Сравнение гармонических и циклоидальных приводов:крутящий момент, точность и долговечность

В этой статье мы выясним, что лучше:гармонический привод, напечатанный на 3D-принтере, или циклоидальный привод, напечатанный на 3D-принтере. Вот эти два редуктора, которые я сделал, имеют одинаковый размер и передаточное число 25:1. Я сравню их в нескольких категориях, измерю их эффективность или выходной крутящий момент, измерю их точность или люфт и посмотрю, насколько они долговечны.

Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменное руководство ниже.

Я объясню, как я спроектировал и собрал их оба, а также дам вам несколько полезных советов и рекомендаций по их 3D-печати, покажу, что может пойти не так и что мы можем улучшить, чтобы сделать их лучше, — вещи, которые я узнал, создавая несколько из них.

Собственно, это мое 4-е видео, рассказывающее об этих редукторах, и почему так? Что ж, эти коробки передач — хороший выбор для робототехники, и в будущих видеороликах я планирую создать несколько роботов, в которых будут использоваться коробки передач этого типа. 

Обзор принципов работы

На моем канале уже есть специальные видеоролики, подробно объясняющие, что такое и как работают гармонический и циклоидальный привод, а также как их проектировать, поэтому я бы посоветовал просмотреть эти руководства для более подробной информации.

Очень быстро:как гармонический, так и циклоидальный привод представляют собой уникальный тип редукторов или редукторов скорости, которые обеспечивают очень высокое передаточное число при компактной, но прочной конструкции. Принцип их работы схож:входной вал приводит в движение деталь неправильной формы, генератор волн в случае гармонического привода и эксцентриковый подшипник в случае циклоидального привода.

Затем, с помощью еще нескольких уникальных деталей, которые есть в каждой коробке передач, они способны генерировать мощность со значительно более низкими скоростями в очень небольшом пространстве. 

Передаточное отношение гармонического привода всегда составляет половину числа зубьев гибкого шлица. Если нам нужен коэффициент уменьшения 25:1, нам нужно 50 зубьев на гибкой шлице и 52 зубца на круглой шлице.

С другой стороны, передаточное отношение циклоидального привода всегда на единицу меньше числа штифтов на коронной шестерне, или для передаточного отношения 25:1 нам нужно 26 штифтов на коронной шестерне. 

Опять же, как я уже упоминал, вы можете посмотреть мои специальные видеоролики для подробного объяснения того, как работают эти приводы.

Проектирование

Хорошо, теперь позвольте мне показать вам, как я сконструировал две коробки передач для этого видео.

Итак, моей целью было сделать их одинакового размера и с одинаковым коэффициентом уменьшения, чтобы я мог легко сравнивать их друг с другом. Я хотел иметь передаточное число 25:1 и сделать коробки передач как можно меньше.

Циклоидальная конструкция привода

Базовым и первым входным параметром при проектировании этих редукторов был размер штифтов, которые у меня были для роликов циклоидальной ведущей коронной шестерни. У меня были штифты диаметром 6 мм, которые я планировал вставить во втулки диаметром 8 мм, чтобы обеспечить более плавную работу. Итак, я рисую эскиз с 26 роликами и втулками диаметром 8 мм.

Теперь в соответствии с этими двумя входными параметрами я мог бы определить минимальный размер делительного диаметра зубчатого венца, который в конечном итоге определяет размер коробки передач. Диаметр корпуса должен был составлять 95 мм, чтобы вместить все 26 втулок, и иметь достаточную толщину стенок для нескольких болтов М4 для сборки всей коробки передач. 

Для создания циклоидальной формы диска нам нужен еще один входной параметр — значение эксцентриситета, которое должно быть меньше половины диаметра штифта.

Чтобы нарисовать уникальную форму диска, мы можем использовать следующие параметрические уравнения, которые можно найти в документе, написанном Омаром Юнисом для образовательного блога SOLIDWORKS.

Теперь я покажу вам, как я использовал эти параметрические уравнения для создания циклоидальных дисков с помощью SOLIDWORKS и его инструмента Equation Driven Curve.

