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Cos’è Strain Wave Gear aka Harmonic Drive?

In questo tutorial impareremo cos’è Strain Wave Gear, noto anche come Harmonic Drive. Per prima cosa, spiegheremo il suo principio di funzionamento, quindi progetteremo il nostro modello e lo stamperemo in 3D in modo da poterlo vedere nella vita reale e capire meglio come funziona.

Cos’è Strain Wave Gear?

Un Strain Wave Gear è un tipo unico di sistema di ingranaggi meccanici che consente un rapporto di riduzione molto elevato in un pacchetto compatto e leggero. Rispetto ai tradizionali sistemi di ingranaggi come ingranaggi elicoidali o ingranaggi planetari, può raggiungere rapporti di riduzione molto più elevati fino a 30 volte nello stesso spazio. Inoltre, ha una caratteristica di gioco zero, coppia elevata, precisione e affidabilità. Pertanto, questo sistema di ingranaggi viene utilizzato in molte applicazioni, tra cui robotica, aerospaziale, macchine mediche, fresatrici, apparecchiature di produzione e così via.

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Lo Strain Wave Gear è stato inventato nel 1957 da C. Walton Musser, e l’altro nome comunemente usato per esso, “Harmonic Drive”, è in realtà un marchio di strain wave gear registrato dalla società Harmonic Drive.

Come funziona

Va bene, quindi diamo un’occhiata a come funziona ora. Una trasmissione armonica ha tre componenti chiave, un generatore di onde, una spline flessibile e una spline circolare.

 Questo è l’ingresso del gruppo ingranaggi ed è collegato all’albero motore.

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Quando il generatore di onde ruota, genera un moto ondoso.

La scanalatura Flex ha la forma di una coppa cilindrica ed è realizzata in acciaio legato flessibile ma resistente alla torsione. I lati della tazza sono molto sottili ma il fondo è spesso e rigido.

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Ciò consente all’estremità aperta della tazza di essere flessibile, ma l’estremità chiusa di essere abbastanza rigida e quindi possiamo usarla come uscita e collegare ad essa la flangia di uscita. La scanalatura flessibile ha denti esterni sull’estremità aperta della coppa.

D’altra parte, la Spline circolare è un anello rigido con denti all’interno. La scanalatura circolare ha due denti in più rispetto alla scanalatura flessibile, che in realtà è il design chiave del sistema di ingranaggi a onde di deformazione.

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Quindi, quando inseriamo il generatore di onde nella spline Flex, la spline flessibile assume la forma del generatore di onde.

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Quando il generatore di onde ruota, deforma radialmente l’estremità aperta della scanalatura flessibile. Il generatore di onde e la scanalatura flessibile vengono quindi posizionati all’interno della scanalatura circolare, unendo i denti.

Come funziona

A causa della forma ellittica della spline flessibile, i denti si accoppiano solo in due regioni sui lati opposti della spline flessibile e si trova sull’asse principale dell’ellisse del generatore di onde.

Ora, mentre il generatore di onde ruota, i denti della scanalatura flessibile che sono accoppiati con quelli della scanalatura circolare cambieranno lentamente posizione. A causa della differenza di conteggio dei denti tra la scanalatura flessibile e la scanalatura circolare, per ogni rotazione di 180 gradi del generatore di onde, l’ingranamento dei denti farà sì che la scanalatura flessibile ruoterà leggermente all’indietro rispetto al generatore di onde. In altre parole, con ogni rotazione di 180 gradi del generatore di onde, i denti della scanalatura flessibile si accoppiano con la scanalatura circolare avanzeranno di un solo dente.

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Quindi, per una rotazione completa di 360 gradi del generatore di onde, la spline flessibile cambierà posizione o avanzerà di due denti.

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Ad esempio, se la flex spline ha 200 denti, il generatore di onde deve fare 100 rivoluzioni affinché la flex spline faccia avanzare di 200 denti, o questa è solo una singola rotazione per la flex spline. Questo è un rapporto di 100: 1. In tal caso, la scanalatura circolare avrà 202 denti, poiché il numero di denti della scanalatura circolare è sempre maggiore di due dei denti della scanalatura flessibile.

Come funziona

Possiamo facilmente calcolare il rapporto di riduzione con la seguente formula. Il rapporto è uguale ai denti della scanalatura flessibile – denti della scanalatura circolare, diviso per i denti della scanalatura flessibile.

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Quindi, con l’esempio di 200 denti sulla scanalatura flessibile e 202 denti sulla scanalatura circolare, il rapporto di riduzione è -0,01. Questo è 1/100 della velocità del generatore di onde e il sospiro meno indica che l’uscita è nella direzione opposta.

Possiamo ottenere diversi rapporti di riduzione cambiando il numero o i denti.

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Possiamo ottenerlo modificando il diametro del meccanismo pur avendo denti della stessa dimensione, o cambiando la dimensione dei denti preservando le dimensioni e il peso del set di ingranaggi.

 Strain Wave Gear – Harmonic Drive 3D Model

Ok, quindi ora che conosciamo la teoria dietro lo Strain Wave Gear, lascia che ti mostri come ne ho progettato uno in modo che possiamo costruirlo usando solo una stampante 3D.

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Ho progettato questo modello di Strain Wave Gear utilizzando Fusion 360. Tutte queste parti possono essere stampate in 3D, quindi abbiamo solo bisogno di alcuni bulloni e dadi e alcuni cuscinetti per completare l’assemblaggio. Per quanto riguarda l’input, ho scelto di utilizzare un motore passo-passo NEMA 17.

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Ecco come ho progettato i 3 elementi chiave dello Strain Wave Gear, la spline circolare, la spline flessibile e il generatore di onde. Poiché le stampanti 3D hanno i loro limiti su quanto è buono, accurato e preciso può stampare, il primo che ho dovuto decidere era il modulo degli ingranaggi o quanto grandi o piccoli saranno i denti. Ho scelto un modulo di 1,25 e 72 denti per la scanalatura circolare.

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Ovviamente, la scanalatura flessibile deve avere 2 denti in meno, ovvero 70 denti. Ciò si tradurrà in un rapporto 35: 1 pur avendo una dimensione relativamente piccola del set di ingranaggi.

Strain Wave Gear – Harmonic Drive 3D Model

Per quanto riguarda il generatore di onde, non possiamo davvero usare quel tipo speciale di cuscinetti a parete sottile menzionati in precedenza, in quanto non sono facili da trovare. Invece, useremo normali cuscinetti a sfera disposti attorno alla circonferenza di un’ellisse. Le dimensioni dell’ellisse devono essere effettuate in base alle dimensioni della parete interna della scanalatura flessibile.

Strain Wave Gear – Harmonic Drive 3D Model

Ho ingrandito il raggio dell’asse maggiore dell’ellisse di 1,25 mm rispetto al raggio della parete interna della scanalatura flessibile. D’altra parte, il raggio dell’asse minore dell’ellisse è inferiore di 1,25 mm.

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Il generatore di onde sarà costituito da due sezioni su cui potranno essere facilmente fissati i 10 cuscinetti. Una di queste sezioni presenta anche un accoppiatore dell’albero adatto per fissare il motore passo-passo NEMA 17.

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Il resto delle parti è progettato attorno a questi 3 componenti chiave. Sul lato di uscita dell’alloggiamento inseriremo due cuscinetti con diametro esterno di 47 mm, e li fisseremo con l’aiuto di alcuni bulloni e dadi.

La flangia di uscita è composta da due parti collegate con bulloni e dadi in modo da poterla fissare facilmente ai due cuscinetti.

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Stampato in 3D Strain Wave Gear – Harmonic Drive

Ok, ora è il momento di stampare le parti in 3D. Quando si stampano gli ingranaggi in 3D, è importante utilizzare la funzione di espansione orizzontale nel software di slicing.

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Ho impostato il mio a -0,15 mm e ho ottenuto una precisione relativamente decente sulle stampe. Notare che questo potrebbe variare da stampante a stampante. 

Ho usato la mia stampante 3D Creality CR-10 per stampare tutte le parti e penso che abbia fatto un buon lavoro considerando il suo prezzo.

Quindi, ecco tutte le parti stampate in 3D.

