研究背景    

驅動工程行業中的部件需要測試多種機械特性，例如，需要檢查齒輪箱的長期平滑度、同步性、齒隙、扭轉剛度、摩擦行為和機械彈性^[1,2]。測試實驗室通常配備各種測試臺，以便于在接近真實世界的條件下分析齒輪，確定并確保其技術特性。

WITTENSTEIN alpha是attocube母公司WITTENSTEN SE的戰略業務部門，負責精度需求超高的機電伺服驅動系統的開發和機械生產。WITTENSTEIN在垂直線性運動測試臺上使用了attocube的皮米精度激光干涉儀-IDS3010。IDS3010能夠提供皮米分辨率，1MHz的數據輸出，可有效幫助測試齒輪齒條傳動系統中行星齒輪箱機械參數的長期穩定性。

實驗裝置    

試驗臺包含沿垂直軸移動的400 kg負載質量。該負載與齒輪齒條系統相連，齒輪齒條系統由WITTENSTEIN alpha齒輪箱和伺服電機驅動組成。

傳統的玻璃標尺在精度、靈活性和檢測高頻振動方面十分受限，無法收集該測試臺所需的所有數據。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有裝置中的設備。皮米精度激光干涉儀-IDS3010具有皮米級精度、緊湊的傳感器頭和模塊化設計、通過光纖傳輸激光等特性，工程師將其集成到裝置中并實現了快速安裝和快速對齊。在開始整合兩小時內，使用IDS3010在整個0.747米的工作范圍內完成了測量。圖1顯示了測試臺，包括安裝在400 kg重量上的角錐棱鏡和M12/C7.6準直傳感器頭，同時以1 MHz帶寬從IDS3010讀取模擬Sin/Cos數據。

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

測試結果分析    

圖2顯示了工作范圍內幾個周期的位移數據。如下圖（a）所示，循環結果接近正弦曲線；圖（b）是運動的轉折點放大的曲線數據。高分辨率位移數據為同步和傳動誤差的齒輪箱行為提供了新證據。探索納米級細節的能力為頻率和運動分析提供了新的機會。通過IDS3010和進一步優化，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，玻璃尺讀數提供的測量數據準確性較差。兩個信號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據誤差，而是因為玻璃尺編碼器位于遠離感興趣的測量點和玻璃刻度不精確。此外，IDS3010及其光學組件具有更明顯的優點，例如緊湊的傳感器頭和質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).

結論  

綜上所述，IDS3010提高了測試臺的精度和分辨率。基于激光的測量和小型化組件對無限接近感興趣的點進行測量成為可能，且不會影響整個裝置的運動行為。這使得測試和開發工程師能夠確定更多無法使用玻璃尺檢測到的機械和摩擦現象。此外，IDS3010緊湊的設計、易于安裝和快速對準的特性，允許在一個實驗室內的多個測試臺上靈活應用和集成。由于IDS3010可測量長達5米的工作距離，多達三個的光軸，因此干涉儀也可用于更大的測試臺。

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.