— Спонсируемый раздел —

"Следует отметить, что эти ведущие в отрасли инструменты проектирования профессионального уровня теперь доступны всем производителям по удивительно низкой цене - всего 99 долларов США в год или 9,99 долларов США в месяц. Правильно, 3D ОПЫТ SOLIDWORKS for Makers отлично подходит для всех, кто изучает эту профессию, создает проекты своими руками и многое другое.

В это предложение входит 3D ОПЫТ SOLIDWORKS Professional, самого востребованного инструмента САПР в рамках предложения, который запускается локально на вашем ПК. Вы можете хранить файлы локально или в облаке с помощью 3D. Платформа ОПЫТА.

«xDesign», САПР на основе браузера, вы можете использовать его с 3D ОЗНАКОМЬТЕСЬ С SOLIDWORKS или самостоятельно. Он отлично подходит для моделирования в любом месте, в любое время и на любом устройстве. 

«xShape», САПР произвольной формы на базе браузера, которую легко использовать для моделирования поверхностей на любом устройстве.

"Visualize Connected" позволяет легко создавать изображения фотографического качества, анимацию, интерактивный веб-контент и многое другое, чтобы произвести впечатление на свою аудиторию.

«Программист цеха с ЧПУ», CAM для интеллектуальных стратегий обработки для 3-осевого фрезерования и электроэрозионной обработки в простом в использовании пакете. 

Нажмите на ссылку ниже, и вы получите специальную скидку 20% — так что вы можете начать зарабатывать с лучшим уже сегодня! Большое спасибо SOLIDWORKS за спонсорство и поддержку подобного образовательного контента. 

Купить сейчас: http://www.solidworks.com/makers20

Узнайте больше: https://discover.solidworks.com/3dexperience-solidworks-makers

— Вернуться к теме —

Возвращаясь к теме, мы можем легко создать циклоидальную форму диска, вставив два параметрических уравнения на место. Конечно, мы должны правильно использовать наши параметры в уравнениях.

Вот уравнения:

Equations by Omar Younis
N - Number of rollers
Rr - Radius of the roller
R - Radius of the rollers PCD (Pitch Circle Diamater)
E - Eccentricity - offset from input shaft to a cycloidal disk
x = (R*cos(t))-(Rr*cos(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))-(E*cos(N*t))
y = (-R*sin(t))+(Rr*sin(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))+(E*sin(N*t))
i = 25:1
N - 26
Rr = 6/2 = 3
R= 72/2 = 36
E = 0.75
x = (36*cos(t))-(3*cos(t+arctan(sin((1-26)*t)/((36/(0.75*26))-cos((1-26)*t)))))-(0.75*cos(26*t))
y = (-36*sin(t))+(3*sin(t+arctan(sin((1-26)*t)/((36/(0.75*26))-cos((1-26)*t)))))+(0.75*sin(26*t))Code language: JavaScript (javascript)

Что касается параметров «t», нам следует использовать значения от 0 до 2*Pi. Однако следует отметить, что для построения кривой нам нужно использовать значение немного меньшее, чем 2*Pi. Это создаст кривую с небольшим зазором, которую можно легко соединить сплайном.

Тогда можно просто выдавить профиль и сделать отверстия для эксцентрикового подшипника и выходных штифтов. Диаметр этих выходных отверстий равен диаметру штифтовых роликов + двукратный эксцентриситет. В данном случае это 8 +0,75*2 =диаметр 9,5 мм. 

Итак, циклоидальный диск вместе с эксцентриковым подшипником и роликами зубчатого венца являются важнейшими деталями коробки передач, а остальные детали сконструированы вокруг них.

Конструкция коробки передач зависит от многих факторов, таких как тип двигателя, способ привода входного вала, какие подшипники у нас есть для работы, применение самой коробки передач и так далее. 

Дизайн гармонического привода

Тем не менее, давайте теперь посмотрим на гармонический драйв. Как я уже упоминал, идея заключалась в том, чтобы обе коробки передач имели одинаковый размер, чего мне удалось добиться с точки зрения диаметра коробки передач, но длина должна была быть немного больше, чтобы вместить гибкий шлиец.

Здесь у нас есть гибкий сплайн, который является уникальной деталью, поскольку он должен быть гибким на открытом конце, но жестким внизу или на выходе.

