

[0031] 将所述分析镜以所述光路采集装置的光轴为转动轴线转动10°，重新打开所述摄像机，重复上一步骤，直至所述分析镜转满180°为止，所述分析镜每转动一次，记录一次所
述分析镜和所述起偏镜偏振轴方向的夹角，当采集完不同夹角下的强度图像后，对每个啮
合位置的强度图像中每一个像素点对应的夹角和光强进行正弦拟合，得到该啮合位置处所
述待测轮齿的端面的应力、应变分布信息，并计算出沿所述待测轮齿的啮合齿面切向的切
应力，将切应力沿啮合齿面进行积分得到沿啮合齿面切向的摩擦力大小和方向，得到任意
啮合位置处齿面摩擦力的大小和方向；

[0032] 调节所述磁粉制动器和所述伺服电机的参数，重复上一步骤，得到所述谐波减速器在不同工况下齿面摩擦力的变化规律。

[0033] 根据本发明实施例的测试方法，通过利用根据本发明的第一方面的实施例所述的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统，具有使用简便、测试准确等优点。

[0034] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0035] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0036] 图1是根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统的结构示意图。

[0037] 图2是根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统光路入射装置的结构示意图。

[0038] 图3是根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统光路入射装置的局部结构示意图。

[0039] 图4是根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统谐波传动装置的结构示意图。

[0040] 图5是根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统的待测齿轮221的结构示意图。

[0041] 图6是根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统光路采集装置的结构示意图。

[0042] 图7是根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统光路采集装置的局部结构示意图。

[0043] 附图标记：基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1、光路入射装置100、入射装置导轨110、入射滑动凸台111、入射光源120、激发滤光片130、起偏镜140、入射
装置支架150、入射滑槽151、入射滑动座152、入射活动座153、入射丝杠螺母154、谐波传动
装置200、支撑台面210、谐波减速器220、待测齿轮221、发光光弹性涂层2211、伺服电机230、
磁粉制动器240、谐波支架250、光路采集装置300、采集装置导轨310、采集滑动凸台311、第
一波片320、玻璃板330、第二波片340、分析镜350、发射滤光片360、摄像机370、采集装置支
架380、采集滑槽381、采集滑动座382、采集活动座383、采集丝杠螺母384、第一联轴器400、
第二联轴器500。

具体实施方式

[0044] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0045] 下面参考附图描述根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1。

[0046] 如图1-图7所示，根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1包括光路入射装置100、谐波传动装置200和光路采集装置300。

[0047] 光路入射装置100包括入射装置导轨110、入射光源120、激发滤光片130和起偏镜140。入射光源120安装在入射装置导轨110上。激发滤光片130安装在入射装置导轨110上。
起偏镜140安装在入射装置导轨110上。谐波传动装置200包括支撑台面210、谐波减速器
220、伺服电机230和磁粉制动器240。支撑台面210适于与入射装置导轨110配合放置。谐波
减速器220可拆卸地安装在支撑台面210上，谐波减速器220包括待测齿轮221，待测齿轮221
的端面上涂覆有发光光弹性涂层2211(LPC)。伺服电机230安装在支撑台面210上且与谐波
减速器220传动连接。磁粉制动器240安装在支撑台面210上且与谐波减速器220传动连接。
光路采集装置300包括采集装置导轨310、第一波片320、玻璃板330、第二波片340、分析镜
350、发射滤光片360和摄像机370。采集装置导轨310适于与入射装置导轨110配合放置。第
一波片320安装在采集装置导轨310上。玻璃板330安装在采集装置导轨310上。第二波片340
安装在采集装置导轨310上。分析镜350安装在采集装置导轨310上。发射滤光片360安装在
采集装置导轨310上。摄像机370安装在采集装置导轨310上。

[0048] 具体而言，“支撑台面210适于与入射装置导轨110配合放置”、“采集装置导轨310适于与入射装置导轨110配合放置”并非指连接安装，而是在测试时放置在设计位置并随测
试需要调整。

