CNC 加工与 3D 打印摆线驱动器 – 设计、装配和性能比较

在本文中，我们将看看我在上一个视频中制作的摆线传动的新更新版本，减速比为 19:1，并了解它使用 CNC 加工零件与使用 3D 打印零件制造的性能如何。

我将解释我如何设计和组装这个摆线驱动器，并测试其精度和负载能力，并使用 NEMA17 和 NEMA23 步进电机驱动它。

您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。

摆线传动概述

在我之前的视频中，我已经详细解释了什么是摆线驱动器及其工作原理，因此，如果您不熟悉摆线驱动器，我建议您查看该视频。真正快速的是，摆线驱动器是一种独特类型的变速箱或减速器，它通过紧凑而坚固的设计提供非常高的减速比。 

摆线传动由五个主要部件组成，高速输入轴、偏心轴承、两个摆线盘、带销和滚子的齿圈以及带销和滚子的低速输出轴。

输入轴驱动偏心轴承，偏心轴承驱动围绕齿圈壳体内圆周的两个圆盘。偏心运动使摆线盘齿或凸角与齿圈壳体的滚子啮合，从而以降低的速度产生反向旋转。减速比取决于齿圈上的销钉数量。

同样，您可以在我之前的视频中找到更详细的解释，以及查看我为该视频制作的 3D 打印原型。减速比15:1，直径115mm。

现在。对于这个构建，我想增加减速比，但同时使摆线驱动器更加紧凑。为了实现这一目标，我将使用直径小得多的衬套，而不是使用滚珠轴承作为滚子。

滚子直径实际上是最关键的尺寸，因为它们与销的数量一起决定了齿轮箱的尺寸。让我们通过解释我用于设计该摆线驱动器的过程来看看为什么会这样。 

设计摆线传动

因此，首先我将滚轮的直径定义为 8 毫米，因为这是我可以轻松订购的衬套尺寸。然后我想要 19:1 的减速比，这意味着环形外壳需要有 20 个滚子。于是，我用这20个直径为8毫米的滚轮绕着一个圆画了一个草图。

现在根据这两个输入，我能够确定齿圈节圆直径的最小尺寸。该值与应小于滚子直径一半的偏心率值一起构成用于生成摆线盘形状的四个主要输入参数。 

摆线盘轮廓来自于摆线（Cycloid），它是一个点沿直线滚动而不打滑时所描绘的曲线，或者实际上是它的变种，外旋轮线（Epitrochoid），它是一个点在圆周上滚动时所描绘的曲线，并且与外圆的中心有一定距离。

为了绘制这样的曲线，我们可以使用以下参数方程，这些方程可以在 Omar Younis 为 SOLIDWORKS 教育博客编写的文档中找到。

现在我将向您展示如何使用这些参数方程通过 SOLIDWORKS 及其方程驱动曲线工具制作摆线盘。

方程如下：

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通过将两个参数方程插入到位，我们可以轻松生成摆线盘形状。当然，我们应该适当地使用方程中的参数。至于“t”参数，我们应该使用0到2*Pi之间的值。

不过，我们应该注意，我们需要使用比 2*Pi 稍小的值，才能生成曲线。这将生成带有小间隙的曲线，可以轻松地用样条线连接。 

然后我们可以简单地挤压型材，并为偏心轴承和输出销打孔。这些输出孔的直径等于滚针直径+两倍偏心率。在本例中，直径为 8 + 2*1 =10mm。

尽管如此，让我们现在构建这个摆线驱动器，看看它在现实生活中如何工作，包括 CNC 加工零件和 3D 打印零件。

3D模型和STL文件下载

您可以找到并下载该摆线驱动器的 3D 模型作为 STEP 文件，并在 Thangs 上的浏览器中进行探索：

从 Thangs 下载 3D 模型 .STEP 文件。

至于用于3D打印零件的STL文件，您可以在这里下载：

您还可以在这里下载 SOLIDWORKS 文件：

图纸：

我在订购 CNC 加工零件时使用了这些图纸。

订购 CNC 加工零件

我从 PCBWay 订购了 CNC 加工零件。除了 PCB 制造服务外，他们还提供 CNC 加工、3D 打印、钣金制造和注塑服务。

订购零件非常简单。我们只需上传 3D 模型并选择零件的材料即可。他们几乎拥有任何可用的材料。我为大部分零件选择了铝，除了摆线盘，我想用更坚固的材料制成，所以我为它们选择了不锈钢。