Если мы попытаемся сделать чашку короче, чтобы она соответствовала размеру длины циклоидального редуктора, это не будет работать должным образом, поскольку мы используем материал PLA, который не обладает достаточной гибкостью, и его жестяная стенка легко сломается.  

Для проектирования гибкого шлица я использовал SOLIDWORKS Toolbox для создания прямозубой шестерни с 50 зубьями. Я выбрал модуль 1,5, который дал мне размер, подходящий для циклоидальной коробки передач. Я сохранил его как отдельный файл детали, а затем начал его модифицировать. Я сделал стенку чашки 1,25 мм, а общую длину чашки 30 мм.

Что касается кругового сплайна, я использовал тот же метод. На этот раз с помощью SOLIDWORKS Toolbox я создал внутреннюю прямозубую шестерню с 52 зубьями, а затем модифицировал ее в соответствии с остальной конструкцией моей коробки передач. Я сделал небольшой зазор в 0,1 мм внутри шестерни, чтобы быть уверенным, что шестерни войдут в зацепление, потому что получить очень точные детали, напечатанные на 3D-принтере, немного сложно. 

Затем для третьего ключевого компонента гармонического привода, генератора волн, я рисую эллипс, главная ось которого на 3,2 мм больше диаметра внутренней стенки гибкого шлица, а малая ось на 3,2 мм меньше.

Теперь по этому эллипсу я расположил по 3 подшипника с каждой стороны от главной оси, чтобы добиться более плавной деформации гибкого шлица. В имеющихся в продаже гармонических приводах здесь используют специальный гибкий шарикоподшипник, но они дорогие и их трудно найти.

Остальная часть гармонического привода была разработана в соответствии с этими тремя ключевыми компонентами.

Загрузка 3D-модели и файлов STL

Вы можете скачать 3D-модели этих гармонических и циклоидальных приводов, а также файлы STL, необходимые для производства, ниже:

Файлы SOLIDWORKS:

STL-файлы:

3D-печать

При 3D-печати, чтобы получить точные размеры деталей, нам необходимо иметь правильные настройки в нашем программном обеспечении для нарезки. Наиболее важными настройками для получения отпечатков с точными размерами являются настройки «Горизонтальное расширение» и «Горизонтальное расширение отверстия».

Если мы оставим эти настройки по умолчанию, внешние размеры отпечатков, а также отверстия обычно будут меньше, чем у исходной модели. Я установил горизонтальное расширение на 0,02 мм, а горизонтальное расширение отверстия — на 0,04 мм. Конечно, вам следует сделать несколько тестовых распечаток, чтобы увидеть, какие значения дадут вам наилучшие результаты на вашем 3D-принтере. 

Однако для некоторых частей я использовал разные значения этих настроек. Например, для гибкого сплайна и циклоидальных дисков я использовал значения –0,01 и –0,02 мм для настройки горизонтального расширения. Таким образом, мы будем уверены, что отпечаток будет определенно меньше оригинала, поскольку эти детали должны иметь зазор, чтобы иметь возможность двигаться.

Сборка

Итак, все детали у меня готовы, и я приступил к сборке коробки передач.

Чтобы не перегружать это видео, я проведу вас через процесс сборки немного быстрее, чем обычно. Я лишь укажу на важные аспекты.

Узел циклоидального привода

Вот список всех компонентов, необходимых для сборки циклоидального привода:

• Стальной шток цилиндра 6 мм…………. Amazon  / Алиэкспресс
  Д=30мм х26 шт; L=22мм x6 шт. на один привод
• Втулки 8 мм ………………………………………. Amazon  / Алиэкспресс
  Д=20мм х26 шт; L=15мм х6 шт. на один привод
• Шарикоподшипник 35x47x7 мм 6807 — x2 …… Amazon  / Алиэкспресс
• Шарикоподшипник 17x26x5 мм 6803 x2 ……… Amazon  / Алиэкспресс
• Шарикоподшипник 15x24x5 мм 6802 — x2 ….. Amazon  / Алиэкспресс
• Вставки резьбовые М4х5мм ………….……. Амазон  / Алиэкспресс
• Болты и гайки M3 и M4 ........................ Amazon  / Алиэкспресс
  Перечень болтов:М3х8мм – 8шт, М3х25мм – 3шт; М4х10мм – 4шт; М4х35мм – 6шт.

Раскрытие информации:это партнерские ссылки. Как сотрудник Amazon, я зарабатываю на соответствующих покупках.

При сборке циклоидального привода самое главное — убедиться, что мы расположили два циклоидальных диска со сдвигом по фазе на 180 градусов. 

Я сделал на дисках небольшое отверстие, которое может нам в этом помочь. Нам следует расположить отверстия на 180 градусов друг от друга, или, если мы перевернем диски, мы можем просто совместить два отверстия, и это даст нам смещение по фазе на 180 градусов.  

Вот как выглядят два циклоидальных диска в сочетании с выходным валом в собранном виде.

На эксцентриковый вал мы можем прикрепить и закрепить любую муфту первичного вала с помощью трехболтов М3. В данном случае я разместил один для шагового двигателя NEMA 17.

Однако здесь можно отметить, что крепление этих болтов может быть немного неаккуратным, поскольку отверстия на эксцентриковом подшипнике маленькие, поэтому болты могут врезаться в них и иметь плотную посадку, чтобы избежать люфта отсюда. Вероятно, это не лучшее решение, но оно сработает. 

Поместив этот узел в коробку передач, мы сможем увидеть магию циклоидального привода и то, как он работает.

На данный момент кажется, что все работает довольно гладко. 

При установке крышки на место необходимо убедиться, что втулки совмещены со штифтами, а также с шестью отверстиями, которые используются для их фиксации на месте.

Наконец, мы можем прикрепить шаговый двигатель NEMA17 с помощью этого монтажного кронштейна. Конечно, мы можем заменить муфту входного вала и монтажный кронштейн на любой другой двигатель.

И вот оно. Посмотреть, насколько плавно это работает, можно на видео. Выходной вал вращается в противоположном направлении в 25 раз медленнее, чем входной.

Гармонический привод

Хорошо, теперь следующий гармонический драйв. Сборка гармонического привода выполняется немного быстрее, поскольку в нем меньше деталей по сравнению с циклоидальным приводом.

Вот список всех компонентов, необходимых для сборки циклоидального привода:

• Шарикоподшипник 35x47x7 мм 6807 — x1 …… Amazon  / Алиэкспресс
• Шарикоподшипник 15x24x5 мм 6802 — x1 ….. Amazon  / Алиэкспресс
• Шарикоподшипник 12x21x5 мм 6802 — x1 ….. Amazon  / Алиэкспресс
• Вставки резьбовые М4х5мм ………….……. Амазон  / Алиэкспресс
• Болты и гайки M3 и M4 ........................ Amazon  / Алиэкспресс
  Список болтов:будет обновлен в ближайшее время.

Раскрытие информации:это партнерские ссылки. Как сотрудник Amazon, я зарабатываю на соответствующих покупках.

Выходной вал крепится к гибкому шлицу, который затем вставляется в круглый шлиец.

Генератор волн состоит из двух секций, которые необходимо скрепить четырьмя болтами М3. Я спроектировал его таким образом, чтобы он имел опору с обеих сторон коробки передач с помощью подшипников.

Подшипники генератора волн, которые катятся внутри и деформируют гибкую шлицу, имеют внутренний диаметр 6 мм и внешний диаметр 13 мм. Я закрепил их на месте с помощью болтов с потайной головкой М3 и шайб М4. Причина в том, чтобы максимально сэкономить место. 

Затем я вставил генератор волн в гибкий шпонку, немного сжав.

На самом деле, гораздо проще сначала поместить генератор волн в гибкий сплайн, а затем поместить эти два в круговой сплайн. На этом этапе мы можем увидеть, как это работает, перемещая генератор волн вручную, хотя мы можем заметить, что движение немного прерывистое, и мы поймем, почему, чуть позже.  

Я нанес немного смазки на зацепление шестерен, что немного улучшило движение.

Картер коробки передач комплектуется вставкой крышки с задней стороны и ее креплением шестью болтами М4. Затем нам просто нужно прикрепить нужную муфту входного вала, и в данном случае это снова для шагового двигателя NEMA 17.

Наконец, я прикрепил и закрепил шаговый двигатель NEMA 17 с помощью монтажного кронштейна, и на этом гармонический привод был завершен.

