CNC-gefreste vs 3D-geprinte cycloidale aandrijving – Ontwerp, montage en prestatievergelijking

In dit artikel bekijken we mijn nieuwe geüpdatete cycloidale aandrijving (19:1 ratio) en hoe het presteert met CNC-gefreste onderdelen versus 3D-geprinte onderdelen.

Ik leg uit hoe ik deze cycloidale aandrijving ontwierp en monteurde, en test nauwkeurigheid en belastbaarheid met zowel NEMA17 als NEMA23 stappenmotoren.

Je kunt de video bekijken of de handleiding lezen.

Cycloidale aandrijving overzicht

In mijn vorige video legde ik uit wat een cycloidale aandrijving is en hoe het werkt – raadpleeg die als je er niet bekend mee bent. Kort: een cycloidale aandrijving is een unieke vertrager met zeer hoge ratio in compact, robuust ontwerp.

Bestaat uit vijf hoofsonderdelen: hoge-snelheid invoeras, excentrisch lager, twee cycloidale schijven, ringgear met pennen/rollen, lage-snelheid uitvoeras met pennen/rollen.

Invoeras drijft excentrisch lager → schijven banen langs binnenomtrek ringgear behuizing. Excentrische beweging zorgt dat schijftanden/lobben ingrieken met rollen ringgear → omgekeerde rotatie met verlaagde snelheid. Ratio hangt af van aantal pinnen ringgear.

Vorige prototype: 15:1 ratio, 115 mm diameter. Nu: hogere ratio, compactere bouw. In plaats van kogellagers als rollen: busjes met kleinere diameter. Rollerdiameter is cruciale afmeting: samen met aantal pinnen definieert ze kastgrootte. Laten we het ontwerpproces bekijken.

Cycloidale aandrijving ontwerpen

Eerst: rollerdiameter 8 mm (busjes die ik makkelijk kon bestellen). Gewenste ratio 19:1 → ringbehuizing 20 rollen. Tekening met 20 rollen van 8 mm diameter rond cirkel.

Hieruit: minimale ringgear pitch diameter. Samen met excentriciteit (kleiner dan halve rollerdiameter) zijn dit de vier hoofdinvoervalues voor cycloidale schijfvorm.

Cycloidale schijfprofiel komt van een Cycloïde (curve getraced door punt dat zonder te glijden over rechte lijn rollet) – eigenlijk variant: Epitrochoïde (punt rollet op omtrek cirkel, op afstand van centrum exterieure cirkel).

Voor tekenen: parametrische vergelijkingen uit document Omar Younis voor SOLIDWORKS Education blog.

Genereren in SOLIDWORKS met Equation Driven Curve.

Vergelijkingen:

Equations by Omar Younis
N - Aantal rollen
Rr - Straal van de roller
R - Straal van de rollen PCD - Pitch Circle Diameter
E - Excentriciteit - offset van invoeras tot cycloidale schijf
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))
===================
Waarden voor deze DIY Cycloidale Aandrijving:
i = 19:1
N = 20
Rr = 8/2 = 4
R = 66/2 = 33
E = 1
x = (33*cos(t))-(4*cos(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))-(1*cos(20*t))
y = (-33*sin(t))+(4*sin(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))+(1*sin(20*t))

Parametrische vergelijkingen invullen met onze parameters. "t": 0 tot 2π. Let op: iets kleiner dan 2π voor curve generatie (klein gat → met spline sluiten).

Profiel extruderen, gaten voor excentrisch lager en uitvoerpinnen. Diameter uitvoergaten = pinroller diameter + 2× excentriciteit = 8 + 2×1 = 10 mm.

Nu bouwen en testen met CNC en 3D-print.

3D-model en STL-bestanden downloaden

• STEP-bestand downloaden van Thangs
• STL-bestanden voor 3D-printen
• SOLIDWORKS bestanden
• Tekeningen (voor CNC-bestelling)

CNC-gefreste onderdelen bestellen

Besteld bij PCBWay. Naast PCB's bieden ze CNC-frezen, 3D-printen, buigwerk, injectiegieten.

Bestellen: 3D-model uploaden, materiaal kiezen. Vrijwel alle materialen beschikbaar. Ik koos aluminium voor meeste onderdelen, roestvrij staal voor cycloidale schijven (sterker).

Oppervlaktebehandeling kiezen: geanodiseerd, geborsteld, spuitlak, etc., alsof ruwheid en tolerantie. Voor striktere toleranties: tekeningen met specifieke toleranties meegestuurd.

Meerdere onderdelen in één bestelling, offerte per stuk. Binnen geschatte tijd, goed verpakt, elk apart beschermd. Genot om eigen ontwerp in metaal te zien. Onderdelen eruitzien geweldig, exact zoals ontwerp. Bezoek PCBWay voor meer info.

Voor 3D-geprinte versie: zelf gemaakt met PLA. Belangrijk: Hole Horizontal Expansion in slicer. Gaten printen meestal kleiner → compenseren voor accurate afmetingen. Ik gebruikte 0,07 voor gaten, 0,02 mm Horizontal Expansion voor buitenafmetingen. Testprints voor jouw printer.

Cycloidale aandrijvingen monteren

Alle onderdelen klaar. Eerst CNC-versie, dan 3D-geprinte.

Componentenlijst

• 6 mm staal cilinderstaf ………………… Amazon / AliExpress (L=30 mm x20; L=22 mm x6)
• 8 mm Busjes ……………………………… Amazon / AliExpress (L=20 mm x20; L=15 mm x6)
• Kogellager 35x47x7 6807-2RS – x2 …. Amazon / AliExpress
• Kogellager 17x26x5 mm 6803ZZ x2 …. Amazon / AliExpress
• Ingedraaide busjes ……………………… Amazon / AliExpress
• M3 en M4 bouten (lokale bouwmarkt) – complete lijst volgt binnenkort

Affiliate links.

Start: askoppeling op NEMA17 motor vastzetten. Koppeling 2 mm van motorfrontplaat, 2 zetschroeven. Basisplaat op motor met 4 M3-bouten.

Grootste deel: ringgear rollenbehuizing. Rollen = busjes 8 mm diameter, 20 mm lang. Kon die dimensie niet vinden → 2 busjes van 10 mm. Pennen 6 mm diameter, 30 mm lang. Gaten onderin behuizing: interference fit met pennen → kracht nodig om te monteren. 20 rollen = 19:1 ratio.

Ringgear behuizing op basisplaat. Eerst afstandsring voor uitvoerrollen. Excentrische as op NEMA17 koppeling. Eerst twee lagers (17 mm binnen, 26 mm buiten) in excentrische as persen. Interference fit voor lagers → kracht nodig. Dit = excentrisch lager.

Twee cycloidale schijven op excentrisch lager. Ook interference fit → kracht nodig. Nog strakker want schijven per ongeluk poedergecoat → extra materiaal, tolerancia niet correct. Afstandsring tussen schijven voor vastzitten als fit los raakt.

Assemble als geheel of per schijf in behuizing. Fit tussen schijven en ringgear rollen is cruciaal voor prestaties. Ik probeerde fit zo strak mogelijk voor minimale terugslag → schijf paste niet.

Oorzaak: geen clearance/offset aan cycloidale profiel (uit parametrische vergelijkingen) + poedercoating + busjes iets groter dan 8 mm.

Oplossing: nieuwe schijven bestellen, maar eerst proberen materiaal af te zagen met draaiende gereedschap. Na schuren paste schijf.

Niet ideale oplossing, maar we testen prestaties.

Twee schijven in behuizing: 180° uit de fase. Gat in schijven voor positionering: één schijf omkeren, gaten uitlijnen. Ingezet → motor aanzetten → cycloidale schijven werken met excentrisch lager en ringgear rollen. Schijven draaien met excentrische beweging tegen invoerrichting, 19x langzamer.

Excentrische beweging → uitvoeras via 6 gaten in schijven. Uitvoeras: 6 pennen vastzetten (6 mm diameter, 22 mm lang). Gaten in uitvoeras: interference fit → kracht nodig. Pennen vast → 8 mm busjes erop. Heb 15 mm busjes nodig, maar had 10 mm + ringetjes compensatie. (Video toont 1 ringetje, links in BOM staan juiste afmetingen).

Voor uitvoeras plaatsen: afstandsring en lager (ondersteunt in- en uitvoeras). Uitvoeras in schijfgaten duwen. Nog afstandsring en 35 mm binnenlager op uitvoeras. Behuzingdeksel erop, 6 M4-bouten 45 mm vast. CNC-versie klaar – ziet er geweldig uit.

3D-geprinte versie: zelfde procedure. Extra: ingedraaide busjes in uitvoeras voor accessoires.

Testen

Let op: CNC-versie aanzienlijk zwaarder dan 3D-geprinte.

Koppel

Beide naast elkaar, kracht meting op 10 cm. Beide ~45 N op 10 cm = ~450 Ncm koppel. CNC iets hoger en consistenter.

NEMA17 rated 28 Ncm → ~16x toename. Efficiëntie ~85% (ratio 19:1, ideaal 19x).

Met NEMA23: ontwerp ondersteunt beide, maar wisselen vereist werk. Ontkoppelen, basisplaat wisselen voor NEMA23 gaten, andere askoppeling (grotere motoras). Alleen deze twee onderdelen wisselen, rest terugmonteren.

3D-geprinte versie ook NEMA23. Bij demontage: cycloidale schijven tonen al slijtage. Meer slijtage aan één kant (onderkant bij printen) → eerste lagen extruderen meer filament.

Beide met zwaarste NEMA23 om te stressen. Eerst 10 cm stok: bij ~25% motorkracht al 130 N op 10 cm, krachtmeter max 200 N. Langere stok nodig. Denne stok brak bij 50 N. Multiplex stok: meting op 50 cm mogelijk. ~60 N op 50 cm = ~3000 Ncm = 30 Nm. Op 20 cm: ~170 N = ~34 Nm. NEMA23 rated 2,1 Nm → 16x toename, ~85% efficiëntie.

3D-geprinte met NEMA23: ~65 N op 20 cm = ~13 Nm (veel minder dan 34 Nm CNC). 3D-geprint houdt krachten niet stand. Ingedraaide busjes faalden.

Terugslag

Herhaalbaarheid goed (beide). Bij belasting: terugslag zichtbaar. CNC: ~4 mm spel op ~12 cm (kracht beide kanten). 3D-print: ~7 mm op ~15 cm.

Oorzaak: busjes afmetingen niet accuraat + handmatig schuren schijven (poedercoating fout). Terugslag inconsistente: sommige posities meer spel dan andere.

Conclusie

Betere resultaten met betere busjes en correcte schijfafmetingen/toleranties. 3D-print precisie verbeteren met Horizontal Expansion experimenteren, duurzaamheid: schijven breder ontwerpen, beter contactoppervlak.

Ik zal dit type cycloidale aandrijving zeker toepassen in toekomstige robotica-projecten.

Hopelijk leerzaam! Vragen in reacties.