Что такое деформационно-волновая передача и чем она полезна в робототехнике


В этом уроке мы узнаем, что такое деформационно-волновая передача (Strain Wave Gear), также известная как гармонический привод (Harmonic Drive). Сначала мы объясним принцип его работы, затем разработаем собственную модель и распечатаем ее на 3D-принтере, чтобы увидеть ее в реальной жизни и лучше понять как она работает.

Что такое деформационно-волновая передача и как она работает

Что такое деформационно-волновая передача?

Волновая передача представляет собой уникальный тип механической системы зубчатой ​​передачи, которая обеспечивает очень высокий передаточный коэффициент в компактном и легком корпусе. По сравнению с традиционными системами зубчатых передач, такими как косозубые или планетарные передачи, они позволяют достичь гораздо более высоких передаточных чисел — до 30 раз на том же пространстве. В дополнение к этому он обладает безлюфтовой характеристикой, высоким крутящим моментом, точностью и надежностью. Таким образом, эта система зубчатых передач используется во многих приложениях, включая робототехнику, аэрокосмическую промышленность, медицинские машины, фрезерные станки, производственное оборудование и так далее.

Различные системы передач

Деформационно-волновой механизм был изобретен в 1957 году К. Уолтоном Мюссером, а другое название, которое обычно используется для него, гармонический привод («Harmonic Drive»), на самом деле является торговой маркой деформационно-волнового механизма, зарегистрированной под торговой маркой компании Harmonic Drive.

Как это работает

Хорошо, давайте посмотрим, как это работает. Гармонический привод состоит из трех ключевых компонентов: генератора волн (wave generator), гибкого шлица (flex spline) и кругового шлица (circular spline).

Компоненты гармонического привода

Генератор волн имеет эллиптическую форму и состоит из эллиптической ступицы и специального тонкостенного подшипника, повторяющего эллиптическую форму ступицы. Это вход зубчатого колеса, соединенный с валом двигателя.

Генератор волн в гармоническом приводе

Когда генератор волн вращается, он генерирует волновое движение.

Гибкий шлиц имеет форму цилиндрической чашки и изготовлен ​​из гибкого, но жесткого на кручение легированного стального материала. Бока чашки очень тонкие, но дно толстое и жесткое.

Гибкий шлиц гармонического привода

Это позволяет открытому концу чашки быть гибким, а закрытому концу — достаточно жестким и поэтому мы можем использовать его как выходной и подключить к нему выходной фланец. Гибкий шлиц имеет внешние зубцы на открытом конце чашки.

С другой стороны, круговой шлиц представляет собой жесткое кольцо с зубцами внутри. У круглого шлица на два зубца больше, чем у гибкого шлица, который на самом деле является ключевой конструкцией зубчатой ​​системы волновой деформации.

Круговой шлиц гармонического привода

Итак, когда мы вставляем генератор волн в гибкий шлиц, гибкий шлиц принимает форму генератора волн.

Соединение генератора волн с гибким шлицем в гармоническом приводе

Когда генератор волн вращается, он радиально деформирует открытый конец гибкой шлицы. Генератор волн и гибкий шлиц затем помещаются внутри круглого шлица, сцепляя зубья вместе.

Соединение генератора волн и гибкого шлица с круглым шлицем

Из-за эллиптической формы гибкого шлица зубья зацепляются только в двух областях на противоположных сторонах гибкого шлица, и это поперек главной оси эллипса генератора волн.

Теперь, когда генератор волн вращается, зубцы гибкого шлица, находящиеся в зацеплении с зубцами круглого шлица, будут медленно менять положение. Из-за разницы в количестве зубьев между гибким шлицем и круговым шлицем при каждом повороте генератора волн на 180 градусов зацепление зубьев приводит к тому, что гибкий шлиц будет поворачиваться на небольшую величину назад относительно генератора волн. Другими словами, при каждом повороте генератора волн на 180 градусов зубцы гибкого шлица, зацепляющиеся с круговым шлицем, будут продвигаться вперед только на один зуб.

При повороте генератора волн на 180 градусов зубцы гибкого шлица, зацепляющиеся с круговым шлицем, будут продвигаться вперед только на один зуб

Так, при полном повороте генератора волн на 360 градусов гибкий шлиц изменит положение или выдвинется вперед на два зубца.