Итак, выходной вал вращается в 25 раз медленнее входного в противоположном направлении, но по сравнению с циклоидальным диском движение не кажется таким плавным.

Устранение неполадок

По сравнению с циклоидальным диском движение гармонического привода не кажется таким плавным. На самом деле этому есть несколько причин, и сейчас я вам их покажу. Первая причина в том, что гибкий шлиц уже сломан.

Стенку чашки просто залужить, чтобы выдержать такую ​​деформацию. Проблема здесь не только в том, что стенка слишком жестяная, но и в том, что чашка слишком мала, чтобы выдержать такую ​​деформацию. Если бы чашка была немного больше, как это было в конструкции из моего другого видео с гармоническим драйвом, она могла бы упруго деформироваться гораздо лучше.

Длина гибкого шлица еще более важна для достижения лучших результатов. Однако здесь я пытался сделать две коробки передач одинакового размера, поэтому продолжал пытаться заставить их работать вот так. 

Я попробовал напечатать его на 3D-принтере с использованием другой нити и на этот раз с увеличенной толщиной стенок на 3 линии, но снова быстро не получилось. 

Вторая проблема заключалась в том, что генератор волн не имел правильного контакта с гибким шлицем. Здесь мы можем заметить, что верхний подшипник вообще не касается гибкой шлицы, контактируют только два других.

Итак, я модифицировал генератор волн, чтобы он имел только один подшипник, и это улучшило движение.

Еще одна проблема заключалась в том, что внутренняя поверхность гибкой шлица, где контактировал подшипник, была не такой гладкой. Это из-за жестяной стенки, а также из-за того, что при 3D-печати за зубцами гибкой шлицы проходила только одна линия стенки, и из-за этого поверхность не была гладкой.

За счет увеличения толщины стенки для размещения еще одной линии стены при 3D-печати поверхность стала намного более гладкой. Итак, здесь я использую толщину стены в 4 линии или толщину 1,6 мм, и движение было улучшено. 

Однако была еще одна проблема. В моем программном обеспечении для нарезки для выравнивания шва по Z я использовал параметр «Указывается пользователем», что означало, что начальная точка каждого пути находилась в одном и том же месте, и это приводило к тому, что на поверхности детали появлялся еще один заметный выступ.

Чтобы этого избежать, я установил для параметра «Выравнивание по Z-шву» значение «Случайное», и я снова получил более гладкую поверхность и лучшее движение.

Гармонический и циклоидальный – сравнение

Хорошо, а теперь давайте сравним эти две коробки передач друг с другом с точки зрения точности, эффективности и долговечности. 

Отзыв

Здесь слева находится гармонический привод, а справа – циклоидальный. Повторяемость циклоидального привода довольно хорошая, но как только мы приложим нагрузку, мы увидим люфт.

На расстоянии 15 см при приложении силы в обоих направлениях люфт составил около 6,5 мм. 

С другой стороны, гармонический привод имел такую же хорошую повторяемость, как и циклоидальный привод. Однако при приложении силы в обоих направлениях люфт оказался больше:люфт составил 8 мм на расстоянии 15 см.

Если мы наблюдаем люфт в неподвижном положении и при приложении лишь небольшого усилия, то гармонический привод показывал несколько лучшие результаты. Здесь такое ощущение, что люфта вообще нет, потому что даже при малейшем прикосновении выход оказывал некоторое сопротивление. С другой стороны, на циклоидальном приводе полный свободный ход выходного вала составлял около 2 мм на том же расстоянии 15 см.  

Однако при приложении немного большей силы циклоидальный привод показал немного лучшие результаты или люфт 5,5 мм, тогда как гармонический привод показал люфт до 7 мм.

Крутящий момент

Хорошо, давайте теперь посмотрим на выходной крутящий момент. Вот первая попытка циклоидального движения и взрыва. 22Н на расстоянии 15мм и что-то просто сломалось.

Я снял крышку, а там сломался выходной вал. Сейчас я напечатал новый из белого PLA с более высокой плотностью заполнения и более высокой температурой, чтобы сделать деталь прочнее.

Итак, при следующем заезде ничего не сломалось и на дистанции 15см выкачался 32Н, а это крутящий момент 4,8Нм.

