Циклоидный привод, обработанный на станке с ЧПУ, и циклоидальный привод, напечатанный на 3D-принтере – сравнение конструкции, сборки и производительности

В этой статье мы рассмотрим мою новую обновленную версию циклоидального привода, которую я сделал в предыдущем видео, с передаточным числом 19:1, и посмотрим, как она работает, изготовленная из деталей, обработанных на станке с ЧПУ, по сравнению с деталями, напечатанными на 3D-принтере.

Я объясню, как я спроектировал и собрал этот циклоидальный драйвер, а также проверю его точность и нагрузочную способность, управляя им с шаговыми двигателями NEMA17 и NEMA23.

Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменное руководство ниже.

Обзор циклоидального привода

В моем предыдущем видео я уже подробно объяснял, что такое циклоидальный привод и как он работает, поэтому я бы посоветовал посмотреть это видео, если вы не знакомы с циклоидальным приводом. Очень быстро, циклоидальный привод представляет собой уникальный тип коробки передач или редуктора скорости, который обеспечивает очень высокое передаточное число при компактной, но прочной конструкции. 

Циклоидальный привод состоит из пяти основных компонентов:высокоскоростного входного вала, эксцентрикового подшипника, двух циклоидальных дисков, зубчатого венца со штифтами и роликами и тихоходного выходного вала со штифтами и роликами.

Входной вал приводит в движение эксцентриковый подшипник, а эксцентриковый подшипник приводит в движение два диска по внутренней окружности корпуса зубчатого венца. Эксцентричное движение приводит в зацепление циклоидальных зубьев или выступов диска с роликами корпуса зубчатого венца таким образом, что они производят обратное вращение на пониженной скорости. Передаточное отношение зависит от количества штифтов на зубчатом венце.

Опять же, вы можете найти более подробное объяснение в моем предыдущем видео, а также увидеть напечатанный на 3D-принтере прототип, который я сделал для этого видео. Он имел передаточное число 15:1 и диаметр 115 мм.

Сейчас. для этой сборки я хотел увеличить передаточное число, но в то же время сделать циклоидальный драйвер более компактным. Для этого вместо использования шарикоподшипников в качестве роликов я буду использовать втулки гораздо меньшего диаметра.

Диаметр роликов на самом деле является наиболее важным размером, поскольку вместе с количеством штифтов они определяют размер редуктора. Давайте посмотрим, почему это так, объяснив процессы, которые я использовал для проектирования этого циклоидального привода. 

Проектирование циклоидального привода

Итак, сначала я определил диаметр роликов равным 8 мм, так как именно этот размер втулок я мог легко заказать. Затем я хотел иметь передаточное число 19:1, а это означало, что корпус кольца должен был иметь 20 роликов. Итак, я рисую эскиз с помощью этих 20 валиков диаметром 8 мм по окружности.

Теперь по этим двум входным данным я смог определить минимальный размер делительного диаметра зубчатого венца. Это значение вместе со значением эксцентриситета, которое должно быть меньше половины диаметра ролика, составляет четыре основных входных параметра, которые используются для создания формы циклоидальных дисков. 

Циклоидальный профиль диска происходит от циклоиды, которая представляет собой кривую, очерчиваемую точкой, когда она катится по прямой без скольжения, или, фактически, ее вариации, эпитрохоиды, которая представляет собой кривую, очерчиваемую точкой, катящейся по окружности круга и находящейся на расстоянии от центра внешнего круга.

Для рисования такой кривой 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.

Вот уравнения:

Equations by Omar Younis
N - Number of rollers
Rr - Radius of the roller
R - Radius of the rollers PCD - Pitch Circle Diameter
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))
===================
Values for this DIY Cycloidal Drive:
i = 19:1
N - 20
Rr = 8/2 = 4
R= 66/2 = 33
E = 1
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))Code language: JavaScript (javascript)

Мы можем легко создать циклоидальную форму диска, подставив два параметрических уравнения на место. Конечно, мы должны правильно использовать наши параметры в уравнениях. Что касается параметров «t», мы должны 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 + 2*1 =диаметр 10 мм.

Тем не менее, давайте сейчас построим этот циклоидальный привод и посмотрим, как он работает в реальной жизни, как с деталями, обработанными на станке с ЧПУ, так и с деталями, напечатанными на 3D-принтере.

Загрузка 3D-модели и файлов STL

Вы можете найти и загрузить 3D-модель этого циклоидального привода в виде файла STEP, а также изучить ее в своем браузере на Thangs:

Загрузите файл .STEP 3D-модели с сайта Thangs.

Что касается файлов STL, которые используются для 3D-печати деталей, их можно скачать здесь:

Здесь вы также можете скачать файлы SOLIDWORKS:

Чертежи:

Я использовал эти чертежи при заказе деталей, обработанных на станке с ЧПУ.