[0049] 相关技术中光弹性贴片的制作和粘贴过程比较复杂。首先要手工制作与啮合轮齿端面外形相一致的光弹性贴片，其次要对待测轮齿端面进行清理并在光弹性贴片的粘贴处
制作反光层，最后要选用合适的粘结剂将制作好的光弹性贴片粘贴在待测轮齿端面上，上
述操作过程对实验人员的要求较高，且需要耗费较长的时间；光弹性贴片的厚度以及轮齿
端面的加工缺陷会对测量精度造成影响。由于光弹性贴片的厚度较大(通常大于1mm)，导致
基底加强效应较为显著，易引起较大的测量误差。此外，由于实验中需要采集的光弹条纹是
由待测轮齿端面的反射光干涉而产生的，待测轮齿端面的加工缺陷会降低所得条纹图像的
对比度和信噪比；实验数据的后处理过程比较复杂。光弹性贴片上通常会采集到多条干涉
条纹，且干涉条纹的级数并不相同，必须先进行多条纹计数以及复杂的位相去包裹，才能进
一步计算待测轮齿端面的应力、应变分布情况。

[0050] 根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1，通过在待测齿轮的端面上涂覆发光光弹性涂层2211，与使用光弹性贴片的相关技术相比，由于
光弹性贴片的制作和粘贴过程比较复杂，操作过程对测试人员的要求较高，且需要耗费较
长的时间。由于本发明的测试系统1采用喷涂设备在待测轮齿221的端面上直接制作发光光
弹性涂层2211，这样能够简化测试人员的操作，缩短测试前期的准备时间，并且整个操作过
程对实验人员的经验与技巧要求不高，便于测试人员的使用，提高测试人员的工作效率，提
高测试人员的使用体验。

[0051] 并且，通过在待测齿轮的端面上涂覆发光光弹性涂层2211，与使用光弹性贴片的相关技术相比，由于光弹性贴片的厚度以及轮齿端面的加工缺陷会对测量精度造成影响，
易引起较大的测量误差，会降低所得条纹图像的对比度和信噪比。由于本发明的基于光弹
性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1采用的发光光弹性涂层2211的厚度较薄(通常
小于500μm)且采用多次喷涂的制作方法，这样基底加强效应以及涂层中的残余应力可以近
似忽略，从而能够实现测试系统1准确且高效的测试，提高测试系统1的测试准确性。此外，
由于激发滤光片130只允许特定波长的发射光波通过，采集到的光强图像中不会含其他波
长的成分，从而提高了光强图像的对比度和信噪比。

[0052] 此外，在待测齿轮的端面上涂覆发光光弹性涂层2211的方法与使用光弹性贴片的相关技术相比，使用光弹性贴片的相关技术的测试数据后处理过程比较复杂。由于本发明
的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1通过对实验采集到的光强图像进行
信号处理来计算待测轮齿221端面的应力、应变分布情况，而不需要进行现有测试方法中多
条纹计数和位相去包裹的过程，这样可以减化测试数据后处理过程，节省处理测试数据的
时间，提高测试数据的处理效率。进一步地，测试系统1具有多种测试功能且应用范围较广，
通过调节磁粉制动器240和伺服电机230的参数，可以实现不同负载和驱动转速下谐波齿轮
齿面摩擦的测试，通过更换或调整谐波支架250的位置，能够适用于多种不同型号的谐波减
速器220。

[0053] 因此，根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1具有使用简便、测试准确等优点。

[0054] 下面参考附图描述根据本发明具体实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1。

[0055] 在本发明的一些具体实施例中，如图1-图7所示，根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1包括光路入射装置100、谐波传动装置200和光路
采集装置300。

[0056] 根据本发明的一个实施例，如图1所示，入射装置导轨110的长度方向沿横向定向(横向方向如图1和图2所示)，支撑台面210和采集装置导轨310的长度方向沿纵向定向且支
撑台面210和采集装置导轨310在纵向上排列放置(纵向方向如图1、图4和图6所示)。这样便
于实现基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1的测试功能，便于光路入射装
置100、谐波传动装置200和光路采集装置300的设置，便于提高测试系统1的结构稳定性。

[0057] 可选地，如图1、图2、图4和图6所示，入射光源120、激发滤光片130和起偏镜140的光轴重合，伺服电机230、谐波减速器220和磁粉制动器240的中心轴线重合，第一波片320、
第二波片340、分析镜350、发射滤光片360和摄像机370的光轴重合，光路采集装置300的光
轴经过且垂直于待测齿轮221的端面，光路采集装置300的光轴与伺服电机230、谐波减速器
220和磁粉制动器240的中心轴线平行，光路入射装置100的光轴和光路采集装置300的光轴
的高度相同且均经过玻璃板330，光路入射装置100的光轴和光路采集装置300的光轴与玻
璃板330的法线成45°。这样便于从入射光源120发出光线的光路的形成，便于待测齿轮221
齿面摩擦力的测试。

