为您的下一个机器人项目选择理想的 3D 打印驱动器

在本次比较中，我们将了解 3D 打印摆线传动、行星齿轮箱或皮带传动哪个更好。我们将在几个类别中对它们进行比较，测量它们的效率或扭矩输出，测量它们的精度或间隙，并看看它们的耐用性。此外，我们还将在成本、尺寸、重量以及制造容易程度方面对它们进行比较。 

您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。

概述

为什么要进行这样的比较？好吧，主要目标是了解哪种驱动器或减速器更适合机器人关节。在接下来的一段时间内，我将设计和制造一些机械臂，因此通过这个比较结果，我和最终您将能够选择最适合您的机械臂设计的驱动器或减速器。 

我的频道上已经有专门的视频，详细解释了摆线传动和行星齿轮箱是什么以及如何工作，以及如何设计它们，所以我建议查看这些视频以了解更多详细信息。 

在这篇比较文章中，我们将只看一下定义驱动程序设计的关键输入参数。 

设计

摆线传动

我将从摆线传动开始。在设计摆线传动时，主要的输入参数当然是我们想要达到的减速比，以及我们将使用的滚子的类型或尺寸。

对于此构建，作为滚轮，我决定使用内径 6 毫米、外径 10 毫米的衬套。

这些衬套比我之前构建时使用的衬套光滑得多，外径为 8 毫米，所以我想看看是否可以使用它们获得更好的摆线传动性能。不过，这些 10 毫米衬套是有代价的，因为滚子尺寸直接决定了摆线盘和整个驱动器的尺寸。 

现在我将向您展示如何使用 Onshape 轻松设计摆线传动装置，Onshape 也是本视频的赞助商。 Onshape 是专业级 CAD 和 PDM 系统，他们现在向工程师及其公司提供长达 6 个月的免费专业版本。

借助 Onshape 中定制的 Cycloidal Drive FeatureScripts 库，生成摆线盘非常容易。

我们只需要输入我们的参数。盘的齿数、偏心率、滚子或销直径、外销或齿圈滚子和内销或输出轴滚子。当我们输入这些值时，3D 模型以及其他参数都会更新，我们应该跟踪这些参数，并在需要时进行更正。圆直径是磁盘的整体尺寸，目标是根据我们固定的输入参数、引脚数量及其尺寸尽可能小。 

摆线盘是传动中最重要的部件，其余部件都是围绕它设计的。

当然，还有许多其他输入参数有助于驱动器的整体设计，例如电机类型、我们希望如何驱动输入轴、我们可以使用哪种轴承、变速箱本身的应用等等。

行星齿轮箱

现在让我们看一下行星齿轮箱。这实际上与我之前的视频中的设计相同，我在视频中详细讨论了如何设计行星齿轮箱。它是一个两级行星齿轮箱，每级减速比为 4:1，总传动比为 16:1。

为了获得更好的性能，这里我使用滚珠轴承作为行星齿轮，而不是衬套。每个行星齿轮都容纳两个滚珠轴承，因此我们可以轻松地将齿轮锁定到位，并承受由于齿轮是螺旋齿轮而产生的轴向力。

皮带传动

接下来我们来看看皮带传动。在这里，我们也想要相同的 16:1 减速比，我们可以轻松地以 4:1 的比例分两阶段实现。

我选择使用 GT2 皮带，因为它是最受欢迎和可用的皮带，并且在间隙方面具有出色的性能。几乎所有 3D 打印机都使用这种类型的皮带。我有两条 226mm 闭环 GT2 皮带，宽度 10mm。

现在，为了使这些皮带正常工作，我们需要合适的 GT2 皮带轮。同样，使用 Onshape 中定制的 FeatureScript 库，我们可以轻松生成 GT2 滑轮。

在这里，我们只需选择 GT2 皮带的类型，是 3M 还是 2M，或者是 3 毫米还是 2 毫米节距，然后输入皮带轮的齿数。 

我将输入皮带轮设置为 20 齿，输出皮带轮设置为 80 齿。第一级 80 齿输出皮带轮是第二级 20 齿输入皮带轮，位于两个滚珠轴承上。

它的轴是一个 6 毫米 3D 打印轴，带有 M4 螺栓，穿过它以使其更坚固。第二级输出皮带轮由两个滚珠轴承支撑，一个位于电机输入轴，另一个位于外壳。

3D模型

查看和探索 3D 模型：

摆线驱动：https://bit.ly/3RsTa6g

皮带传动：https://bit.ly/3DZGIb7

行星齿轮箱：https://bit.ly/3XGtTsZ

此部分仍在建设中。 STL 文件很快就会提供。

3D打印

我使用 Creality K2 Plus 3D 打印机打印所有零件。 3D打印时，必须使用水平扩展功能，或者现在在新的Creality Print切片器中，它被称为X-Y轮廓补偿和X-Y孔补偿。

