Что такое циклоидальный привод и как его сделать самому на 3D-принтере


В этом уроке мы узнаем, что такое циклоидальный привод, как он работает, объясним, как создать собственную модель подобного привода и распечатать ее на 3D-принтере, чтобы мы могли увидеть ее вживую и лучше понять, как она работает.

Что такое циклоидальный привод и как он работает

Что такое циклоидальный привод?

Циклоидальный привод — это уникальный тип редуктора, который обеспечивает очень высокий передаточный коэффициент при компактной, но прочной конструкции. По сравнению с обычными зубчатыми передачами, такими как прямозубые и планетарные, он может достигать гораздо более высоких передаточных чисел — до 10 раз на том же пространстве или ступени. Кроме того, он отличается практически нулевым люфтом, повышенной грузоподъемностью, жесткостью и высоким КПД до 90%. Эти свойства делают циклоидальные приводы подходящими для многих приложений, где важны точность позиционирования и производительность, таких как робототехника, станки, производственное оборудование и т. д.

Давайте теперь посмотрим, что внутри и как работает циклоидальный привод. Циклоидальный привод состоит из пяти основных компонентов: высокоскоростного входного вала (high-speed input shaft), эксцентрикового подшипника (eccentric bearing) или циклоидального кулачка (cycloidal cam), двух циклоидальных дисков (cycloidal disks) или толкателей кулачка(cam followers), кольцевой шестерни со штифтами и роликами (ring gear with pins and rollers) и тихоходного выходного вала (slow speed output shaft) со штифтами и роликами.

Компоненты циклоидального привода

Входной вал приводит в движение эксцентриковый подшипник, а эксцентриковый подшипник приводит в движение циклоидальные диски по внутренней окружности корпуса зубчатого венца. Эксцентричное движение заставляет зубья или кулачки циклоидальных дисков входить в зацепление с роликами корпуса зубчатого венца таким образом, что они производят обратное вращение на пониженной скорости.

Циклоидальный привод в собранном виде

Далее мы можем присмотреться поближе и увидеть, что эксцентриковый подшипник на самом деле прижимает циклоидальный диск к роликам зубчатого венца.

Принцип работы циклоидального привода

Из-за уникальной формы диска и его положения относительно роликов зубчатого венца мы видим, что по мере продвижения эксцентрикового подшипника кулачки диска перед вращением не смогут пройти или перепрыгнуть следующий ролик зубчатого венца, но вместо этого он будет скользить или катиться назад. Именно такое поведение на самом деле и вызывает обратное вращение дисков. 

В целом на диске на один циклоидальный выступ меньше по сравнению с количеством штифтов на корпусе зубчатого венца. Это приводит к тому, что за один полный оборот эксцентрикового подшипника циклоидальный диск перемещается только на расстояние одного лепестка. Отсюда мы видим, что передаточное число зависит исключительно от количества пальцев зубчатого венца.

Например, у нас есть 12 штифтов на коронной шестерне, что означает 11 лепестков на циклоидальном диске, и это соотношение 11:1, что означает в 11 раз более медленную выходную скорость. Размер дисков, роликов зубчатого венца или эксцентрикового подшипника совершенно не влияют на передаточное число.

Формула для расчета коэффициента передачи циклоидального привода

Пониженное вращение передается на цапфы выходного вала через отверстия в циклоидальных дисках.

Принцип передачи пониженного вращения на цапфы выходного вала

Имеется два циклоидальных диска, сдвинутых по фазе на 180 градусов, чтобы компенсировать силы дисбаланса, вызванные эксцентриковым движением, и обеспечить более плавную работу на более высоких скоростях.  

Название «Циклоидальный привод» происходит от профиля диска, который, в свою очередь, происходит от циклоиды, но подробнее об этом в следующем разделе, где мы спроектируем собственный циклоидальный привод.

Как спроектировать циклоидальный привод

Итак, теперь, когда мы знаем, как работает циклоидальный привод, мы можем перейти к разработке нашей собственной модели подобного привода, которую мы сможем распечатать на 3D-принтере. Если мы попытаемся напечатать этот демонстрационный пример на 3D-принтере, это может сработать, но мы быстро потерпим неудачу, поскольку материал для 3D-печати недостаточно прочен, чтобы выдерживать силы и трение, возникающие в коробке передач.

