【什么是摆线减速器?设计、3D 打印和测试】

简介: 在本教程中,我们将学习什么是摆线驱动器,它是如何工作的,解释如何设计我们自己的模型和 3D 打印模型,以便我们可以在真实现场看到它并更好地了解它是如何工作的。

【什么是摆线减速器?设计、3D 打印和测试】

1. 什么是摆线驱动?

2. 如何设计摆线驱动器

3. DIY摆线驱动3D模型

4. 三维设计

5. 3D打印制造

6. 组装摆线齿轮箱

7. 测试摆线驱动器

在本教程中,我们将学习什么是摆线驱动器,它是如何工作的,解释如何设计我们自己的模型和 3D 打印模型,以便我们可以在真实现场看到它并更好地了解它是如何工作的。


您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。

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1. 什么是摆线驱动?

摆线驱动器是一种独特的减速机,它以紧凑而坚固的设计提供非常高的减速比。与传统的齿轮传动装置(如正齿轮和行星齿轮传动装置)相比,它可以在同一空间或阶段内实现高达 10 倍的更高减速率。除此之外,它还具有几乎零背隙、更高的负载能力、刚性和高达 90% 的高效率。这些特性使摆线驱动器适用于许多定位精度和性能很重要的应用,例如机器人、机床、制造设备等。

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现在让我们来看看里面有什么以及摆线驱动器是如何工作的。摆线驱动器由五个主要部件组成,一个高速输入轴,一个偏心轴承或摆线凸轮,两个摆线盘或凸轮从动件,一个带销和滚子的齿圈,以及一个带销和滚子的低速输出轴。

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输入轴驱动偏心轴承,偏心轴承带动摆线盘围绕齿圈箱的内圆周。偏心运动使摆线盘齿或叶片与齿圈壳体的滚子啮合,从而以降低的速度产生反向旋转。


我们可以在这里仔细观察,可以看到偏心轴承实际上是在将摆线盘推向齿圈滚子。

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由于独特的圆盘形状及其相对于齿圈滚子的位置,我们可以看到,随着偏心轴承的前进,旋转前面的圆盘凸角将无法通过或跳过下一个齿圈滚子,而是会滑动或向后滚动。此行为实际上是导致磁盘反向旋转的原因。


通常,与齿圈壳体上的销数相比,圆盘上的摆线凸角少一个。这使得,对于偏心轴承的一次完整旋转,摆线盘仅移动一个叶片的距离。由此我们可以看出,减速比完全取决于齿圈的销数。

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例如,这里的齿圈上有 12 个销,这意味着摆线盘上有 11 个凸轮,这个比率为 11:1,或输出速度慢 11 倍。圆盘、齿圈滚子或偏心轴承的尺寸完全不会影响减速比。


减少的旋转通过摆线盘上的孔传递到输出轴销。


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有两个摆线盘,异相放置180度,以补偿偏心运动引起的不平衡力,并在更高的速度下提供更平稳的操作。


摆线驱动器的名称来自磁盘的轮廓,而磁盘的轮廓又来自摆线,但在视频的下一部分我们将设计自己的摆线驱动器。


2. 如何设计摆线驱动器

因此,现在我们知道摆线驱动器的工作原理,我们可以继续设计自己的模型,我们将能够3D打印它。如果我们尝试3D打印这个演示示例,它可能会起作用,但它会很快失败,因为3D打印材料不够坚固,无法承受变速箱中出现的力和摩擦。

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关键部件是通常是轴套的滚子,如果材料是金属,这是不错的选择,但是对于PLA材料,我们将不得不使用滚珠轴承。


考虑到这一点,这是我设计的摆线驱动器,并使用滚珠轴承作为滚子。


在设计摆线驱动器时,有四个主要输入参数来定义摆线盘的大小和形状,即齿圈半径、滚子半径、这些滚子的数量和偏心率。



3. DIY摆线驱动3D模型

这是我使用 SOLIDWORKS 设计的摆线驱动器,并使用滚珠轴承作为滚子。



在这一点上,让我向 SOLIDWORKS 大声疾呼,感谢他们赞助这个项目。您听说过 3DEXPERIENCE 世界吗?由 SOLIDWORKS 组织的年度活动?


3DEXPERIENCE World 2022 将一个由设计师、工程师、企业家和创客组成的充满活力的社区聚集在一起,共同学习、见面、分享有关最新技术和最佳实践的知识。


Be sure to register today at SOLIDWORKS.COM/3DXW22_HOWTOMECH, and attend virtually for free.


Nevertheless, you can find and download this 3D model as a STEP file, as well as explore it in your browser on Thangs:


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您可以下载 3D 模型 .来自唐斯的步文件。


感谢唐斯支持本教程。


至于用于3D打印零件的STL文件,您可以在此处下载:


Icon DIY摆线驱动器STL文件 1 文件 442.05 KB What is Strain Wave Gear a.k.a

Harmonic Drive A Perfect Gear Set For Robotics

Applications

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4. 三维设计

我定义的第一件事是,我想要这个变速箱的减速比为 15:1,这意味着我需要 16 个齿圈滚子。因此,我在 SOLIDWORKS 中绘制了一个草图,其中 16 个滚轮围绕一个圆圈。


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然后我选择使用外径为 13mm 的滚子轴承。现在,根据这两个参数,我能够定义齿圈节距直径的大小。我把它设置为 90 毫米。偏心率值应小于辊径的一半,我选择了1.5mm的值。


现在我们有了四个主要的输入参数,我们可以绘制摆线盘的形状或轮廓。正如我所提到的,圆盘轮廓来自摆线,摆线是由圆上的点跟踪的曲线,因为它沿着直线滚动而不会滑动,或者它的变化,在圆的圆周上滚动时跟踪的外摆线。

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还有另一种变体称为外摆线,其中跟踪点与外圆的中心有一定距离,这就是摆线盘轮廓的实际基础。


为了绘制这样的曲线,我们可以在这里使用这些参数方程,但还有其他参数要包含在其中,例如滚子的直径和偏心率。这让事情变得有点复杂,但幸运的是,Omar Younis为SOLIDWORKS Education博客写了一份很棒的文档,他在文档中将所有这些参数组合在单个X和Y参数方程中。


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以下是等式:


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))
===================
Values for this DIY Cycloidal Drive:
N = 16
Rr = 6.5
R = 45 
E = 1.5 
x = (45*cos(t))-(6.5*cos(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))-(1.5*cos(16*t))
y = (-45*sin(t))+(6.5*sin(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))+(1.5*sin(16*t))

Code language: Arduino (arduino)

现在,为了生成轮廓,我们可以简单地使用 SOLIDWORKS 的方程驱动曲线工具,适当地插入两个方程,这将生成摆线盘轮廓。当然,对于输入参数,我们应该插入我们的值。


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另请注意,如果“t”参数从 0 到 2pi 或 360 度,则不会生成曲线。因此,我们需要将 t2 参数设置为略低于 2pi,然后生成具有小间隙的曲线,我们可以使用简单的样条将其连接。


现在我们已经定义了摆线驱动器的主要参数,其余的只是找到如何连接一切的技术解决方案。同样,考虑到我们使用的不是那么坚固的3D打印材料,我设计了辊子的轴,以及输入轴和输出轴。


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输入轴由几个部分组成,并在输出轴内由两个轴承支撑。输出轴还由轴承座内的两个轴承支撑。


因此,回顾一下该变速箱的工作,来自电机的输入被传输到偏心输入轴,该输入轴驱动齿轮环周围的摆线盘。


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产生的反向运动通过输出轴辊传递到输出轴。就是这样,现在让我们3D打印它,看看它在现实生活中是如何工作的。


5. 3D打印制造

3D 打印零件时,在切片软件中使用孔水平扩展功能非常重要。


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通常,3D打印零件的孔比原始尺寸小,因此使用此功能,我们可以组成并获得准确的尺寸,这对于该零件非常重要。我将我的设置为0.07mm,水平扩展也可以补偿零件的外部尺寸,为0.02mm。当然,您应该进行一些测试打印,以查看哪些值可以在3D打印机上获得最佳效果。


6. 组装摆线齿轮箱

因此,这里是所有3D打印零件,以及组装摆线驱动器所需的轴承和螺栓。


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以下是组装此摆线驱动器所需的所有组件的列表:


滚珠轴承 6x13x5mm 686-2RS – x44

滚珠轴承 15x24x5 6802-2RS – x4

滚珠轴承 35x47x7 6807-2RS – x2

6x35mm钢棒

螺纹嵌件

来自您当地五金店的 M3 和 M4 螺栓 – 我将在几天内包括该项目所需的螺栓的完整列表


我首先将齿圈销插入外壳。这些销可容纳齿圈滚子或轴承,但它们的直径仅为6mm。我不确定它们是否足够坚固,不会在摆线盘的负载下断裂。

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因此,我把它们做成空心,并将我躺在周围的3毫米金属轴插入其中。这样,引脚肯定会足够坚固。当然,有更智能的解决方案。例如,我们可以改用 M6 螺栓,但我不喜欢的是 M6 螺栓略小于 6 毫米,所以轴承会摆动。理想情况下,在这里我们可以使用合适的 6mm 杆,即使使用这种 35mm 的特定尺寸,实际上也很容易购买。


将所有销钉放置到位后,我们可以按此顺序插入轴承,一个 7mm 距离环,一个轴承,然后是 3mm 距离环、一个轴承和另一个 7mm 距离环。


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摆线驱动器现在应该适合我们创建的这个齿圈,如果我们尝试以偏心运动移动圆盘,通过在旋转时向两侧推动,圆盘应该开始反向旋转。


接下来,我们可以组装由四个部分组成的输入轴。在每个部分中,我们需要放置一个轴承和一些距圈,由于偏心率,除非轴是分段制造的,否则我们将无法做到这一点。


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为了将这些部分连接在一起,我使用了两个穿过所有部分的 M3 螺栓。我们可以在这里注意到,这些 M3 螺栓的孔比 M3 螺栓略小,因此螺栓会在其中形成螺纹并具有更紧密的配合。


这是轴组装时的样子,但我实际上不得不插入摆线盘,现在我做不到。因此,我将其拆卸并在插入磁盘的情况下再次组装。

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我继续组装输出轴。在这里,我们需要安装输出滚子或轴承,我们以类似于齿圈滚子所示的方式进行操作。一个 6 毫米的销,带有 13 毫米的轴承和一些通过一些 20 毫米长的 M3 螺栓插入的距离环。


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当将这些输出辊插入摆线盘的开口时,重要的是将两个盘相对于彼此异相 180 度放置。为了帮助解决这个问题,我在两个圆盘上都打了 180 度异相的小孔,所以在这里我们只需要匹配它们,我们就可以将滚轮插入。


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请注意,这有点紧密配合,但如果孔尺寸准确,我们将能够进行配合。


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现在我们可以将这些销钉固定到另一侧的另一个法兰上,但为此,首先我们需要在法兰中安装一些螺纹插件。我使用这些螺纹插件是为了使整个组件更加紧凑。

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因此,一旦输入轴和输出轴组装在一起,我们就可以通过外径为 47mm 的轴承将整个组件安装到轴承座中。


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然后我们可以在轴的前部再安装一个这样的轴承,并将轴承座盖插入到位。这也是一个紧密的配合,因为所有 16 个引脚都应该适合它们的外壳盖槽,所以我们必须用一点力来插入它。

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在外壳的背面,我安装了一些 M4 螺纹插件,然后用一些 40mm M4 螺栓将盖子和外壳固定在一起。


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就是这样!如果公平地说,看看这个美丽就行了。我真的很喜欢这个摆线齿轮箱的结果,干净的设计,没有任何东西弹出。

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7. 测试摆线驱动器

不过,现在让我们将电机连接到它,看看它将如何工作。在输入轴的背面,我又安装了几个螺纹插件,以便我们可以轻松连接各种轴耦合器。

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为了测试变速箱,我将使用NEMA 17步进电机,因此我将合适的3D打印轴耦合器连接到输入轴。我将步进器固定在3D打印的安装支架上,然后将电机轴插入耦合器,并将安装支架固定到外壳上。

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最后一件事是在输出轴的前部安装一些螺纹插件,以便我们可以将东西连接到上面。这是这款摆线驱动器的最终外观,与 NEMA 17 步进电机结合使用,但当然我们可以在这里使用任何其他类型的电机。


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我们有它。老实说,我真的很惊讶这个变速箱的输出如此平稳。从前面我们可以看到输入轴和输出轴同时旋转,方向相反,速度差为 15:1。


我还能够在没有前盖的情况下运行变速箱,因此我们可以看到之前解释的所有内容。


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这个动作简直令人着迷。


最后,我做了一些测试来检查变速箱性能。这里需要注意的另一件事是,这种摆线驱动器也是可向后驱动的,这对于某些应用来说是一个很好的功能。


所以,在这里我测量这个变速箱在 10 厘米的距离内可以产生的力。我得到的读数约为 26N,转换为扭矩,约为 260 Ncm,而这款 NEMA 17 步进机只有 34 毫米长,额定值为 26 Ncm。

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这意味着摆线驱动器的扭矩增加了大约 10 倍。考虑到减速比为 66:15,效率约为 1%,在理想条件下,我们应该获得 15 倍的扭矩增加。尽管如此,考虑到一切都是用预算3D打印机3D打印的,并且零件不像我们在全金属变速箱的情况下使用一些专业打印机或CNC机器那样精确,这仍然是一个很好的结果。


我还做了一些准确性测试,结果也很好。


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在制作一些机器人项目时,我肯定会在以后的视频中使用这种类型的变速箱。


我希望您喜欢这个视频并学到一些新东西。如果您有任何疑问,请随时在下面的评论部分提问。


翻译地址:https://howtomechatronics.com/how-it-works/what-is-cycloidal-driver-designing-3d-printing-and-testing/

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