По сравнению с крутящим моментом, который обеспечивает шаговый двигатель NEMA17 без редуктора, около 2 Н на расстоянии 15 см или крутящим моментом 0,3 Нм, это увеличение примерно в 16 раз. Это КПД около 65%, поскольку передаточное отношение составляет 25:1, и в идеальных условиях мы должны получить увеличение крутящего момента в 25 раз, но мы получили увеличение только в 16 раз. 

Гармонический привод дал точно такой же результат — 32 Н на расстоянии 15 см или 4,8 Нм крутящего момента. Опять же, это тот же КПД около 65%. Для меня это было некоторым сюрпризом, поскольку я ожидал, что гармонический привод будет даже менее эффективным, чем циклоидальный. 

Итак, поскольку крутящий момент NEMA17 достиг максимума в 4,8 Нм, я заменил его на один большой шаговый двигатель NEMA23, заменив входной вал и монтажный кронштейн.

Только эта штука имеет крутящий момент 3 Нм. Сначала я пытался проверить его с помощью той же деревянной палки длиной 15 см, но он просто сломался при крутящем моменте 80 Н или 12 Нм. 

Я заменил его более прочной фанерной палкой и измерил силу 30 Н на расстоянии 50 см. Это крутящий момент 15 Нм, что всего в 5 раз выше, чем 3 Нм, которые создает сам шаговый двигатель.

Здесь не шаговый двигатель вышел из строя, а циклоидный привод начал проскакивать. Заглянув внутрь, выяснилось, что циклоидальный диск сломался в месте соприкосновения с эксцентриковым подшипником.

Я напечатал новые диски с 4 линиями стенок, увеличил плотность заполнения и снова протестировал их. Теперь циклоидальный привод достиг силы 43 Н на расстоянии 0,5 м, или это около 4,4 кг на расстоянии полметра или крутящего момента 21,5 Нм.

Он снова начал скакать и появился тонна люфтов, а это значит, что в нем очередной сбой. Заглянув внутрь, обнаружилась деформация формы циклоидальных дисков.

Это будет максимальный крутящий момент, который может выдержать этот циклоидальный привод. Хотя это увеличение крутящего момента всего в 7 раз, я думаю, что это все равно впечатляет, поскольку это действительно большие нагрузки, учитывая, что это 3D-печать и такая коробка передач для торговых центров. 

С другой стороны, гармонический привод у шагового двигателя NEMA23 сразу вышел из строя. Гармонический привод просто не может справиться с таким крутящим моментом, как циклоидальный привод. Стенки с гибкими шлицами слишком жестяные, а материал PLA слишком слабый. 

Что касается долговечности, то здесь то же самое. Циклоидальный привод может работать намного дольше, чем гармонический.

Конечно, здесь речь идет о накопителях, напечатанных на 3D-принтере. 

Заключение

Итак, каков мой окончательный вердикт:что лучше:напечатанный на 3D-принтере гармонический привод или напечатанный на 3D-принтере циклоидальный привод? 

Ну, ответ самый непопулярный, это зависит от ситуации. Я имею в виду, что, учитывая результаты этих конкретных драйвов, я бы выбрал пик циклоидального драйва. Он обеспечивает больший крутящий момент, более надежен и долговечен. Конечно, есть возможность улучшить люфт, если мы сделаем циклоидальные диски еще более точными.

С другой стороны, гармонический привод может быть определенно лучше по люфтам, но проблема в долговечности гибких шлицев. Я имею в виду, что он справлялся с шаговыми нагрузками NEMA17 так же, как и с циклоидальным приводом, и это было нормально. Однако для повышения долговечности нам понадобится другая конструкция гибкого шлица, более крупная и длинная, а это значит, что гармонический привод потеряет некоторые баллы по компактности.

Другой материал для 3D-печати также поможет. Например, последний гибкий сплайн, который я сделал, был в порядке только до следующего дня, когда результат стал еще более прерывистым. Я понял, что гибкая шлица PLA претерпела пластическую деформацию, просто простоя всю ночь в одном положении.

Дайте мне знать, каков ваш опыт работы с гармоническими и циклоидальными приводами в разделе комментариев.

Надеюсь, вам понравился этот урок и вы узнали что-то новое. Не стесняйтесь задавать любые вопросы в разделе комментариев ниже.