如果我们默认保留这些设置，打印出来的尺寸可能不会与 CAD 模型中的尺寸完全相同，这是由于 3D 打印时灯丝的膨胀造成的。孔通常较小，轮廓较大。

现在这两个设置使用什么值是关键问题，因为它们直接影响我们制造的驱动器的精度或性能。实际上，我根据部件的用途对每个部件使用了不同的值。

例如，在 3D 打印摆线盘时，我使用 0.12mm 的值进行 X-Y 孔补偿，使用 –0.15mm 的轮廓进行补偿。通过这种方式，我得到了输出滚轮所在位置的孔的正确尺寸，以及圆盘的轮廓，该圆盘的轮廓需要更小，以便适合齿圈滚轮。

我列出了每个部分使用的所有值。水平扩展或X-Y补偿值列表：

部分 轮廓补偿 孔补偿 摆线传动 摆线盘-0.15mm
-0.20mm 较宽松0.10mm
0.15mm 松配合偏心轴承0.07mm0.03联轴器0.07mm0mm行星齿轮箱 齿圈/外壳0mm
-0.10mm 宽松配合0.05mm行星齿轮0mm
-0.05mm 用于较松配合0.05mm载体/输出0.07mm – 为了更好地与输出轴承配合0.05mm皮带传动 GT2滑轮-0.05mm0.05mm

您可以在 3D 打印时尝试这些值，但根据您的 3D 打印机，您可能需要不同的值。您只能通过使用不同值进行一些测试打印来获得正确的这些值。您稍后将在比较测试中看到调整这些值如何影响驱动器的性能。

顺便说一句，感谢 Creality 为我提供了这台出色的 3D 打印机。 Creality K2 Plus 实际上是我用过的最好的 3D 打印机之一。查看我对 Creality K2 Plus 的详细评论。另外，请访问：Creality USA 商店； Creality 欧盟商店； 亚马逊。

组装驱动器

好的，这是组装三个减速器所需的所有 3D 打印零件和其他组件。

我们可以注意到，皮带传动的零件数量最少，而另一方面，对于摆线传动，我们需要更多的零件，例如销和衬套。就此而言，行星变速箱位于中间位置。

物料清单

以下是这些驱动器所需的所有组件的完整列表，例如衬套、皮带、轴承以及螺栓和螺母。

组件 数量 购买链接 摆线传动 销钉 D-6mm，L-30mm 16亚马逊 | 全球速卖通 销钉 D-6mm、L-24mm/25mm6亚马逊 | 全球速卖通 衬套 ID6mm OD10mm L16mm 或 2xL8mm22亚马逊 | 全球速卖通 滚珠轴承 35x47x7 68071亚马逊  | 速卖通 滚珠轴承 17x26x5mm 68033亚马逊 | 速卖通 滚珠轴承 12x21x5mm 68011亚马逊  | 速卖通 M3x10mm 沉头
M3x10mm4
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M3x10mm 沉头6
4亚马逊  | 速卖通 皮带传动 GT2 皮带 226mm2亚马逊  | 速卖通 滚珠轴承 35x47x7 68071亚马逊  | 速卖通 滚珠轴承 15x24x5 68021亚马逊  | 速卖通 滚珠轴承 6x13x5mm 6862亚马逊  | 速卖通 M3x10mm
M3x8mm
M3x16mm 沉头
M3x25mm 沉头4
4
2
2亚马逊  | 速卖通 其他 M3 平头螺钉亚马逊  | 速卖通 M3 / M4 螺母亚马逊  | 速卖通

现在我将快速引导您完成这些驱动器的组装过程。

皮带传动组件

为了组装皮带传动装置，首先我们需要将最终输出皮带轮通过外壳上的滚珠轴承插入到位。

然后我们需要将滚珠轴承安装在第一个输入皮带轮所在的输出皮带轮内。这个输入皮带轮首先需要固定到步进电机上，为此我制作了两个用于插入M3螺母的插槽，然后使用M3平头螺钉我们可以将皮带轮牢固地固定到位。

滑轮应保持在步进电机上方 2mm。 

在插入步进器之前，我们需要插入两条皮带。

然后我们可以使用一些 M3 螺栓将步进器固定到外壳上。由于我希望驱动器尽可能紧凑，因此只能使用一些窄钳子来固定这些螺栓。

一点也不方便，但目标也是尽可能坚固，以获得最佳性能。 

接下来，我们可以插入中间滑轮并将两条皮带缠绕在其上。该滑轮将容纳两个滚珠轴承，它们之间有一个小距离环。

然后我们可以插入滑轮的轴。这是一个 3D 打印的 6mm 空心轴，将用 M4 螺栓加固。

例如，在这里，我们可以只使用 M6 螺栓来代替它，但这样的话，我们的连接就不会那么紧密，因为 M6 螺栓的外径约为 5.8mm，而使用 3D 打印轴，我们可以使其精确为 6mm 或 5.95mm，以完美地穿过轴承。  

在底部，我们需要插入一个定距环，滚珠轴承将位于其上。

然后我们可以拉伸皮带，并将轴一直插入轴承并插入外壳的另一侧。然后我们可以将 M4 螺栓插入其中，并用 M4 螺母将所有部件固定到位。就这样，皮带传动完成了，它可以工作了。

皮带相当紧，但为了更好的控制和性能，我们应该为其添加张紧器。我在外径为 13mm 的滚珠轴承的帮助下制作了皮带张紧器，该滚珠轴承通过一些 M3 螺栓和螺母固定在一个小支架上。

我们可以将这个支架推到皮带上以拉紧它，然后拧紧螺栓。这是一个相当简单、运行良好的机制。 

最后，我们可以用一些M3螺栓和螺母固定驱动器的盖子，并在输出轴上添加螺纹嵌件以将东西固定在其上。

就是这样，皮带传动就完成了，乍一看，用手移动输出轴时感觉根本没有齿隙。

摆线传动

现在让我们看一下摆线传动的构造。正如我提到的，我已经有详细的视频如何构建摆线驱动器和行星齿轮箱，所以在这里我只简单介绍一下它们。 

在组装摆线传动时，我遇到了一个问题，尽管我遵循了所有规则，将其异相放置了 180 度，并仔细检查了所有尺寸，但我无法将第二个圆盘插入到位。

后来我意识到问题出在减速比上。摆线传动装置的传动比必须为奇数才能正常工作。在我之前的视频中，我已经制作了三种不同设计的摆线驱动器，但它们的减速比偶然是奇数，因此我忽略了这样一个事实：为了制作能够与两个摆线盘正常工作的摆线驱动器，您需要在盘上有奇数个齿或凸角。

您可以查看下面之前的设计文章。

• 什么是摆线驱动器？设计、3D 打印和测试
• 数控加工与 3D 打印摆线驱动器 - 设计与测试
• 谐波与摆线传动 - 扭矩、齿隙和磨损测试

减速比为奇数，意味着我必须将齿数更改为 15，将环形齿轮滚子的数量更改为 16，并重新打印外壳和磁盘。

现在我已经能够正确安装两个摆线盘并完成整个组装了。

间隙测试

好了，三块硬盘我已经准备好了，现在我们可以看一下对比测试。

我将从测试准确性或间隙开始。

行星齿轮箱

首先是行星齿轮箱。我在这里测试了它的重复性，结果很好。距离 20 厘米时，杆会在 1/100 毫米内恢复原位。

但当然，当对其施加力时，反弹会变得明显。杆在该距离上上下移动几毫米。用手移动时，感觉输出自由发挥，没有任何阻力。 

为了用典型单位弧分来表示齿隙，我们需要执行以下操作。我们应该测量两个方向的位移，同时施加约 1-2% 变速箱标称扭矩能力的负载。

在测试变速箱的扭矩时，我在10cm距离处得到的最大读数约为32N，因此我想为了测试齿隙，我们应该施加大约0.5N的负载，但我们在20cm距离处将其设置为2N。在此负载下，我在一个方向上产生了约 2.9 毫米的位移，在另一方向上产生了约 0.75 毫米的位移。 

为了用齿隙单位弧分来表示这些测量值，首先我们可以计算位移角 alpha。

我们借助一些简单的三角学来做到这一点，结果角度约为 1 度。一弧分是 1/60 度。因此，该 3D 打印行星齿轮箱的齿隙约为 60 弧分。  

如果您知道这是否是进行测量和计算间隙的正确方法，请在评论中告诉我。即使不是100%正确，我们也会使用相同的方法来表达每个驱动器的间隙，以便最终我们得到可比较的结果。

正如我之前提到的，根据齿啮合的紧密程度或松散程度，变速箱应该提供不同的结果。这是对此的确认。在第一次测试中，变速箱齿圈打印的水平膨胀量为 –0.15mm，行星齿轮打印的水平膨胀量为 –0.05mm。

现在我把齿圈换成水平扩展0mm，这样配合更紧了。现在变速箱显示出约 50 弧分的齿隙。

这相当于改善了 15%，甚至可以用手感觉到变速箱现在的间隙变小了。 

为了进一步改善齿隙，我打印的行星齿轮也具有0毫米的水平扩展，并且再次获得了更好的结果，大约30弧分。

因此，我们将变速箱的齿隙从最初的 60 角分提高到了 30 角分。

请注意，在设计过程本身中，当在 Onshape 中使用自定义 FeatureScript 生成齿轮时，我向齿轮添加了 0.1 毫米的齿隙或偏移。

所以，这就是为什么我可以用 0mm 水平扩展来打印它们，并且仍然能够正确组装它们并获得良好的结果。这意味着我们甚至可以进一步增加齿隙，消除生成齿轮时的 0.1mm 偏移，但我相信，如果我们这样做，我们将根本无法组装齿轮，或者也许我们能够将它们组装在一起，但它们会失去效率，甚至完全卡住。我们将在效率或扭矩测试中看到这种行为。

摆线传动

尽管如此，现在我们还是来看看摆线盘的齿隙性能。  在可重复性方面，它显示出更差的结果。杆在不同点上的回退幅度都在 1/10 毫米之内。

至于间隙，我计算出的值约为 60 弧分。这与行星变速箱最坏的情况相同。不过，这里用手搬动的时候，感觉不太自由，反而立刻就有了一些阻力。

在本次测试中，摆线盘的水平膨胀量为 –0.15mm，组装时实际上非常紧。所以，我尝试用–0.2mm水平扩展和+0.2mm孔扩展来打印它们，因为摆线盘上6个输出孔的精度也有助于驱动器的性能。

因此，当圆盘配合较松时，结果要差得多，约为 150 弧分，并且用手移动轴时存在自由游隙。

皮带传动

好吧，接下来我们看看皮带传动的表现如何。重复性似乎相当不错，在 20 厘米距离处的重复性在 1/100 毫米之内。但我们也可以注意到，似乎存在超调。条形上升到 0.04mm，然后回到 0.03。

在测试间隙时，我计算出的值约为 45 弧分。

与其他两个驱动器相比，这是一个很好的结果，但我在这里使用皮带驱动器，我还可以控制皮带的张力，从而可能改善齿隙。

我确实把皮带拉紧了一些，现在间隙减少到了 25 弧分左右。

因此，就齿隙而言，皮带传动是三种传动中最好的结果。

扭矩/效率测试

摆线传动

好吧，现在让我们比较一下它们的效率或扭矩输出。我将从摆线传动开始。在 10cm 的距离处，我得到的读数约为 16N，或者说扭矩约为 160Ncm。

与没有驱动器时步进电机显示的扭矩（约 18Ncm）相比，扭矩增加了约 9 倍。

驱动器的效率较低，仅为 60% 左右。该驱动器的减速比为15:1，在理想条件下我们应该获得15倍的扭矩增加，但我们得到了大约60%。之所以如此，是因为我猜想驱动器中存在大量摩擦，或者由于摆线盘安装得非常紧而产生高阻力。 

如果我们将其与配合较松的摆线盘进行比较，我得到的读数约为 18N，即 180Ncm。

这相当于提高了 10% 的效率，但仍然不是很好，只有 66% 左右的效率。最重要的是，较松的摆线盘的间隙非常大，完全无法用于任何精密工作。

行星齿轮箱

现在我们来看看行星齿轮箱的效率。在 10cm 的距离处，我得到的读数约为 36N，或者说扭矩约为 350Ncm。

我对这些结果感到有点惊讶，因为与没有驱动器的步进电机显示的扭矩相比，在这种情况下大约为 23Ncm，扭矩增加了大约 15 倍。该变速箱的减速比为 16:1，因此效率约为 90% 至 95%。不过，该测试是在配合较松的齿轮上进行的，用手移动轴时会有很小的游隙。 

但这是我测试的另外两种情况，齿轮啮合更紧密。

我通过 3D 打印的环形齿轮和 0mm 水平扩展获得了大约 310Ncm 的扭矩输出，或者说效率约为 84%。

而且齿轮的配合更加紧密，所有行星齿轮均采用 3D 打印，水平扩展量为 0mm，扭矩输出约为 290Ncm，即效率为 78%。尽管如此，对于 3D 打印变速箱来说，这仍然是一个非常好的结果。