[0058] 具体地，如图1、图2、图4和图6所示，入射光源120、激发滤光片130和起偏镜140可滑动地设在入射装置导轨110上，伺服电机230、谐波减速器220和磁粉制动器240固设在支
撑台面210上，玻璃板330、第一波片320、第二波片340、分析镜350、发射滤光片360和摄像机
370可滑动地设在采集装置导轨310上。这样在测试时，入射光源120、激发滤光片130和起偏
镜140可以随测试需要在入射装置导轨110上滑动地调整，玻璃板330、第一波片320、第二波
片340、分析镜350、发射滤光片360和摄像机370可以随测试需要在采集装置导轨310上滑动
地调整，便于基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1灵活地调整，避免测试系
统1不同结构之间相互影响，便于提高测试系统1测试的可靠性。

[0059] 更为具体地，如图3、图4和图7所示，入射光源120、激发滤光片130和起偏镜140分别通过多个入射装置支架150可滑动地设在入射装置导轨110上，伺服电机230、谐波减速器
220和磁粉制动器240分别通过多个谐波支架250固设在支撑台面210上，玻璃板330、第一波
片320、第二波片340、分析镜350、发射滤光片360和摄像机370分别通过多个采集装置支架
380可滑动地设在采集装置导轨310上，入射装置导轨110上设有入射滑动凸台111，入射滑
动支架150上设有入射滑槽151，入射滑动凸台111可滑动地配合在入射滑槽151内，采集装
置导轨310上设有采集滑动凸台311，采集装置支架380上设有采集滑槽381，采集滑动凸台
311可滑动地配合在采集滑槽381内。这样可以利用入射滑动凸台111、入射滑槽151和采集
滑动凸台311、采集滑槽381，分别对光路入射装置100和光路采集装置300的各部件进行定
位和导向，便于光路入射装置100和光路采集装置300的各部件的顺畅运动，保证基于光弹
性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1测试的准确性。

[0060] 进一步地，如图3和图7所示，入射装置支架150包括可滑动地配合在入射装置导轨110上的入射滑动座152、可移动地设在滑动座上的入射活动座153和用于调节入射活动座
153在水平方向和竖直方向上位置的入射丝杠螺母154(上下方向如图1-图7中的箭头A所
示)，入射光源120、激发滤光片130和起偏镜140分别设在多个入射活动座153上，采集装置
支架380包括可滑动地配合在采集装置导轨310上的采集滑动座382、可移动地设在滑动座
382上的采集活动座383和用于调节采集活动座383在水平方向和竖直方向上的位置的采集
丝杠螺母384，玻璃板330、第一波片320、第二波片340、分析镜350、发射滤光片360和摄像机
370分别设在多个所述采集活动座383上。这样可以利用入射丝杠螺母154和采集丝杠螺母
384进行微调，提高基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1的测量精度和准确
性。

[0061] 图1-图7示出了根据本发明一个具体示例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1。如图6所示，分析镜350可沿光路采集装置300的光轴的轴向滑动且能够以
光路采集装置300的光轴为旋转轴线转动。这样在测试时可以得到分析镜350和起偏镜140
之间不同的夹角，便于得到分析镜350和起偏镜140之间不同夹角的测试结果，便于提高测
试系统1的测试性能。

[0062] 可选地，如图1所示，在入射装置导轨110上，从远离采集装置导轨310的一端至邻近采集装置导轨310的一端，入射光源120、激发滤光片130和起偏镜140依次排列设置；在支
撑台面210上，从远离采集装置导轨310的一端至邻近采集装置导轨310的一端，磁粉制动器
240、谐波减速器220和伺服电机230依次排列设置；在采集装置导轨310上，从邻近支撑台面
210的一端至远离支撑台面210的一端，第一波片320、玻璃板330、第二波片340、分析镜350、
发射滤光片360和摄像机370依次排列设置。这样便于基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩
擦力测试系统1内各结构的设置，进一步便于保证测试系统1测试的准确性。

[0063] 具体地，如图4所示，伺服电机230的电机轴与谐波减速器220通过第一联轴器400传动连接，谐波减速器220通过第二联轴器500与磁粉制动器240传动连接。这样可以将伺服
电机230、谐波减速器220和磁粉制动器240传动连接，避免三者之间发生相对转动，便于提
高谐波传动装置200的传动效率，保证伺服电机230、谐波减速器220和磁粉制动器240转动
的可靠性。