我们还可以选择各种表面处理，如阳极氧化、拉丝、喷漆等，以及选择表面粗糙度和公差。对于那些我需要比标准公差更严格的零件，我还提供了包含我所需的特定公差的图纸。 

我们可以添加多个零件，并在单个订单中为每个零件请求报价。 

零件在预计时间内到达，包装完好，每件物品均受到单独保护。

我必须说，能用金属制造自己设计的东西是非常令人满意的。这些零件看起来很棒，一切都与设计中的一模一样。请务必访问 PCBWay 网站以了解有关其服务的更多信息。

尽管如此，对于 3D 打印版本，我自己使用 PLA 材料制作了零件。 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，因此利用此功能我们可以对其进行补偿并获得更准确的尺寸。我将其设置为 0.07，水平扩展功能将零件的外部尺寸补偿为 0.02 毫米。当然，您应该进行一些打印测试，看看哪些值可以在 3D 打印机上提供最准确的结果。

组装摆线驱动器

好吧，让我们继续组装摆线传动装置。我这里有所有的零件。我将首先组装 CNC 加工版本，然后再组装 3D 打印版本。

以下是组装该摆线传动装置所需的所有组件的列表：

• 6毫米钢圆柱杆……………….....亚马逊 / 速卖通
  L=30mm x20个； L=22mm x 1 个驱动器 6 个
• 8毫米衬套…………………………………….亚马逊 / 速卖通
  L=20mm x20个； L=15mm x 6 个驱动器
• 滚珠轴承 35x47x7 6807-2RS – x2 …. 亚马逊  / 速卖通
• 滚珠轴承 17x26x5mm 6803ZZ x2 …. 亚马逊 / 速卖通
• 螺纹嵌件……………………..…………。 亚马逊  / 速卖通
• 来自当地五金店的 M3 和 M4 螺栓 - 几天后我将提供该项目所需螺栓的完整列表

披露：这些是附属链接。作为亚马逊合作伙伴，我通过符合条件的购买赚取收入。

我首先将联轴器固定在 NEMA17 步进电机上。联轴器应距电机前板 2mm 的距离，我们可以使用两个平头螺钉轻松固定它。然后我们可以用四个M3螺栓将底板固定到步进器上。

接下来是该组件中最大的部件，环形齿轮滚子外壳。这里我们需要安装滚轮，在本例中是直径为 8 毫米的衬套，长度应为 20 毫米。不过，我在订购时找不到这个尺寸，所以这里我使用了两个长度为 10mm 的套管。

安装这些衬套的销钉直径为 6 毫米，长度为 30 毫米。外壳底部的孔尺寸适合与销钉紧密配合，以便它们牢固地固定到位。因此，这里我们需要使用一些力量来安装它们。这是 20 个滚筒，这将为我们提供 19:1 的减速比。

齿圈外壳位于底板顶部，首先我们需要插入一个定距环，将输出辊固定到位。 

接下来，我们可以安装 NEMA17 联轴器上的偏心轴。实际上，在安装之前，我们需要插入两个内径为17mm、外径为26mm的轴承。

你看，一切都很完美。我设置了轴承过盈配合的公差，以便轴承牢固地固定到位。这就是为什么我必须在这里用点力才能将它们插入。

该组件代表偏心轴承。然后，我们可以将两个摆线盘安装在偏心轴承上。这些也是过盈配合，我们需要用一些力来安装它们。这种配合甚至更紧，因为我错误地订购了粉末涂层摆线盘，因此它们的材料多了一点，而且公差不正确。 

不过，我们也可以在两个摆线盘之间安装一个定距环，以将它们保持在适当的位置，以防轴承与盘之间的配合松动。

然后我们可以将该组件作为一个整体插入外壳或一次插入一个磁盘。摆线盘和环形齿轮滚子之间的这种配合至关重要，因为它决定了驱动器的性能。当我试图尽可能紧密地配合以使驱动器具有最小的间隙时，我遇到了一个问题，因为磁盘无法容纳它。

造成这个问题的原因是我没有对从参数方程中得到的摆线盘轮廓进行任何间隙或偏移，除此之外，我还订购了粉末涂层的盘，这也增加了它们的尺寸。最重要的是，我的衬套不太好，直径比8mm稍大。

因此，为了解决这个问题，我不得不订购新的摆线盘，但我决定尝试使用旋转工具从盘轮廓上去除一些材料。经过一番打磨后，我实际上能够放入磁盘中。

当然，这不是最好的解决方案，但我们将看看它的表现如何。 

然而，当将两个磁盘插入外壳时，它们必须以 180 度异相放置。

磁盘上有一个孔，可用于正确定位它们。我们应该翻转一个圆盘并放下两个孔。插入后，我们可以给电机通电，看看摆线盘如何与偏心轴承和齿圈滚子结合工作。

摆线盘以与输入轴相反的偏心运动旋转，速度慢 19 倍。 

现在，这种偏心运动将通过摆线盘上的六个孔传递到输出轴。这是输出轴。我们需要固定套管所在的六个销钉。销钉直径 6 毫米，长 22 毫米。输出轴上的孔尺寸为过盈配合，以便安装时牢固固定，因此安装时需要用力。

一旦我们固定好销钉，我们就可以插入 8mm 衬套。这里我们需要 15mm 长的衬套，但在制作这个项目时我找不到这个尺寸，所以我使用了 10mm 的衬套，但插入了一些垫圈进行补偿。

实际上，我只使用了一台垫圈，而不是视频中所示的两台。但是，该项目所需的所有组件的包含链接都具有正确的尺寸。 

在将输出轴插入到位之前，我们需要插入一个定距环和一个支撑输入轴和输出轴的轴承。然后我们只需将输出轴插入摆线盘孔中即可。

在输出轴上，我们需要再插入一个定距环和一个内径为35mm的轴承。

最后，我们可以通过将外壳盖插入所有部件的顶部来完成组装，并用六个长度为 45mm 的 M6 螺栓将其固定。就是这样，摆线驱动器现已完全组装完毕，我真的很喜欢它的结果。

现在，对于 3D 打印版本，我们可以按照完全相同的程序进行组装。

这里的另一个步骤是我们需要在输出轴上安装一些螺纹嵌件，这样我们就可以将东西连接到它上面。 

测试

好吧，现在我已经准备好了两个摆线驱动器，是时候对它们进行一些测试并看看它们的性能如何了。在我们查看测试之前，请先快速说明一下，CNC 加工版本的重量比 3D 打印版本高得多。

扭矩

我将首先测试这些摆线驱动器可以输出多少扭矩。在这里，我将两个驱动器并排放置，并测量它们在 10 厘米距离处可以产生的力。

它们在 10 厘米的距离处输出了约 45 牛的力，转化为扭矩，约为 450 牛 厘米的扭矩。不过，CNC 加工的结果稍高一些且更一致。

另一方面，这些 NEMA17 步进电机的额定扭矩为 28Ncm，这意味着我们的扭矩增加了大约 16 倍。考虑到减速比为 19:1，效率约为 85%，在理想条件下，我们应该获得 19 倍的扭矩增加。 

尽管如此，让我们看看当我们将 NEMA23 步进电机连接到它们上时它们的性能如何。我设计了摆线驱动器，以便我们能够将其与 NEMA17 和 NEMA23 电机一起使用。然而，为了保持设计尽可能紧凑，从 NEMA17 到 NEMA23 的交换需要一些工作。

我们必须拆卸一些零件，并更换底板以适应 NEMA23 孔。我们还需要使用另一个轴耦合器，因为 NEMA23 具有更大的轴。所以基本上，我们只需要更改这两个部分并将所有内容重新组合在一起。 

我也在 3D 打印版本上将步进电机更改为 NEMA23。这里，当我拆卸驱动器时，我注意到摆线盘已经开始出现一些磨损。

我们可以注意到，磨损更多地出现在磁盘的一侧，我猜那是 3D 打印时零件的底部。这是因为 3D 打印时的前几层往往会挤出更多的细丝。 

尽管如此，这里的两个摆线驱动器都配有我所拥有的最大的 NEMA23 步进电机，以便尽可能地给驱动器带来压力。

我最初使用已经使用过的 10 厘米棒开始测试，但我很快意识到我需要一根更长的棒，因为在大约 25% 的步进电机功率下，我在 10 厘米处就已经达到了 130 牛，而我的测力计最大可以测量 200 牛。因此，我必须增加测量力的距离，以保持在 200N 以下。 

我附上了一根较长的松木棒，并尝试在 50 厘米的距离处测量力。嗯，松木棒在大约 50N 的力下就断裂了，因为它实际上是相当脆弱的材料。于是，我用一根更坚固的胶合板棒代替了它，并且能够在 50 厘米的距离处测量力。

我得到的读数约为 60N，换算成扭矩约为 3000Ncm 或 30Nm 扭矩。这真是令人印象深刻。只需看看胶合板在负载下弯曲了多少。

在 20 厘米距离处测量力时，我得到的读数约为 170 牛，即扭矩约为 34 牛米。另一方面，这款 NEMA23 步进电机的额定扭矩为 2.1Nm，因此，我的扭矩再次增加了约 16 倍，就像 NEMA17 测试一样。同样，效率约为 85%。 

然而，当使用 NEMA23 步进机测试 3D 打印版本时，我在 20 厘米距离处获得了约 65Nm 的读数。

这个扭矩约为 13Nm，实际上比我从 CNC 加工版本获得的 34Nm 扭矩要小得多。所以，通过这个测试，我们实际上可以看到两个版本之间的差异。 3D 打印的步进器无法跟上这一强大的 NEMA23 步进器可以输出的力量。即使是螺纹嵌件在这些负载下也会失效。

间隙

尽管如此，我也做了一些准确性测试。我们可以看到 CNC 加工版本和 3D 打印版本的重复性都很好。然而，一旦我们施加负载，我们就会注意到驱动器有一些间隙。 CNC 加工版本的结果更好，当向两个方向施加力时，在距离约 12 厘米处显示出约 4 毫米的游隙，而 3D 打印版本在距离约 15 厘米时显示出 7 毫米的游隙。

轴的这种游隙或齿隙的存在是因为衬套尺寸不那么准确，以及我手动打磨摆线盘轮廓的事实，因为我错误地订购了粉末涂层。由于同样的原因，我们也可以注意到这种间隙是多么不一致，轴上的某些位置的间隙比其他位置更大。

结论

尽管如此，如果我们使用更好的衬套并以适当的尺寸和间隙加工摆线盘轮廓，我们肯定可以获得更好的结果。 

当然，通过更精确地打印摆线传动，也可以提高3D打印版精度。我们可以通过在 3D 打印零件时尝试水平扩展功能来实现这一点，为了获得更好的耐用性，我们可以将磁盘设计得更宽并具有更好的接触表面。 

在制作一些机器人项目时，我肯定会在以后的一些视频中尝试实现这种类型的摆线驱动器。 

我希望您喜欢本教程并学到一些新东西。欢迎在下面的评论部分提出任何问题。