CNC-gefreesde versus 3D-geprinte cyclooïdale aandrijving - vergelijking van ontwerp, assemblage en prestaties

In dit artikel bekijken we mijn nieuwe bijgewerkte versie van de cycloïdale aandrijving die ik in de vorige video heb gemaakt, met een reductieverhouding van 19:1, en zien we hoe deze presteert als deze is gemaakt met CNC-gefreesde onderdelen versus gemaakt met 3D-geprinte onderdelen.

Ik zal uitleggen hoe ik deze cycloïdale driver heb ontworpen en geassembleerd, en de nauwkeurigheid en het draagvermogen ervan testen, waarbij ik hem aanstuur met zowel NEMA17- als NEMA23-stappenmotoren.

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

Overzicht cyclooïdale aandrijving

In mijn vorige video heb ik al in detail uitgelegd wat cycloïdale aandrijving is en hoe het werkt, dus ik raad je aan die video te bekijken voor het geval je niet bekend bent met cycloïdale aandrijvingen. Heel snel, een cycloïde aandrijving is een uniek type versnellingsbak, of snelheidsreductiemiddel, dat een zeer hoge reductieverhouding biedt met een compact maar robuust ontwerp. 

Een cycloïde aandrijving bestaat uit vijf hoofdcomponenten:een hogesnelheidsingaande as, een excentrisch lager, twee cycloïdale schijven, een tandkrans met pennen en rollen en een langzaam draaiende uitgaande as met pennen en rollen.

De ingaande as drijft het excentrische lager aan, en het excentrische lager drijft de twee schijven rond de binnenomtrek van het ringtandwielhuis aan. The eccentric motion makes the cycloidal disk teeth or lobes engage with the rollers of the ring gear housing in a way that they produce reverse rotation at a reduced speed. De reductieverhouding is afhankelijk van het aantal pinnen op het ringwiel.

Nogmaals, je kunt meer gedetailleerde uitleg vinden in mijn vorige video, en ook het 3D-geprinte prototype zien dat ik voor die video heb gemaakt. Het had een reductieverhouding van 15:1 en een diameter van 115 mm.

Nu. voor deze build wilde ik de reductieverhouding vergroten, maar tegelijkertijd de cycloïdale driver compacter maken. Om dat te bereiken, zal ik in plaats van kogellagers als rollen te gebruiken, bussen met een veel kleinere diameter gebruiken.

De diameter van de rollen is eigenlijk de meest cruciale afmeting, omdat deze samen met het aantal pinnen de grootte van de versnellingsbak bepalen. Laten we eens kijken waarom dit zo is door de processen uit te leggen die ik heb gebruikt voor het ontwerpen van deze cycloïdale aandrijving. 

De cyclooïdale aandrijving ontwerpen

Dus heb ik eerst de diameter van de rollen gedefinieerd op 8 mm, omdat dat de afmeting was van de bussen die ik gemakkelijk kon bestellen. Toen wilde ik een reductieverhouding van 19:1, wat betekende dat het ringhuis 20 rollen moest hebben. Dus ik teken een schets met deze 20 rollen met een diameter van 8 mm rond de cirkel.

Op basis van deze twee gegevens kon ik nu de minimale grootte van de steekdiameter van het ringwiel bepalen. Deze waarde vormt, samen met de excentriciteitswaarde die kleiner moet zijn dan de helft van de roldiameter, de vier belangrijkste invoerparameters die worden gebruikt voor het genereren van de vorm van de cycloïdale schijven. 

Het cycloïdale schijfprofiel is afkomstig van een cycloïde, een curve die wordt getekend door een punt terwijl deze langs een rechte lijn rolt zonder te slippen, of eigenlijk de variatie ervan, Epitrochoïde, een curve die wordt getekend door een punt dat over de omtrek van een cirkel rolt en zich op een afstand van het midden van de buitencirkel bevindt.

Om een dergelijke curve te tekenen, kunnen we de volgende parametrische vergelijkingen gebruiken, die u kunt vinden in een document geschreven door Omar Younis voor de SOLIDWORKS-educatieblog.

Now I will show you how I used these parametric equations for making the cycloidal disks using SOLIDWORKS and its Equation Driven Curve tool.