При полном повороте генератора волн на 360 градусов гибкий шлиц изменит положение или выдвинется вперед на два зубца

Например, если гибкий шлиц имеет 200 зубьев, генератор волн должен сделать 100 оборотов, чтобы гибкий шлиц продвинулся на 200 зубьев, или это всего лишь один оборот для гибкого шлица. Это соотношение 100:1. В таком случае круговой шлиц будет иметь 202 зубца, так как количество зубьев у круглой шлицы всегда на два больше, чем у гибкой шлицы.

Мы можем легко рассчитать коэффициент уменьшения по следующей формуле. Соотношение гибких шлицевых зубьев равно круговым шлицевым зубьям, разделенным гибкими шлицевыми зубьями.

Формулы для расчета коэффициента передачи гармонического привода

Итак, на примере 200 зубьев на гибкой шлице и 202 зубьев на круглой шлице коэффициент уменьшения равен -0,01. Это 1/100 скорости генератора волн, а знак минус указывает на то, что выходной сигнал направлен в противоположном направлении.

Мы можем получить разные коэффициенты уменьшения, изменяя количество зубьев.

Пример получения разных коэффициентов уменьшения в деформационно-волновой передаче

Мы можем добиться этого, либо изменив диаметр механизма, сохранив при этом зубья того же размера, либо изменив размер зубьев, сохранив размер и вес комплекта шестерен.

3D-модель деформационно-волновой передачи

Хорошо, теперь, когда мы знаем теорию, лежащую в основе механизма волновой деформации, позвольте мне показать вам, как я спроектировал его, чтобы мы могли сконструировать его, используя только 3D-принтер.

3D-модель деформационно-волновой передачи в Fusion 360

Я спроектировал эту модель деформационно-волновой передачи с помощью Fusion 360. Все эти детали можно напечатать на 3D-принтере, поэтому для завершения сборки нам просто нужны болты, гайки и несколько подшипников. Что касается входа, я решил использовать шаговый двигатель NEMA 17.

Вот как я спроектировал три ключевых элемента механизма волновой деформации: круговой шлиц, гибкий шлиц и генератор волн. Поскольку у 3D-принтеров есть свои ограничения на качество и точность печати, первое, что мне нужно было решить, это модуль шестерен или насколько большими или маленькими будут зубья. Для кругового шлица я выбрал модуль 1,25 и 72 зуба.

Моделирование внутренней конструкции гармонического привода

Разумеется, у гибкого шлица должно быть на 2 зуба меньше, а то и 70 зубьев. Это приведет к передаточному числу 35:1 при относительно небольшом размере зубчатого ряда.

Моделирование гибкого шлица и круглого шлица гармонического привода

Что касается генератора волн, мы не можем использовать упомянутые ранее тонкостенные подшипники специального типа, поскольку их нелегко найти. Вместо этого мы будем использовать обычные шарикоподшипники, расположенные по окружности эллипса. Размеры эллипса следует выполнять по размерам внутренней стенки гибкой шлицы.

Я сделал радиус главной оси эллипса на 1,25 мм больше, чем радиус внутренней стенки гибкой шлицы. С другой стороны, радиус малой оси эллипса на 1,25 мм меньше.

Размеры генератора волн

Генератор волн будет состоять из двух секций, к которым можно легко прикрепить 10 подшипников. Одна из этих секций также оснащена муфтой вала, подходящей для крепления шагового двигателя NEMA 17.

10 подшипников на генераторе волн

Остальные детали разработаны на основе этих трех ключевых компонентов. На выходной стороне корпуса вставим два подшипника внешним диаметром 47 мм и закрепим их с помощью болтов и гаек.

Разрез нашей смоделированной деформационно-волновой передачи

Выходной фланец состоит из двух частей, соединенных болтами и гайками, поэтому его можно легко закрепить на двух подшипниках.

Файлы STL, необходимые для 3D-печати, приведены ниже.

Вы можете скачать эту 3D-модель, а также изучить ее в своем браузере на сервисе Thangs.

Просмотр 3D-модели деформационно-волновой передачи на сервисе Thangs

Загрузите 3D-модель на Thangs.

STL-файлы, необходимые для 3D-печати: Strain Wave Gear — файлы STL Harmonic Drive.

Печать на 3D-принтере деформационно-волнового механизма

Хорошо, пришло время распечатать детали на 3D-принтере. При 3D-печати шестерен важно использовать функцию горизонтального расширения в вашем программном обеспечении для нарезки.

Подготовка к печати на 3D-принтере деформационно-волнового механизма

Я установил значение -0,15 мм и получил относительно приличную точность отпечатков. Обратите внимание, что это может отличаться от принтера к принтеру. Если мы не воспользуемся этой функцией, отпечатки будут немного больше из-за расширения нити при печати, и детали или шестерни не смогут правильно сцепляться.

Для печати всех деталей я использовал свой 3D-принтер Creality CR-10, и я считаю, что он хорошо справился со своей задачей, учитывая его цену.

Итак, вот все детали, напечатанные на 3D-принтере.

Напечатанные на 3D-принтере детали деформационно-волнового механизма

Нам просто нужны болты, гайки и подшипники для завершения сборки нашего гармонического привода.

Болты, гайки и подшипники для завершения сборки нашего гармонического привода

Вот полный список всех компонентов:

  • Болты:
  • М3х16 – 13 шт.
  • М3х12 – 4
  • М4х12 – 6
  • М4х25 – 6
  • М4х30 – 6
  • М4х40 – 4
  • Гайки:
  • M3 самоблокирующийся – 13
  • M4 самоблокирующийся – 16
  • М4 – 10
  • Подшипники:
  • (OD) 16mm x (IN) 5mm x (W) 5mm – 10
  • (OD) 47mm x (IN) 35mm x (W) 7mm – 2
  • Электроника:
  • Шаговый двигатель — NEMA 17 (купить на AliExpress).
  • Драйвер шагового двигателя A4988 (купить на AliExpress).
  • Плата Ардуино (купить на AliExpress).
  • Источник постоянного тока.

Сборку я начал с вставки двух выходных подшипников в корпус. Подшипники имеют внешний диаметр 47 мм и внутренний диаметр 35 мм. Как я уже сказал, при разрезании деталей я использовал компенсацию горизонтального расширения -0,15 мм, поэтому подшипники достаточно плотно прилегали к корпусу.

Установка двух выходных подшипников в корпус

Между двумя подшипниками я поместил дистанционные кольца диаметром 1,5 мм, напечатанные на 3D-принтере. Для крепления подшипников к корпусу нам понадобятся шесть болтов М4 с потайной головкой длиной 25 мм. Мы также будем использовать шайбы M4, которые будут касаться наружного кольца подшипника ровно настолько, чтобы удерживать подшипник на корпусе.

Закрепление двух выходных подшипников в корпусе гармонического привода

Далее идет гибкий шлиц. Толщина стенок чашки составляет всего 1,2 мм, поэтому, хотя она напечатана из PLA, она все еще гибкая на открытом конце.

Гибкий шлиц, напечатанный из PLA материала

К закрытому концу гибкого шлица мы можем прикрепить выходной фланец с помощью шести болтов M4. После закрепления гибкий шлиц стал немного менее гибким, чем раньше, но закрытый конец теперь стал довольно жестким.

Прикрепление выходного фланца к закрытому концу гибкого шлица

Далее нам нужно вставить гибкую шлицу через подшипник. Выходной фланец проходит через первый подшипник наполовину. С другой стороны мы вставим другую часть выходного фланца, которая точно поместится между двумя подшипниками.

Я продолжил вставлять четыре гайки М4 в пазы выходного вала. Эти гайки будут служить для крепления или соединения вещей с выходом шестерни.

Установка гаек М4 в пазы выходного вала

Чтобы закончить выходной вал, поверх него я поместил еще одну часть, которая будет закрывать гайки, и с помощью 4 болтов M4 длиной 40 мм я наконец могу соединить две выходные части вместе. Теперь гибкий шлиц и выходной вал могут свободно крепиться к корпусу.

Хорошо, теперь у нас есть круглая шлица, которая будет прикреплена к корпусу вместе с крышкой коробки передач и креплением двигателя. Но прежде чем мы это сделаем, нам нужно собрать генератор волн. Здесь сначала нам нужно вставить две гайки М3. Эти гайки будут служить для крепления генератора волн к валу двигателя с помощью двух установочных винтов.

Установка гаек для крепления генератора волн

Далее мы можем начать вставлять 10 подшипников на их места. Здесь мы можем заметить, как подшипники немного отодвинуты от стены с небольшим краем в нижней части валов. Другая часть генератора волн также имеет такие края, чтобы подшипники не касались стены. Мы собираемся закрепить подшипники и, по сути, весь генератор волн с помощью болтов М3 длиной 16 мм и нескольких гаек.

Сборка генератора волн

Далее нам нужно закрепить генератор волн на двигателе, но прежде чем мы это сделаем, нам нужно прикрепить двигатель к креплению двигателя и крышке редуктора. Генератор волн должен находиться на расстоянии 2 мм от крышки двигателя, поэтому я использовал две шайбы в качестве направляющих при установке генератора волн на место. Затем нам просто нужно затянуть установочные винты, которые расположены так, чтобы до них можно было добраться между подшипниками.

