De ideale 3D-geprinte aandrijving voor je robotica-project kiezen

In deze vergelijking onderzoeken we wat beter is: een 3D-geprinte cycloidale aandrijving, een planetaire tandwielkast of een riemaandrijving. We vergelijken ze in verschillende categorieën, meten hun efficiëntie en koppeluitvoer, nauwkeurigheid en terugslag, en bekijken hun duurzaamheid. Ook vergelijken we kosten, grootte, gewicht en hoe gemakkelijk ze te maken zijn.

Je kunt de volgende video bekijken of de geschreven handleiding hieronder lezen.

Overzicht

Waarom deze vergelijking? Het hoofddoel is te begrijpen welke aandrijving of vertraging het beste werkt voor een robotgewricht. In de komende periode ga ik robotarmen ontwerpen en bouwen, dus met deze resultaten kunnen jij en ik de beste keuze maken voor jullie robotarm-ontwerpen.

Ik heb al speciale video's op mijn kanaal over hoe cycloidale aandrijvingen en planetaire tandwielkasten werken, alsook hoe ze te ontwerpen. Raadpleeg die video's voor meer details.

In dit artikel bekijken we alleen de belangrijkste invoerparameters die het ontwerp van de aandrijvingen bepalen.

Ontwerp

Cycloidale aandrijving

We beginnen met de cycloidale aandrijving. De belangrijkste invoerparameters bij het ontwerpen zijn de gewenste vertragingsratio en het type of de afmetingen van de rollen die we gebruiken.

Voor deze build koos ik voor busjes met een binnenstraal van 6 mm en een buitendiameter van 10 mm als rollen.

Deze busjes zijn veel gladder dan de 8 mm busjes uit eerdere builds, dus ik wilde testen of dat de prestaties verbetert. Wel bepalen de 10 mm rollen direct de grootte van de cycloidale schijven en de hele aandrijving.

Nu laat ik zien hoe ik de cycloidale aandrijving eenvoudig ontwierp in Onshape, de sponsor van deze video. Onshape is een professioneel CAD- en PDM-systeem dat nu tot 6 maanden gratis de professionele versie aanbiedt aan ingenieurs en bedrijven.

Het genereren van de cycloidale schijf is eenvoudig met de custom FeatureScripts-bibliotheek in Onshape.

We voeren onze parameters in: het aantal tanden van de schijf, de excentriciteit, en de diameters van de rollen/pinnen, zowel de outer pins (ringgear-rollen) als de inner pins (uitvoeras-rollen). Terwijl we deze waarden invoeren, werkt het 3D-model mee en moeten we andere parameters in de gaten houden en later corrigeren. De cirkeldiameter is de totale afmeting van de schijf, en het doel is deze zo klein mogelijk te houden volgens onze vaste invoerparameters.

De cycloidale schijf is het belangrijkste onderdeel; de rest van de onderdelen wordt eromheen ontworpen.

Er zijn nog veel meer invoerparameters die bijdragen aan het totale ontwerp, zoals motortype, hoe we de invoeras willen aandrijven, welke lagers beschikbaar zijn, de toepassing van de tandwielkast, enz.

Planetaire tandwielkast

Laten we naar de planetaire tandwielkast kijken. Dit is hetzelfde ontwerp uit mijn vorige video over het ontwerpen ervan. Het is een tweetraps planetaire tandwielkast met 4:1 vertraging per trap, totaal 16:1.

Voor betere prestaties gebruik ik hier kogellagers voor de planeetwielen in plaats van busjes. Elk planeetwiel heeft twee kogellagers zodat we het wiel vast kunnen zetten en de axiale krachten opvangen die ontstaan door de schuine tanding.

Riemaandrijving

De riemaandrijving moet ook een vertraging van 16:1 halen, wat we in twee traps van 4:1 realiseren.

Ik koos voor een GT2-riem omdat dit de meest populaire en beschikbare riem is met uitstekende prestaties qua terugslag. Bijna alle 3D-printers gebruiken dit type riemmen. Ik kocht twee gesloten lus GT2-riemmen van 226 mm met 10 mm breedte.

Voor deze riemmen hebben we geschikte GT2-kattenwielen nodig. Ook hier genereren we ze eenvoudig met een custom FeatureScript in Onshape.

We selecteren het GT2-type (3M of 2M, dus 3 of 2 mm pitch) en voeren het aantal tanden in. Ik stelde de invoerkattenwielen op 20 tanden en de uitvoerkattenwielen op 80 tanden. De eerste trap uitvoerkat (80 tanden) fungeert als invoerkat (20 tanden) voor de tweede trap en zit op twee kogellagers.

De as daarvoor is een 3D-geprinte holle 6 mm as met een M4-bout erdoorheen voor extra stevigheid. De tweede trap uitvoerkat wordt ondersteund door twee kogellagers, één aan de motor-invoeras en één aan de behuizing.

3D-modellen

Bekijk en verken de 3D-modellen:

• Cycloidale aandrijving: https://bit.ly/3RsTa6g
• Riemaandrijving: https://bit.ly/3DZGIb7
• Planetaire tandwielkast: https://bit.ly/3XGtTsZ

Deze sectie is nog in aanbouw. STL-bestanden komen binnenkort beschikbaar.

3D-printen

Ik gebruikte de Creality K2 Plus 3D-printer voor alle onderdelen. Bij 3D-printen is het essentieel om de Horizontal Expansion-functie te gebruiken (in de nieuwe Creality Print slicer heet dit X-Y contourcompensatie en X-Y gatcompensatie).

Laat je deze instellingen standaard, dan komen de afmetingen waarschijnlijk niet exact overeen met het CAD-model door filamentextensie. Gaten worden meestal kleiner, contours groter.

De juiste waarden voor deze twee instellingen is de sleutelvraag, want ze beïnvloeden direct de precisie en prestaties van de aandrijvingen. Ik gebruikte verschillende waarden per onderdeel, afhankelijk van de functie.

Bijvoorbeeld, voor de cycloidale schijven gebruikte ik 0,12 mm voor X-Y gatcompensatie en –0,15 mm voor contour. Zo kreeg ik de gaten voor de uitvoerrollen op de juiste maat, en de contour van de schijf kleiner om te passen in de ringgear-rollen.

Hier is een overzicht van alle waarden die ik per onderdeel gebruikte:

Je kunt deze waarden proberen, maar je hebt wellicht andere waarden nodig afhankelijk van je printer. Je vindt ze alleen door testprints met verschillende waarden. Later zie je in de vergelijkingstests hoe het aanpassen van deze waarden de prestaties beïnvloedt.

Overigens, een shout-out aan Creality voor deze uitstekende printer. De Creality K2 Plus is een van de beste printers die ik ooit gebruikte. Bekijk mijn gedetailleerde review. Ook te koop bij: Creality USA store ; Creality EU store ; Amazon.

De aandrijvingen monteren

Hier zijn alle 3D-geprinte onderdelen en andere componenten voor de drie vertragers.

De riemaandrijving heeft het minste aantal onderdelen, de cycloidale aandrijving behoeft aanzienlijk meer componenten zoals pinnen en busjes. De planetaire tandwielkast zit er tussenin.

Stuklijst (BOM)

Hier is de complete lijst met alle benodigde componenten: busjes, riemmen, lagers, bouten en moeren.

Nu loop ik snel door het montageproces.

Riemaandrijving monteren

Eerst plaatsen we de uiteindelijke uitvoerkat door het lager in de behuizing. Daarna monteren we het lager in de uitvoerkat waar de eerste invoerkat komt. De invoerkat moet eerst op de stappenmotor worden bevestigd; daarvoor maakte ik twee sleuven voor M3-moeren en bevestigde de kat met M3-zetschroeven. De kat moet 2 mm boven de motor blijven.

Voordat we de motor plaatsen, leggen we de twee riemmen in. Vervolgens bevestigen we de motor met M3-bouten – wat door de compacte bouw alleen met kniptangen lukte. Niet handig, maar het doel was een zo stevig mogelijke constructie voor optimale prestaties.

Daarna plaatsen we de tussencat en spannen de riemmen eromheen. Deze kat heeft twee kogellagers met een kleine afstandsring ertussen. Vervolgens schuiven we de as (3D-geprinte holle 6 mm as, versterkt met M4-bout) erdoorheen. Een M6-bout zou ook kunnen, maar de 3D-geprinte as geeft een perfecte 6 mm of 5,95 mm voor de lagers.

Onderaan plaatsen we een afstandsring voor het lager. Dan spannen we de riemmen, duwen de as door de lagers in de andere zijde van de behuizing, voegen de M4-bout toe en bevestigen alles met een M4-moer. De riemaandrijving is klaar en werkt.

De riemmen zitten redelijk strak, maar voor betere controle en prestaties voegen we spanners toe. Ik maakte de riemspanners met een kogellager van 13 mm buitendiameter, bevestigd op een klein beugeltje met M3-bouten en moeren. We duwen dit beugeltje tegen de riem, spannen hem en draaien de bout vast. Een simpel mechanisme dat prima werkt.

Tot slot bevestigen we het deksel met M3-bouten en moeren en voegen we ingedraaide busjes toe aan de uitvoeras voor het bevestigen van accessoires. Bij handmatig draaien voelt de uitvoeras alsof er geen terugslag is.

Cycloidale aandrijving

Bij de cycloidale aandrijving liep ik tegen een probleem aan: ik kon de tweede schijf niet in plaats krijgen, ondanks dat ik alle regels volgde (180 graden uit de fase, alle afmetingen gecontroleerd). Het bleek dat een cycloidale aandrijving een oneven vertragingsratio moet hebben om met twee schijven te werken. In eerdere ontwerpen was de ratio toevallig oneven, dus had ik dit gemist. Voor een werkende cycloidale aandrijving met twee schijven moet het aantal tanden/lobben oneven zijn.

Ik moest het aantal tanden wijzigen naar 15 en het aantal ringgear-rollen naar 16, en de behuizing en schijven opnieuw printen. Daarna kon ik de twee schijven correct installeren en de montage afronden.

Terugslagtest

Alle drie aandrijvingen zijn klaar. We beginnen met nauwkeurigheid/terugslag.

Planetaire tandwielkast

De herhaalbaarheid is goed: de staaf keert binnen 1/100 mm terug op 20 cm afstand. Maar bij kracht wordt terugslag zichtbaar: de staaf speelt enkele mm op en neer. Handmatig voelt er een vrije spel zonder weerstand.

Om terugslag in boogminuten uit te drukken: meet de verplaatsing in beide richtingen met een belasting van ~1-2% van het nominale koppel. Bij koppeltest meet ik ~32 N op 10 cm, dus voor terugslagtest ~0,5 N, maar ik gebruik 2 N op 20 cm. Verplaatsing: ~2,9 mm één kant, ~0,75 mm andere kant.

Met trigonometrie berekenen we de hoek α ≈ 1 graad. 1 boogminuut = 1/60 graad. Dus terugslag ≈ 60 boogminuten.

Laat in de reacties weten of deze meetmethode correct is. Zelfs als niet 100% correct, gebruiken we dezelfde methode voor alle aandrijvingen voor vergelijkbare resultaten.

Afhankelijk van hoe strak/los de tanden ingriep, verschilt het resultaat. Eerste test: ringgear -0,15 mm, planeetwielen -0,05 mm horizontale expansie. Vervang ringgear door 0 mm expansie (strakkere fit): terugslag ~50 boogminuten (~15% beter). Voelbaar minder spel.

Planeetwielen ook op 0 mm: terugslag ~30 boogminuten. Van 60 naar 30 boogminuten verbeterd.

Let op: bij het genereren van de tandwielen in Onshape voegde ik 0,1 mm terugslag/offset toe. Daarom kan ik alles op 0 mm printen en toch goed monteren. We zouden de offset kunnen verwijderen, maar dan lopen we risico op niet-monteren of vastlopen. We zien dat in de efficiëntie/koppeltest.

Cycloidale aandrijving

Herhaalbaarheid slechter: staaf keert binnen 1/10 mm terug op wisselende posities. Terugslag berekend op ~60 boogminuten (zoals slechtste geval planetaire). Handmatig voelt er geen vrije spel, maar direct weerstand.

Schijven geprint met -0,15 mm horizontale expansie, montage was redelijk strak. Probeerde -0,2 mm horizontale en +0,2 mm gatcompensatie (precisie van de 6 uitvoergaten in de schijf telt mee). Met losser fit: resultaten veel slechter, ~150 boogminuten, en vrije spel van de as handmatig.

Riemaandrijving

Herhaalbaarheid goed, binnen 1/100 mm op 20 cm. Wel een overshoot: staaf gaat tot 0,04 mm en keert terug naar 0,03 mm. Terugslag berekend op ~45 boogminuten. Goed resultaat, maar we kunnen de riemspanning regelen om terugslag te verbeteren. Na strakker spannen: ~25 boogminuten. De riemaandrijving scoort best op terugslag.

Koppel / Efficiëntietest

Cycloidale aandrijving

Op 10 cm meet ik ~16 N, dus ~160 Ncm koppel. T.o.v. motor zonder aandrijving (~18 Ncm) is dat ~9x toename. Efficiëntie ~60% (ideaal 15x bij 15:1 ratio). Veel wrijving/weerstand door strakke fit van schijven.

Met losser fit schijven: ~18 N (180 Ncm), ~10% betere efficiëntie (~66%), maar terugslag enorm, onbruikbaar voor precisiewerk.

Planetaire tandwielkast

Op 10 cm meet ik ~36 N, dus ~350 Ncm koppel. Motor zonder kast ~23 Ncm, dus ~15x toename. Efficiëntie ~90-95% (ratio 16:1). Getest met losse fit (klein spel handmatig voelbaar).

Strakkere fits: ringgear 0 mm expansie → ~310 Ncm (~84% efficiëntie). Alle wielen 0 mm → ~290 Ncm (~78% efficiëntie). Nog steeds zeer goed voor 3D-geprint.

Riemaandrijving

Eerste test (riemen wat los): ~260 Ncm, efficiëntie ~70% (motor ~23 Ncm). Probleem: riem sprong over op tweede trap kleinere invoerkat, niet de motor. Beter gespannen: ~360 Ncm, efficiëntie ~95-97%. De riemaandrijving is de meest efficiënte én beste op terugslag.

Voordat we concluderen, nog een paar vergelijkingen.

Duurzaamheidstest

Ik draaide de aandrijvingen langer met gewicht (DC-motoren) en plotselinge richtingswisselingen voor extra stress.

Na ~2 uur faalde de cycloidale aandrijving (kon last niet meer bewegen). Riem- en planetaire liepen 8 uur verder zonder problemen. Na test opnieuw terugslag gemeten:

• Cycloidale: precisie volledig verloren, ~10 mm vrije spel op 20 cm.
• Planetaire: nu ook vrije spel op uitvoeras (was er niet). Getest met strakkste fit. Terugslag ging van ~30 naar ~60 boogminuten.
• Riem: na test ~35 boogminuten, voor test ~25 boogminuten.

Ik opende de aandrijvingen om oorzaak te vinden.

• Cycloidale: duidelijke slijtsporen op schijven (profiel en uitvoergaten). PLA vervormd → precisie verminderd.
• Planetaire: weinig zichtbare slijtage/vervorming. Waarschijnlijk minimale vervorming of slijtage van printlagen. Na initiële inslijping verbetert efficiëntie en precisie misschien.
• Riem: slijtage aan achterkant waar spannerlager duwt. Oplossing: juist 10 mm leidingswiel. Riemmen kunnen na verloop van tijd nagespannen worden voor betere precisie. Bij de andere twee kan je niets toevoegen of spannen.

Over alles geconsidereerd: riemaandrijving is de beste performer. En het wint ook op gewicht, kostprijs en makkelijkheid van maken.

Overige vergelijkingen

• Gewicht inclusief stappenmotor: riem ~550 g, planetaire ~600 g, cycloidale ~710 g. Belangrijk voor robotgewrichten.
• Grootte: cycloidale is meest compact, planetaire en riem vergelijkbaar maar andere configuratie.
• Complexiteit monteren: cycloidale meest complex, dan planetaire, riem makkelijkst (minste niet-geprinte onderdelen).
• Kostprijs (excl. 3D-geprinte delen): cycloidale ~$28, planetaire ~$23, riem ~$7,50 (1/3 tot 1/4).

Conclusie

Eindconclusie: wat is beter? Ik zou de cycloidale aandrijving vermijden; enige voordeel is compactheid.

Planetaire en riem presteren vergelijkbaar, maar de winnaar is de riemaandrijving: best in precisie, efficiëntie, duurzaamheid, en makkelijkst/goedkoopst te bouwen.

Ik blijf hier niet bij: ik ga verdere testen doen in reële scenario's, twee robotarmen bouwen (één met planetaire, één met riemaandrijvingen) en kijken hoe ze presteren in de praktijk.