De ideale 3D-geprinte schijf kiezen voor uw volgende roboticaproject

In deze vergelijking zullen we leren wat beter is:een 3D-geprinte cycloïde aandrijving, een planetaire versnellingsbak of een riemaandrijving. We zullen ze in verschillende categorieën vergelijken, hun efficiëntie of koppel meten, hun nauwkeurigheid of speling meten en zien hoe duurzaam ze zijn. Ook zullen we ze vergelijken op het gebied van kosten, grootte, gewicht en hoe gemakkelijk ze te maken zijn. 

Je kunt de volgende video bekijken of de schriftelijke tutorial hieronder lezen.

Overzicht

Waarom deze vergelijking? Het belangrijkste doel zal zijn om te begrijpen welke aandrijving of snelheidsreductiemiddel een betere keuze zou zijn voor een robotverbinding. In de komende periode zal ik een aantal robotarmen ontwerpen en maken, dus met deze vergelijkingsresultaten kunnen ik en uiteindelijk jij kiezen welke aandrijving of snelheidsreductiemiddel het beste zou werken voor jouw robotarmontwerp. 

Ik heb al speciale video's op mijn kanaal waarin in detail wordt uitgelegd wat een cycloïde aandrijving en een planetaire versnellingsbak zijn en hoe ze werken, en hoe je ze moet ontwerpen, dus ik raad je aan die video's te bekijken voor meer details. 

Hier in dit vergelijkingsartikel zullen we alleen kijken naar de belangrijkste invoerparameters die het ontwerp van de stuurprogramma’s bepalen. 

Ontwerp

Cycloïdale aandrijving

Ik zal beginnen met de cycloïdale aandrijving. Bij het ontwerpen van een cycloïdale aandrijving zijn de belangrijkste invoerparameters de reductieverhouding die we uiteraard willen bereiken, en het type of de grootte van de rollen die we zullen gebruiken.

Voor deze constructie heb ik als rollen besloten om bussen te gebruiken met een binnendiameter van 6 mm en een buitendiameter van 10 mm.

Deze bussen zijn veel gladder dan de bussen die ik in mijn vorige constructies gebruikte, met een buitendiameter van 8 mm, dus ik wilde zien of ik daarmee betere prestaties van de cycloïdale aandrijving kon krijgen. Deze 10 mm bussen hebben echter een prijs, omdat de grootte van de rollen direct de grootte van de cycloïdale schijven en de hele aandrijving bepaalt. 

Nu zal ik je laten zien hoe ik eenvoudig de cycloïdale aandrijving heb ontworpen met behulp van Onshape, die ook de sponsor is van deze video. Onshape is een CAD- en PDM-systeem van professionele kwaliteit en biedt ingenieurs en hun bedrijven nu tot zes maanden gratis de professionele versie aan.

Het is vrij eenvoudig om de cycloïdale schijf te genereren met behulp van de op maat gemaakte Cycloidal Drive FeatureScripts-bibliotheek in Onshape.

We hoeven alleen maar onze parameters in te voeren. Het tandnummer van de schijf, de excentriciteit en de diameters van de rollen of pennen, zowel de buitenste pennen of tandkransrollen als de binnenste pennen of de uitgaande asrollen. Terwijl we deze waarden invoeren, wordt het 3D-model bijgewerkt, evenals de andere parameters die we moeten bijhouden en later indien nodig moeten corrigeren. De cirkeldiameter is de totale afmeting van de schijf en het doel is om zo klein mogelijk te zijn volgens onze vaste invoerparameters, het aantal pinnen en hun afmetingen. 

De cycloïde schijf is het belangrijkste onderdeel van de schijf en de rest van de onderdelen zijn eromheen ontworpen.

Natuurlijk zijn er nog veel meer inputparameters die bijdragen aan het algehele ontwerp van de aandrijving, zoals het motortype, hoe we de ingaande as willen aandrijven, met wat voor soort lagers we kunnen werken, de toepassing van de versnellingsbak zelf enzovoort.

