600007 г. Владимир, ул. 16 лет Октября, д. 68А, литер "Ф", этаж 2, помещение 12
+7 (4922) 53-10-31
info@skb-proton.ru

Основы волнового и циклоидального зацепления для робототехники и сервоконструкций

Преобразователи частоты

Mлюбое из современных прецизионных применений требует передач, способных значительно снижать скорость, плотность мощности и точность передачи. Ведущие варианты в этих конструкциях включают трохоидальные и циклоидальные зубчатые передачи, а также зубчатые пары, основанные на вызывающих волну компонентах, имеющих эллиптическую, Рело или другую многоугольную форму.Трохоидальная и циклоидальная передачи включают элементы, которые вращаются и описывают кривые вокруг какого-либо другого элемента. Циклоиды, обозначенные точкой на окружности элемента качения, включают эпициклоиды (для которых элемент катится по внешней стороне солнечной шестерни или другого опорного компонента) и гипоциклоиды, для которых элемент катится внутри кольца или другого опорного компонента. В отличие от этого, трохоиды (и их подтипы) прослеживаются не точкой на окружности элемента качения, а скорее некоторой точкой внутри или снаружи. Одним из особенно распространенных подтипов эпициклической передачи является планетарная передача.

Рассмотрим роботизированный шарнир, в котором используется двигатель (работающий со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту), оснащенный зубчатой передачей для снижения выходных скоростей в 100 раз. Зубчатая передача в таких конструкциях также служит для увеличения крутящего момента при разгоне для достижения максимальной плотности мощности — приоритетной цели проектирования для SCARAs и совместной робототехники, для которых вся сборка представляет собой, по сути, консольную массу.

Напомним, что обычные зубчатые передачи, используемые в таких конструкциях (включая некоторые планетарные редукторы), обычно имеют очень небольшой люфт. Это часто ограничивается всего несколькими дуговыми оборотами в минуту (сотыми долями градуса) и служит для обеспечения смазки и теплового расширения. Однако этот люфт в некоторых случаях может привести к неприемлемому снижению точности системы. Итак, давайте взглянем на другие варианты снаряжения, которые позволяют избежать этой проблемы.

Sволнообразная передача использует упругость металла (прогиб) шестерни для снижения скорости. Ключевые преимущества волновой передачи напряжения включают нулевой люфт, высокую плотность мощности и точность позиционирования.

Редуктор с волновой деформацией состоит из трех компонентов: генератора волн, гибкой линии и кругового шлица. Генератор волн представляет собой узел из подшипника и стального диска эллиптической формы, обработанного в соответствии с точными спецификациями. Специальный шарикоподшипник облегает этот диск и соответствует эллиптической форме. В большинстве конструкций генератор волн присоединяется к серводвигателю — чтобы он служил источником движения.

Flexspline представляет собой тонкостенный стальной стакан. Стенки этих чашек податливы в радиальном направлении, но остаются жесткими при кручении — потому что чашка имеет большой диаметр. Производители врезают зубья шестерни во внешнюю поверхность рядом с открытым концом чашки, рядом с тем, что можно было бы назвать край.В качестве выходных данных обычно используется гибкая линия.

Чашка имеет жесткий выступ на одном конце, обеспечивающий прочную монтажную поверхность. Генератор волн находится внутри гибкой пластины, поэтому подшипник находится в том же осевом положении, что и зубья гибкой пластины. Стенка flexspline у края чашки соответствует той же эллиптической форме подшипника. Это придает зубьям на внешней поверхности гибкой пластины эллиптическую форму. Таким образом, flexspline эффективно имеет эллиптический диаметр зубчатого колеса на своей внешней поверхности.

Круговой шлиц представляет собой жесткое круглое стальное кольцо с зубьями по внутреннему диаметру. Обычно он прикреплен к корпусу и не вращается. Его зубья входят в зацепление с зубьями flexspline. Зубья гибкой пластины входят в зацепление с зубьями кругового шлица вдоль главной (длинной) оси эллипса. Таким образом, есть две области зацепления, образованные эллипсом, вписанным концентрически в кольцо. Примерно 30% зубьев постоянно находятся в зацеплении — в отличие от примерно шести зубьев, зацепляемых в любое время для эквивалентной планетарной передачи, и одного или двух зубьев для эквивалентной цилиндрической передачи.

Напомним, что люфт — это разница между пространством для размещения зубьев и шириной зубьев, и эта разница равна нулю в зубчатом зацеплении с волной деформации. Упругая радиальная деформация гибкого шлица типа «волна деформации» (предварительно натянутая производителем по отношению к круговому шлицу на главной оси) действует как очень жесткая пружина, компенсируя пространство между зубьями, которое в противном случае вызвало бы люфт. Предварительный натяг устанавливается таким образом, чтобы напряжения оставались значительно ниже предела выносливости материала.