[0064] 下面描述根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统的测试方法，所述基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统为根据本发明上述
实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮传动齿面摩擦力测试系统1。所述测试方法包括准
备阶段和测试阶段，其中所述准备阶段包括以下步骤：

[0065] 制备发光光弹性涂层，通过测试获取所述发光光弹性涂层的基本物理参数；

[0066] 将所述发光弹性涂层涂覆在所述待测齿轮的端面上；

[0067] 调整所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器的位置，使三者的中心轴线重合；

[0068] 调整所述光路采集装置导轨的位置，保证光路采集系统导轨的轴线与所述伺服电机、所述谐波减速器和所述磁粉制动器的中心轴线平行；

[0069] 调整所述第一波片、所述第二波片、所述分析镜、所述发射滤光片和所述摄像机的位置，使其光轴重合，并保证光轴通过所述待测轮齿端面上的所述发光光弹性涂层，记录所
述分析镜的初始位置；

[0070] 调整所述入射装置导轨的位置，使其与所述采集装置导轨相互垂直；

[0071] 调整所述入射光源、所述激发滤光片和所述起偏镜的位置，使三者的光轴重合，保证所述光路入射装置和所述光路采集装置的光轴高度相同且均经过所述玻璃板；

[0072] 调整所述玻璃板的角度，使其法线与所述光路入射装置和所述光路采集装置的光轴均成45°；

[0073] 所述测试阶段包括以下步骤：

[0074] 设置所述伺服电机和所述磁粉制动器的参数，使所述谐波减速器在预定驱动转速和预定载荷下正常工作；

[0075] 所述入射光源发出预定波长的光波，所述光波通过所述激发滤光片和所述起偏镜，经过所述玻璃板反射，再经过所述第一波片后形成圆偏振光，照射到涂有所述发光光弹
性涂层的所述待测轮齿的端面上，所述发光光弹性涂层中的荧光染料受到激发并发射荧光
信号，所述荧光信号经过所述第一波片、所述玻璃板、所述第二波片、所述分析镜和所述发
射滤光片后通过所述摄像机进行采集，完成多个完整啮合周期的采集后关闭摄像机，对采
集到的荧光信号进行处理得到不同啮合位置处的荧光信号强度图像；

[0076] 将所述分析镜以所述光路采集装置的光轴为转动轴线转动10°，重新打开所述摄像机，重复上一步骤，直至所述分析镜转满180°为止，所述分析镜每转动一次，记录一次所
述分析镜和所述起偏镜偏振轴方向的夹角，当采集完不同夹角下的强度图像后，对每个啮
合位置的强度图像中每一个像素点对应的夹角和光强进行正弦拟合，得到该啮合位置处所
述待测轮齿的端面的应力、应变分布信息，并计算出沿所述待测轮齿的啮合齿面切向的切
应力，将切应力沿啮合齿面进行积分得到沿啮合齿面切向的摩擦力大小和方向，得到任意
啮合位置处齿面摩擦力的大小和方向；

[0077] 调节所述磁粉制动器和所述伺服电机的参数，重复上一步骤，得到所述谐波减速器在不同工况下齿面摩擦力的变化规律。

[0078] 根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦测试方法，具有使用简便、测试准确等优点。

[0079] 根据本发明实施例的基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

[0080] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限
定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的
描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0081] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0082] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结
构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的
示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特
点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0083] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。

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摩擦力测量方法-专利编号CN103528738B	2020-05-12	745
摩擦力测量方法-专利编号CN103528738A	2020-05-12	579
无摩擦力线夹-专利编号CN104934358A	2020-05-11	629
可变摩擦力轮胎-专利编号CN103987544A	2020-05-13	254
摩擦力仪-专利编号CN102466530B	2020-05-11	506
摩擦力实验装置-专利编号CN103310686A	2020-05-13	114
摩擦力测力机-专利编号CN110487460A	2020-05-12	207
摩擦力演示仪-专利编号CN108335587A	2020-05-13	116
摩擦力显微镜-专利编号CN102721834B	2020-05-11	105
摩擦力仪-专利编号CN102466530A	2020-05-11	458

基于光弹性涂层法的谐波齿轮齿面摩擦力测试系统及方法

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