Planetaire versnellingsbak

Laten we nu eens kijken naar de planetaire versnellingsbak. Dit is eigenlijk hetzelfde ontwerp uit mijn vorige video waarin ik in details bespreek hoe je een planetaire versnellingsbak ontwerpt. Het is een tweetraps planetaire versnellingsbak, met een reductie van 4:1 op elke trap, voor een totale verhouding van 16:1.

Voor betere prestaties gebruik ik hier kogellagers voor de planeetwielen in plaats van bussen. Elk planeetwiel is voorzien van twee kogellagers, zodat we het tandwiel gemakkelijk op zijn plaats kunnen vergrendelen en de axiale krachten kunnen opvangen die optreden omdat de tandwielen spiraalvormig zijn.

Riemaandrijving

Laten we vervolgens eens kijken naar de riemaandrijving. Ook hier willen we dezelfde reductieverhouding van 16:1 en dat kunnen we makkelijk in twee stappen maken met een verhouding van 4:1.

Ik heb ervoor gekozen om een GT2-riem te gebruiken omdat dit de meest populaire en beschikbare riem is en geweldige prestaties biedt op het gebied van speling. Bijna alle 3D-printers gebruiken dit soort banden. Ik heb twee GT2-riemen met gesloten lus van 226 mm en een breedte van 10 mm.

Om deze riemen te laten werken, hebben we geschikte GT2-poelies nodig. Nogmaals, met behulp van een op maat gemaakte FeatureScript-bibliotheek in Onshape kunnen we eenvoudig de GT2-katrollen genereren.

Hier hoeven we alleen maar het type GT2-riem te selecteren, of het nu 3M of 2M is, of een steek van 3 of 2 mm, en het aantal tanden in te voeren dat de poelie zal hebben. 

Ik heb de invoerkatrollen ingesteld op 20 tanden en de uitvoerkatrollen op 80 tanden. De uitgangspoelie van de eerste trap met 80 tanden is de invoerpoelie met 20 tanden voor de tweede trap en zit op twee kogellagers.

De as ervoor is een 3D-geprinte as van 6 mm met een M4-bout die er doorheen gaat om hem sterker te maken. De uitgaande poelie van de tweede trap wordt ondersteund door twee kogellagers, één op de ingaande as van de motor en de andere op de behuizing.

3D-modellen

Bekijk en verken de 3D-modellen:

Cycloïdale aandrijving:https://bit.ly/3RsTa6g

Riemaandrijving:https://bit.ly/3DZGIb7

Planetaire versnellingsbak:https://bit.ly/3XGtTsZ

Aan deze sectie wordt nog gewerkt. De STL-bestanden zijn binnenkort beschikbaar.

3D-printen

Ik heb de Creality K2 Plus 3D-printer gebruikt voor het afdrukken van alle onderdelen. Bij 3D-printen is het essentieel om de functie Horizontale expansie te gebruiken, of nu in de nieuwe Creality Print-slicer:dit heet X-Y-contourcompensatie en X-Y-gatcompensatie.

Als we deze instellingen standaard laten staan, zullen de printafmetingen waarschijnlijk niet precies hetzelfde uitkomen als in het CAD-model en dat komt door de uitzetting van het filament bij het 3D-printen. De gaten komen meestal kleiner uit en de contouren groter.

Welke waarden we voor deze twee instellingen moeten gebruiken, is de belangrijkste vraag, omdat ze rechtstreeks van invloed zijn op de precisie of de prestaties van de schijven die we maken. Ik heb eigenlijk voor elk onderdeel verschillende waarden gebruikt, afhankelijk van het doel van het onderdeel.

Bij het 3D-printen van de cycloïdale schijven gebruikte ik bijvoorbeeld waarden van 0,12 mm voor de X-Y-gatcompensatie en –0,15 mm voor de contour. Op die manier kreeg ik de gaten voor de uitvoerrollen op de juiste maat, evenals de contouren van de schijf die kleiner moesten zijn om in de tandkransrollen te passen.