Угол прижима зубьев шестерни преобразует тангенциальную силу выходного крутящего момента в радиальную силу, действующую на подшипник генератора волн. Зубья flexspline и circular spline входят в зацепление вблизи большой оси эллипса и расцепляются на малой оси. У гибкой линии на два зубца меньше, чем у кругового шлица, поэтому каждый раз, когда генератор волн совершает один оборот, гибкая линия и круговой шлиц смещаются на два зубца. Передаточное отношение — это количество зубьев гибкой линии ÷ (количество зубьев гибкой линии – количество зубьев круглого шлица).

Легкая конструкция и одноступенчатые передаточные числа (до 160:1) волновой передачи деформации позволяют инженерам использовать шестерни в конструкциях, требующих минимального веса и объема. Даже небольшие двигатели могут использовать свое большое механическое преимущество. Определенные профили зубьев (из выпуклых и вогнутых дуг) для волнообразного зацепления позволяют большему количеству зубьев входить в зацепление — для увеличения жесткости на кручение и крутящего момента, а также увеличения наработки на отказ.

Теперь давайте рассмотрим конструкцию с заостренными зубьями, упомянутую ранее. Эта новая коробка передач с высоким крутящим моментом обеспечивает исключительную жесткость при кручении и работу без люфта для применений, где требуется превосходная точность выходного движения. В отличие от других предложений зубчатых передач, которые передают мощность по линиям контакта зубьев, зацепляющиеся шестерни в приводе обеспечивают контакт практически по всей поверхности. Это обеспечивает контакт с зубами в 6,5 раз больше, чем у некоторых типов обычных эвольвентных зубов.

Как это работает? Короче говоря, коробка передач направляет большое количество отдельных зубьев вдоль внутреннего кольцевого зубчатого колеса. Геометрия зубьев повторяет логарифмическую спираль, что позволяет нескольким зубьям передавать мощность одновременно через гидродинамический контакт, покрывая гораздо большие площади поверхности, чем традиционный линейный контакт. В результате получается коробка передач с нулевым люфтом даже при пересечении нулевой отметки. Логарифмическая спиральная траектория зубьев обеспечивает точность синхронизации, превосходящую традиционные приводы с полыми валами сопоставимых наружных диаметров.

Коробка передач также может похвастаться КПД до 91% — на 18-29% лучше, чем традиционные волновые и циклоидальные редукторы.

Являясь частью системы привода, гидродинамический контакт зубьев зубчатой передачи также обеспечивает высокую перегрузочную способность. Крутящий момент аварийной остановки на 150-300% выше, чем у аналогичных систем, а жесткость на кручение на 580% выше, поэтому коробкам передач других конструкций, возможно, потребуется в три раза больше, чтобы обеспечить тот же крутящий момент, что и у данной коробки передач с упорным зубом.

Конструкция редуктора также допускает очень большой диаметр полого вала по отношению к наружному диаметру — в некоторых случаях до 70% больше.

Эксцентриковые шестерни механизма качения, известные как циклоидальные редукторы, представляют собой тип серворедуктора, который имеет входной вал, приводящий в движение подшипниковый узел. Это, в свою очередь, приводит в движение циклоидальный диск (иногда называемый кулачком), который соединяется с выходным валом. Кулачок имеет лепестки или зубья, которые входят в зацепление с толкателем кулачка — обычно со штифтовыми или игольчатыми подшипниками. Вращение эксцентрикового кулачка вызывает вращение выходного вала с меньшей скоростью и более высоким крутящим моментом, чем входной.

Основным преимуществом циклоидальных редукторов является их свойство нулевого или близкого к нулю люфта (до 1 дуги в минуту). что обеспечивает высокую точность и безошибочность выполнения. Это особенно востребовано там, где требуется высокоточное позиционирование, например, в роботизированных системах, станках и аналогичных приложениях. Циклоидальные редукторы также имеют контакт качения, а не скольжения, что приводит к меньшему общему износу. Некоторые циклоидальные редукторы скорости обеспечивают нулевой люфт за счет сочетания составного редукционного кулачка с полным комплектом толкателей кулачков на игольчатых подшипниках.

Благодаря конструкции «палец-шестерня» циклоидальная передача поддерживает непрерывный и распределенный контакт при передаче мощности, обеспечивая более высокую ударопрочность, чем традиционные редукторы. Фактически, некоторые модификации могут выдерживать кратковременное воздействие, увеличивающее их номинальный крутящий момент в четыре раза. Высокая плотность крутящего момента обеспечивает передаточное отношение до 185:1 при разумных габаритах коробки передач.