Заказ деталей, обработанных на станке с ЧПУ

Я заказал детали, обработанные на станке с ЧПУ, в PCBWay. Помимо услуг по производству печатных плат, они также предлагают услуги обработки с ЧПУ, 3D-печати, изготовления листового металла и литья под давлением.

Заказать запчасти очень просто. Нам просто нужно загрузить 3D-модель и выбрать материал для детали. У них есть практически любой доступный материал. Для большинства деталей я выбрал алюминий, за исключением циклоидальных дисков, которые я хотел сделать из более прочного материала, поэтому выбрал для них нержавеющую сталь.

У нас также есть возможность выбрать различные варианты отделки поверхности, такие как анодирование, шлифовка, окраска распылением и т. д., а также выбрать шероховатость и допуск поверхности. Для тех деталей, для которых мне требовались более жесткие допуски, чем стандартные, я также включил чертежи, в которых были указаны необходимые мне допуски. 

Мы можем добавить несколько деталей и запросить цену для каждой из них в одном заказе. 

Детали прибыли в расчетные сроки, хорошо упакованы, каждый предмет отдельно защищен.

Я должен сказать, что очень приятно иметь что-то, что вы разработали, изготовленное из металла. Детали выглядят великолепно и все точно так же, как и в дизайне. Обязательно посетите веб-сайт PCBWay, чтобы узнать больше об их услугах.

Тем не менее, детали для 3D-печатной версии я изготовил сам, используя материал PLA. При 3D-печати деталей важно использовать функцию горизонтального расширения отверстий в вашем программном обеспечении для нарезки.

Обычно отверстия в 3D-напечатанных деталях меньше исходного размера, поэтому с помощью этой функции мы можем компенсировать это и получить более точные размеры. Я установил для себя значение 0,07, а функцию горизонтального расширения, которая компенсирует внешние размеры деталей, — 0,02 мм. Конечно, вам следует сделать несколько тестовых распечаток, чтобы увидеть, какие значения дадут наиболее точный результат на вашем 3D-принтере.

Сборка циклоидальных приводов

Хорошо, приступим к сборке циклоидальных приводов. Вот у меня есть все части. Я начну со сборки версии, обработанной на станке с ЧПУ, а затем напечатанной на 3D-принтере.

Вот список всех компонентов, необходимых для сборки этого циклоидального привода:

• Стальной шток цилиндра 6 мм …………………..…. Amazon / Алиэкспресс
  Д=30мм х20 шт; L=22мм x6 шт. на один привод
• Втулки 8 мм ………………………………………. Amazon / Алиэкспресс
  L=20мм х20 шт; L=15мм х6 шт. на один привод
• Шарикоподшипник 35х47х7 6807-2RS – x2 …. Амазон  / Алиэкспресс
• Шарикоподшипник 17x26x5 мм 6803ZZ x2…. Амазонка / Алиэкспресс
• Резьбовые вставки …………..………. Амазон  / Алиэкспресс
• Болты M3 и M4 из местного хозяйственного магазина. Через несколько дней я пришлю полный список болтов, необходимых для этого проекта.

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

Я начал с закрепления муфты вала шагового двигателя NEMA17. Муфта вала должна находиться на расстоянии 2 мм от передней пластины двигателя, и мы можем легко закрепить ее с помощью двух установочных винтов. Затем мы можем прикрепить опорную пластину к шаговому двигателю четырьмя болтами М3.

Далее идет самая большая деталь в этом узле — корпус роликов венцовой шестерни. Здесь нам нужно установить ролики, которые в данном случае представляют собой втулки диаметром 8 мм и длиной 20 мм. Однако на момент заказа мне не удалось найти этот размер, поэтому я использую две втулки длиной 10 мм.

Шпильки, на которые установлены эти втулки, имеют диаметр 6 мм и длину 30 мм. Отверстия в нижней части корпуса имеют такие размеры, чтобы плотно прилегать к штифтам и надежно удерживать их на месте. Поэтому здесь нам нужно применить некоторую силу, чтобы их установить. Вот они, 20 роликов, что даст нам передаточное число 19:1.

Корпус зубчатого венца устанавливается поверх опорной плиты, и здесь сначала нам нужно вставить промежуточное кольцо, которое будет удерживать выходные ролики на месте. 

Далее мы можем установить эксцентриковый вал, который устанавливается на муфту вала NEMA17. На самом деле, прежде чем мы его установим, нам нужно вставить два подшипника с внутренним диаметром 17 мм и внешним диаметром 26 мм.

Видишь, все идеально подходит. Я установил допуски на посадку с натягом, чтобы подшипники прочно оставались на месте. Вот почему мне пришлось приложить некоторую силу, чтобы вставить их.