3D-модель циклоидального привода

Важнейшими деталями являются ролики, которые обычно представляют собой втулки, что является отличным вариантом, если материал изготовлен из металла, но вместо материала PLA нам придется использовать шарикоподшипники.

Имея это в виду, я разработал циклоидальный привод, в котором для роликов используются шарикоподшипники.

Наглядное представление 3D-модели циклоидального привода

При проектировании циклоидального привода есть четыре основных входных параметра, которые определяют его размер и форму циклоидальных дисков, а именно: радиус зубчатого венца, радиус его роликов, количество этих роликов и эксцентриситет.

Входные параметры для проектирования циклоидального привода

3D модель циклоидального привода своими руками

Вот циклоидальный привод, который я спроектировал с помощью SOLIDWORKS и в котором для роликов используются шарикоподшипники.

Спроектированная 3D-модель циклоидального привода, пригодная для 3D-печати

Вы можете найти и скачать эту 3D-модель в виде файла STEP, а также изучить ее в своем браузере на Thangs:

3D модель циклоидального привода на сервисе Thangs

Вы можете скачать файл .STEP 3D-модели с сайта Thangs.

Что касается файлов STL, которые используются для 3D-печати деталей, их можно скачать по следующей ссылке: STL-файлы циклоидального привода.

Проектирование

Первое, что я определил, это то, что мне нужно передаточное число для этой коробки передач 15:1, а это означало, что мне нужно 16 роликов зубчатого венца. Итак, я рисую эскиз в SOLIDWORKS с 16 роликами по кругу.

Эскиз циклоидального привода в SOLIDWORKS

Тогда я решил использовать подшипники для роликов с внешним диаметром 13 мм. Теперь по этим двум параметрам я смог определить, какого размера должен быть диаметр зубчатого венца. Я поставил 90 мм. Значение эксцентриситета должно быть меньше половины диаметра ролика, я выбрал значение 1,5 мм. 

Теперь, когда у нас есть четыре основных входных параметра, мы можем нарисовать форму или профиль циклоидального диска. Как я уже упоминал, профиль диска происходит от циклоиды, которая представляет собой кривую, очерченную точкой на окружности, когда она катится по прямой линии без скольжения, или ее вариации, эпициклоиды, которая прослеживается при катании по окружности круга.

Есть еще один вариант, называемый эпитрохоидой, где точка трассировки находится на расстоянии от центра внешнего круга, и на этом фактически основан циклоидальный профиль диска. 

Профиль циклоидального привода, основанный на эпитрохоиде

Чтобы нарисовать такую ​​кривую, мы можем использовать эти параметрические уравнения, но в них можно включить и другие параметры, такие как диаметр ролика и эксцентриситет. Это немного усложняет ситуацию, но, к счастью, Омаром Юнисом был написан отличный документ для блога SOLIDWORKS Education, где он объединяет все эти параметры в единые параметрические уравнения X и Y.

X и Y параметры для расчета профиля циклоидального привода

Вот эти уравнения:

Теперь, чтобы создать профиль, мы можем просто использовать инструмент SOLIDWORKS Equations Driven Curve, вставить два уравнения соответствующим образом, и это создаст циклоидальный профиль диска. Конечно, во входные параметры нам следует вставить наши значения.

Созданный циклоидальный профиль диска

Также обратите внимание, что кривая не будет создана, если параметры «t» находятся в диапазоне от 0 до 2*pi или 360 градусов. Итак, нам нужно установить параметр t2 немного меньше 2*pi, а затем сгенерировать кривую с небольшим зазором, который мы можем соединить с помощью простого сплайна. 

Теперь, когда мы определили основные параметры нашего циклоидального привода, осталось только найти технические решения того, как все будет подключено. Опять же, учитывая, что мы используем не такой прочный материал для 3D-печати, я спроектировал валы роликов с поддержкой с обеих сторон, а также входной и выходной валы.

Модель входного вала циклоидального привода

Входной вал состоит из нескольких секций и поддерживается двумя подшипниками внутри выходного вала. Выходной вал также поддерживается двумя подшипниками внутри корпуса.

Итак, подводя итог работе этой коробки передач, крутящий момент от двигателя передается на эксцентриковый входной вал, который приводит во вращение циклоидальные диски вокруг зубчатого кольца.

