Unidade cicloidal usinada CNC vs impressa em 3D – comparação de design, montagem e desempenho

Neste artigo, daremos uma olhada na minha nova versão atualizada do acionamento cicloidal que fiz no vídeo anterior, com taxa de redução de 19:1 e veremos como ele funciona feito com peças usinadas CNC versus feito com peças impressas em 3D.

Explicarei como projetei e montei este driver cicloidal, bem como testarei sua precisão e capacidade de carga, acionando-o com motores de passo NEMA17 e NEMA23.

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

Visão geral do acionamento cicloidal

No meu vídeo anterior eu já expliquei em detalhes o que é acionamento cicloidal e como funciona, então sugiro dar uma olhada nesse vídeo caso você não esteja familiarizado com drivers cicloidais. Muito rápido, um driver cicloidal é um tipo único de caixa de engrenagens ou redutor de velocidade que fornece uma taxa de redução muito alta com um design compacto, mas robusto. 

Um acionamento cicloidal é composto por cinco componentes principais, um eixo de entrada de alta velocidade, um rolamento excêntrico, dois discos cicloidais, uma coroa com pinos e rolos e um eixo de saída de baixa velocidade com pinos e rolos.

O eixo de entrada aciona o rolamento excêntrico, e o rolamento excêntrico aciona os dois discos ao redor da circunferência interna da caixa da coroa. O movimento excêntrico faz com que os dentes ou lóbulos do disco cicloidal engatem nos rolos da caixa da coroa de forma que produzam rotação reversa a uma velocidade reduzida. A taxa de redução depende do número de pinos na coroa.

Novamente, você pode encontrar uma explicação mais detalhada no meu vídeo anterior, bem como ver o protótipo impresso em 3D que fiz para esse vídeo. Tinha taxa de redução de 15:1 com diâmetro de 115mm.

Agora. para esta construção, eu queria aumentar a taxa de redução, mas ao mesmo tempo tornar o driver cicloidal mais compacto. Para isso, em vez de usar rolamentos de esferas como rolos, usarei buchas com diâmetro bem menor.

O diâmetro dos rolos é na verdade a dimensão mais importante porque junto com o número de pinos, eles definem o tamanho da caixa de engrenagens. Vamos ver por que isso acontece explicando os processos que usei para projetar esse acionamento cicloidal. 

Projetando a unidade cicloidal

Então, primeiro defini o diâmetro dos roletes como 8mm, pois essa era a dimensão das buchas que eu poderia encomendar facilmente. Então eu queria ter uma taxa de redução de 19:1, o que significava que o alojamento do anel precisava ter 20 rolos. Então, fiz um esboço com esses 20 rolos de 8mm de diâmetro em volta do círculo.

Agora, de acordo com essas duas informações, consegui determinar o tamanho mínimo do diâmetro primitivo da coroa. Este valor, juntamente com o valor da excentricidade que deve ser menor que metade do diâmetro do rolo, constituem os quatro principais parâmetros de entrada que são utilizados para gerar a forma dos discos cicloidais. 

O perfil do disco cicloidal vem de um Ciclóide, que é uma curva traçada por um ponto enquanto rola ao longo de uma linha reta sem escorregar, ou na verdade sua variação, Epitrocóide, que é uma curva traçada por um ponto rolando na circunferência de um círculo e está a uma distância do centro do círculo exterior.

Para desenhar tal curva, podemos usar as seguintes equações paramétricas que podem ser encontradas em um documento escrito por Omar Younis para o blog educacional do SOLIDWORKS.

Agora vou mostrar como usei essas equações paramétricas para fazer os discos cicloidais usando o SOLIDWORKS e sua ferramenta Equation Driven Curve.

Aqui estão as equações:

00 
 Podemos gerar facilmente a forma do disco cicloidal inserindo as duas equações paramétricas no lugar. Claro, devemos usar nossos parâmetros nas equações de forma adequada. Quanto aos parâmetros “t”, devemos utilizar o valor de 0 a 2*Pi. 
 
 Porém, devemos observar que precisamos usar um valor um pouco menor que 2*Pi, para que a curva seja gerada. Isto irá gerar a curva com um pequeno espaço que pode ser facilmente conectado com um spline.  
 
 Depois podemos simplesmente extrudar o perfil e fazer os furos para o rolamento excêntrico e os pinos de saída. O diâmetro desses furos de saída é igual ao diâmetro dos rolos dos pinos + duas vezes a excentricidade. Neste caso é 8 + 2*1 =10 mm de diâmetro. 
 
 No entanto, vamos construir este acionamento cicloidal agora e ver como ele funciona na vida real, tanto com peças usinadas em CNC quanto com peças impressas em 3D. 
 
Download de modelo 3D e arquivos STL
 
 Você pode encontrar e baixar o modelo 3D desta unidade Cycloidal como um arquivo STEP, bem como explorá-lo em seu navegador no Thangs:
 
 Baixe o arquivo .STEP do modelo 3D do Thangs. 
 
 Quanto aos arquivos STL que são utilizados para impressão 3D das peças, você pode baixá-los aqui:
 
 Aqui você também pode baixar os arquivos do SOLIDWORKS:
 
 Desenhos:
 
 Usei esses desenhos ao solicitar as peças usinadas CNC. 
 
Encomendando peças usinadas CNC
 
 Encomendei as peças usinadas CNC da PCBWay. Junto com seus serviços de fabricação de PCB, eles também oferecem serviços de usinagem CNC, impressão 3D, fabricação de chapas metálicas e moldagem por injeção. 
 
 Encomendar as peças é super fácil. Basta fazer o upload do modelo 3D e selecionar o material para a peça. Eles têm praticamente qualquer material disponível. Escolhi o alumínio para a maioria das peças, exceto para os discos cicloidais que queria que fossem feitos de um material mais resistente, então escolhi o aço inoxidável para eles. 
 
 Também temos a opção de escolher vários acabamentos de superfície, como anodizado, escovado, pintura em spray e assim por diante, bem como escolher a rugosidade e tolerância da superfície. Para aquelas peças que precisavam de tolerâncias mais rígidas do que as padrão, também incluí desenhos que continham as tolerâncias específicas exigidas.  
 
 Podemos adicionar várias peças e solicitar um orçamento para cada uma delas em um único pedido.  
 
 As peças chegaram dentro do prazo estimado e bem embaladas, cada item protegido separadamente. 
 
 Devo dizer que é bastante gratificante ter algo que você projetou fabricado em metal. As peças estão lindas e tudo é exatamente igual ao design. Certifique-se de visitar o site PCBWay para saber mais sobre seus serviços. 
 
 Porém, para a versão impressa em 3D, eu mesmo fiz as peças usando um material PLA. 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, então com este recurso podemos compensar isso e obter dimensões mais precisas. Eu configurei o meu para 0,07 e o recurso Expansão Horizontal que compensa as dimensões externas das peças para 0,02 mm. Claro, você deve fazer alguns testes de impressão para ver quais valores lhe darão o resultado mais preciso em sua impressora 3D. 
 
Montagem dos Drives Cicloidais
 
 Tudo bem, então vamos prosseguir com a montagem dos acionamentos cicloidais. Aqui eu tenho todas as peças. Começarei montando primeiro a versão usinada em CNC e depois a impressa em 3D. 
 
 Aqui está uma lista de todos os componentes necessários para montar esta unidade cicloidal:
 
 
 Haste do cilindro de aço de 6 mm …………………..…. Amazon  / AliExpress 
 L=30mm x20 unidades; L=22mm x6 unidades para uma unidade
 
 Buchas de 8 mm ……………………………………. Amazon / AliExpress 
 L=20mm x20 unidades; L=15mm x6 unidades para uma unidade
 
Rolamento de esferas 35x47x7 6807-2RS – x2…. Amazônia  / AliExpress 
 
Rolamento de esferas 17x26x5mm 6803ZZ x2…. Amazônia / AliExpress 
 
Inserções roscadas ……………………..………. Amazônia  / AliExpress 
 
Parafusos M3 e M4 da sua loja de ferragens local – incluirei uma lista completa de parafusos necessários para este projeto em alguns dias
 
 
 Divulgação:Estes são links afiliados. Como associado da Amazon, ganho com compras qualificadas. 
 
 Comecei prendendo o acoplador do eixo no motor de passo NEMA17. O acoplador do eixo deve estar a uma distância de 2 mm da placa frontal do motor, e podemos fixá-lo facilmente usando dois parafusos sem cabeça. Depois podemos fixar a placa de base ao stepper com quatro parafusos M3. 
 
 Em seguida vem a parte maior desta montagem, a carcaça dos roletes da coroa. Aqui precisamos instalar os roletes que neste caso são buchas com 8mm de diâmetro e devem ter 20mm de comprimento. Porém, não consegui encontrar essa dimensão no momento do pedido, então aqui estou usando duas buchas com 10mm de comprimento. 
 
 Os pinos nos quais essas buchas são instaladas têm 6 mm de diâmetro e 30 mm de comprimento. Os furos na parte inferior da caixa são dimensionados para se ajustarem perfeitamente aos pinos, de modo que eles permaneçam firmemente no lugar. Portanto, aqui precisamos usar um pouco de força para instalá-los. Aqui estão eles, 20 rolos, o que nos dará uma taxa de redução de 19:1. 
 
 A caixa da coroa fica no topo da placa de base e aqui primeiro precisamos inserir um anel distanciador que irá segurar os rolos de saída no lugar.  
 
 A seguir, podemos instalar o eixo excêntrico que vai no acoplador do eixo NEMA17. Na verdade, antes de instalá-lo, precisamos inserir os dois rolamentos com diâmetro interno de 17 mm e diâmetro externo de 26 mm. 
 
 Você vê, tudo se encaixa perfeitamente. Eu defino as tolerâncias onde os rolamentos vão para ser um ajuste de interferência para que os rolamentos permaneçam firmemente no lugar. É por isso que tive que usar um pouco de força aqui para inseri-los. 
 
 Esta montagem representa o rolamento excêntrico. Então, podemos instalar os dois discos cicloidais no rolamento excêntrico. Esses também são ajustes de interferência e precisamos usar um pouco de força para instalá-los. Esse ajuste ficou ainda mais apertado porque mandei por engano que os discos cicloidais fossem revestidos com pó, então eles tinham um pouco mais de material e a tolerância não estava correta.  
 
 No entanto, também podemos instalar um anel distanciador entre os dois discos cicloidais para mantê-los no lugar caso o encaixe entre o rolamento e os discos se solte. 
 
 Podemos então inserir este conjunto como um todo na caixa ou um disco de cada vez. Este ajuste entre os discos cicloidais e os rolos da coroa é crucial, pois define o desempenho do acionamento. Como eu estava tentando fazer com que isso se ajustasse o máximo possível para que a unidade tivesse folga mínima, encontrei um problema porque o disco não conseguia encaixá-lo. 
 
 O problema foi causado porque não fiz nenhuma folga ou deslocamento para o perfil do disco cicloidal que obtive nas equações paramétricas e, além disso, encomendei os discos revestidos a pó que também aumentaram seu tamanho. Além disso, as buchas que eu tinha não eram tão boas e tinham diâmetro um pouco maior que 8mm. 
 
 Então, para resolver esse problema, tive que encomendar novos discos cicloidais, mas resolvi tentar retirar algum material do perfil do disco usando uma ferramenta rotativa. Depois de lixar, consegui encaixar o disco. 
 
 Claro que esta não é a melhor solução, mas veremos como será o seu desempenho.  
 
 Porém, ao inserir os dois discos na carcaça, eles devem ser colocados 180 graus fora de fase. 
 
 Existe um orifício nos discos que pode ser utilizado para posicioná-los corretamente. Devemos virar um disco e acertar os dois buracos. Uma vez inseridos, podemos ligar o motor e ver como funcionam os discos cicloidais em combinação com o rolamento excêntrico e os rolos da coroa. 
 
 Os discos cicloidais giram com movimento excêntrico oposto ao eixo de entrada e com velocidade 19 vezes mais lenta.  
 
 Agora, esse movimento excêntrico será transferido para o eixo de saída através dos seis furos nos discos cicloidais. Aqui está o eixo de saída. Precisamos fixar seis pinos nos quais as buchas irão. Os pinos têm 6 mm de diâmetro e 22 mm de comprimento. Os furos no eixo de saída são dimensionados para fazer um ajuste de interferência para que permaneçam firmemente no lugar quando instalados e, portanto, precisamos usar um pouco de força para instalá-los. 
 
 Depois de fixarmos os pinos, podemos inserir as buchas de 8 mm. Aqui precisamos de buchas de 15mm de comprimento mas na hora de fazer esse projeto não encontrei essa dimensão então usei buchas de 10mm mas inseri algumas arruelas para compensação. 
 
 Na verdade, usei apenas uma arruela em vez de duas, como mostra o vídeo. No entanto, os links incluídos para todos os componentes necessários para este projeto estão com as dimensões corretas.  
 
 Antes de inserir o eixo de saída no lugar, precisamos inserir um anel distanciador e um rolamento que suportará tanto o eixo de entrada quanto o de saída. Então podemos simplesmente inserir o eixo de saída nos orifícios dos discos cicloidais. 
 
 No eixo de saída, precisamos inserir mais um anel distanciador e um rolamento com diâmetro interno de 35mm. 
 
 Podemos finalmente finalizar a montagem inserindo a tampa da caixa em cima de tudo e fixando-a com seis parafusos M6 de 45mm de comprimento. E é isso, o acionamento cicloidal agora está totalmente montado, gostei muito do resultado. 
 
 Agora, quanto à versão impressa em 3D, podemos seguir exatamente o mesmo procedimento de montagem. 
 
 Uma etapa adicional aqui é que precisamos instalar algumas inserções roscadas no eixo de saída, para que possamos fixar coisas nele.  
 
Teste
 
 Tudo bem, agora que tenho os dois drivers cicloidais prontos e é hora de submetê-los a alguns testes e ver como eles funcionam. Uma observação rápida antes de vermos os testes, o peso da versão usinada CNC é consideravelmente maior que a impressa em 3D. 
 
Torque
 
 Começarei testando quanto torque essas unidades cicloidais podem produzir. Aqui coloco os dois drives lado a lado e estou medindo a força que eles podem produzir a uma distância de 10cm. 
 
 Ambos produziram uma força de cerca de 45N a uma distância de 10cm, o que traduzido em torque é cerca de 450 Ncm de torque. Porém, o usinado CNC estava dando resultados um pouco mais altos e consistentes. 
 
 Por outro lado, esses motores de passo NEMA17 são avaliados em 28 Ncm, o que significa que obtivemos um aumento de torque de cerca de 16 vezes. Isso representa uma eficiência de cerca de 85%, considerando que a relação de redução é de 19:1 e, em condições ideais, deveríamos obter um aumento de torque de 19 vezes.  
 
 No entanto, vamos ver como eles funcionarão quando anexarmos motores de passo NEMA23 a eles. Projetei o inversor cicloidal para que possamos usá-lo com motores NEMA17 e NEMA23. Entretanto, para manter o projeto o mais compacto possível, a troca de NEMA17 para NEMA23 requer algum trabalho. 
 
 Temos que desmontar algumas peças e trocar a placa de base para encaixar nos furos NEMA23. Também precisamos usar outro acoplador de eixo, pois o NEMA23 possui um eixo maior. Então, basicamente, só precisamos mudar essas duas partes e juntar tudo novamente.  
 
 Também mudei o motor de passo para NEMA23 na versão impressa em 3D. Aqui, ao desmontar o driver, notei que os discos cicloidais já começaram a apresentar algum desgaste. 
 
 Podemos notar que o desgaste está mais presente em um lado dos discos, e acho que é na parte inferior das peças quando impressas em 3D. Isso se deve ao fato de que as primeiras camadas da impressão 3D tendem a extrudar mais filamentos.  
 
 No entanto, aqui estão os dois drivers cicloidais com os maiores motores de passo NEMA23 que eu tive, para estressar ao máximo os drivers. 
 
 Inicialmente comecei o teste com o mesmo bastão de 10cm que já usava, mas logo percebi que precisava de um mais longo, pois com apenas cerca de 25% da potência do motor de passo já atingi 130N em 10cm, e meu medidor de força consegue medir no máximo 200N. Então, tive que aumentar a distância em que meço a força para ficar abaixo de 200N.  
 
 Coloquei um bastão de pinheiro mais comprido e tentei medir a força a uma distância de 50 cm. Bem, o pau de pinheiro quebrou com uma força de cerca de 50N, pois na verdade é um material bastante fraco. Então, substituí-o por um bastão de compensado mais forte e consegui medir a força a uma distância de 50 cm. 
 
 Obtive uma leitura de cerca de 60N, o que traduzido em torque é de cerca de 3000Ncm ou 30Nm de torque. Isso é bastante impressionante. Basta dar uma olhada no quanto o compensado dobra sob a carga. 
 
 Ao medir a força a uma distância de 20cm obtive uma leitura em torno de 170N, o que equivale a cerca de 34Nm de torque. Por outro lado, este motor de passo NEMA23 é avaliado em 2,1 Nm, então, novamente, obtive um aumento de torque de cerca de 16 vezes, assim como no teste NEMA17. Novamente, isso é uma eficiência de cerca de 85%.  
 
 Porém, ao testar a versão impressa em 3D com o stepper NEMA23, obtive uma leitura de cerca de 65Nm a uma distância de 20cm. 
 
 Isso é um torque de cerca de 13 Nm, que na verdade é significativamente menor em comparação com o torque de 34 Nm que obtive da versão usinada CNC. Então, com este teste podemos realmente ver a diferença entre as duas versões. O impresso em 3D simplesmente não consegue acompanhar as forças que este poderoso stepper NEMA23 pode produzir. Até mesmo a inserção roscada falhou sob essas cargas. 
 
Reação
 
 No entanto, também fiz alguns testes de precisão. Podemos constatar que a repetibilidade é boa, tanto na versão usinada CNC quanto na versão impressa em 3D. No entanto, uma vez aplicada uma carga, podemos notar que as unidades apresentam alguma folga. A versão usinada em CNC teve melhor resultado, apresentando folga em torno de 4mm a uma distância de cerca de 12cm, quando aplicada força em ambas as direções, enquanto a versão impressa em 3D apresentou folga de 7mm, a uma distância de cerca de 15cm. 
 
 Essa folga do eixo, ou folga, está presente porque as dimensões das buchas não eram tão precisas, além do fato de eu estar lixando manualmente o perfil dos discos cicloidais porque encomendei-os revestidos a pó por engano. Pelo mesmo motivo, também podemos notar o quão inconsistente é essa folga, algumas posições no eixo apresentam mais folga do que outras. 
 
Conclusão
 
 No entanto, podemos definitivamente obter melhores resultados se usarmos buchas melhores e tivermos o perfil do disco cicloidal usinado com a dimensão e folga adequadas.  
 
 É claro que a precisão da versão impressa em 3D também pode ser melhorada imprimindo a unidade cicloidal com mais precisão. Podemos conseguir isso experimentando o recurso de expansão horizontal ao imprimir as peças em 3D e, para maior durabilidade, podemos projetar os discos para serem mais largos e terem melhor superfície de contato.  
 
 Definitivamente tentarei implementar esse tipo de acionamento cicloidal em alguns de meus vídeos futuros ao fazer alguns projetos robóticos.  
 
 Espero que você tenha gostado deste tutorial e aprendido algo novo. Sinta-se à vontade para fazer qualquer pergunta na seção de comentários abaixo. 
 

            

            

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