Этот узел представляет собой эксцентриковый подшипник. Затем мы можем установить два циклоидальных диска на эксцентриковый подшипник. Это также посадки с натягом, и для их установки нам нужно приложить некоторую силу. Эта посадка была еще более плотной, потому что я по ошибке заказал порошковое покрытие циклоидальных дисков, поэтому в них было немного больше материала, и допуск был неправильным. 

Тем не менее, мы также можем установить промежуточное кольцо между двумя циклоидальными дисками, чтобы удерживать их на месте в случае ослабления посадки между подшипником и дисками.

Затем мы можем вставить эту сборку в корпус целиком или по одному диску за раз. Это соответствие между циклоидальными дисками и роликами зубчатого венца имеет решающее значение, поскольку оно определяет, насколько хорошо будет работать привод. Пытаясь сделать это как можно плотнее, чтобы диск имел минимальный люфт, я столкнулся с проблемой:диск не помещался в него.

Проблема возникла из-за того, что я не сделал никакого зазора или смещения относительно циклоидального профиля диска, который я получил из параметрических уравнений, и в дополнение к этому я заказал диски с порошковым покрытием, что также увеличило их размер. Вдобавок ко всему, втулки, которые у меня были, были не такими уж хорошими и имели диаметр чуть больше 8 мм.

Итак, чтобы решить эту проблему, мне пришлось заказать новые циклоидальные диски, но я решил попробовать удалить часть материала с профиля диска с помощью вращающегося инструмента. После некоторой шлифовки мне действительно удалось вставить диск.

Конечно, это не лучшее решение, но посмотрим, как оно себя покажет. 

Тем не менее, при установке двух дисков в корпус их необходимо расположить сдвинутыми по фазе на 180 градусов.

В дисках есть отверстие, которое можно использовать для их правильного позиционирования. Нам нужно перевернуть один диск и зажечь две дырки. После установки мы можем включить двигатель и посмотреть, как циклоидальные диски работают в сочетании с эксцентриковым подшипником и роликами зубчатого венца.

Циклоидальные диски вращаются эксцентрично, противоположно входному валу, и со скоростью в 19 раз меньшей. 

Теперь это эксцентричное движение будет передаваться на выходной вал через шесть отверстий в циклоидальных дисках. Вот выходной вал. Нам необходимо закрепить шесть шпилек, на которые будут ходить втулки. Штифты имеют диаметр 6 мм и длину 22 мм. Отверстия на выходном валу имеют такие размеры, чтобы обеспечить посадку с натягом и прочно оставаться на месте при установке, поэтому для их установки необходимо приложить некоторую силу.

Закрепив штифты, мы можем вставить втулки диаметром 8 мм. Здесь нам нужны втулки длиной 15 мм, но на момент создания этого проекта я не смог найти этот размер, поэтому я использовал втулки длиной 10 мм, но для компенсации вставил несколько шайб.

На самом деле я использовал только одну шайбу вместо двух, как показано на видео. Однако включенные ссылки на все компоненты, необходимые для этого проекта, имеют правильные размеры. 

Прежде чем вставить выходной вал на место, нам необходимо вставить распорное кольцо и подшипник, который будет поддерживать как входной, так и выходной вал. Тогда мы можем просто вставить выходной вал в отверстия циклоидального диска.

На выходной вал нам нужно вставить еще одно распорное кольцо и подшипник внутренним диаметром 35 мм.

Наконец, мы можем завершить сборку, вставив сверху крышку корпуса и закрепив ее шестью болтами M6 длиной 45 мм. И всё, циклоидальный привод теперь полностью собран, мне очень нравится, как получилось.

Теперь, что касается 3D-печатной версии, мы можем выполнить ту же процедуру для ее сборки.

Еще один шаг заключается в том, что нам нужно установить несколько резьбовых вставок на выходной вал, чтобы мы могли прикрепить к нему какие-либо детали. 

Тестирование

Хорошо, теперь, когда у меня есть два циклоидальных драйвера, пришло время протестировать их и посмотреть, как они работают. Прежде чем мы увидим тесты, небольшое замечание:вес версии, обработанной на станке с ЧПУ, значительно выше, чем у версии, напечатанной на 3D-принтере.

Крутящий момент

Я начну с проверки того, какой крутящий момент могут выдать эти циклоидальные приводы. Здесь я ставлю два привода рядом и измеряю силу, которую они могут произвести на расстоянии 10 см.

Они оба создавали силу около 45 Н на расстоянии 10 см, что соответствует крутящему моменту, то есть около 450 Н см. Однако станок, обработанный на станке с ЧПУ, давал немного более высокие и более стабильные результаты.

С другой стороны, эти шаговые двигатели NEMA17 рассчитаны на 28 Нсм, что означает увеличение крутящего момента примерно в 16 раз. Это КПД около 85%, учитывая, что передаточное число составляет 19:1, а в идеальных условиях мы должны получить увеличение крутящего момента в 19 раз. 