Закрепление генератора волн на двигателе

Наконец, мы можем вставить генератор волн в гибкий сплайн и соединить все вместе. Сначала мы должны настроить гибкий сплайн так, чтобы он был в сетке с круговым сплайном эллиптической формы, а затем вставить генератор волн в том же направлении.

Вставка генератора волн в гибкий шлиц

Честно говоря, это может быть немного сложно сделать, потому что мы не можем контролировать гибкую шлицевую часть из-за крепления двигателя. Я мог бы спроектировать это немного по-другому, но, тем не менее, я думаю, что это достаточно хорошо для демонстрационных целей.

Теперь осталось вставить гайки М4 в эти гнезда корпуса и закрепить на корпусе круглую рейку и генератор волн.

Окончание сборки деформационно-волнового механизма

Вот и все, наш волновой механизм или гармонический привод готов. Но когда я закончил, я подумал, что собирать такой набор шестерен довольно скучно, потому что мы не видим ничего, кроме медленно вращающегося выходного вала. Там я решил заменить крышку набора шестерен, напечатанную на 3D-принтере, на акриловую, чтобы мы могли видеть, что происходит внутри.

У меня была акриловая пластина толщиной 4 мм, поэтому я отметил на ней форму крышки и с помощью ручной пилы грубо вырезал форму.

Изготовление крышки набора шестерен из акрила

Затем с помощью рашпиля я доработал форму акрила. Я проделал отверстия сверлом диаметром 3 мм, а большое отверстие для двигателя — сверлом Форстнера диаметром 25 мм. В итоге форма получилась вполне приличная.

Я собрал двигатель и генератор волн обратно, как показано ранее. Здесь можно отметить, что я добавил несколько гаек между акрилом и корпусом, чтобы обеспечить необходимое расстояние, как это было раньше с крышкой.

Теперь этот набор снаряжения выглядит намного круче.

Собранный деформационно-волновой механизм с акриловой крышкой

Я подключил шаговый двигатель NEMA 17 к Arduino, чтобы иметь возможность контролировать скорость и направление двигателя, чтобы лучше изучить и увидеть, как работает система.

Итак, вот оно. Теперь мы можем увидеть, как Harmonic Drive (гармонический привод) работает в реальной жизни. При этом выходной вал вращается в 35 раз медленнее входного.

Тестирование работы деформационно-волнового механизма

Здесь я отметил один зуб гибкого шлица красным цветом, чтобы мы могли лучше отслеживать его и чувствовать движение гибкого шлица. Честно говоря, довольно интересно смотреть, как эта штука работает.

Однако мы замечаем, что гибкий сплайн иногда дрожит или движение не такое плавное. Для этого есть несколько причин. В этой конфигурации проблема в том, что акриловое крепление двигателя я сделал вручную, поэтому двигатель не установлен идеально по центру. При использовании оригинального крепления двигателя, напечатанного на 3D-принтере, движение становится намного более плавным.

Мы также можем заметить, что наш гармонический привод далек от нулевого люфта. Это связано, как я уже говорил ранее, с ограничениями 3D-принтеров этого типа и с тем, насколько хорошо они могут печатать. Дело не только в том, насколько хорошо можно напечатать профиль зуба, но и в том, насколько точны общие размеры. Например, здесь я использовал изоляционную ленту на внутренней стороне льняной рейки толщиной всего 0,18 мм, и с ее помощью я добился лучших результатов.

Усовершенствование гибкого шлица с помощью изоляционной ленты

Итак, я думаю, все дело в тестировании и настройке отпечатков для получения лучших результатов. Я также пробовал печатать шестерни с модулем 1,75, но хороших результатов не добился.

Деформационно-волновой механизм с коэффициентом передачи 25:1

На самом деле, при использовании оригинальной крышки, напечатанной на 3D-принтере, движение было более плавным, но все равно недостаточно хорошим.

Я также пробовал поднимать тяжести. На расстояние 25 см он мог поднять 1,25 кг. Это крутящий момент около 3 Нм, что как минимум в 10 раз превышает номинал шагового двигателя NEMA 17.

Тестирование крутящего момента нашей конструкции

Видео, демонстрирующее работу проекта

Вот и все, что касается этого видео. Я бы просто добавил, что эту систему зубчатых передач можно легко сконструировать с полым валом, что очень удобно для проектов робототехники.

Источник статьи

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
10 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *