En este artículo, echaremos un vistazo a mi versión nueva y actualizada de la unidad cicloide con relación de engranajes 19:1 que creé en el video anterior y la compararemos con el rendimiento de una unidad hecha con piezas mecanizadas por CNC versus una unidad hecha con Piezas mecanizadas por CNC de la impresora 3D.

Explicaré cómo diseñé y ensamblé este controlador cicloide, además de probar su precisión y durabilidad haciéndolo funcionar con motores paso a paso NEMA17 y NEMA23.

Puede ver el vídeo a continuación o leer el tutorial escrito a continuación.

Descripción general de la unidad cicloide

En mi vídeo anterior ya os he explicado detalladamente qué es un engranaje cicloidal y cómo funciona. Por eso te recomiendo que veas este vídeo si no estás familiarizado con los engranajes cicloidales. Muy brevemente: una caja de cambios cicloidal es un tipo único de caja de cambios o reductor de velocidad que ofrece una relación de reducción muy alta con un diseño compacto pero robusto.

Una transmisión cicloide consta de cinco componentes principales: un eje de entrada de alta velocidad, un cojinete excéntrico, dos discos cicloides, una corona con pasadores y rodillos y un eje de salida de baja velocidad con pasadores y rodillos.

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Diseño del engranaje cicloidal.

Inicialmente configuré el diámetro de los rodillos en 8 mm, ya que esa era la dimensión de los casquillos que podía pedir fácilmente. Luego quería una relación de reducción de 19:1, lo que significaba que la caja del anillo debía tener 20 rodillos. Entonces dibujé un boceto con estos 20 rollos de 8 mm de diámetro alrededor de un círculo.

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El perfil del disco cicloide se deriva de una cicloide, una curva descrita por un punto que rueda a lo largo de una línea recta sin deslizarse, o más concretamente de su variante, la epitrocoide, una curva descrita por un punto que rueda sobre la circunferencia de un círculo y es una distancia desde el centro del círculo exterior.

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Ahora>

Aquí están las ecuaciones:

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

y = (-R*sin
===================
Values for this DIY Cycloidal Drive:
i = 19:1

N - 20

Rr = 8/2 = 4

R= 66/2 = 33

E = 1
x = (33*cos

y = (-33*sin

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Unidad cicloide mecanizada por CNC versus impresa en 3D: diseño y pruebas
En este artículo, vamos a analizar mi nueva versión actualizada del sistema de transmisión cicloidal que realicé en el video anterior, con una relación de reducción de 19:1 y ver cómo funciona fabricado con piezas mecanizadas por CNC en comparación con las piezas impresas en 3D. Explicaré cómo diseñé y ensamblé este sistema de transmisión cicloidal, así como probar su precisión y capacidad de carga, conducirlo tanto con motores paso a paso NEMA17 como NEMA23. Puede ver el siguiente video o leer el tutorial escrito a continuación.
Visión General del Sistema de Transmisión Cicloidal
En mi video anterior, expliqué en detalle qué es un sistema de transmisión cicloidal y cómo funciona, por lo que sugeriría revisar ese video si no está familiarizado con los sistemas de transmisión cicloidal. En resumen, un sistema de transmisión cicloidal es un tipo único de caja de cambios o reductor de velocidad que proporciona una alta relación de reducción con un diseño compacto pero robusto.
Un sistema de transmisión cicloidal está compuesto por cinco componentes principales: un eje de entrada de alta velocidad, un rodamiento excéntrico, dos discos cicloides, un engranaje anular con pasadores y rodillos y un eje de salida de baja velocidad con pasadores y rodillos.
El eje de entrada impulsa el rodamiento excéntrico, y el rodamiento excéntrico impulsa los dos discos cicloides alrededor de la circunferencia interna de la carcasa del engranaje anular. El movimiento excéntrico hace que los dientes o lóbulos de los discos cicloides se enganchen con los rodillos de la carcasa del engranaje anular de manera que produzcan una rotación inversa a una velocidad reducida. La relación de reducción depende del número de pasadores en el engranaje anular.
Diseñando el Sistema de Transmisión Cicloidal
Primero, definí el diámetro de los rodillos como 8 mm, ya que esa era la dimensión de los cojinetes que pude ordenar fácilmente. Luego, quería tener una relación de reducción de 19:1, lo que significaba que el engranaje anular necesitaba tener 20 rodillos. Por lo tanto, dibujé un boceto con estos 20 rodillos con un diámetro de 8 mm alrededor de un círculo.
Según estas dos entradas, pude determinar el tamaño mínimo del diámetro de paso del engranaje anular. Este valor, junto con el valor de excentricidad que debe ser menor que la mitad del diámetro del rodillo, conforman los cuatro parámetros de entrada principales que se utilizan para generar la forma de los discos cicloides.
El perfil del disco cicloide proviene de un cicloide, que es una curva trazada por un punto a medida que rueda a lo largo de una línea recta sin deslizar, o en realidad su variación, epitrocoide, que es una curva trazada por un punto que rueda sobre la circunferencia de un círculo y se encuentra a una distancia del centro del círculo exterior.
Para dibujar esa curva, podemos usar las siguientes ecuaciones paramétricas que se pueden encontrar en un documento escrito por Omar Younis para el blog de educación de SOLIDWORKS. Ahora les mostraré cómo usé estas ecuaciones paramétricas para hacer los discos cicloides utilizando SOLIDWORKS y su herramienta curva impulsada por ecuaciones.
Por lo tanto, las ecuaciones anteriores las usamos para generar la forma del disco cicloide insertando los dos ecuaciones paramétricas en su lugar. Por supuesto, debemos usar nuestros parámetros en las ecuaciones de manera adecuada. Como para los parámetros "t", deberíamos usar el valor de 0 a 2  Pi. Sin embargo, debemos tener en cuenta que necesitamos utilizar un valor ligeramente menor que 2  Pi para que la curva se genere. Esto generará la curva con un pequeño espacio que luego se puede conectar con una spline.
Luego podemos simplemente extruir el perfil y hacer los orificios para el rodamiento excéntrico y los pasadores de salida. El diámetro de estos orificios de salida es igual al diámetro de los rodillos de los pasadores + dos veces la excentricidad. En este caso, eso es un diámetro de 8 + 2 * 1 = 10 mm.
¡Comencemos a construir este sistema de transmisión cicloidal ahora y veamos cómo funciona en la vida real, tanto con piezas mecanizadas por CNC como con piezas impresas en 3D!
Modelo 3D y Descarga de Archivos STL
Puede encontrar y descargar el modelo 3D de este sistema de transmisión cicloidal como un archivo STEP, así como explorarlo en su navegador en Thangs:
Descargue el archivo del modelo 3D .STEP de Thangs.
En cuanto a los archivos STL que se utilizan para imprimir en 3D las partes, puede descargarlos aquí:
Archivos STL de la relación 19:1 del sistema de transmisión cicloidal
Aquí también puede descargar los archivos de SOLIDWORKS:
Archivos de SOLIDWORKS de la relación 19 a 1 del sistema de transmisión cicloidal
Dibujos:
Dibujos del sistema de transmisión cicloidal
Usé estos dibujos al ordenar las piezas mecanizadas por CNC.
Ordenando las Piezas Mecanizadas por CNC
Ordené las piezas mecanizadas por CNC de PCBWay. Junto con sus servicios de fabricación de PCB, también ofrecen servicios de mecanizado CNC, impresión 3D, fabricación de chapa y moldeo por inyección.
Pedir las piezas es muy fácil. Solo tenemos que cargar el modelo 3D y seleccionar el material para la pieza. Tienen prácticamente cualquier material disponible. Elegí aluminio para la mayoría de las piezas, excepto para los discos cicloides que quería que estuvieran hechos de un material más resistente, así que elegí acero inoxidable para ellos.
También tenemos la opción de elegir varios acabados de superficie, como anodizado, cepillado, pintura en spray, entre otros, así como elegir la rugosidad superficial y la tolerancia. Para aquellas piezas que necesitaban tolerancias más ajustadas que las estándar, también incluí dibujos que contenían las tolerancias específicas que requería.
Podemos agregar varias piezas y solicitar un presupuesto para cada una de ellas en un solo pedido. Las piezas llegaron dentro del tiempo estimado y bien empaquetadas, cada artículo protegido por separado.
Debo decir que es bastante satisfactorio tener algo que has diseñado fabricado en metal. Las piezas se ven geniales y todo es exactamente igual que en el diseño. Asegúrese de visitar el sitio web de PCBWay para obtener más información sobre sus servicios.
En cuanto a la versión impresa en 3D, hice las piezas yo mismo utilizando material PLA. Cuando se imprimen en 3D las piezas, es importante utilizar la función de Expansión Horizontal del Orificio en su software de corte. Por lo general, los agujeros de las piezas impresas en 3D son más pequeños que el tamaño original, por lo que con esta función podemos compensar eso y obtener una dimensión más precisa. Configuré la mía en 0.07, y la función de Expansión Horizontal que compensa las dimensiones exteriores de las piezas a 0.02 mm. Por supuesto, debe realizar algunas impresiones de prueba para ver qué valores le darán el resultado más preciso en su impresora 3D.
Ensamblaje de los Sistemas de Transmisión Cicloidal
¡Bien, pasemos al montaje de los sistemas de transmisión cicloidal! Aquí tengo todas las piezas. Comenzaré ensamblando la versión mecanizada por CNC primero y luego la impresa en 3D.
Aquí hay una lista de todos los componentes necesarios para ensamblar este sistema de transmisión cicloidal:

Varilla de cilindro de acero de 6 mm ... Amazon / AliExpress
L = 30 mm x20 piezas; L = 22 mm x6 piezas para un sistema
Casquillos de 8 mm ... Amazon / AliExpress
L = 20 mm x20 piezas; L = 15 mm x6 piezas para un sistema
Rodamiento de bolas 35x47x7 6807-2RS - x2 ... Amazon / AliExpress
Rodamiento rígido de bolas de 17x26x5 mm 6803ZZ x2 ... Amazon / AliExpress
Insertos roscados ... Amazon / AliExpress
Tornillos M3 y M4 de su ferretería local: incluiré una lista completa de los tornillos necesarios para este proyecto en unos días

Comencé asegurando el acoplador de eje en el motor paso a paso NEMA17. El acoplador de eje debe estar a una distancia de 2 mm de la placa frontal del motor, y podemos asegurarlo fácilmente con dos tornillos de cabeza hexagonal. Luego podemos fijar la placa base al motor con cuatro tornillos M3.
A continuación, se encuentra la pieza más grande en este ensamblaje, la carcasa de los rodillos del engranaje anular. Aquí necesitamos instalar los rodillos que en este caso son casquillos con un diámetro de 8 mm y deben tener 20 mm de longitud. Sin embargo, no pude encontrar esa dimensión en el momento de ordenar, así que aquí estoy usando dos casquillos con 10 mm de longitud.
Los pasadores en los que se instalan estos casquillos tienen un diámetro de 6 mm y una longitud de 30 mm. Los agujeros en la parte inferior de la carcasa están dimensionados para que ajusten de forma ajustada con los pasadores para que se mantengan firmemente en su lugar. Por lo tanto, aquí necesitamos usar algo de fuerza para instalarlos. Aquí están, 20 rodillos, que nos darán una relación de reducción de 19:1.
La carcasa del engranaje anular va sobre la placa base y aquí primero necesitamos insertar un anillo de distancia que mantendrá los rodillos de salida en su lugar.
Luego, podemos instalar el eje excéntrico que va en el acoplador del eje del NEMA17. En realidad, antes de instalarlo, debemos insertar los dos rodamientos con un diámetro interno de 17 mm y un diámetro externo de 26 mm.
¡Verán, todo encaja perfectamente! Establecí las tolerancias donde van los rodamientos para que tengan un ajuste de interferencia para que permanezcan firmemente en su lugar. Es por eso que tuve que usar algo de fuerza aquí para insertarlos.
Este montaje representa el rodamiento excéntrico. Luego, podemos instalar los dos discos cicloides en el rodamiento excéntrico. Estos también son ajustes de interferencia y necesitamos usar algo de fuerza para instalarlos. Este ajuste fue aún más ajustado porque ordené los discos cicloides para que fueran recubiertos en polvo por error, por lo que tenían un poco más de material y la tolerancia no era correcta. 
Sin embargo, también podemos instalar un anillo de distancia entre los dos discos cicloides para mantenerlos en su lugar en caso de que la conexión entre el rodamiento y los discos se afloje.
Podemos insertar este montaje en su totalidad en la carcasa o uno a uno. Este ajuste, entre los discos cicloides y los rodillos del engranaje anular, es crucial, ya que define qué tan bien funcionará la transmisión. Traté de que este ajuste fuera lo más ajustado posible para que la transmisión tuviera el mínimo juego, me encontré con un problema ya que el disco no podía encajar.
El problema se debió a que no hice ninguna holgura u offset al perfil del disco cicloide que obtuve de las ecuaciones paramétricas, y además de eso, ordené los discos recubiertos en polvo, lo que también aumentó su tamaño. Además, los casquillos que tenía no eran tan buenos y tenían un diámetro ligeramente más grande que 8 mm.
Por lo tanto, para resolver este problema, tuve que ordenar nuevos discos cicloides, pero decidí intentar quitar algo de material del perfil del disco utilizando una herramienta rotativa. Después de lijar un poco, en realidad pude encajar el disco.
Por supuesto, esta no es la mejor solución, pero veremos cómo funcionará. No obstante, al insertar los dos discos en la carcasa, deben colocarse a 180 grados de diferencia.