皮带传动

最后我们来看一下皮带传动效率。

在皮带稍松一点的第一次测试中，我得到的读数约为 260Ncm，效率约为 70%，因为该步进机在没有驱动器的情况下的扭矩约为 23Ncm。  然而，在这种情况下，问题是皮带在第二级较小的输入皮带轮处跳跃，而不是步进器本身。

当皮带张紧度较好时，输出扭矩约为360Ncm，效率约为95%至97%。

这真是令人印象深刻。皮带传动被证明是最高效的传动，在齿隙方面也是表现最好的。

但在我们做出哪种 3D 打印驱动器最好的结论之前，让我们再看一些比较。

耐久性测试

我尝试通过在驱动器上施加一定重量的情况下运行较长时间来进行耐用性测试。

我使用了一些直流电机作为配重，并让驱动器旋转时突然改变旋转方向，以便给它们增加更多的压力。 

大约2小时后，摆线传动出现故障。它无法再移动负载了。皮带传动和行星齿轮箱以同样的运动继续运行了 8 个小时，一切都很好。在这次耐久性测试之后，我再次测试了它们的间隙。 

摆线传动完全失去了精度。 20cm 距离处有大约 10mm 的自由间隙。

行星齿轮箱还在输出轴上引入了以前不存在的自由间隙。我在这次耐久性测试中使用了最紧密配合的齿轮。在齿隙单位中，它从测试前的约 30 角分增加到测试后的 60 角分。 

而皮带传动装置，在耐久性测试后显示出约 35 弧分的齿隙，在测试前则显示出约 25 弧分的齿隙。 

我打开了驱动器，看看里面发生了什么以及导致精度降低的原因。

在摆线传动中，摆线盘上有明显的磨损痕迹。既在摆线盘轮廓上，又在盘的输出孔上。因此，当 PLA 磁盘变形时，它们会显着降低驱动器的精度。 

在行星齿轮箱上，我没有注意到太多磨损或变形。

可能存在一些非常小的变形或磨损，可能是 3D 打印时出现的接缝气泡的磨损。因此，一旦接缝磨损，间隙就会增加。

也许如果我们打印公差更小的齿轮，或者一开始就让它们配合得更紧，即使是以损失一些效率为代价，但在最初的磨损之后，它们将获得正确的效率和精确度。 

对于皮带传动，我们可以注意到皮带背面（张紧器轴承推动皮带的位置）存在磨损。

使用合适的 10mm 惰轮可以轻松解决这个问题。此外，即使在使用一段时间后，我们也可以随时增加皮带的张力以提高精度。对于其他两个驱动器，我们无法提高精度。我们不能向它们添加材料，或者我们不能紧张任何东西。

因此，考虑到所有这些，皮带传动表现最佳。

不仅如此，它在重量、成本和制造容易程度方面也击败了其他两种驱动器。

其他比较

包括步进电机在内的皮带传动总重量约为550克，行星齿轮箱约为600克，摆线传动约为710克。当然，如果我们将这些驱动器用作机器人关节，重量就非常重要。

就尺寸而言，摆线传动绝对是最紧凑的传动，而行星齿轮箱和皮带传动有些相似，但配置略有不同。 

另一方面，摆线传动最复杂或最难组装，其次是行星齿轮箱和皮带传动最容易组装。之所以如此，是因为除了 3D 打印部件之外，皮带传动实际上具有最少数量的部件。

这也直接影响构建驱动器的成本。我为此视频构建的摆线驱动器具有除 3D 打印机零件、销、衬套和轴承之外的最多组件，构建成本约为 28 美元（不包括 3D 打印零件）。然后我们有成本约为 23 美元的行星齿轮箱，最后是成本仅为其 1/4 或 1/3 的皮带传动装置，即 7.5 美元左右。

结论

那么，我的最终结论是什么。 3D 打印摆线传动、行星齿轮箱还是皮带传动哪个更好？

好吧，我肯定会避免使用摆线驱动器，因为唯一比其他驱动器更好的类别是其尺寸或紧凑性。 

另一方面，行星齿轮箱和皮带传动表现出非常相似的性能，但如果我必须从我所做的所有测试中选出一个获胜者，那一定是皮带传动。它在精度、效率和耐用性等各个方面都表现最好，而且构建起来最简单、最便宜。

不过这个测试就不在这里了，实际上我会在实际场景中对行星齿轮箱和皮带传动进行进一步的测试比较，或者我会制作两个机械臂，一个采用行星齿轮箱，另一个采用皮带传动，然后我们看看它们在实际情况下的表现如何。