Ik heb een lijst gemaakt met alle waarden die ik voor elk onderdeel heb gebruikt. Lijst met horizontale expansie- of X-Y-compensatiewaarden:

Deel Contourcompensatie Gatcompensatie Cycloïdale aandrijving Cycloïdale schijf-0,15 mm
-0,20 mm voor lossere pasvorm 0,10 mm
0,15 mm voor lossere pasvormExcentrisch lager0,07 mm0,03 Askoppeling0,07 mm0 mmPlanetaire versnellingsbak Tandwiel / behuizing0mm
-0,10 mm voor lossere pasvorm 0,05 mm Planeettandwielen 0 mm
-0,05 mm voor een lossere pasvorm0,05 mmDrager / uitgang0,07 mm – om beter te passen bij het uitgaande lager0,05 mmRiemaandrijving GT2-katrollen - 0,05 mm 0,05 mm

U kunt deze waarden proberen tijdens het 3D-printen, maar afhankelijk van uw 3D-printer heeft u mogelijk andere waarden nodig. U kunt deze waarden alleen goed krijgen door enkele proefafdrukken te maken met verschillende waarden. Hoe het aanpassen van deze waarden de prestaties van de schijven beïnvloedt, zult u later in de vergelijkingstests zien.

Schreeuw trouwens naar Creality voor het leveren van deze uitstekende 3D-printer. De Creality K2 Plus is eigenlijk een van de beste 3D-printers die ik ooit heb gebruikt. Bekijk mijn gedetailleerde recensie van de Creality K2 Plus. Bekijk het ook eens in:Creality USA winkel; Creality EU-winkel; Amazon.

De schijven monteren

Oké, hier zijn dus alle 3D-geprinte onderdelen en andere componenten die nodig zijn voor het monteren van de drie snelheidsreductoren.

Zoals we kunnen zien, heeft de riemaandrijving het minste aantal onderdelen, en aan de andere kant hebben we voor de cycloïde aandrijving aanzienlijk meer componenten nodig, zoals de pennen en de bussen. De planetaire tandwielkast zit overigens ergens in het midden.

BOM

Hier vindt u een volledige lijst van alle componenten die nodig zijn voor deze aandrijvingen, zoals bussen, riemen, lagers, bouten en moeren.

Component Aantal Kooplinks Cycloïdale aandrijving Pinnen D-6mm, L-30mm 16Amazon | AliExpress Pinnen D-6mm, L-24mm/25mm6Amazon | AliExpress Bussen ID6mm OD10mm L16mm of 2xL8mm22Amazon | AliExpress Kogellager 35x47x7 68071Amazon  | AliExpress Kogellager 17x26x5mm 68033Amazon | AliExpress Kogellager 12x21x5mm 68011Amazon  | AliExpress M3x10mm verzonken
M3x10mm4
6Amazone  | AliExpress Planetaire versnellingsbak Pinnen D-6mm, L-226Amazon | AliExpress Kogellager 35x47x7 68071Amazon  | AliExpress Kogellager 15x24x5 68022Amazon  | AliExpress Kogellager 6x13x5mm 68612Amazon  | AliExpress M3x10mm
M3x10mm verzonken6
4Amazone  | AliExpress Riemaandrijving GT2-riem 226 mm2Amazon  | AliExpress Kogellager 35x47x7 68071Amazon  | AliExpress Kogellager 15x24x5 68021Amazon  | AliExpress Kogellager 6x13x5mm 6862Amazon  | AliExpress M3x10mm
M3x8mm
M3x16mm verzonken
M3x25mm verzonken4
4
2
2Amazone  | AliExpress Anders M3 stelschroevenAmazon  | AliExpress M3/M4 moerenAmazon  | AliExpress

Nu zal ik u snel door het montageproces van deze schijven leiden.

Riemaandrijfeenheid

Voor het monteren van de riemaandrijving moeten we eerst de laatste uitgaande poelie op zijn plaats plaatsen via het kogellager in de behuizing.

Vervolgens moeten we het kogellager in de uitgaande katrol installeren waar de eerste invoerpoelie zal komen. Deze invoerpoelie moet eerst aan de stappenmotor worden vastgezet, en daarvoor heb ik twee sleuven gemaakt voor het plaatsen van M3-moeren, en vervolgens kunnen we met behulp van M3-stiftschroeven de poelie stevig op zijn plaats vastzetten.

