什么是摆线驱动器？设计、3D 打印和测试
在本教程中，我们将了解什么是摆线驱动器，它是如何工作的，解释如何设计我们自己的模型和 3D 打印模型，以便我们可以在现实生活中看到它并更好地了解它是如何工作的。
您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。
摆线驱动器是一种独特的减速器类型，它提供非常高的减速比和紧凑但坚固的设计。与传统的齿轮传动，如直齿轮和行星齿轮传动相比，它可以在相同的空间或阶段实现高达 10 倍的减速比。除此之外，它还具有几乎零背隙、更高的负载能力、刚性和高达 90% 的高效率。这些特性使摆线驱动器适用于定位精度和性能很重要的许多应用，例如机器人、机床、制造设备等。
现在让我们看看里面有什么以及摆线驱动器的工作原理。摆线驱动由五个主要部件组成，高速输入轴、偏心轴承或摆线凸轮、两个摆线盘或凸轮从动件、带销和滚子的环形齿轮以及带销和滚子的低速输出轴。
输入轴驱动偏心轴承，偏心轴承围绕齿圈外壳的内圆周驱动摆线盘。偏心运动使摆线盘的齿或凸角与齿圈壳体的滚子啮合，使它们在减速时产生反向旋转。
我们可以在这里仔细观察，发现偏心轴承实际上是在将摆线盘推向齿圈滚子。
由于独特的圆盘形状及其相对于齿圈滚子的位置，我们可以看到，随着偏心轴承的前进，旋转前的圆盘凸角将无法通过或跳过下一个齿圈滚子，但相反，它会向后滑动或滚动。这种行为实际上是导致磁盘反向旋转的原因。
一般来说，与齿圈外壳上的销钉数量相比，圆盘上的摆线凸轮少一个。这使得，对于偏心轴承的一整圈，摆线盘仅移动一个叶片的距离。由此可见，减速比只取决于齿圈的销数。
例如，这里我们在齿圈上有 12 个销，这意味着摆线盘上有 11 个叶片，这是 11:1 的比率，或输出速度慢 11 倍。圆盘、齿圈滚子或偏心轴承的尺寸根本不影响减速比。
减小的旋转通过摆线盘上的孔传递到输出轴销。
有两个摆线盘，以 180 度异相放置，以补偿由偏心运动引起的不平衡力，并在更高的速度下提供更平稳的操作。
摆线驱动器的名称来自磁盘的轮廓，而磁盘的轮廓又来自摆线，但在视频的下一部分中我们将设计我们自己的摆线驱动器。
因此，现在我们知道摆线驱动器的工作原理，我们可以继续设计我们自己的模型，我们将能够对其进行 3D 打印。如果我们尝试 3D 打印这个演示示例，它可能会起作用，但它会很快失败，因为 3D 打印材料的强度不足以承受变速箱中出现的力和摩擦力。
关键部件是通常是衬套的滚子，如果材料是金属，这是一个很好的选择，但如果使用 PLA 材料，我们将不得不使用滚珠轴承。
考虑到这一点，这是我设计并使用滚珠轴承的摆线驱动器。
在设计摆线驱动器时，有四个主要的输入参数来定义摆线盘的尺寸和形状，即齿圈半径、滚子半径、滚子数量和偏心距。
这是我使用 SOLIDWORKS 设计并使用滚珠轴承作为滚子的摆线驱动器。
在这一点上，让我大声疾呼 SOLIDWORKS 赞助了这个项目。您听说过 3DEXPERIENCE 世界吗？ SOLIDWORKS 组织的年度活动？
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不过，您可以找到并下载此 3D 模型作为 STEP 文件，并在 Thangs 上的浏览器中进行探索：
您可以从 Thangs 下载 3D 模型 .STEP 文件。
感谢 Thangs 对本教程的支持。
至于用于3D打印零件的STL文件，您可以在这里下载：
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我定义的第一件事是我想要这个变速箱的减速比为 15:1，这意味着我需要 16 个齿圈滚子。因此，我在 SOLIDWORKS 中绘制了一个带有 16 个滚轮的草图。
然后我选择使用外径为 13mm 的滚子轴承。现在根据这两个参数，我能够定义齿圈节圆直径的大小。我将其设置为 90 毫米。偏心距值应小于滚子直径的一半，我选择了1.5mm的值。
现在我们有了四个主要的输入参数，我们可以绘制摆线盘的形状或轮廓。正如我所提到的，磁盘轮廓来自一个摆线，它是一个圆上的点跟踪的曲线，因为它沿着直线滚动而没有滑动，或者它的变体，一个外摆线，当在圆周上滚动时跟踪.
还有另一种称为 Epitrochoid 的变体，其中跟踪点与外圆的中心相距一段距离，而这正是摆线盘轮廓的实际基础。
为了绘制这样的曲线，我们可以在此处使用这些参数方程，但其中还包含其他参数，例如滚子的直径和偏心率。这使事情稍微复杂了一点，但幸运的是，Omar Younis 为 SOLIDWORKS Education 博客撰写了一篇很棒的文档，其中他将所有这些参数组合在单个 X 和 Y 参数方程中。
这是方程式：
现在，为了生成轮廓，我们可以简单地使用 SOLIDWORKS 的方程驱动曲线工具，适当地插入两个方程，这将生成摆线盘轮廓。当然，对于输入参数我们应该插入我们的值。
另请注意，如果“t”参数为 0 到 2*pi 或 360 度，则不会生成曲线。因此，我们需要将 t2 参数设置为略短于 2*pi，然后生成具有小间隙的曲线，我们可以使用简单的样条将其连接起来。
现在我们已经定义了摆线驱动的主要参数，剩下的只是为如何连接所有东西找到一个技术解决方案。同样，考虑到我们使用的 3D 打印材料不那么坚固，我将滚轮的轴设计为两侧支撑，以及输入轴和输出轴。
输入轴由多个部分组成，并由输出轴内的两个轴承支撑。输出轴也由外壳内的两个轴承支撑。
所以，回顾一下这个齿轮箱的工作，来自电机的输入被传递到偏心输入轴，该轴驱动齿轮环周围的摆线盘。
产生的反向运动通过输出轴滚子传递到输出轴。就是这样，现在让我们 3D 打印它，看看它在现实生活中是如何工作的。
在 3D 打印零件时，使用切片软件中的孔水平扩展功能非常重要。
通常，3D 打印零件的孔比原始尺寸小，因此通过此功能，我们可以合成并获得准确的尺寸，这对于该零件非常重要。我将我的设置为 0.07 毫米，水平扩展也可以补偿零件的外部尺寸，为 0.02 毫米。当然，您应该进行一些测试打印，看看哪些值会在您的 3D 打印机上为您提供最佳效果。
所以，这里有所有的 3D 打印零件，以及组装摆线驱动所需的轴承和螺栓。
以下是组装此摆线驱动器所需的所有组件的列表：
我首先将齿圈销插入外壳。这些销可容纳环形齿轮滚子或轴承，但它们的直径仅为 6 毫米。我不确定它们是否足够坚固，不会在摆线盘的负载下断裂。
因此，我把它们做成空心的，然后将我铺设的 3 毫米金属轴插入其中。这样，引脚肯定会足够坚固。当然，有更聪明的解决方案。例如，我们可以使用 M6 螺栓，但我不喜欢的是 M6 螺栓略小于 6mm，因此轴承会摆动。理想情况下，我们可以使用合适的 6 毫米杆，即使是 35 毫米这种特殊尺寸，实际上也很容易买到。
一旦我们将所有销钉都放置到位，我们就可以按顺序插入轴承，一个 7mm 距离环，一个轴承，然后是 3mm 距离环，一个轴承和另一个 7mm 距离环。
摆线驱动器现在应该安装在我们创建的这个环形齿轮中，如果我们尝试以偏心运动旋转磁盘，通过在旋转时向两侧推，磁盘应该开始反向旋转。
接下来，我们可以组装由四部分组成的输入轴。在每个部分中，我们都需要放置一个轴承和一些定距环，由于偏心，我们无法做到这一点，除非轴是分段制作的。
为了将这些部分连接在一起，我使用了两个穿过所有部分的 M3 螺栓。我们可以在这里注意到，这些 M3 螺栓的孔比 M3 螺栓的孔略小，以便螺栓在其中形成螺纹并更紧密地配合。
这是轴组装后的样子，但实际上我必须插入摆线盘，现在我做不到。所以，我把它拆开，再装上磁盘。
