¡Bienvenidos a nuestro artículo sobre el Strain Wave Gear, también conocido como Harmonic Drive! Si alguna vez te has preguntado qué es esta increíble pieza de tecnología y por qué es considerada la caja de cambios perfecta para aplicaciones de robots, estás en el lugar indicado. Descubre todos los detalles sobre este innovador mecanismo y su impacto en la industria de la robótica. ¡Sigue leyendo para desentrañar todos sus secretos!
En este tutorial aprenderemos qué es un engranaje ondulatorio, también llamado accionamiento armónico. Primero explicamos su principio de funcionamiento, luego diseñamos nuestro propio modelo y lo imprimimos en 3D para poder verlo en la vida real y entender mejor cómo funciona.
Puede ver el vídeo a continuación o leer el tutorial escrito a continuación.
¿Qué es un engranaje ondulado?
Un engranaje ondulado es un tipo único de sistema de transmisión mecánica que permite relaciones de reducción muy altas en un paquete compacto y liviano. En comparación con los sistemas de engranajes convencionales, como los engranajes helicoidales o los engranajes planetarios, se pueden lograr relaciones de reducción mucho mayores, de hasta 30 veces, en el mismo espacio. Además, no tiene juego, tiene un par elevado, es preciso y fiable. Por lo tanto, este sistema de engranajes se utiliza en muchas aplicaciones, incluidas robótica, aeroespacial, dispositivos médicos, fresadoras, equipos de fabricación, etc.
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Cómo funciona
Muy bien, ahora veamos cómo funciona. Un accionamiento armónico tiene tres componentes principales: un generador de ondas, una ranura flexible y una ranura circular.
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El Flex Spline tiene la forma de una carcasa cilíndrica y está hecho de una aleación de acero flexible pero resistente a la torsión. Los lados del caparazón son muy delgados, pero el fondo es grueso y rígido.
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El Circular Spline, por otro lado, es un anillo rígido con dientes en el interior. El Circular Spline tiene dos dientes más que el Flex Spline, que en realidad es el diseño clave del sistema de engranajes de onda de tensión.
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Ahora, a medida que el generador de ondas gira, los dientes del Flex-Spline, que se engranan con los del Circular Spline, cambian lentamente de posición. Debido al diferente número de dientes entre Flex-Spline y Circular Spline, el engrane de los dientes con cada rotación de 180 grados del generador de eje hace que Flex-Spline gire una pequeña distancia hacia atrás en relación con el generador de eje. En otras palabras, por cada rotación de 180 grados del generador de eje, los dientes del Flex-Spline que se acoplan al Circular Spline solo avanzan un diente.
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Podemos calcular fácilmente el índice de reducción utilizando la siguiente fórmula. La relación es igual al número de dientes del engranaje dentado flexible: el número de dientes del engranaje dentado circular dividido por el número de dientes del engranaje dentado flexible.
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Cambiando el número de dientes podemos conseguir diferentes ratios de reducción.
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Wave Gear – Unidad armónica modelo 3d
Bien, ahora que conocemos la teoría detrás del engranaje ondulatorio, déjame mostrarte cómo diseñé uno para que podamos construirlo fácilmente usando una impresora 3D.
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En cuanto al generador de eje, realmente no podemos usar los cojinetes especiales de pared delgada mencionados anteriormente porque no son fáciles de encontrar. En su lugar, utilizamos rodamientos de bolas normales dispuestos alrededor de la circunferencia de una elipse. Las dimensiones de la elipse deben corresponder a las dimensiones de la pared interior del Flex Spline.
Hice el radio del eje mayor de la elipse 1,25 mm más grande que el radio de la pared interior de la ranura flexible. El radio del eje menor de la elipse, por el contrario, es 1,25 mm menor.
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A continuación encontrará los archivos STL necesarios para la impresión 3D.
Puedes descargar este modelo 3D y explorarlo en tu navegador en Thangs.
Descargar>Modelo 3D en Thangs.
Archivos STL necesarios para la impresión 3D:
Engranajes del eje de expansión – Archivos STL de accionamiento armónico
Ver también: Las mejores impresoras 3D para principiantes y creadores [2021 Update]
Engranaje ondulado impreso en 3D – Harmonic Drive
Bien, ahora es el momento de imprimir las piezas en 3D. Al imprimir los engranajes en 3D, es importante utilizar la función de extensión horizontal en su software de corte.
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Utilicé mi impresora 3D Creality CR-10 para imprimir todas las piezas y creo que hizo un buen trabajo teniendo en cuenta su precio.
Aquí están todas las piezas impresas en 3D.
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- Tornillo:
- M3x16 – 13 piezas
- M3x12 – 4
- M4x12 – 6
- M4x25-6
- M4x30 – 6
- M4x40 – 4
- Nueces:
- M3 autoblocante – 13
- M4 autoblocante – 16
- M4-10
- Acampar:
- (Diámetro exterior) 16 mm x (Diámetro interior) 5 mm x (Ancho) 5 mm – 10………….. Amazonas
- (Diámetro exterior) 47 mm x (Diámetro interior) 35 mm x (Ancho) 7 mm – 2………….. Amazonas
- Electrónica:
- Motor paso a paso – NEMA 17……………… Amazonas / Banggood
- Controlador de motor paso a paso A4988……………………..… Amazonas / Banggood
- Arduino……………………………………..… Amazonas / Banggood
- Fuente de alimentación CC…………………………. Amazonas / Banggood
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Comencé el montaje insertando los dos cojinetes de arranque en la carcasa. Los rodamientos tienen un diámetro exterior de 47 mm y un diámetro interior de 35 mm. Como dije, utilicé una compensación de expansión horizontal de -0,15 mm al cortar las piezas, por lo que los cojinetes quedaron bastante apretados en la carcasa.
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Continué insertando cuatro tuercas M4 en las ranuras del eje de salida. Estas tuercas se utilizan para sujetar o conectar cosas a la salida del juego de engranajes.
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Bien, a continuación tenemos la ranura circular que se fija a la carcasa junto con la tapa de la caja de cambios y el soporte del motor. Pero antes de hacer eso, necesitamos ensamblar el generador de olas. Aquí primero debemos insertar dos tuercas M3. Estas tuercas se utilizan para fijar el generador de eje al eje del motor mediante dos tornillos prisioneros.
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Ahora hay que insertar tuercas M4 en estos casquillos de la carcasa y fijar tanto la ranura circular como el generador de ondas a la carcasa.
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Tenía una lámina acrílica de 4 mm de espesor, así que marqué la forma de la tapa y usé una sierra de mano para cortar la forma aproximadamente.
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Volví a montar el motor y el generador de eje como se muestra anteriormente. Podemos notar aquí que agregué algunas tuercas entre el acrílico y el estuche para obtener el espacio correcto que tenía antes la tapa.
Ahora este conjunto de engranajes se ve mucho más genial.
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Asi que aqui esta. Ahora podemos ver cómo funciona Harmonic Drive en la vida real. En este caso, la onda de salida es 35 veces más lenta que la onda de entrada.
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Sin embargo, notamos que el Flex Spline a veces da tirones o el movimiento no es tan suave. Hay múltiples razones para esto. En esta configuración, el problema es que hice el soporte acrílico del motor a mano, por lo que el motor no queda perfectamente montado en el centro. Cuando se utiliza el soporte de motor original impreso en 3D, el movimiento es mucho más suave.
También podemos notar que nuestro impulso armónico está lejos de estar libre de contragolpes. Esto se debe, como decía, a las limitaciones de este tipo de impresoras 3D y su calidad de impresión. No se trata sólo de qué tan bien se pueda imprimir el perfil del diente, sino también de qué tan precisas sean las dimensiones generales. Por ejemplo, aquí utilicé cinta aislante en el interior de una tira de lino de sólo 0,18 mm de grosor y obtuve mejores resultados.
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También intenté levantar algunas pesas. A una distancia de 25 cm pudo levantar 1,25 kg. Eso equivale a aproximadamente 3 Nm de torque, que es al menos 10 veces mayor que lo que produce este motor paso a paso NEMA 17.
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¿Qué es un Strain Wave Gear, también llamado Harmonic Drive?
En este artículo vamos a explorar en detalle qué es un Strain Wave Gear, que también es conocido como Harmonic Drive. En primer lugar, explicaremos su principio de funcionamiento, luego diseñaremos nuestro propio modelo y lo imprimiremos en 3D para poder visualizarlo en la vida real y comprender mejor cómo funciona. Puedes ver el siguiente video o leer el tutorial escrito a continuación.
¿Qué es un Strain Wave Gear?
Un Strain Wave Gear es un tipo único de sistema de engranajes mecánicos que permite una relación de reducción muy alta en un paquete compacto y ligero. En comparación con los sistemas de engranajes tradicionales como los engranajes helicoidales o planetarios, puede lograr relaciones de reducción mucho más altas de hasta 30 veces en el mismo espacio. Además de eso, tiene la característica de cero retroceso, alto par, precisión y confiabilidad. Por lo tanto, este sistema de engranajes se utiliza en muchas aplicaciones, incluidos robots, aeroespacial, máquinas médicas, máquinas de fresado, equipos de fabricación, entre otros.
El Strain Wave Gear fue inventado en 1957 por C. Walton Musser, y el otro nombre que se utiliza comúnmente para él, «Harmonic Drive», es en realidad una marca registrada de la empresa Harmonic Drive.
¿Cómo funciona?
Bien, veamos cómo funciona ahora. Un harmonic drive tiene tres componentes clave: un generador de ondas, un flex espiral y un espiral circular.
El generador de ondas tiene una forma elíptica y consta de un cubo elíptico y un rodamiento especial de pared delgada que sigue la forma elíptica del cubo. Este es el motor de entrada del conjunto de engranajes y está conectado al eje del motor.
A medida que el generador de ondas gira, genera un movimiento ondulatorio.
El flex espiral tiene forma de copa cilíndrica y está hecho de un material de acero aleado flexible pero rígido en torsión. Los lados de la copa son muy delgados pero el fondo es grueso y rígido.
Esto permite que el extremo abierto de la copa sea flexible, pero el extremo cerrado sea bastante rígido y, por lo tanto, podemos usarlo como salida y conectarle la brida de salida. El flex espiral tiene dientes externos en el extremo abierto de la copa.
Por otro lado, el espiral circular es un anillo rígido con dientes en el interior. El espiral circular tiene dos dientes más que el flex espiral, que en realidad es el diseño clave del sistema de engranajes de onda de tensión.
Entonces, cuando insertamos el generador de ondas en el flex espiral, el flex espiral toma la forma del generador de ondas.
A medida que el generador de ondas gira, deforma radialmente el extremo abierto del flex espiral. El generador de ondas y el flex espiral se colocan dentro del espiral circular, encajando los dientes entre sí.
Debido a la forma elíptica del flex espiral, los dientes se ajustan solo en dos regiones en los lados opuestos del flex espiral, y eso está en toda la longitud del eje mayor de la elipse del generador de ondas.
Entonces, cuando el generador de ondas gira en 180 grados, el flex espiral avanza un diente en sentido contrario al generador de ondas. Por lo tanto, para una rotación completa de 360 grados del generador de ondas, el flex espiral habrá avanzado dos dientes. Esto resulta en una relación de reducción de 100:1.
Podemos obtener diferentes relaciones de reducción cambiando el número de dientes. Podemos lograrlo cambiando el diámetro del mecanismo mientras mantenemos los mismos dientes de tamaño, o cambiando el tamaño de los dientes conservando el tamaño y peso del conjunto de engranajes.
Fuente: Cómo funciona un Strain Wave Gear, también conocido como Harmonic Drive
¡Definitivamente una opción top para los robots! Aprendí algo nuevo hoy. ¡Gracias por compartir!
¡Me encanta conocer nuevas tecnologías para robots! Este artículo me ha abierto los ojos a una caja de cambios realmente eficiente. ¡Gracias por la información!