De poelie moet 2 mm boven de stappenmotor blijven. 

Voordat we de stepper plaatsen, moeten we de twee riemen plaatsen.

Vervolgens kunnen we de stepper met enkele M3-bouten aan de behuizing bevestigen. Omdat ik de aandrijving zo compact mogelijk wilde hebben, was het vastzetten van deze bouten alleen mogelijk met een smalle tang.

Helemaal niet handig, maar het doel was ook de drive om zo stevig mogelijk te zijn om er de beste prestaties uit te halen. 

Vervolgens kunnen we de tussenpoelie plaatsen en de twee riemen eromheen wikkelen. Deze katrol biedt plaats aan twee kogellagers met daartussen een kleine afstandsring.

Dan kunnen we de as voor de poelie erin plaatsen. Het is een 3D-geprinte holle as van 6 mm die wordt versterkt met een M4-bout.

Hier kunnen we bijvoorbeeld alleen een M6-bout gebruiken in plaats van deze, maar op die manier zouden we niet zo'n strakke verbinding hebben, omdat de buitendiameter van de M6-bouten ongeveer 5,8 mm is, en met de 3D-geprinte as kunnen we deze precies 6 mm of 5,95 mm maken, perfect door de lagers.  

Aan de onderkant moeten we een afstandsring plaatsen waarop het kogellager komt te zitten.

Dan kunnen we de riemen strekken en de as helemaal door de lagers steken en in de andere kant van de behuizing. Dan kunnen we de M4 bout erdoorheen steken en alles op zijn plek vastzetten met een M4 moer. En dat is alles, de riemaandrijving is klaar, hij werkt.

De riemen zijn redelijk strak, maar voor betere controle en prestaties moeten we er spanners aan toevoegen. De riemspanners heb ik gemaakt met behulp van een kogellager met een buitendiameter van 13 mm, die met wat M3 bouten en moeren op een kleine beugel is bevestigd.

Deze beugel kunnen wij tegen de riem duwen om deze op spanning te brengen en vervolgens de bout vastdraaien. Het is een vrij eenvoudig mechanisme dat precies goed werkt. 

Ten slotte kunnen we het deksel van de aandrijving vastzetten met enkele M3-bouten en moeren erin, en inzetstukken met schroefdraad aan de uitgaande as toevoegen om er spullen aan vast te maken.

Dat is alles, de riemaandrijving is voltooid en op het eerste gezicht voelt het alsof er helemaal geen speling is als u de uitgaande as met de hand probeert te bewegen.

Cycloïdale aandrijving

Laten we nu eens kijken naar de constructie van de cycloïdale aandrijving. Zoals ik al zei, heb ik al gedetailleerde video's over het bouwen van een cycloïdale aandrijving en een planetaire versnellingsbak, dus hier zal ik er slechts enkele woorden over zeggen. 

Bij het monteren van de cycloïde aandrijving kwam ik tot het probleem dat ik de tweede schijf niet op zijn plaats kon plaatsen, hoewel ik alle regels had gevolgd, hem 180 graden uit fase had geplaatst en alle afmetingen dubbel had gecontroleerd.

Toen besefte ik dat het probleem de reductieverhouding was. Een cycloïdale aandrijving moet een oneven getal hebben voor de verhouding om goed te kunnen werken. In mijn vorige video's heb ik al drie verschillende ontwerpen van cycloïdale aandrijvingen gemaakt, maar hun reductieverhouding was toevallig een oneven getal, dus ik heb het feit gemist dat om een cycloïdale aandrijving te maken die goed werkt met twee cycloïdale schijven, je een oneven aantal tanden of lobben op de schijven moet hebben.

Hieronder kunt u de eerdere designartikelen bekijken.