Hier zijn de vergelijkingen:

Equations by Omar Younis
N - Number of rollers
Rr - Radius of the roller
R - Radius of the rollers PCD - Pitch Circle Diameter
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:
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))Code language: JavaScript (javascript)

We kunnen eenvoudig de cycloïdale schijfvorm genereren door de twee parametervergelijkingen op hun plaats in te voegen. Natuurlijk moeten we onze parameters op de juiste manier in de vergelijkingen gebruiken. Wat de “t”-parameters betreft, moeten we de waarde van 0 tot 2*Pi gebruiken.

We moeten er echter rekening mee houden dat we een iets kleinere waarde dan 2*Pi moeten gebruiken om de curve te kunnen genereren. Dit genereert de curve met een kleine opening die vervolgens gemakkelijk kan worden verbonden met een spline. 

Vervolgens kunnen we eenvoudig het profiel extruderen, en de gaten maken voor het excentrische lager en de uitgangspennen. De diameter van deze uitvoergaten is gelijk aan de diameter van de pinrollers + twee maal de excentriciteit. In dit geval is dat 8 + 2*1 =10 mm diameter.

Niettemin, laten we deze cycloïde aandrijving nu bouwen en kijken hoe hij in het echt werkt, zowel met CNC-gefreesde als 3D-geprinte onderdelen.

3D-model en STL-bestanden downloaden

U kunt het 3D-model van deze Cycloïdale schijf vinden en downloaden als STEP-bestand, en het in uw browser verkennen op Thangs:

Download het 3D-model .STEP-bestand van Thangs.

De STL-bestanden die worden gebruikt voor het 3D-printen van de onderdelen, kunt u hier downloaden:

Hier kunt u ook de SOLIDWORKS-bestanden downloaden:

Tekeningen:

Ik heb deze tekeningen gebruikt bij het bestellen van de CNC-gefreesde onderdelen.

De CNC-gefreesde onderdelen bestellen

Ik bestelde de CNC-gefreesde onderdelen bij PCBWay. Naast hun PCB-productiediensten bieden ze ook CNC-bewerkingen, 3D-printen, plaatwerkproductie en spuitgietdiensten aan.

Het bestellen van de onderdelen is super eenvoudig. We hoeven alleen maar het 3D-model te uploaden en het materiaal voor het onderdeel te selecteren. Ze hebben vrijwel elk materiaal beschikbaar. Voor de meeste onderdelen heb ik aluminium gekozen, behalve de cycloïde schijven, die ik van sterker materiaal wilde maken. Daarom heb ik voor roestvrij staal gekozen.

We hebben ook de mogelijkheid om verschillende oppervlakteafwerkingen te kiezen, zoals geanodiseerd, geborsteld, spuitverf enzovoort, en ook om de oppervlakteruwheid en tolerantie te kiezen. Voor de onderdelen waarvoor ik nauwere toleranties nodig had dan de standaard, heb ik ook tekeningen bijgevoegd met de specifieke toleranties die ik nodig had. 

We kunnen meerdere onderdelen toevoegen en voor elk daarvan in één bestelling een offerte aanvragen. 

De onderdelen arriveerden binnen de geschatte tijd en waren goed verpakt, elk item afzonderlijk beschermd.

Ik moet zeggen dat het best bevredigend is om iets dat je hebt ontworpen in metaal te laten vervaardigen. De onderdelen zien er geweldig uit en alles is precies hetzelfde als in het ontwerp. Zorg ervoor dat u de PCBWay-website bezoekt voor meer informatie over hun diensten.

Niettemin heb ik voor de 3D-geprinte versie de onderdelen zelf gemaakt met behulp van PLA-materiaal. Bij het 3D-printen van de onderdelen is het belangrijk om de functie Hole Horizontal Expansion in uw slicingsoftware te gebruiken.

Meestal zijn de gaten van 3D-geprinte onderdelen kleiner dan het originele formaat, dus met deze functie kunnen we dat compenseren en een nauwkeurigere afmeting krijgen. Ik heb de mijne ingesteld op 0,07 en de functie Horizontale expansie, die de buitenafmetingen van de onderdelen compenseert, op 0,02 mm. Natuurlijk moet u enkele testafdrukken maken om te zien welke waarden u het meest nauwkeurige resultaat op uw 3D-printer opleveren.

De cyclooïdale aandrijvingen assembleren

Oké, laten we verder gaan met het monteren van de cycloïdale aandrijvingen. Hier heb ik alle onderdelen. Ik zal eerst beginnen met het assembleren van de CNC-gefreesde versie en vervolgens de 3D-geprinte versie.