Hay un agujero en los discos que se puede utilizar para posicionarlos correctamente. Deberíamos voltear uno de los discos y alinear los dos agujeros. Una vez insertados, podemos encender el motor y ver cómo los discos cicloides funcionan en combinación con el rodamiento excéntrico y los rodillos del engranaje anular.
Los discos cicloides giran con movimiento excéntrico en dirección opuesta al eje de entrada y con una velocidad 19 veces más lenta. 
Ahora, este movimiento excéntrico se transferirá al eje de salida a través de los seis agujeros en los discos cicloides. Aquí está el eje de salida. Necesitamos asegurar seis pasadores en los que irán los casquillos. Los pasadores tienen un diámetro de 6 mm y una longitud de 22 mm. Los agujeros en el eje de salida están dimensionados para que tengan un ajuste de interferencia para que se mantengan firmemente en su lugar cuando se instalen, por lo que debemos usar algo de fuerza para instalarlos.
Una vez que aseguramos los pasadores, podemos insertar los casquillos de 8 mm. Aquí necesitamos casquillos de 15 mm de largo, pero en el momento de hacer este proyecto, no pude encontrar esa dimensión, así que usé casquillos de 10 mm pero inserté algunas arandelas para compensar. 
En realidad solo usé una arandela en lugar de dos como se muestra en el video. Sin embargo, los enlaces incluidos para todos los componentes necesarios para este proyecto son con las dimensiones correctas.
Antes de insertar el eje de salida en su lugar, necesitamos insertar un anillo de distancia y un rodamiento que soportará tanto el eje de entrada como el de salida. Luego simplemente podemos insertar el eje de salida en los agujeros de los discos cicloides.
En el eje de salida, necesitamos insertar otro anillo de distancia y un rodamiento con un diámetro interno de 35 mm.
Finalmente, podemos terminar el ensamblaje insertando la tapa de la carcasa sobre todo y asegurándola con seis pernos M6 con una longitud de 45 mm. ¡Y eso es todo, el sistema de transmisión cicloidal está ahora completamente ensamblado, realmente me gusta cómo resultó!
En cuanto a la versión impresa en 3D, podemos seguir el mismo procedimiento para ensamblarla. Un paso adicional aquí es que necesitamos instalar algunos insertos roscados en el eje de salida para que podamos adjuntar cosas a él.
Pruebas
¡Bien, ahora que tengo los dos sistemas de transmisión cicloidal listos es hora de ponerlos a prueba y ver cómo se desempeñan! Una nota rápida antes de ver las pruebas, el peso de la versión mecanizada por CNC es considerablemente mayor que la impresa en 3D.
Torque
Comenzaré probando cuánto torque pueden producir estos sistemas de transmisión cicloidal. Aquí puse los dos sistemas uno al lado del otro y mido la fuerza que pueden producir a una distancia de 10 cm.
Ambos dieron una fuerza de alrededor de 45 N a una distancia de 10 cm, lo que, traducido a torque, es alrededor de 450 Ncm de torque. Aunque el CNC mecanizado estaba dando resultados un poco más altos y más consistentes. 
Por otro lado, estos motores paso a paso NEMA17 están clasificados en 28 Ncm, lo que significa que obtuvimos alrededor de 16 veces de aumento de torque. Esa es una eficiencia de alrededor del 85% considerando que la relación de reducción es de 19:1, y en condiciones ideales deberíamos obtener un aumento de torque de 19 veces.
Sin embargo, veamos cómo se desempeñarán cuando les conectemos los motores paso a paso NEMA23. Diseñé el sistema de transmisión cicloidal para que pudiéramos usarlo con ambos motores paso a paso NEMA17 y NEMA23. Sin embargo, para mantener el diseño lo más compacto posible, el cambio de NEMA17 a NEMA23 requiere algo de trabajo.
Tenemos que desmontar algunas de las piezas y cambiar la placa base para que se ajuste a los agujeros del NEMA23. También necesitamos usar otro acoplador de eje ya que el NEMA23 tiene un eje más grande. Por lo tanto, básicamente, solo necesitamos cambiar estas dos partes y volver a montar todo.
Cambié el motor paso a
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