O que é driver cicloide? Design, impressão 3D e testes

Neste tutorial vamos aprender o que é acionamento cicloidal, como funciona, explicar como projetar nosso próprio modelo e imprimir um em 3D para que possamos ver ao vivo e entender melhor como funciona.

Você pode assistir ao vídeo a seguir ou ler o tutorial escrito abaixo.

O que é unidade cicloidal?

Um acionamento cicloidal é um tipo único de redutor de velocidade que fornece uma taxa de redução muito alta com um design compacto, mas robusto. Comparado aos acionamentos de engrenagens convencionais, como de dentes retos e planetários, ele pode atingir taxas de redução muito mais altas de até 10 vezes no mesmo espaço ou estágio. Além disso, ele apresenta praticamente zero folga, maior capacidade de carga, rigidez e alta eficiência de até 90%. Essas propriedades tornam os acionamentos cicloidais adequados para muitas aplicações onde a precisão de posicionamento e o desempenho são importantes, como robótica, máquinas-ferramentas, equipamentos de fabricação e assim por diante.

Vamos dar uma olhada agora no que está dentro e como funciona uma unidade cicloidal. Um acionamento cicloidal é composto por cinco componentes principais, um eixo de entrada de alta velocidade, um rolamento excêntrico ou came cicloidal, dois discos cicloidais ou seguidores de came, uma coroa com pinos e roletes e um eixo de saída de baixa velocidade com pinos e roletes.

O eixo de entrada aciona o rolamento excêntrico e o rolamento excêntrico aciona os discos cicloidais ao redor da circunferência interna da carcaça da coroa. O movimento excêntrico faz com que os dentes ou lóbulos dos discos cicloidais se encaixem nos roletes da carcaça da coroa de forma que produzam rotação reversa a uma velocidade reduzida.

Podemos dar uma olhada aqui e ver que o rolamento excêntrico está realmente empurrando o disco cicloidal contra os roletes da coroa.

Devido ao formato exclusivo do disco e sua posição em relação aos roletes da coroa, podemos ver que, à medida que o rolamento excêntrico progride, os lóbulos do disco na frente da rotação não poderão passar ou pular o próximo rolete da coroa, mas em vez disso, deslizará ou rolará para trás. Esse comportamento é o que realmente causa a rotação reversa dos discos.

Em geral, há um lóbulo cicloidal a menos no disco em comparação com o número de pinos na carcaça da coroa. Isso faz com que, para uma rotação completa do mancal excêntrico, o disco cicloidal se mova apenas uma distância de um lóbulo. A partir disso, podemos ver que a relação de redução depende apenas do número de pinos da coroa.

Por exemplo, aqui temos 12 pinos na engrenagem anelar, o que significa 11 lóbulos no disco cicloidal, e essa é uma proporção de 11:1, ou velocidade de saída 11 vezes mais lenta. O tamanho dos discos, os roletes da coroa ou o rolamento excêntrico não afetam em nada a relação de redução.

A rotação reduzida é transmitida aos pinos do eixo de saída através dos orifícios nos discos cicloidais.

Existem dois discos cicloidais, colocados 180 graus fora de fase para compensar as forças de desequilíbrio causadas pelo movimento excêntrico e proporcionar uma operação mais suave em velocidades mais altas.

O nome Unidade cicloidal vem do perfil do disco que por sua vez vem de uma ciclóide, mas mais sobre isso na próxima seção do vídeo, onde projetaremos nossa própria unidade cicloidal.

Como projetar uma unidade cicloidal

Então, agora que sabemos como funciona um acionamento cicloidal, podemos seguir em frente com o design do nosso próprio modelo, que poderemos imprimir em 3D. Se tentarmos imprimir em 3D este exemplo de demonstração, pode funcionar, mas falharia rapidamente, pois o material de impressão 3D não é forte o suficiente para suportar as forças e o atrito que aparecem na caixa de engrenagens.

As partes críticas são os rolos que geralmente são buchas, o que é uma ótima opção se os materiais forem metálicos, mas com um material PLA teremos que usar rolamentos de esferas.

Tendo isso em mente, aqui está o acionamento cicloidal que eu projetei e usa rolamentos de esferas para os rolos.

Ao projetar um acionamento cicloidal, existem quatro parâmetros de entrada principais que definem seu tamanho e forma dos discos cicloidais, e são o raio da coroa, o raio dos rolos, o número desses rolos e a excentricidade.

Modelo 3D de acionamento cicloidal DIY

Aqui está o acionamento cicloidal que eu projetei usando o SOLIDWORKS e usa rolamentos de esferas para os rolos.

Neste ponto, deixe-me agradecer ao SOLIDWORKS por patrocinar este projeto. Você já ouviu falar sobre o 3DEXPERIENCE World? um evento anual organizado pela SOLIDWORKS?

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No entanto, você pode encontrar e baixar este modelo 3D como um arquivo STEP, bem como explorá-lo em seu navegador no Thangs:

Você pode baixar o arquivo .STEP do modelo 3D do Thangs.

Obrigado Thangs por apoiar este tutorial.

Quanto aos arquivos STL que são usados para imprimir as peças em 3D, você pode baixá-los aqui:

Projeto relacionado

O que é Strain Wave Gear, também conhecido como Harmonic Drive? Um conjunto de engrenagens perfeito para aplicações de robótica!?

Projeto

A primeira coisa que defini foi que eu queria uma relação de redução de 15:1 para esta caixa de engrenagens, o que significava que eu precisava de 16 roletes de coroa. Então, eu desenho um esboço no SOLIDWORKS com 16 rolos ao redor de um círculo.

Então optei por usar rolamentos para os rolos com diâmetro externo de 13mm. Agora, de acordo com esses dois parâmetros, consegui definir qual deveria ser o tamanho do diâmetro primitivo da coroa. Coloquei em 90mm. O valor da excentricidade deve ser menor que a metade do diâmetro do rolo, e escolhi um valor de 1,5mm.

Agora que temos os quatro principais parâmetros de entrada, podemos desenhar a forma ou o perfil do disco cicloidal. Como mencionei, o perfil do disco vem de uma Cycloid, que é uma curva traçada por um ponto em um círculo enquanto rola ao longo de uma linha reta sem escorregar, ou sua variação, uma Epicycloid que é traçada ao rolar em uma circunferência de um círculo .

Há outra variação chamada Epitrochoid, onde o ponto de rastreamento está a uma distância do centro do círculo externo e é nisso que o perfil do disco cicloidal se baseia.

Para desenhar essa curva, podemos usar essas equações paramétricas aqui, mas também existem outros parâmetros para incluir nelas, como o diâmetro do rolo e a excentricidade. Isso complica um pouco as coisas, mas felizmente havia um ótimo documento escrito por Omar Younis para o blog SOLIDWORKS Education, onde ele combina todos esses parâmetros em equações paramétricas X e Y.

Segue as equações:


N - Number of rollers
Rr - Radius of the roller
R - Radius of the rollers PCD (Pitch Circle Diamater)
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:

N = 16
Rr = 6.5
R = 45 
E = 1.5 

x = (45*cos(t))-(6.5*cos(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))-(1.5*cos(16*t))
y = (-45*sin(t))+(6.5*sin(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))+(1.5*sin(16*t))

Code language: Arduino (arduino)

Agora, para gerar o perfil, podemos simplesmente usar a ferramenta Equations Driven Curve do SOLIDWORKS, inserir as duas equações apropriadamente e isso gerará o perfil do disco cicloidal. Claro, para os parâmetros de entrada devemos inserir nossos valores.

Observe também que a curva não será gerada se os parâmetros “t” forem de 0 a 2*pi ou 360 graus. Portanto, precisamos definir o parâmetro t2 um pouco abaixo de 2*pi e, em seguida, gerar a curva com uma pequena lacuna que podemos conectá-la usando um spline simples.

Agora que temos os principais parâmetros do nosso acionamento cicloidal definidos, o resto é só encontrar uma solução técnica de como tudo será conectado. Novamente, considerando que estamos usando um material de impressão 3D não tão resistente, projetei os eixos dos rolos para serem apoiados em ambos os lados, assim como o eixo de entrada e o eixo de saída.