Hier is een lijst met alle componenten die nodig zijn voor het samenstellen van deze cycloïde aandrijving:

• 6 mm stalen cilinderstang …………………..…. Amazon / AliExpress
  L=30 mm x 20 stuks; L=22 mm x 6 stuks voor één schijf
• 8 mm bussen …………………………………. Amazon / AliExpress
  L=20 mm x 20 stuks; L=15 mm x 6 stuks voor één schijf
• Kogellager 35x47x7 6807-2RS – x2 …. Amazone  / AliExpress
• Kogellager 17x26x5mm 6803ZZ x2 …. Amazone / AliExpress
• Inzetstukken met schroefdraad ………………………..………. Amazone  / AliExpress
• M3- en M4-bouten bij uw plaatselijke ijzerhandel – ik zal binnen enkele dagen een volledige lijst met bouten toevoegen die nodig zijn voor dit project

Openbaarmaking:dit zijn affiliatielinks. Als Amazon Associate verdien ik aan in aanmerking komende aankopen.

Ik begon met het vastzetten van de askoppeling op de NEMA17 stappenmotor. De askoppeling moet zich op een afstand van 2 mm van de voorplaat van de motor bevinden en we kunnen deze eenvoudig vastzetten met behulp van twee stelschroeven. Vervolgens kunnen we de grondplaat met vier M3 bouten aan de stepper bevestigen.

Vervolgens komt het grootste deel van deze montage aan de orde:de behuizing van de tandkransrollen. Hier moeten we de rollen installeren. In dit geval zijn dit bussen met een diameter van 8 mm en een lengte van 20 mm. Ik kon die afmeting echter niet vinden op het moment van bestellen, dus hier gebruik ik twee bussen met een lengte van 10 mm.

De pinnen waarop deze bussen worden gemonteerd, hebben een diameter van 6 mm en een lengte van 30 mm. De gaten aan de onderkant van de behuizing zijn zo gedimensioneerd dat ze goed aansluiten op de pinnen, zodat deze stevig op hun plaats blijven zitten. Daarom moeten we hier wat kracht gebruiken om ze te installeren. Hier zijn ze, 20 rollen, wat ons een reductieverhouding van 19:1 oplevert.

The ring gear housing goes on top of the base plate and here first we need to insert a distance ring which will hold the output rollers in place. 

Vervolgens kunnen we de excentrische as installeren die op de NEMA17-askoppeling past. Voordat we het installeren, moeten we eigenlijk de twee lagers plaatsen met een binnendiameter van 17 mm en een buitendiameter van 26 mm.

Zie je, alles past perfect. Ik heb de toleranties ingesteld waar de lagers een perspassing hebben, zodat de lagers stevig op hun plaats blijven. Daarom moest ik hier wat kracht gebruiken om ze in te brengen.

Dit geheel vertegenwoordigt het excentrische lager. Vervolgens kunnen we de twee cycloïdale schijven op het excentrische lager installeren. Dit zijn ook interferentieaanvallen en we moeten enige kracht gebruiken om ze te installeren. Deze pasvorm was nog strakker omdat ik per ongeluk de cycloïde schijven had laten poedercoaten, waardoor ze iets meer materiaal hadden en de tolerantie niet correct was. 

Niettemin kunnen we ook een afstandsring tussen de twee cycloïde schijven installeren om ze op hun plaats te houden voor het geval de passing tussen het lager en de schijven losser wordt.

We kunnen dit geheel dan in zijn geheel in de behuizing plaatsen of schijf voor schijf. Deze passing tussen de cycloïdale schijven en de tandkransrollen is cruciaal omdat deze bepaalt hoe goed de aandrijving zal presteren. Toen ik probeerde deze zo strak mogelijk te laten passen, zodat de schijf zo min mogelijk speling had, kwam ik een probleem tegen omdat de schijf er niet in paste.

The problem was caused because I didn’t make any clearance, or offset to the cycloidal disk profile that I got from the parametric equations, and in addition to that, I ordered the disks powder coated which also increased their size. Bovendien waren de bushings die ik had niet zo goed en hadden ze een iets grotere diameter dan 8 mm.

So, in order to solve this problem, I had to order new cycloidal disks, but I decided to try to remove some material off of the disk profile using a rotary tool. Na wat schuren kon ik de schijf daadwerkelijk inpassen.