我继续组装输出轴。在这里，我们需要安装输出滚子或轴承，我们以与环形齿轮滚子类似的方式进行安装。一个 6 毫米的销，带有 13 毫米的轴承和一些通过一些 20 毫米长的 M3 螺栓插入的定距环。
当通过摆线盘的开口插入这些输出辊时，重要的是使两个盘相对于彼此异相 180 度定位。为了解决这个问题，我在两个圆盘上做了 180 度异相的小孔，所以在这里我们只需要匹配它们，我们就可以将滚轮插入其中。
请注意，这有点紧配合，但如果孔尺寸准确，我们将能够进行配合。
现在我们可以将这些销固定到另一侧的另一个法兰上，但为此首先我们需要在法兰中安装一些螺纹嵌件。我使用这些螺纹嵌件是为了使整个组件更加紧凑。
因此，一旦输入和输出轴组装在一起，我们就可以通过一个外径为 47mm 的轴承将整个组件安装到外壳中。
然后我们可以在轴的前面再安装一个这样的轴承，并将外壳盖插入到位。这也是一种紧密配合，因为所有 16 个引脚都应该适合它们的外壳盖槽，所以我们必须用一点力来插入它。
在外壳的背面，我安装了一些 M4 螺纹插件，然后用一些 40 毫米 M4 螺栓将盖子和外壳固定在一起。
就是这样！如果公平地说，看看这个美丽。我真的很喜欢这个摆线齿轮箱的结果，干净的设计，没有任何东西弹出。
不过，现在让我们在上面安装一个电机，看看它是如何工作的。在输入轴的背面，我安装了更多的螺纹嵌件，以便我们可以轻松地连接各种轴耦合器。
为了测试变速箱，我将使用 NEMA 17 步进电机，因此我将合适的 3D 打印轴耦合器连接到输入轴。我将步进器固定在 3D 打印的安装支架上，并将电机轴插入耦合器，并将安装支架固定在外壳上。
最后一件事是在输出轴的前部安装一些螺纹嵌件，这样我们就可以将东西连接到它上面。这是摆线驱动器的最终外观，与 NEMA 17 步进电机结合使用，但我们当然可以在这里使用任何其他类型的电机。
我们终于得到它了。老实说，我真的很惊讶这个变速箱的输出竟然如此平稳。从前面我们可以看到输入和输出轴同时旋转，方向相反，速度差为15：1。
我还能够在没有前盖的情况下运行变速箱，因此我们可以看到前面解释的所有内容。
动作简直令人着迷。
最后，我做了一些测试来检查变速箱的性能。这里要注意的另一件事是，这种摆线驱动器也是可反向驱动的，这对于某些应用程序来说可能是一个很好的功能。
所以，我在这里测量这个变速箱在 10 厘米的距离上可以产生的力。我得到的读数约为 26N，转换为扭矩约为 260 Ncm，而这个只有 34mm 长的 NEMA 17 步进器的额定值为 26 Ncm。
这意味着摆线驱动的扭矩增加了大约 10 倍。考虑到减速比为 15:1，在理想情况下，我们应该获得 15 倍的扭矩增加，因此效率约为 66%。尽管如此，考虑到一切都是用廉价的 3D 打印机 3D 打印的，而且零件的精度不如我们使用一些专业打印机或 CNC 机器在全金属变速箱的情况下获得的精度，这仍然是一个很好的结果。
我也做了一些精度测试，结果也很好。
在制作一些机器人项目时，我肯定会在未来的视频中使用这种类型的变速箱。
我希望你喜欢这个视频并学到了一些新东西。如果您有任何问题，请随时在下面的评论部分提出。什么是摆线驱动？
如何设计摆线驱动器
DIY摆线驱动3D模型
设计
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)
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