• Wat is Cycloïdale Driver? Ontwerpen, 3D-printen en testen
• CNC-gefreesde versus 3D-geprinte cyclooïdale aandrijving – ontwerpen en testen
• Harmonische versus cyclooïdale aandrijving – koppel-, speling- en slijtagetest

Omdat ik een oneven aantal reductieverhoudingen had, moest ik het aantal tanden wijzigen in 15, en het aantal tandkransrollen in 16, en de behuizing en schijven opnieuw afdrukken.

Nu kon ik de twee cycloïde schijven correct installeren en de hele montage voltooien.

Testen van speling

Oké, dus hier heb ik de drie schijven klaar, en nu kunnen we de vergelijkende tests bekijken.

Ik zal beginnen met het testen van de nauwkeurigheid of de speling.

Planetaire versnellingsbak

Hier is eerst de planetaire versnellingsbak. Hier test ik de herhaalbaarheid ervan, en het laat goede resultaten zien. De staaf komt binnen 1/100 mm terug op zijn plaats op een afstand van 20 cm.

Maar als er kracht op wordt uitgeoefend, wordt de terugslag natuurlijk merkbaar. De balk speelt op die afstand een paar mm op en neer. Als je hem met de hand beweegt, voelt het alsof er een vrije speling op de uitgang is, zonder enige weerstand. 

Om de speling uit te drukken in de typische eenheid, boogminuten, moeten we het volgende doen. We moeten de verplaatsing in beide richtingen meten, terwijl we een belasting uitoefenen van ongeveer 1-2% van het nominale koppelvermogen van de versnellingsbak.

Bij het testen van het koppel van de versnellingsbak kreeg ik een maximale waarde van ongeveer 32 N op een afstand van 10 cm, dus ik denk dat we voor het testen van de speling een belasting van ongeveer 0,5 N moeten toepassen, maar laten we er 2 N op een afstand van 20 cm van maken. Met deze belasting kreeg ik een verplaatsing van ongeveer 2,9 mm in de ene richting en 0,75 mm in de andere richting. 

Om deze metingen uit te drukken in de eenheid voor speling, boogminuten, kunnen we eerst de verplaatsingshoek, alpha, berekenen.

We doen dat met behulp van een eenvoudige trigonometrie, en de hoek blijkt ongeveer 1 graad te zijn. Eén boogminuut is 1/60ste graad. De speling van deze 3D-geprinte planetaire versnellingsbak bedraagt ​​dus ongeveer 60 boogminuten.  

Laat het me in de reacties weten als je weet of dit de juiste manier is om de metingen uit te voeren en de speling te berekenen. Zelfs als het niet 100% correct is, zullen we dezelfde methode gebruiken om de speling voor elke schijf uit te drukken, zodat we uiteindelijk vergelijkbare resultaten zullen hebben.

Zoals ik eerder al zei, zou de versnellingsbak, afhankelijk van hoe strak of hoe los de tanden in elkaar grijpen, een ander resultaat moeten opleveren. En hier is een bevestiging daarvoor. In de eerste test werd het tandwiel van de versnellingsbak geprint met een horizontale uitzetting van –0,15 mm en de planetaire tandwielen met –0,05 mm.

Nu heb ik het ringtandwiel vervangen met een horizontale uitzetting van 0 mm, waardoor het strakker paste. Nu vertoonde de versnellingsbak een speling van ongeveer 50 boogminuten.

Dat zijn zo’n 15% betere resultaten, en je kon zelfs met de hand voelen dat de versnellingsbak nu minder speling heeft. 

Om de speling verder te verbeteren, heb ik de planetaire tandwielen ook geprint met een horizontale uitzetting van 0 mm, en opnieuw kreeg ik betere resultaten, ongeveer 30 boogminuten.

Dus vanaf de aanvankelijke 60 boogminuten hebben we de speling van de versnellingsbak verbeterd tot 30 boogminuten.

Houd er echter rekening mee dat ik tijdens het ontwerpproces zelf, bij het genereren van de tandwielen met het aangepaste FeatureScript in Onshape, een speling of offset van 0,1 mm aan de tandwielen heb toegevoegd.

Daarom kan ik ze allemaal printen met een horizontale uitzetting van 0 mm en toch in staat zijn ze op de juiste manier te monteren en goede resultaten te behalen. Dat betekent dat we de speling nog verder kunnen vergroten door die 0,1 mm offset te verwijderen bij het genereren van de tandwielen, maar ik geloof dat als we dat doen, we de tandwielen helemaal niet meer kunnen monteren, of misschien wel in elkaar kunnen zetten, maar dat ze hun efficiëntie zullen verliezen of zelfs volledig zullen vastlopen. We zullen dat gedrag straks zien in de efficiëntie- of koppeltest.

Cycloïdale aandrijving

Laten we desalniettemin eens kijken naar de prestaties van de cycloïdale schijfspeling.  In termen van herhaalbaarheid liet het slechtere resultaten zien. De balk kwam op verschillende punten binnen 1/10 mm terug.

Wat de speling betreft, heb ik een waarde van ongeveer 60 boogminuten berekend. Dat is hetzelfde als in het ergste geval met de planetaire versnellingsbak. Hoewel het hier bij het met de hand bewegen niet het gevoel had dat er sprake was van vrij spel, maar er was meteen enige weerstand.

Voor deze test werden de cycloïde schijven bedrukt met een horizontale uitzetting van –0,15 mm, en bij het monteren zaten ze eigenlijk behoorlijk strak. Daarom heb ik geprobeerd ze af te drukken met –0,2 mm horizontale uitzetting en +0,2 mm gatuitbreiding, omdat de precisie van de 6 uitvoergaten in de cycloïde schijf ook bijdraagt aan de prestaties van de schijf.

Dus met een lossere pasvorm van de schijven waren de resultaten veel slechter, ongeveer 150 boogminuten, en er was vrije speling van de as bij het met de hand bewegen.

Riemaandrijving

Oké, laten we nu eens kijken hoe de riemaandrijving presteerde. De herhaalbaarheid lijkt redelijk goed, binnen 1/100 mm op een afstand van 20 cm. Maar we kunnen ook merken dat er sprake is van een overshoot. De balk gaat omhoog naar 0,04 mm en keert terug naar 0,03.

Bij het testen van de speling heb ik een waarde van ongeveer 45 boogminuten berekend.

Dat is een goed resultaat vergeleken met de andere twee aandrijvingen, maar ik heb hier met de riemaandrijving ook de mogelijkheid om de spanning van de riem te controleren en daarmee misschien de speling te verbeteren.

Ik heb de riem iets meer gespannen en de speling was nu teruggebracht tot ongeveer 25 boogminuten.

De riemaandrijving leverde dus de beste resultaten op van de drie aandrijvingen wat betreft speling.

Koppel-/efficiëntietest

Cycloïdale aandrijving

Oké, laten we nu hun efficiëntie of koppel vergelijken. Ik zal beginnen met de cycloïdale aandrijving. Op een afstand van 10 cm kreeg ik een waarde van ongeveer 16 N, oftewel een koppel van ongeveer 160 Ncm.

Vergeleken met het koppel dat de stappenmotor liet zien zonder de aandrijving, ongeveer 18 Ncm, is dat een koppeltoename van ongeveer 9 keer.

Dat is een laag rendement van de aandrijving van slechts ongeveer 60%. De reductieverhouding van deze aandrijving is 15:1, en onder ideale omstandigheden zouden we een koppeltoename van 15 keer moeten bereiken, maar daarvan halen we ongeveer 60%. Dat komt omdat ik vermoed dat er veel wrijving plaatsvindt in de aandrijving, of dat de hoge weerstand, aangezien de cycloïde schijven passen, behoorlijk strak was. 

Als we dat vergelijken met de cycloïdale schijven die een lossere pasvorm hadden, kreeg ik een meetwaarde van ongeveer 18N, oftewel 180Ncm.

Dat is een 10% betere efficiëntie, maar nog steeds niet geweldig, slechts ongeveer 66% efficiëntie. Bovendien was de speling bij de lossere cycloïde schijven enorm, totaal niet bruikbaar voor enig precisiewerk.

Planetaire versnellingsbak

Laten we nu eens kijken naar de efficiëntie van de planetaire versnellingsbak. Op een afstand van 10 cm kreeg ik een waarde van ongeveer 36 N, oftewel een koppel van ongeveer 350 Ncm.

Ik was enigszins verrast door deze resultaten, want vergeleken met het koppel dat de stappenmotor liet zien zonder de aandrijving, in dit geval rond de 23 Ncm, is dat een koppeltoename van ongeveer 15 keer. Deze versnellingsbak heeft een overbrengingsverhouding van 16:1, dus een rendement van zo’n 90 tot 95%. Deze test werd echter uitgevoerd met tandwielen met een lossere pasvorm, waarbij er een kleine speling op de as zat bij het met de hand bewegen. 

Maar hier zijn de twee andere gevallen die ik heb getest, waarbij de tandwielen strakker in elkaar passen.

Ik haalde een koppel van ongeveer 310 Ncm met een 3D-geprint tandwiel met een horizontale uitzetting van 0 mm, oftewel een efficiëntie van ongeveer 84%.

En met een nog strakkere pasvorm van de tandwielen, waarbij alle planetaire tandwielen 3D-geprint zijn met een horizontale uitzetting van 0 mm, een koppel van ongeveer 290 Ncm, of dat is een efficiëntie van 78%. Toch een heel goed resultaat voor een 3D-geprinte versnellingsbak.

Riemaandrijving

Laten we tot slot eens kijken naar de efficiëntie van de riemaandrijving.

In deze eerste test met wat lossere riemen kreeg ik een waarde van ongeveer 260 Ncm, wat een efficiëntie is van ongeveer 70%, aangezien deze stepper zonder aandrijving een koppel van ongeveer 23 Ncm had.  In dit geval was het probleem echter dat de riem oversloeg bij de kleinere invoerpoelie van de tweede trap, in plaats van bij de stepper zelf.

Met een betere riemspanning bedroeg het uitgaande koppel ongeveer 360 Ncm, wat neerkomt op een efficiëntie van ongeveer 95 tot 97%.

Dat is echt indrukwekkend. De riemaandrijving bleek de meest efficiënte aandrijving en presteerde het beste op het gebied van speling.

Maar voordat we concluderen welke 3D-geprinte schijf de beste is, laten we nog een paar vergelijkingen bekijken.

Duurzaamheidstest

Ik heb geprobeerd een duurzaamheidstest uit te voeren door de schijven langere tijd te laten draaien, met wat gewicht erop.

Ik gebruikte een aantal DC-motoren als gewicht en liet de aandrijvingen roteren met een plotselinge verandering in de draairichting om er meer spanning aan te geven. 

Na ongeveer 2 uur mislukte de cycloïdale rit. Hij kon de last niet meer verplaatsen. De riemaandrijving en de planetaire versnellingsbak gingen nog 8 uur door met dezelfde bewegingen, en dat ging prima. Na deze duurzaamheidstest heb ik opnieuw hun speling getest. 

De cycloïde aandrijving verloor volledig zijn precisie. Er was ongeveer 10 mm vrije speling op een afstand van 20 cm.

De planetaire versnellingsbak zorgde ook voor vrije speling op de uitgaande as, die voorheen niet bestond. Voor deze duurzaamheidstest gebruikte ik de versnellingen met de strakste pasvorm. In de spelingseenheid ging het van ongeveer 30 boogminuten vóór de test naar 60 boogminuten na de test. 

En de riemaandrijving vertoonde na de duurzaamheidstest een speling van ongeveer 35 boogminuten, en vóór de test was er ongeveer 25 boogminuten speling. 

Ik heb de schijven geopend om te zien wat er binnenin gebeurt en wat de precisiereductie veroorzaakt.

Bij de cycloïdale aandrijving waren er aanzienlijke slijtagesporen op de cycloïdale schijven. Zowel op het cycloïdale schijfprofiel als op de uitgangsgaten van de schijven. Dus naarmate de PLA-schijven vervormden, hebben ze de precisie van de schijf aanzienlijk verminderd. 

Aan de planetaire versnellingsbak kon ik niet veel slijtage of vervormingen opmerken.

Er zijn waarschijnlijk enkele zeer kleine vervormingen of slijtage, misschien ontstaan er belletjes door de slijtage van de naden die verschijnen bij het 3D-printen ervan. Dus zodra die naden versleten zijn, neemt de speling toe.

Misschien als we de tandwielen met nog kleinere toleranties printen, of ze in het begin strakker laten passen, zelfs als dit ten koste gaat van wat efficiëntie, maar na de eerste slijtage zullen ze de juiste efficiëntie en nauwkeurigheid krijgen. 

Wat de riemaandrijving betreft, kunnen we merken dat er slijtage is aan de achterkant van de riem, waar het spanlager de riem duwt.

Dit probleem kan eenvoudig worden opgelost door een geschikt 10 mm tussenwiel te gebruiken. Ook kunnen we de riemen altijd meer spanning geven, zelfs na enig gebruik, om de precisie te verbeteren. Met de andere twee schijven kunnen we niets doen om de nauwkeurigheid te verbeteren. We kunnen er geen materiaal aan toevoegen, of iets spannen.

Dit alles in aanmerking genomen, kwam de riemaandrijving als beste uit de bus.

En niet alleen dat, hij versloeg ook de andere twee schijven op het gebied van gewicht, kosten en hoe gemakkelijk hij te maken is.

Andere vergelijkingen

Het totale gewicht van de riemaandrijving inclusief de stappenmotor bedroeg ongeveer 550 gram, de planetaire versnellingsbak ongeveer 600 gram en de cycloïde aandrijving ongeveer 710 gram. Natuurlijk is het gewicht erg belangrijk als we deze aandrijvingen als robotgewrichten gebruiken.

Qua afmetingen is de cycloïdale aandrijving absoluut de meest compacte aandrijving, terwijl de planetaire versnellingsbak en de riemaandrijving ergens op elkaar lijken, maar met een iets andere configuratie. 

Aan de andere kant is de cycloïde aandrijving het meest complex of moeilijk te monteren, gevolgd door de planetaire tandwielkast en de riemaandrijving als het gemakkelijkst te monteren. Dat komt omdat de riemaandrijving eigenlijk het minste aantal componenten bevat, afgezien van de 3D-geprinte onderdelen.

Dit heeft ook rechtstreeks invloed op de kosten voor het bouwen van de schijf. Deze cycloïdale aandrijving die ik voor deze video bouw, heeft de meeste componenten behalve de 3D-printeronderdelen, pennen, bussen en lagers, en kost ongeveer $ 28 om te bouwen (exclusief de 3D-geprinte onderdelen). Dan hebben we nog de planetaire versnellingsbak die ongeveer $23 kost, en ten slotte de riemaandrijvingen die slechts 1/4 of 1/3 daarvan kosten, of ongeveer $7,5.

Conclusie

Dus, wat is mijn definitieve oordeel. Wat is beter, een 3D-geprinte cycloïde aandrijving, planetaire versnellingsbak of een riemaandrijving?

Welnu, ik zou de cycloïdale aandrijving zeker vermijden, aangezien de enige categorie die beter was dan de andere aandrijvingen qua formaat of compactheid was. 

Aan de andere kant lieten de planetaire versnellingsbak en de riemaandrijving zeer vergelijkbare prestaties zien, maar als ik uit alle tests die ik heb gemaakt een winnaar moet kiezen, dan moet dat de riemaandrijving zijn. Het presteerde het beste in elke categorie, qua precisie, efficiëntie en duurzaamheid, en was bovendien het gemakkelijkst en goedkoopste om te bouwen.

Ik laat deze test hier echter niet achter, maar ik zal verdere testvergelijkingen maken tussen de planetaire versnellingsbak en de riemaandrijving in echte scenario's, of ik zal twee robotarmen bouwen, de ene met planetaire versnellingsbakken en de andere met riemaandrijvingen, en dan zullen we zien hoe ze in de echte situatie zullen presteren.