Dit is natuurlijk niet de beste oplossing, maar we zullen zien hoe deze zal presteren. 

Niettemin moeten de twee schijven bij het plaatsen in de behuizing 180 graden uit fase worden geplaatst.

Er zit een gat in de schijven dat kan worden gebruikt om ze correct te positioneren. We moeten één schijf omdraaien en de twee gaten laten vallen. Once inserted, we can power up the motor and see how the cycloidal disks work in combination with the eccentric bearing and the ring gear rollers.

De cycloïdale schijven roteren met een excentrische beweging tegengesteld aan de ingaande as, en met een 19 keer lagere snelheid. 

Nu wordt deze excentrische beweging via de zes gaten in de cycloïdale schijven overgebracht naar de uitgaande as. Hier is de uitgaande as. We moeten zes pinnen vastzetten waarop de bussen passen. De pinnen hebben een diameter van 6 mm en een lengte van 22 mm. De gaten op de uitgaande as zijn zodanig gedimensioneerd dat ze goed passen, zodat ze stevig op hun plaats blijven wanneer ze worden geïnstalleerd. Daarom moeten we enige kracht gebruiken om ze te installeren.

Zodra we de pinnen hebben vastgezet, kunnen we de 8 mm bussen plaatsen. Here we need 15mm long bushings but at the time of making this project I couldn’t find that dimension so I used 10mm bushings but inserted some washers for compensation.

Ik heb eigenlijk maar één ring gebruikt in plaats van twee, zoals te zien is in de video. De meegeleverde links voor alle componenten die nodig zijn voor dit project hebben echter de juiste afmetingen. 

Before inserting the output shaft in place, we need to insert a distance ring and a bearing which will support both the input and the output shaft. Dan kunnen we gewoon de uitgaande as in de gaten van de cycloïde schijven steken.

Op de uitgaande as moeten we nog een afstandsring en een lager met een binnendiameter van 35 mm plaatsen.

We kunnen de montage eindelijk afmaken door het behuizingsdeksel er bovenop te plaatsen en het vast te zetten met zes M6-bouten met een lengte van 45 mm. En dat is alles, de cycloïde aandrijving is nu volledig gemonteerd, ik vind het erg leuk hoe het is geworden.

Wat de 3D-geprinte versie betreft, kunnen we exact dezelfde procedure volgen voor de montage.

Een extra stap hier is dat we enkele inzetstukken met schroefdraad op de uitgaande as moeten installeren, zodat we er dingen aan kunnen bevestigen. 

Testen

Oké, dus nu ik de twee cycloïdale coureurs klaar heb, is het tijd om ze aan een aantal tests te onderwerpen en te zien hoe ze presteren. Nog een korte opmerking voordat we de tests bekijken:het gewicht van de CNC-gefreesde versie is aanzienlijk hoger dan de 3D-geprinte versie.

Koppel

Ik zal beginnen met testen hoeveel koppel deze cycloïdale aandrijvingen kunnen leveren. Hier zet ik de twee aandrijvingen naast elkaar en meet ik de kracht die ze kunnen produceren op een afstand van 10 cm.

Ze leverden allebei een kracht van ongeveer 45 N op een afstand van 10 cm, wat zich vertaalde in een koppel van ongeveer 450 Ncm. De CNC-gefreesde versie gaf echter iets hogere en consistentere resultaten.

Aan de andere kant hebben deze NEMA17-stappenmotoren een vermogen van 28 Ncm, wat betekent dat we een koppeltoename van ongeveer 16 keer hebben. Dat is een efficiëntie van ongeveer 85%, aangezien de reductieverhouding 19:1 is, en onder ideale omstandigheden zouden we een koppeltoename van 19 keer moeten behalen. 

Laten we desalniettemin eens kijken hoe ze zullen presteren als we er NEMA23-stappenmotoren aan bevestigen. Ik heb de cycloïdale aandrijving zo ontworpen dat we deze kunnen gebruiken met zowel NEMA17- als NEMA23-motoren. Om het ontwerp echter zo compact mogelijk te houden, vergt de overstap van NEMA17 naar NEMA23 wat werk.