Принцип передачи вращения в нашей модели циклоидального привода

Производится реверсивное движение, которое передается на выходной вал через ролики выходного вала. И всё, теперь давайте распечатаем это на 3D-принтере и посмотрим, как оно работает в реальной жизни.

3D-печать

При 3D-печати деталей важно использовать функцию горизонтального расширения отверстий в вашем программном обеспечении для нарезки.

Использование функции горизонтального расширения отверстий в программном обеспечении для 3D-печати

Обычно отверстия в 3D-напечатанных деталях меньше исходного размера, поэтому с помощью этой функции мы можем скомпоновать их и получить точные размеры, что очень важно для этих деталей. Я установил для себя значение 0,07 мм, а также функцию горизонтального расширения, которая компенсирует внешние размеры деталей, до 0,02 мм. Конечно, вам следует сделать несколько тестовых распечаток, чтобы увидеть, какие значения дадут вам наилучшие результаты на вашем 3D-принтере. 

Сборка циклоидальной коробки передач

Итак, вот все детали, напечатанные на 3D-принтере, а также подшипники и болты, необходимые для сборки циклоидального привода.

Детали для сборки циклоидальной коробки передач

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

  • Подшипник шариковый 6х13х5мм 686-2RS — x44
  • Шарикоподшипник 15х24х5 6802-2RS — x4
  • Шарикоподшипник 35х47х7 6807-2RS — x2
  • Стальной стержень 6х35 мм
  • Резьбовые вставки
  • Болты M3 и M4

Сборку я начал со вставки штифтов зубчатого венца в корпус. Эти штифты подходят для роликов или подшипников зубчатого венца, но их диаметр составляет всего 6 мм. Я не был уверен, достаточно ли они прочны, чтобы не сломаться под нагрузкой циклоидального диска.

Вставка штифтов зубчатого венца в корпус

Поэтому я сделал их полыми и вставил в них металлические стержни толщиной 3 мм, которые у меня валялись. Таким образом, штифты наверняка будут достаточно прочными. Конечно, для этого есть более разумные решения. Например, вместо этого мы могли бы использовать болты М6, но что мне не нравится, так это то, что болты М6 немного меньше 6 мм, поэтому подшипник будет раскачиваться. В идеале здесь мы могли бы использовать подходящие стержни диаметром 6 мм, которые на самом деле легко купить даже с таким конкретным размером 35 мм.

После того, как мы разместим все штифты на месте, мы можем вставить подшипники в следующем порядке: дистанционное кольцо диаметром 7 мм, подшипник, затем дистанционное кольцо диаметром 3 мм, подшипник и еще одно дистанционное кольцо диаметром 7 мм.

Вставка необходимых подшипников

Циклоидальный привод теперь должен поместиться в эту коронную шестерню, которую мы создали, и если мы попытаемся переместить диск, вращая его эксцентрическим движением, толкая в стороны во время вращения, диск должен начать вращаться в обратном направлении. 

Далее мы можем собрать входной вал, который состоит из четырех секций. В каждую секцию нам нужно разместить подшипник и несколько распорных колец, а из-за эксцентриситета мы не сможем это сделать, если вал не будет выполнен из секций.

Сборка входного вала

Для соединения секций я использую два болта М3, которые проходят сквозь все секции. Здесь можно отметить, что отверстия под эти болты М3 сделаны немного меньше, чем под болты М3, чтобы болт делал в них резьбу и имел более плотную посадку. 

Вот как вал должен выглядеть в собранном виде, но на самом деле мне пришлось вставить циклоидальные диски, а теперь я не смог этого сделать. Итак, я разобрал его и собрал снова со вставленным диском.

Входной вал с циклоидальными дисками

Далее я продолжил сборку выходного вала. Здесь нам нужно установить выходные ролики или подшипники, и мы делаем это аналогично тому, как показано для роликов зубчатого венца. Необходим штифт диаметром 6 мм с подшипниками диаметром 13 мм и дистанционными кольцами, вставленный в болты М3 длиной 20 мм.

Сборка выходного вала

При вставке выходных роликов через отверстия циклоидального диска важно расположить два диска относительно друг друга со сдвигом по фазе на 180 градусов. Чтобы помочь в этом, я сделал небольшие отверстия на обоих дисках, сдвинутые по фазе на 180 градусов, так что нам просто нужно совместить их, и мы готовы вставить ролики.

