Vergelijking van CNC-gefreste en 3D-geprinte cycloïdale aandrijvingen: Ontwerp, montage en prestatietests

In dit artikel bekijken we mijn nieuwe geüpdatete versie van de cycloïdale aandrijving die ik in de vorige video maakte, met 19:1 reductieverhouding, en kijken hoe hij presteert met CNC-gefreste onderdelen versus 3D-geprinte onderdelen.

Ik zal uitleggen hoe ik deze cycloïdale aandrijving ontwierp en monsteerde, evenals de nauwkeurigheid en belastbaarheid testen, aangedreven met zowel NEMA17- als NEMA23-stappenmotoren.

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

Overzicht cycloïdale aandrijving

In mijn vorige video legde ik al gedetailleerd uit wat een cycloïdale aandrijving is en hoe het werkt, dus ik raad aan die video te bekijken als je niet bekend bent met cycloïdale aandrijvingen. Kortom, een cycloïdale aandrijving is een uniek type tandwielkast, of snelheidsverlager, dat een zeer hoge reductieverhouding biedt met een compact maar robuust ontwerp.

Een cycloïdale aandrijving bestaat uit vijf hoofdbestanden: een hoge-snelheid invoeras, een excentrisch lager, twee cycloïdale schijven, een ringtandwiel met pennen en rollen, en een lage-snelheid uitvoeras met pennen en rollen.

De invoeras drijft het excentrische lager aan, en het excentrische lager drijft de twee schijven rond de binnenomtrek van de ringtandwielbehuizing. De excentrische beweging zorgt ervoor dat de tanden of lobben van de cycloïdale schijf ingaan op de rollen van de ringtandwielbehuizing op een manier dat ze omgekeerde rotatie produceren met een verminderde snelheid. De reductieverhouding hangt af van het aantal pennen op het ringtandwiel.

Opnieuw, je kunt meer gedetailleerde uitleg in mijn vorige video vinden, evenals de 3D-geprinte prototype die ik daarvoor maakte. Die had 15:1 reductieverhouding met 115mm diameter.

Nu, voor deze build, wilde ik de reductieverhouding verhogen, maar tegelijkertijd de cycloïdale aandrijving compacter maken. Om dat te bereiken, gebruik ik in plaats van kogellagers als rollen, busjes met een veel kleinere diameter.

De rollerdiameter is eigenlijk de meest cruciale afmeting, omdat die samen met het aantal pennen de grootte van de tandwielkast definieert. Laten we zien waarom dat zo is, door het ontwerpproces te explaineren dat ik voor deze cycloïdale aandrijving gebruikte.

Ontwerpen van de cycloïdale aandrijving

Allereerst definieerde ik de diameter van de rollen op 8mm, omdat dat de afmeting was van de busjes die ik makkelijk kon bestellen. Daarna wilde ik een 19:1 reductieverhouding, wat betekende dat de ringbehuizing 20 rollen nodig had. Dus ik tekende een schets met deze 20 rollen met 8mm diameter rond een cirkel.

Nu, volgens deze twee invoeren, kon ik de minimale grootte van de ringtandwiel-deeltanddiameter bepalen. Deze waarde, samen met de excentriciteitswaarde die kleiner moet zijn dan de helft van de rollerdiameter, vormen de vier hoofdinvoerv parameters die gebruikt worden voor het genereren van de vorm van de cycloïdale schijven.

Het profiel van de cycloïdale schijf komt van een Cycloïde, wat een kromme is getraceerd door een punt terwijl het langs een rechte lijn rolt zonder te glijden, of eigenlijk zijn variatie, Epitrochoïde, wat een kromme is getraceerd door een punt dat rollet op de omtrek van een cirkel en op een afstand van het midden van de exterieure cirkel ligt.

Voor het tekenen van zo'n kromme, kunnen we de volgende parametrische vergelijkingen gebruiken, die te vinden zijn in een document geschreven door Omar Younis voor de SOLIDWORKS-educatieblog.

Nu laat ik je zien hoe ik deze parametrische vergelijkingen gebruikte voor het maken van de cycloïdale schijven met SOLIDWORKS en het Equation Driven Curve-hulpmiddel.

Hier zijn de vergelijkingen:

Vergelijkingen door Omar Younis
N - Aantal rollen
Rr - Straal van de rol
R - Straal van de rollen PCD
E - Excentriciteit - offset van invoeras naar cycloïdale 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 Cycloïdale 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))

We kunnen het cycloïdaal schijfprofiel eenvoudig genereren door de twee parametrische vergelijkingen in te voegen. Natuurlijk moeten we onze parameters in de vergelijkingen op de juiste manier gebruiken. Wat de "t"-parameter betreft, moeten we de waarde van 0 tot 2*Pi gebruiken.

Hoewel we opmerken moeten dat we een iets kleinere waarde dan 2*Pi moeten gebruiken, zodat de kromme gegenereerd wordt. Dit genereert de kromme met een klein gatje dat daarna makkelijk met een spline verbonden kan worden.

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

Nu, laten we deze cycloïdale aandrijving bouwen en kijken hoe het in het echte leven werkt, zowel met CNC-gefreste als 3D-geprinte onderdelen.

3D-model en STL-bestanden downloaden

Je kunt het 3D-model van deze Cycloïdale aandrijving als STEP-bestand vinden en downloaden, evenals het verkennen in je browser op Thangs:

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

Wat de STL-bestanden betreft die gebruikt worden voor 3D-printen van de onderdelen, kun je ze hier downloaden:

Hier kun je ook de SOLIDWORKS-bestanden downloaden:

Tekeningen:

Ik gebruikte deze tekeningen bij het bestellen van de CNC-gefreste onderdelen.

Bestellen van de CNC-gefreste onderdelen

Ik bestelde de CNC-gefreste onderdelen bij PCBWay. Naast hun PCB-fabricageservices bieden ze ook CNC-bewerking, 3D-printen, plaatmetaalbewerking en injectiegieten aan.

Onderdelen bestellen is super makkelijk. We hoeven alleen het 3D-model te uploaden en het materiaal voor het onderdeel te selecteren. Ze hebben vrijwel elk materiaal beschikbaar. Ik koos aluminium voor de meeste onderdelen, behalve voor de cycloïdale schijven, die ik van sterker materiaal wilde, dus ik koos roestvrij staal voor ze.

We hebben ook de optie om diverse oppervlakteafwerkingen te kiezen, zoals geanodiseerd, geborsteld, spuitverven, enzovoort, evenals oppervlakteruughte en tolerantie te kiezen. Voor die onderdelen waar ik strakkere toleranties nodig had dan de standaard, voegde ik ook tekeningen toe die de specifieke toleranties bevatten die ik vereiste.

We kunnen meerdere onderdelen toevoegen en een offerte aanvragen voor elk ervan in een enkele bestelling.

De onderdelen kwamen binnen de geschatte tijd en goed verpakt aan, elk item apart beschermd.

Ik moet zeggen dat het best bevredigend is om iets wat je zelf hebt ontworpen, in metaal gefabriceerd te zien. De onderdelen zien er geweldig uit en alles is precies hetzelfde als in het ontwerp. Zeker de PCBWay-website bezoeken om meer over hun diensten te leren.

Toch, voor de 3D-geprinte versie, maakte ik de onderdelen zelf met PLA-materiaal. Bij het 3D-printen van de onderdelen, is het belangrijk om de Gat-Horizontale-Uitbreiding-functie in je slicer-software te gebruiken.

Meestal zijn de gaten van 3D-geprinte onderdelen kleiner dan de originele grootte, dus met deze functie kunnen we dat compenseren en nauwkeurigere afmetingen krijgen. Ik stelde de mijn in op 0,07, en de Horizontale-Uitbreiding-functie die compenseert voor de buitenafmetingen van de onderdelen, op 0,02mm. Natuurlijk moet je wel een paar testprints doen om te zien welke waarden het meest nauwkeurige resultaat geven op jouw 3D-printer.

Monteren van de cycloïdale aandrijvingen

Oké, laten we doorgaan met het monteren van de cycloïdale aandrijvingen. Hier heb ik alle onderdelen. Ik begin met het monteren van de CNC-gefreste versie eerst, en dan de 3D-geprinte.

Hier is een lijst van alle componenten die nodig zijn voor het monteren van deze cycloïdale aandrijving:

• 6mm Staal cylinder staaf …………………..…. Amazon / AliExpress
  L=30mm x20 stuks; L=22mm x6 stuks voor één aandrijving
• 8mm Busjes ………………………………………. Amazon / AliExpress
  L=20mm x20 stuks; L=15mm x6 stuks voor één aandrijving
• Kogellager 35x47x7 6807-2RS – x2 …. Amazon / AliExpress
• Kogellager 17x26x5mm 6803ZZ x2 …. Amazon / AliExpress
• Gezwinde-inserts ………………………..………. Amazon / AliExpress
• M3 en M4 bouten uit je lokale bouwmarkt – Ik zal een complete lijst met benodigde bouten voor dit project over een paar dagen opnemen

Disclaimer: Dit zijn affiliatelinks. Als Amazon Associate verdien ik aan kwalificatieve aankopen.

Ik begon met het bevestigen van de askoppeling op de NEMA17-stappenmotor. De askoppeling moet op een afstand van 2mm van de motorvoorplaat zitten, en we kunnen hem gemakkelijk bevestigen met twee zeskantschroeven. Vervolgens kunnen we de basisplaat aan de stappenmotor bevestigen met vier M3-bouten.

Daarna gaat het grootste deel in deze montage, de ringtandwiel-rollerenbehuizing. Hier moeten we de rollers installeren, wat in dit geval busjes zijn met 8mm diameter en 20mm lang moeten zijn. Echter, ik kon die afmeting op het moment van bestellen niet vinden, dus hier gebruik ik twee busjes van 10mm lengte.

De pennen waarop deze busjes zitten, zijn 6mm in diameter en hebben een lengte van 30mm. De gaten aan de onderkant van de behuizing zijn gedimensioneerd voor een strakke pasvorm met de pennen, zodat ze stevig op hun plaats blijven. Daarom moeten we hier wat kracht gebruiken om ze te installeren. Hier zijn ze, 20 rollers, wat ons 19:1 reductieverhouding geeft.

De ringtandwielbehuizing gaat bovenop de basisplaat, en hier moeten we eerst een afstandsring installeren die de uitvoerrollers op hun plaats houdt.

Vervolgens kunnen we de excentrische as installeren, die op de NEMA17-askoppeling gaat. Eigenlijk, voordat we hem installeren, moeten we de twee lagers met 17mm binnen- en 26mm buitendiameter installeren.

Je ziet, alles past perfect. Ik stelde de toleranties waar de lagers ingaan op interferentiepasvorm, zodat de lagers stevig op hun plaats blijven. Daarom moest ik hier wat kracht gebruiken om ze te installeren.

Deze montage vertegenwoordigt het excentrische lager. Vervolgens kunnen we de twee cycloïdale schijven op het excentrische lager installeren. Deze zijn ook interferentiepasvormen en we moeten wat kracht gebruiken om ze te installeren. Deze pasvorm was nog strakker, omdat ik de cycloïdale schijven per ongeluk gepowdercoated had besteld, dus ze hadden iets meer materiaal en de tolerantie was niet correct.

Toch kunnen we ook een afstandsring tussen de twee cycloïdale schijven installeren om ze op hun plaats te houden, voor het geval de pasvorm tussen het lager en de schijven losraakt.

We kunnen dan deze montage als geheel in de behuizing inserten, of schijf voor schijf. Deze pasvorm, tussen de cycloïdale schijven en de ringtandwielrollers, is cruciaal, omdat het definieert hoe goed de aandrijving zal presteren. Omdat ik deze pasvorm zo strak mogelijk wilde maken, zodat de aandrijving minimaal achterhaal (backlash) zou hebben, liep ik tegen een probleem aan: de schijf kon niet passen.

Het probleem werd veroorzaakt omdat ik geen clearance of offset aanmaakte aan het cycloïdaal schijfprofiel dat ik uit de parametrische vergelijkingen kreeg, en bovendien had ik de schijven gepowdercoated besteld, wat hun grootte ook vergrootte. Bovendien waren de busjes die ik had, niet zo goed en hadden een iets grotere diameter dan 8mm.

Om dit probleem op te lossen, moest ik nieuwe cycloïdale schijven bestellen, maar ik besloot te proberen om wat materiaal van het schijfprofiel te verwijderen met een draaiende tool. Na wat schuren, kon ik de schijf eigenlijk wel inplaatsen.

Natuurlijk is dit niet de beste oplossing, maar we zullen zien hoe het presteert.

Toch, bij het installeren van de twee schijven in de behuizing, moeten ze 180 graden uit de fase geplaatst worden.

Er zit een gat in de schijven dat gebruikt kan worden voor het correct positioneren ervan. We moeten één schijf omkeren en de twee gaten uitlijnen. Eenmaal geïnstalleerd, kunnen we de motor aanzetten en zien hoe de cycloïdale schijven werken in combinatie met het excentrische lager en de ringtandwielrollers.

De cycloïdale schijven draaien met excentrische beweging tegengesteld aan de invoeras, en met 19 keer langzamere snelheid.

Nu wordt deze excentrische beweging overgedragen naar de uitvoeras via de zes gaten in de cycloïdale schijven. Hier is de uitvoeras. We moeten zes pennen bevestigen waarop de busjes gaan. De pennen zijn 6mm in diameter en 22mm lang. De gaten op de uitvoeras zijn gedimensioneerd voor interferentiepasvorm, zodat ze stevig op hun plaats blijven wanneer geïnstalleerd, en daarom moeten we wat kracht gebruiken om ze te installeren.

Eenmaal de pennen bevestigd, kunnen we de 8mm busjes installeren. Hier hebben we 15mm lange busjes nodig, maar op het moment van maken van dit project kon ik die afmeting niet vinden, dus ik gebruikte 10mm busjes, maar plaatste enkele ringetjes voor compensatie.

Ik gebruikte eigenlijk slechts één ringetje in plaats van twee, zoals in de video getoond. De inbegrepen links voor alle benodigde componenten voor dit project hebben wel de juiste afmetingen.

Voordat we de uitvoeras op zijn plaats zetten, moeten we een afstandsring en een lager installeren die zowel de invoer- als de uitvoeras ondersteunen. Dan kunnen we de uitvoeras gewoon in de gaten van de cycloïdale schijven schuiven.

Op de uitvoeras moeten we nog een afstandsring en een lager met 35mm binnendiameter installeren.

We kunnen de montage ten slotte afronden door de behuizingdeksel bovenop alles te plaatsen en het te bevestigen met zes M6-bouten van 45mm lengte. En dat is het, de cycloïdale aandrijving is nu volledig gemonteerd, ik vind het erg leuk hoe het uitkwam.

Nu, wat de 3D-geprinte versie betreft, kunnen we exact dezelfde procedure volgen voor het monteren.

Eén extra stap hier is dat we enkele gezwinde-inserts in de uitvoeras moeten installeren, zodat we dingen eraan kunnen bevestigen.

Testen

Oké, nu ik de twee cycloïdale aandrijvingen klaar heb, is het tijd om ze door een paar tests te halen en te zien hoe ze presteren. Een snelle opmerking voordat we de tests zien: het gewicht van de CNC-gefreste versie is aanzienlijk hoger dan de 3D-geprinte.

Koppel

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

Beide leverden een kracht van ongeveer 45N op een afstand van 10cm, wat vertaald naar koppel, ongeveer 450 Ncm koppel is. Hoewel de CNC-gefreste er een beetje hogere en consistentere resultaten gaf.

Aan de andere kant, deze NEMA17-stappenmotoren zijn good voor 28 Ncm, wat betekent dat we ongeveer 16 keer koppeltoename kregen. Dat is een rendement van ongeveer 85%, rekening houdend met de reductieverhouding van 19:1, en in ideale omstandigheden zouden we een 19 keer koppeltoename moeten krijgen.

Toch, laten we kijken hoe ze presteren als we NEMA23-stappenmotoren erop monteren. Ik ontwierp de cycloïdale aandrijving zodat we hem met zowel NEMA17- als NEMA23-motoren kunnen gebruiken. Echter, om het ontwerp zo compact mogelijk te houden, vereist de wissel van NEMA17 naar NEMA23 wat werk.

We moeten een paar onderdelen demonteren, en de basisplaat veranderen om de NEMA23-gaten te passen. We moeten ook een andere askoppeling gebruiken, want de NEMA23 heeft een grotere as. Dus eigenlijk hoeven we alleen deze twee onderdelen te veranderen en alles weer terug te monteren.

Ik veranderde de stappenmotor naar NEMA23 op de 3D-geprinte versie ook. Hier, toen ik de aandrijving demonteerde, merkte ik dat de cycloïdale schijven al wat slijtage vertoonden.

We kunnen zien dat de slijtage meer aan de ene kant van de schijven zichtbaar is, en ik gok dat dat de onderkant van de onderdelen is toen ze 3D-geprint werden. Dat komt doordat de eerste paar lagen bij 3D-printen neigen om meer filament te extruderen.

Toch, hier zijn beide cycloïdale aandrijvingen met de grootste NEMA23-stappenmotoren die ik had, om de aandrijvingen zo zwaar mogelijk te belasten.

Ik begon de test met dezelfde 10cm stok die ik al gebruikte, maar ik realiseerde me snel dat ik een langere nodig had, want bij slechts ongeveer 25% van de stappenmotorvermogen had ik al 130N op 10cm bereikt, en mijn krachtmeter kan maximaal 200N meten. Dus ik moest de afstand waar ik de kracht meet vergroten, om onder de 200N te blijven.

Ik bevestigde een langere dennenstok en probeerde de kracht op een afstand van 50cm te meten. Nou, de dennenstok brak bij een kracht van ongeveer 50N, want het is eigenlijk vrij zwak materiaal. Dus ik verving het door een sterker, multiplex-stokje, en kon de kracht op een afstand van 50cm meten.

Ik kreeg een meting van ongeveer 60N, wat vertaald naar koppel, ongeveer 3000 Ncm of 30 Nm koppel is. Dat is indrukwekkend. Kijk eens hoe veel het multiplex onder de belasting buigt.

Bij het meten van de kracht op een afstand van 20cm kreeg ik een meting van ongeveer 170N, wat ongeveer 34 Nm koppel is. Aan de andere kant, deze NEMA23-stappenmotor is good voor 2,1 Nm, dus weer kreeg ik een koppeltoename van ongeveer 16 keer, net als bij de NEMA17-test. Opnieuw, dat is een rendement van ongeveer 85%.

Echter, bij het testen van de 3D-geprinte versie met de NEMA23-stappenmotor, kreeg ik een meting van ongeveer 65N op een afstand van 20cm.

Dat is een koppel van slechts ongeveer 13 Nm, wat significant minder is vergeleken met de 34 Nm koppel die ik van de CNC-gefreste versie kreeg. Dus met deze test kunnen we eigenlijk het verschil tussen de twee versies zien. De 3D-geprinte kan de krachten die deze krachtige NEMA23-stappenmotor kan leveren, niet aan. Zelfs de gezwinde-insert faalde onder deze belasting.

Achterhaal (Backlash)

Toch deed ik ook enkele nauwkeurigheidstests. We kunnen zien dat de herhaalbaarheid goed is, zowel op de CNC-gefreste als de 3D-geprinte versie. Echter, zodra we een belasting toepassen, merken we dat de aandrijvingen wel achterhaal hebben. De CNC-gefreste versie had een beter resultaat, met ongeveer 4mm spel op een afstand van ongeveer 12cm, wanneer kracht in beide richtingen toegepast werd, terwijl de 3D-geprinte versie een spel van 7mm liet zien, op een afstand van ongeveer 15cm.

Dit spel van de as, of de achterhaal, is aanwezig omdat de busjesafmetingen niet zo nauwkeurig waren, alsook het feit dat ik de cycloïdale schijvenprofielen handmatig schuurde, omdat ik ze per ongeluk gepowdercoated had besteld. Vanwege dezelfde reden kunnen we ook zien hoe inconsistente deze achterhaal is, sommige posities op de as hebben meer achterhaal dan andere.

Conclusie

Toch, we kunnen zeker betere resultaten krijgen als we betere busjes gebruiken en het cycloïdaal schijfprofiel met de juiste afmetingen en clearance laten frezen.

Natuurlijk kan de precisie van de 3D-geprinte versie ook verbeterd worden door de cycloïdale aandrijving nauwkeuriger te printen. We kunnen dat bereiken door te experimenteren met de Horizontale-uitbreiding-functie bij het 3D-printen van de onderdelen, en voor betere duurzaamheid kunnen we de schijven breder ontwerpen en een beter contactoppervlak geven.

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

Ik hoop dat je van deze tutorial genoten hebt en iets nieuws geleerd hebt. Voel je vrij om vragen te stellen in de reacties hieronder.