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Abbiamo solo bisogno di alcuni bulloni, dadi e alcuni cuscinetti per completare l’assemblaggio dell’azionamento Harmonic.

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Ecco un elenco completo di tutti i componenti:

  • Bulloni:

  • M3x16 – 13 pieces
  • M3x12 – 4
  • M4x12 – 6
  • M4x25 – 6
  • M4x30 – 6
  • M4x40 – 4
  • Nuts:
  • M3 self locking – 13
  • M4 self locking – 16
  • M4 – 10
  • Cuscinetti:
  • (OD) 16mm x (IN) 5mm x (W) 5mm – 10
  • (OD) 47mm x (IN) 35mm x (W) 7mm – 2
  • Elettronica:
  • Stepper Motor – NEMA 17
  • A4988 Stepper Driver
  • Arduino 
  • DC Power Supply

Stampato in 3D Strain Wave Gear – Harmonic Drive

Ho iniziato il montaggio inserendo i due cuscinetti di uscita nella sede. I cuscinetti hanno un diametro esterno di 47 mm e un diametro interno di 35 mm. Come ho detto, ho usato la compensazione dell’espansione orizzontale di -0,15 mm quando ho tagliato le parti, quindi i cuscinetti si sono adattati abbastanza saldamente all’alloggiamento.

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Tra i due cuscinetti ho posizionato anelli distanziatori stampati in 3D da 1,5 mm. Per fissare i cuscinetti all’alloggiamento sono necessari sei bulloni a testa svasata M4 con una lunghezza di 25 mm. Useremo anche rondelle M4 che toccheranno appena abbastanza l’anello esterno del cuscinetto e quindi manterranno il cuscinetto fissato all’alloggiamento.

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La prossima è la Flex spline. Le pareti della tazza misurano solo 1,2 mm quindi, sebbene sia stampata in PLA, è ancora flessibile all’estremità aperta.

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All’estremità chiusa della scanalatura Flex possiamo attaccare la flangia di uscita utilizzando sei bulloni M4. Una volta fissata, la flex spline è ora un po ‘meno flessibile rispetto al passato, ma l’estremità chiusa è ora piuttosto rigida.

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Successivamente, dobbiamo inserire la scanalatura flessibile attraverso il cuscinetto. La flangia di uscita passa a metà del primo cuscinetto. Dall’altro lato inseriremo l’altra parte della flangia di uscita che si adatterà esattamente tra i due cuscinetti.

Ho continuato con l’inserimento di quattro dadi M4 nelle fessure dell’albero di uscita. Questi dadi serviranno per attaccare o collegare cose all’uscita del set di ingranaggi.

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Per finire l’albero di uscita, sopra ho posizionato un’altra parte che coprirà i dadi, e usando 4 bulloni M4 con una lunghezza di 40 mm posso finalmente fissare insieme le due parti di uscita. Ora, la scanalatura flessibile e l’albero di uscita possono essere fissati liberamente all’alloggiamento.

Stampato in 3D Strain Wave Gear – Harmonic Drive

Ok, quindi ora abbiamo la scanalatura circolare che sarà fissata all’alloggiamento insieme al coperchio del set di ingranaggi e al supporto del motore. Ma prima di farlo, dobbiamo assemblare il generatore di onde. Qui prima dobbiamo inserire due dadi M3. Questi dadi serviranno per fissare il generatore di onde all’albero motore utilizzando due viti senza testa.

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Successivamente, possiamo iniziare a inserire i 10 cuscinetti in posizione. Possiamo notare qui come i cuscinetti siano leggermente distanziati dal muro con il piccolo bordo nella parte inferiore degli alberi. Anche l’altra parte del generatore di onde ha tali bordi in modo che i cuscinetti non tocchino il muro. Fisseremo i cuscinetti e in realtà l’intero generatore di onde, con bulloni M3 lunghi 16 mm e alcuni dadi.

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Successivamente, dobbiamo fissare il generatore di onde al motore, ma prima di farlo, dobbiamo collegare il motore al supporto del motore e al coperchio del set di ingranaggi. Il generatore di onde dovrebbe essere a 2 mm di distanza dal coperchio del motore, quindi ho usato due rondelle come guide quando ho inserito il generatore di onde in posizione. Quindi non ci resta che serrare i grani che sono posizionati in modo che possano essere raggiunti tra i cuscinetti.

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Infine, possiamo inserire il generatore di onde nella flex spline e collegare tutto insieme. Dovremmo prima regolare la flex spline in modo che sia mesh con la spline circolare in una forma ellittica e quindi inserire il generatore di onde nella stessa direzione.

Ad essere onesti, può essere un po ‘difficile adattarlo perché non abbiamo il controllo sulla scanalatura flessibile a causa del supporto del motore. Avrei potuto progettarlo in modo un po ‘diverso, ma penso che sia abbastanza buono per scopi dimostrativi.

Stampato in 3D Strain Wave Gear – Harmonic Drive

Ciò che resta ora è inserire i dadi M4 in queste prese dell’alloggiamento e fissare sia la scanalatura circolare che il generatore di onde all’alloggiamento.

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E questo è tutto, il nostro Strain Wave Gear o Harmonic Drive è ora pronto. Ma quando ho finito, ho pensato che completare il set di ingranaggi in questo modo è un po ‘noioso perché non possiamo vedere nulla tranne un albero di uscita a rotazione lenta. Lì, ho deciso di sostituire il coperchio del set di ingranaggi stampato in 3D con uno in acrilico in modo da poter vedere anche cosa sta succedendo all’interno.

Stampato in 3D Strain Wave Gear – Harmonic Drive

Avevo una lastra acrilica da 4 mm, quindi ho segnato la forma del coperchio su di essa e usando una sega a mano ho tagliato grossolanamente la forma.

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Quindi, usando una raspa, ho messo a punto la forma dell’acrilico. Ho fatto i fori con una punta da trapano da 3 mm e il grande foro per il motore con una punta Forstner da 25 mm. La forma è risultata abbastanza decente alla fine.

Ho rimontato il motore e il generatore di onde come mostrato in precedenza. Possiamo notare qui che ho aggiunto alcuni dadi tra l’acrilico e l’alloggiamento per ottenere la distanza corretta come aveva precedentemente il coperchio.

Ora questo set di attrezzi sembra molto più interessante.

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Quindi eccolo qui. Ora possiamo vedere come funziona Harmonic Drive nella vita reale. In questo caso, l’albero di uscita è 35 volte più lento dell’albero di ingresso.

Stampato in 3D Strain Wave Gear – Harmonic Drive

Qui ho contrassegnato un dente della flex spline con il colore rosso in modo da poterlo tracciare meglio e avere un senso del movimento della flex spline. Ad essere onesti è piuttosto divertente vedere come funziona questa cosa.

Tuttavia, notiamo che la scanalatura flessibile a volte trema o il movimento non è così fluido. Ci sono molte ragioni per questo. In questa configurazione, il problema è che ho realizzato manualmente il supporto motore in acrilico, quindi il motore non è montato perfettamente al centro. Quando si utilizza il supporto motore originale stampato in 3D, il movimento è molto più fluido.

Possiamo anche notare che la nostra unità Harmonic è lontana dall’avere zero gioco. Ciò è dovuto, come ho detto prima, ai limiti di questi tipi di stampanti 3D e alla qualità con cui possono stampare. Non si tratta solo di quanto è buono il profilo del dente può essere stampato, ma anche di quanto siano accurate le dimensioni complessive. Ad esempio, qui ho usato un nastro isolante all’interno della scanalatura di lino, che è solo 0,18 mm di tacca, e con esso ho ottenuto risultati migliori.

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Quindi, immagino, si tratta di testare e modificare le stampe per ottenere risultati migliori. Ho anche provato a stampare gli ingranaggi con un modulo di 1,75, ma non ho ottenuto buoni risultati.

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In realtà, quando si utilizzava il coperchio originale stampato in 3D, il movimento era più fluido ma non abbastanza buono.

Stampato in 3D Strain Wave Gear – Harmonic Drive

Ho anche provato a sollevare dei pesi. A una distanza di 25 cm è stato in grado di sollevare 1,25 kg. Questa è una coppia di circa 3 Nm, che è almeno 10 volte maggiore di quella nominale di questo motore passo-passo NEMA 17.

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