O eixo de entrada é feito de várias seções e apoiado com dois rolamentos dentro do eixo de saída. O eixo de saída também é suportado com dois rolamentos dentro da caixa.

Assim, para recapitular o trabalho desta caixa de engrenagens, a entrada do motor é transmitida para o eixo de entrada excêntrico que aciona os discos cicloidais ao redor do anel de engrenagem.

O movimento reverso produzido que é transmitido ao eixo de saída através dos rolos do eixo de saída. E é isso, agora vamos imprimir em 3D e ver como funciona na vida real.

Impressão 3D

Ao imprimir as peças em 3D, é importante usar o recurso Hole Horizontal Expansion em seu software de fatiamento.

Normalmente, os furos das peças impressas em 3D são menores que o tamanho original, portanto, com esse recurso, podemos compor isso e obter uma dimensão precisa, o que é muito importante para essas peças. Eu configurei o meu para 0,07 mm, e a Expansão Horizontal também pode compensar as dimensões externas das peças, para 0,02 mm. Claro, você deve fazer algumas impressões de teste para ver quais valores lhe darão os melhores resultados em sua impressora 3D.

Montagem da caixa de engrenagens cicloidal

Então, aqui estão todas as peças impressas em 3D, bem como os rolamentos e os parafusos necessários para a montagem do acionamento cicloidal.

Aqui está uma lista de todos os componentes necessários para montar este acionamento cicloidal:

Rolamento de esferas 6x13x5mm 686-2RS – x44 …….. /
Rolamento de esferas 15x24x5 6802-2RS – x4 ………….. /
Rolamento de esferas 35x47x7 6807-2RS – x2 ………….. Amazon /
Barra de aço 6x35mm ……………………………………….. /
Inserções roscadas …………………………………………. /
Parafusos M3 e M4 de sua loja de ferragens local – incluirei uma lista completa de parafusos necessários para este projeto em alguns dias

Comecei inserindo os pinos da coroa no alojamento. Esses pinos acomodam os rolos ou rolamentos da coroa, mas têm apenas 6 mm de diâmetro. Eu não tinha certeza se eles eram fortes o suficiente para não quebrar sob a carga do disco cicloidal.

Portanto, eu os fiz ocos e inseri neles hastes de metal de 3 mm que eu tinha ao redor. Desta forma, os pinos serão fortes o suficiente com certeza. Claro, existem soluções mais inteligentes para isso. Por exemplo, poderíamos usar parafusos M6, mas o que eu não gosto é que os parafusos M6 são um pouco menores que 6 mm, então o rolamento oscilaria. Ideal, aqui poderíamos usar hastes adequadas de 6 mm, que são facilmente disponíveis para compra mesmo com esse tamanho específico de 35 mm.

Depois de colocar todos os pinos no lugar, podemos inserir os rolamentos nesta ordem, um anel distanciador de 7mm, um rolamento, depois o anel distanciador 3mm, um rolamento e outro anel distanciador 7mm.

O acionamento cicloidal agora deve se encaixar nessa engrenagem anelar que criamos e, se tentarmos mover o disco com um movimento excêntrico, empurrando para os lados enquanto gira, o disco deve começar a girar reversamente.

Em seguida, podemos montar o eixo de entrada que é composto por quatro seções. Em cada seção, precisamos colocar um rolamento e alguns anéis de distância e, devido à excentricidade, não poderemos fazer isso, a menos que o eixo seja feito em seções.

Para conectar as seções, estou usando dois parafusos M3 que passam por todas elas. Podemos notar aqui que os orifícios para esses parafusos M3 são feitos um pouco menores do que os parafusos M3 para que o parafuso faça uma rosca neles e tenha um ajuste mais apertado.

Veja como o eixo deve ficar quando montado, mas na verdade eu tive que inserir os discos cicloidais e agora não consegui. Então, eu desmontei e montei novamente com o disco inserido também.

Continuei com a montagem do eixo de saída. Aqui precisamos instalar os roletes ou rolamentos de saída, e fazemos isso de maneira semelhante à mostrada para os roletes da coroa. Um pino de 6 mm, com rolamentos de 13 mm e alguns anéis distanciadores inseridos através de alguns parafusos M3 de 20 mm de comprimento.

