CNC-обработка vs 3D-печать циклоидального привода: проектирование, сборка и сравнение характеристик

Обзор циклоидального привода

Обновлённая версия предыдущего циклоидального привода с передаточным числом 19:1. Сравниваю версию из CNC-деталей (алюминий, нержавейка) и 3D-печатанную (PLA). Тестирую точность и грузоподъёмность на NEMA 17 и NEMA 23.

Кратко: циклоидальный редуктор — компактный высокопередаточный. 5 узлов: входной вал, эксцентриковый подшипник, два циклоидальных диска, кольцевое колесо со штифтами/втулками, выходной вал со штифтами/втулками. Эксцентрик вращает диски по внутренней окружности кольца — зацепление долей зубьев даёт обратный вращение с замедлением. Отношение = число штифтов кольца – 1.

Прошлый прототип: 15:1, 115 мм диаметр. Сейчас: выше отношение, компактнее — вместо шарикоподшипников роликов использую втулки малого диаметра (8 мм). Диаметр роликов — ключевой параметр, вместе с их числом задаёт размер коробки.

Проектирование

Ролики 8 мм (втулки, легко заказать). 19:1 → 20 штифтов кольца. Набросок 20 роликов 8 мм на окружности → минимальный PCD (шаг круга). Эксцентриситет < Rr/2 = 4 мм. Четыре главных параметра для профиля диска.

Профиль — эпициклоида. Уравнения Омара Юниса (SOLIDWORKS Education), инструмент Equation Driven Curve.

Параметры: i=19:1, N=20, Rr=4 мм, R=33 мм, E=1 мм.

x = (33*cos(t))-(4*cos(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))-(1*cos(20*t))
y = (-33*sin(t))+(4*sin(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))+(1*sin(20*t))

t: 0 → 2π (чуть меньше для зазора, замыкаем сплайном). Выдавливаем, отверстия: эксцентрик + выходные штифты D = 8 + 2×1 = 10 мм.

3D-модели и файлы

• STEP-файл на Thangs (просмотр в браузере, скачивание)
• STL для 3D-печати
• SOLIDWORKS-файлы
• Чертежи (использовал для заказа CNC)

Заказ CNC-деталей у PCBWay

PCBWay — не только платы, но и CNC, 3D-печать, листовой металл, литьё. Загрузка модели, выбор материала (алюминий для большинства, нержавейка для дисков — прочнее). Поверхностная обработка (анодирование, шлифовка, покраска), шероховатость, допуски. Для критических деталей прикладывал чертежи с допусками. Несколько деталей в одном заказе. Пришли вовремя, упаковано идеально. Приятно держать в руках своё металлическое изделие. Подробнее на сайте PCBWay.

3D-печатная версия: PLA. Важно — Hole Horizontal Expansion в слайсере (обычно отверстия меньше модели). Мой Hole Expansion 0.07, Horizontal Expansion 0.02 мм. Подбирайте тестами.

Сборка приводов

Начинаю с CNC-версии, потом 3D-печатная (процедура идентична).

Комплектующие (на один привод)

• Штифты 6 мм: L=30 мм ×20 (кольцо), L=22 мм ×6 (выход)
• Втулки 8 мм: L=20 мм ×20, L=15 мм ×6
• Подшипники 6807 (35×47×7) ×2, 6803 (17×26×5) ×2
• Резьбовые вставки, болты/гайки M3/M4 (полный список будет позже)

Сборка CNC-версии

1. Муфта на NEMA 17 (отступ 2 мм от фланца, 2 зажимных винта). Базовая пластина на мотор (4 болта M3).
2. Корпус кольца: вставляем 20 втулок 8×20 мм (заказал 2×10 мм) на штифты 6×30 мм. Отверстия в корпусе — с натяжкой (interference fit), нужно усилие.
3. Корпус на базу. Сначала дистанционное кольцо для выходных роликов.
4. Эксцентриковый вал: подшипники 6803 (17×26) — посадка с натяжкой (interference), вставил с усилием. Это и есть эксцентриковый подшипник.
5. Два циклоидальных диска на эксцентрик — тоже interference fit. Были порошково покрыты по ошибке — слой краски добавил толщину, не влезли. Дистанционное кольцо между дисками (на случай ослабления посадки).
6. Проблема: диски не влезли в кольцо. Причины: нет клиренса (offset) в профиле уравнений + порошковое покрытие + втулки чуть >8 мм. Решил: заказал новые диски, а тут сшиб профиль дискови дремелем. Не идеально, но работает.
7. Диски 180° по фазе: перевернуть один, совместить метки-отверстия.
8. Выходной вал: 6 штифтов 6×22 мм (interference fit, вставляем с усилием). Втулки 8×15 мм (заказал 10 мм + шайбы-компенсаторы).
9. Дистанционное кольцо + подшипник 6807 (опора входного и выходного валов) → выходной вал в отверстия дисков.
10. Ещё дистанционное кольцо + подшипник 6807 на выходе. Крышка корпуса, 6 болтов M6×45 мм. Готово. Выглядит отлично.

3D-печатная версия: та же процедура + резьбовые вставки в выходной вал для крепления нагрузки.

Тестирование

CNC-версия заметно тяжелее.

Крутящий момент

Оба привода: ~45 Н на 10 см = 450 Н·см. CNC — чуть выше и стабильнее. NEMA 17 = 28 Н·см → прирост 16× → КПД ~85% (идеал 19×).

На NEMA 23: конструкция позволяет смену мотора (база + муфта). При разборке 3D-версии — виден износ дисков (больше на нижней стороне печати — слоистый напор первых слоёв).

Оба с NEMA 23 (макс. мощные у меня). 10 см палка — на 25% мощности уже 130 Н (предел силомера 200 Н). Удлинил плечо до 50 см. Сосновая палка сломалась на 50 Н. Фанерная выдержала.

• CNC: 60 Н на 50 см = 30 Н·м. На 20 см — 170 Н = 34 Н·м. NEMA 23 = 2.1 Н·м → прирост 16×, КПД 85%.
• 3D-печатный: 65 Н на 20 см = 13 Н·м. Значительно меньше. 3D-печать не тянет силы NEMA 23. Даже резьбовые вставки вырвались.

Люфт

Повторяемость хороша у обоих. Под нагрузкой:
CNC: ~4 мм игра на 12 см (сила в обе стороны).
3D-печатный: ~7 мм на 15 см.
Причина: неточные втулки + ручная шлифовка дисков (порошковое покрытие) → неравномерный зазор, люфт скачет по позициям.

Заключение

С качественными втулками и правильно обработанными дисками (с клиренсом) результаты будут лучше. 3D-печать можно улучшить: эксперименты с Horizontal Expansion, диски шире для большей контактной площади.

Буду использовать этот тип привода в будущих робототехнических проектах.