Тем не менее, давайте посмотрим, как они будут работать, если к ним подключить шаговые двигатели NEMA23. Я спроектировал циклоидальный привод так, чтобы его можно было использовать как с двигателями NEMA17, так и с двигателями NEMA23. Однако, чтобы конструкция была максимально компактной, переход с NEMA17 на NEMA23 требует некоторой доработки.

Нам придется разобрать некоторые детали и заменить опорную пластину, чтобы она соответствовала отверстиям NEMA23. Нам также необходимо использовать другую муфту вала, поскольку у NEMA23 вал большего размера. По сути, нам просто нужно изменить эти две части и собрать все обратно. 

Я также заменил шаговый двигатель на NEMA23 в версии, напечатанной на 3D-принтере. Вот когда я разобрал драйвер, то заметил, что циклоидальные диски уже начали изнашиваться.

Мы можем заметить, что износ больше проявляется на одной стороне дисков, и я предполагаю, что это нижняя сторона деталей при 3D-печати. Это связано с тем, что первые пару слоев при 3D-печати имеют тенденцию выдавливать больше нити. 

Тем не менее, вот оба циклоидальных драйвера с самыми большими шаговыми двигателями NEMA23, которые у меня были, чтобы максимально нагрузить драйверы.

Сначала я начал тест с той же 10-сантиметровой палкой, которую уже использовал, но вскоре понял, что мне нужна более длинная, так как примерно при 25% мощности шагового двигателя я уже достиг 130 Н на расстоянии 10 см, а мой измеритель силы может измерять максимум 200 Н. Поэтому мне пришлось увеличить расстояние, на котором я измеряю силу, чтобы не превышать 200 Н. 

Я прикрепил более длинную сосновую палку и попробовал измерить силу на расстоянии 50 см. Что ж, сосновая палка сломалась при усилии около 50 Н, поскольку на самом деле это довольно слабый материал. Поэтому я заменил ее более прочной фанерной палкой и смог измерить силу на расстоянии 50 см.

Я получил показание около 60 Н, что в переводе на крутящий момент составляет около 3000 Нсм или 30 Нм крутящего момента. Это довольно впечатляюще. Просто посмотрите, насколько сильно прогибается фанера под нагрузкой.

При измерении силы на расстоянии 20 см я получил значение около 170 Н, что соответствует крутящему моменту около 34 Нм. С другой стороны, этот шаговый двигатель NEMA23 рассчитан на 2,1 Нм, поэтому я снова получил увеличение крутящего момента примерно в 16 раз, как и при тесте NEMA17. Опять же, это эффективность около 85%. 

Однако при тестировании версии, напечатанной на 3D-принтере, с шаговым двигателем NEMA23 я получил значение около 65 Нм на расстоянии 20 см.

Это крутящий момент около 13 Нм, что на самом деле значительно меньше по сравнению с крутящим моментом в 34 Нм, который я получил от версии, обработанной на станке с ЧПУ. Итак, с помощью этого теста мы действительно сможем увидеть разницу между двумя версиями. Модель, напечатанная на 3D-принтере, просто не может справиться с силами, которые может развивать этот мощный шаговый двигатель NEMA23. Даже резьбовая вставка не выдержала таких нагрузок.

Отзыв

Тем не менее, я также провел несколько тестов на точность. Мы видим, что повторяемость хорошая, как в версии, обработанной на станке с ЧПУ, так и в версии, напечатанной на 3D-принтере. Однако, приложив нагрузку, мы можем заметить, что приводы имеют некоторый люфт. Версия, обработанная на станке с ЧПУ, показала лучший результат:люфт составил около 4 мм на расстоянии около 12 см при приложении силы в обоих направлениях, тогда как версия, напечатанная на 3D-принтере, показала люфт 7 мм на расстоянии около 15 см.

Этот люфт вала, или люфт присутствует из-за того, что размеры втулок были не такими точными, а также из-за того, что я вручную шлифовал профиль циклоидальных дисков, потому что по ошибке заказал их порошковую покраску. По той же причине мы также можем заметить, насколько непостоянен этот люфт:в некоторых положениях вала люфт больше, чем в других.

Заключение

Тем не менее, мы определенно можем получить лучшие результаты, если будем использовать более качественные втулки и обработать циклоидальный профиль диска с правильными размерами и зазором. 

Конечно, точность 3D-печатной версии также можно повысить за счет более точной печати циклоидального привода. Мы можем добиться этого, поэкспериментировав с функцией горизонтального расширения при 3D-печати деталей, а для большей долговечности мы можем сделать диски более широкими и с лучшей контактной поверхностью. 

Я обязательно попробую реализовать этот тип циклоидального привода в некоторых своих будущих видео при создании некоторых робототехнических проектов. 

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