Ao inserir esses roletes de saída através das aberturas do disco cicloidal, é importante posicionar os dois discos um em relação ao outro 180 graus fora de fase. Para ajudar com isso fiz pequenos furos em ambos os discos 180 graus fora de fase, então aqui só temos que combiná-los e estamos bem para inserir os rolos.

Observe que este é um ajuste um pouco apertado, mas se as dimensões do furo forem precisas, poderemos fazer o ajuste.

Agora podemos prender esses pinos no outro flange do outro lado, mas para isso primeiro precisamos instalar algumas inserções rosqueadas no flange. Estou usando esses insertos rosqueados para que toda a montagem fique mais compacta.

Assim, uma vez que os eixos de entrada e saída são montados juntos, podemos instalar todo este conjunto na carcaça através de um rolamento com diâmetro externo de 47mm.

Então podemos instalar mais um rolamento como este na frente do eixo e inserir a tampa da carcaça no lugar. Este também é um ajuste apertado, pois todos os 16 pinos devem caber nos slots da tampa da caixa, então temos que usar um pouco de força para inseri-lo.

Na parte de trás da caixa, instalei algumas inserções rosqueadas M4 e, em seguida, prendi a tampa e a caixa com alguns parafusos M4 de 40 mm.

E é isso! Se é justo dizer, basta dar uma olhada nessa beleza. Eu realmente gosto de como essa caixa de câmbio cicloidal ficou, design limpo sem nada saindo dela.

Testando a unidade cicloidal

No entanto, agora vamos anexar um motor a ele e ver como ele funcionará. Na parte de trás do eixo de entrada, instalei mais algumas inserções rosqueadas para que possamos conectar facilmente vários acopladores de eixo.

Para testar a caixa de engrenagens, usarei um motor de passo NEMA 17, então conectei um acoplador de eixo impresso em 3D adequado ao eixo de entrada. Eu prendi o stepper em um suporte de montagem impresso em 3D e inseri o eixo do motor no acoplador e prendi o suporte de montagem na carcaça.

Uma última coisa é instalar algumas inserções rosqueadas na frente do eixo de saída para que possamos anexar coisas a ele. Aqui está a aparência final deste acionamento cicloidal, em combinação com um motor de passo NEMA 17, mas é claro que podemos usar qualquer outro tipo de motor aqui.

E aí temos que. Para ser honesto, fiquei realmente surpreso com o quão suave foi a saída dessa caixa de câmbio. De frente podemos ver tanto o eixo de entrada quanto o de saída girando ao mesmo tempo, na direção oposta e com diferença de velocidade de 15:1.

Também consegui rodar a caixa de câmbio sem a tampa dianteira, e assim podemos ver tudo explicado anteriormente em ação.

O movimento é simplesmente fascinante.

No final, fiz alguns testes para verificar o desempenho do câmbio. Mais uma coisa a notar aqui é que esta unidade cicloidal também é retro-dirigível, o que pode ser um bom recurso para algumas aplicações.

Então, aqui estou medindo a força que esta caixa de engrenagens pode produzir a uma distância de 10 cm. Eu obtive uma leitura de cerca de 26N, que traduzido em torque, é de cerca de 260 Ncm, e este NEMA 17 stepper com apenas 34 mm de comprimento é avaliado em 26 Ncm.

Isso significa que temos um aumento de torque de cerca de 10 vezes com o acionamento cicloidal. Isso é eficiência em torno de 66%, considerando que a relação de redução é de 15:1 e em condições ideais deveríamos ter ganho 15 vezes o torque. No entanto, ainda é um ótimo resultado, considerando que tudo é impresso em 3D com uma impressora 3D econômica e as peças não são tão precisas como teríamos com algumas impressoras profissionais ou máquinas CNC no caso de caixa de engrenagens totalmente metálica.

Também fiz alguns testes de precisão, que também mostraram bons resultados.

Eu definitivamente usaria esse tipo de caixa de engrenagens em vídeos futuros ao fazer alguns projetos robóticos.

Espero que tenham gostado deste vídeo e aprendido algo novo. Se você tiver alguma dúvida, sinta-se à vontade para perguntar na seção de comentários abaixo.

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