We moeten een aantal onderdelen demonteren en de basisplaat aanpassen zodat deze in de NEMA23-gaten past. We moeten ook een andere askoppeling gebruiken omdat de NEMA23 een grotere as heeft. Dus eigenlijk hoeven we alleen maar deze twee delen te veranderen en alles weer in elkaar te zetten. 

Ik heb de stappenmotor ook op de 3D-geprinte versie gewijzigd in NEMA23. Toen ik hier de driver demonteerde, merkte ik dat de cycloïde schijven al wat slijtage begonnen te vertonen.

We kunnen merken dat de slijtage meer aanwezig is aan één kant van de schijven, en ik vermoed dat dit de onderkant van de onderdelen is wanneer deze in 3D worden geprint. Dat komt door het feit dat de eerste paar lagen bij 3D-printen de neiging hebben om meer filament te extruderen. 

Nevertheless, here are both cycloidal drivers with the biggest NEMA23 stepper motors that I had, in order to stress the drivers as much as possible.

I initially started the test with the same 10cm stick that I already used, but I soon realized that I needed a longer one, as at just around 25% of the stepper motor power I already reached 130N at 10cm, and my Force meter can measure maximum of 200N. Ik moest dus de afstand waarop ik de kracht meet vergroten om onder de 200N te blijven. 

Ik bevestigde een langere vurenhouten stok en probeerde de kracht op een afstand van 50 cm te meten. Nou, de dennenboom brak met een kracht van ongeveer 50N, omdat het eigenlijk vrij zwak materiaal is. Daarom verving ik hem door een sterkere multiplexstok en kon ik de kracht op een afstand van 50 cm meten.

Ik kreeg een waarde van ongeveer 60 N, wat zich vertaalde in een koppel van ongeveer 3000 Ncm of 30 Nm koppel. Dat is behoorlijk indrukwekkend. Kijk maar eens hoeveel het triplex doorbuigt onder de belasting.

Bij het meten van de kracht op een afstand van 20 cm kreeg ik een waarde van ongeveer 170 N, wat neerkomt op een koppel van ongeveer 34 Nm. On the other hand, this NEMA23 stepper motor is rated at 2.1Nm, so again, I got a torque increase of around 16 times, just like with the NEMA17 test. Nogmaals, dat is een efficiëntie van ongeveer 85%. 

Bij het testen van de 3D-geprinte versie met de NEMA23-stepper kreeg ik echter een meetwaarde van ongeveer 65 Nm op een afstand van 20 cm.

Dat is een koppel van slechts ongeveer 13 Nm, wat eigenlijk aanzienlijk minder is vergeleken met het koppel van 34 Nm dat ik kreeg van de CNC-gefreesde versie. Met deze test kunnen we dus daadwerkelijk het verschil tussen de twee versies zien. De 3D-geprinte kan de krachten die deze krachtige NEMA23-stepper kan leveren gewoon niet bijhouden. Zelfs het inzetstuk met schroefdraad faalde onder deze belastingen.

Tegenslag

Toch heb ik ook enkele nauwkeurigheidstesten gedaan. We kunnen zien dat de herhaalbaarheid goed is, zowel op de CNC-gefreesde als op de 3D-geprinte versie. Zodra we echter een belasting toepassen, kunnen we merken dat schijven enige speling hebben. The CNC machined version had a better result, showing around 4mm play at a distance of around 12cm, when force applied in both directions, whereas the 3D printed version showed a play of 7mm, at a distance of around 15cm.

This play of the shaft, or the backlash is present because the bushings dimensions were not that accurate, as well as the fact that I was manually sanding the cycloidal disks profile because I ordered them powder coated by mistake. Because of the same reason, we can also notice how inconsistent this backlash is, some positions on the shaft have more backlash than others.

Conclusie

Nevertheless, we can definitely get better results if we use better bushings and have the cycloidal disk profile machined with the proper dimension and clearance. 

Uiteraard kan de nauwkeurigheid van de 3D-geprinte versie ook worden verbeterd door de cycloïde aandrijving nauwkeuriger af te drukken. We can achieve that by experimenting with the Horizontal expansion feature when 3D printing the parts, and for better durability we can design the disks to be wider and have better contact surface. 

Ik zal zeker proberen dit type cycloïdale aandrijving te implementeren in een aantal van mijn toekomstige video's bij het maken van robotprojecten. 

Ik hoop dat je deze tutorial leuk vond en iets nieuws hebt geleerd. Stel gerust een vraag in het opmerkingenveld hieronder.