Два циклоидальных диска, сдвинутые по фазе на 180 градусов

Обратите внимание, что это немного туговато, но если размеры отверстий точны, мы сможем выполнить посадку.

Сборка циклоидального привода

Теперь мы можем прикрепить эти штифты к другому фланцу на другой стороне, но для этого сначала нам нужно установить во фланец несколько резьбовых вставок. Я использую эти резьбовые вставки, чтобы вся сборка была более компактной.

Завершение сборки выходного вала

Итак, как только входной и выходной вал собраны вместе, мы можем установить всю эту сборку в корпус через подшипник с внешним диаметром 47 мм.

Установка выходного вала в корпус

Затем мы можем установить еще один такой же подшипник в передней части вала и вставить крышку корпуса на место. Это также плотная посадка, поскольку все 16 контактов должны войти в пазы крышки корпуса, поэтому нам придется приложить небольшое усилие, чтобы вставить их.

Вставка всех механизмов циклоидального привода в корпус

На задней стороне корпуса я установил несколько резьбовых вставок М4, а затем закрепил крышку и корпус вместе болтами М4 диаметром 40 мм.

Прикрепление крышки к корпусу с помощью болтов М4 диаметром 40 мм

Вот и все! Если честно, просто взгляните на эту красоту. Мне очень нравится, как получился этот циклоидальный редуктор: чистый дизайн, из которого ничего не выскакивает.

Циклоидальный привод в собранном виде

Тестирование циклоидального привода

Тем не менее, теперь давайте прикрепим к нему мотор и посмотрим, как он будет работать. С задней стороны первичного вала я установил еще несколько резьбовых вставок, чтобы мы могли легко прикрепить различные муфты вала.

Установка нескольких резьбовых вставок в наш циклоидальный привод

Для тестирования коробки передач я буду использовать шаговый двигатель NEMA 17, поэтому прикрепил к входному валу подходящую напечатанную на 3D-принтере муфту вала. Я прикрепил шаговый двигатель к монтажному кронштейну, напечатанному на 3D-принтере, вставил вал двигателя в муфту и прикрепил монтажный кронштейн к корпусу.

Установка на циклоидальный привод шагового двигателя NEMA 17

И последнее, что нужно сделать, это установить несколько резьбовых вставок в передней части выходного вала, чтобы мы могли прикрепить к нему какие-либо детали. Вот окончательный вид этого циклоидального привода в сочетании с шаговым двигателем NEMA 17, но, конечно, здесь мы можем использовать любой другой тип двигателя.

Собранный циклоидальный привод с установленным шаговым двигателем NEMA 17

И вот оно. Честно говоря, я был очень удивлен, насколько плавной оказалась работа этой коробки передач. Спереди мы видим, как входной и выходной вал вращаются одновременно, в противоположном направлении и с разницей скоростей 15:1. 

Мне также удалось запустить коробку передач без передней крышки, и мы можем увидеть все, что объяснялось ранее, в действии.

Вид циклоидального привода без передней крышки

Движение просто завораживает. 

В конце я провел несколько тестов, чтобы проверить работу коробки передач. Еще одна вещь, на которую следует обратить внимание, это то, что этот циклоидальный привод также имеет обратный ход, что может быть полезно для некоторых приложений.

Итак, здесь я измеряю силу, которую может создать этот редуктор на расстоянии 10 см. Я получил показание около 26 Н, что в переводе на крутящий момент составляет около 260 Нсм, а этот шаговый двигатель NEMA 17 длиной всего 34 мм рассчитан на 26 Нсм.

Проверка крутящего момента собранной конструкции

Это означает, что при использовании циклоидального привода крутящий момент увеличивается примерно в 10 раз. Это КПД около 66%, учитывая, что передаточное число составляет 15:1, а в идеальных условиях мы должны были бы получить увеличение крутящего момента в 15 раз. Тем не менее, это по-прежнему отличный результат, учитывая, что все напечатано на бюджетном 3D-принтере, а детали не имеют такой точности, как на некоторых профессиональных принтерах или станках с ЧПУ в случае цельнометаллического редуктора. 

Я также провел несколько тестов на точность, которые также показали хорошие результаты.

Проведение теста на точность собранного циклоидального привода

Эту коробку передач вы можете использовать в своих робототехнических проектах.

Видео, демонстрирующее работу проекта

Источник статьи

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
11 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *