<메인 클래스="사이트 메인" id="메인">
이 튜토리얼에서는 하모닉 드라이브라고도 알려진 스트레인 웨이브 기어가 무엇인지 배울 것입니다. 먼저 작동 원리를 설명한 다음 실제 모델을 보고 작동 방식을 더 잘 이해할 수 있도록 자체 모델을 설계하고 3D 인쇄합니다.
다음 비디오를 보거나 아래에 작성된 튜토리얼을 읽을 수 있습니다.
스트레인 웨이브 기어는 작고 가벼운 패키지에서 매우 높은 감속비를 허용하는 독특한 유형의 기계식 기어링 시스템입니다. 헬리컬 기어나 유성 기어와 같은 기존의 기어링 시스템에 비해 동일한 공간에서 최대 30배의 훨씬 더 높은 감속비를 달성할 수 있습니다. 그 외에도 제로 백래시 특성, 높은 토크, 정확도 및 신뢰성을 가지고 있습니다. 따라서 이 기어링 시스템은 로봇 공학, 항공 우주, 의료 기계, 밀링 기계, 제조 장비 등을 포함한 많은 응용 분야에서 사용됩니다.
스트레인 웨이브 기어는 1957년 C. Walton Musser에 의해 발명되었으며 일반적으로 사용되는 다른 이름인 "Harmonic Drive"는 실제로 Harmonic Drive 회사가 등록한 스트레인 웨이브 기어의 브랜드 이름입니다.
자, 이제 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다. 하모닉 드라이브에는 파동 발생기, 플렉스 스플라인 및 원형 스플라인의 세 가지 주요 구성 요소가 있습니다.
파도 발생기는 타원형 모양을 가지며 타원형 허브와 허브의 타원형 모양을 따르는 특수한 얇은 벽 베어링으로 구성됩니다. 기어세트의 입력으로 모터축과 연결되어 있습니다.
웨이브 생성기가 회전하면서 웨이브 모션을 생성합니다.
플렉스 스플라인은 원통형 컵 형태로 유연하지만 비틀림이 강한 합금강 소재로 만들어졌습니다. 컵의 측면은 매우 얇지만 바닥은 두껍고 단단합니다.
이렇게 하면 컵의 열린 끝은 유연하지만 닫힌 끝은 매우 단단하므로 이를 출력으로 사용하고 출력 플랜지를 컵에 연결할 수 있습니다. 플렉스 스플라인은 컵의 열린 끝에 외부 톱니가 있습니다.
반면, 원형 스플라인은 내부에 톱니가 있는 단단한 링입니다. 원형 스플라인에는 실제로 스트레인 웨이브 기어 시스템의 핵심 설계인 플렉스 스플라인보다 2개의 톱니가 더 있습니다.
따라서 Flex 스플라인에 Wave Generator를 삽입하면 Flex Spline이 Wave Generator의 모양을 띠게 됩니다.
웨이브 생성기가 회전하면 플렉스 스플라인의 열린 끝이 방사형으로 변형됩니다. 그런 다음 웨이브 생성기와 플렉스 스플라인이 원형 스플라인 내부에 배치되어 톱니가 맞물립니다.
플렉스 스플라인의 타원형 모양 때문에 톱니는 플렉스 스플라인의 반대쪽에 있는 두 영역에서만 맞물리며 웨이브 생성기 타원의 장축을 가로지릅니다.
이제 웨이브 생성기가 회전함에 따라 원형 스플라인의 톱니와 맞물리는 Flex 스플라인 톱니의 위치가 천천히 변경됩니다. 플렉스 스플라인과 원형 스플라인 사이의 톱니 수 차이로 인해 웨이브 생성기가 180도 회전할 때마다 톱니 맞물림으로 인해 플렉스 스플라인이 웨이브 생성기에 비해 약간 뒤로 회전합니다. 즉, 파동 발생기가 180도 회전할 때마다 원형 스플라인과 맞물리는 플렉스 스플라인 톱니가 한 톱니만 전진합니다.
따라서 웨이브 생성기가 360도 완전히 회전하는 경우 플렉스 스플라인은 위치를 변경하거나 두 개의 톱니만큼 전진합니다.
예를 들어, 플렉스 스플라인에 200개의 톱니가 있는 경우 웨이브 생성기는 플렉스 스플라인이 200개의 톱니를 전진시키기 위해 100회 회전해야 합니다. 그렇지 않으면 플렉스 스플라인의 단일 회전일 뿐입니다. 100:1의 비율입니다. 이 경우 원형 스플라인의 톱니 수는 항상 플렉스 스플라인 톱니보다 2배 크므로 원형 스플라인에는 202개의 톱니가 있습니다.
다음 공식으로 감속비를 쉽게 계산할 수 있습니다. 비율은 플렉스 스플라인 톱니 - 원형 스플라인 톱니를 플렉스 스플라인 톱니로 나눈 값과 같습니다.
따라서 플렉스 스플라인의 이빨이 200개이고 원형 스플라인의 이빨이 202개인 경우 감소율은 -0.01입니다. 그것은 파동 발생기의 1/100 속도이고 마이너스 한숨은 출력이 반대 방향임을 나타냅니다.
수 또는 치아를 변경하여 다른 축소 비율을 얻을 수 있습니다.
동일한 크기의 톱니를 가지고 있는 동안 메커니즘 직경을 변경하거나 기어 세트의 크기와 무게를 유지하면서 톱니 크기를 변경하여 이를 달성할 수 있습니다.
자, 이제 스트레인 웨이브 기어의 원리를 알았으니 3D 프린터를 사용하여 제작할 수 있도록 어떻게 설계했는지 보여드리겠습니다.
Fusion 360을 사용하여 이 스트레인 웨이브 기어 모델을 설계했습니다. 이 모든 부품을 3D로 인쇄할 수 있으므로 조립을 완료하려면 볼트와 너트, 베어링만 있으면 됩니다. 입력에 관해서는 NEMA 17 스테퍼 모터를 사용하기로 결정했습니다.
스트레인 웨이브 기어의 3가지 핵심 요소인 써큘러 스플라인, 플렉스 스플라인, 웨이브 제너레이터를 디자인한 방법은 다음과 같습니다. 3D 프린터는 얼마나 좋고 정확하며 정밀하게 인쇄할 수 있는지에 한계가 있기 때문에 가장 먼저 결정해야 하는 것은 기어의 모듈이나 이빨의 크거나 작은 것이었습니다. 원형 스플라인에 대해 1.25 및 72개의 톱니 모듈을 선택했습니다.
물론 플렉스 스플라인에는 2개의 이빨이 있어야 합니다. 그렇지 않으면 70개입니다. 상대적으로 작은 크기의 기어 세트를 사용하면 35:1 비율이 됩니다.
파도 발생기의 경우 앞에서 언급한 특수한 유형의 얇은 벽 베어링을 찾기가 쉽지 않기 때문에 실제로 사용할 수 없습니다. 대신, 우리는 타원 둘레에 배열된 일반 볼 베어링을 사용할 것입니다. 타원의 치수는 플렉스 스플라인의 내벽 치수에 따라 만들어야 합니다.
타원의 장축 반경을 플렉스 스플라인의 내벽 반경보다 1.25mm 크게 만들었습니다. 반면 타원의 단축 반경은 1.25mm 작습니다.
웨이브 제너레이터는 10개의 베어링을 쉽게 부착할 수 있는 2개의 섹션으로 구성됩니다. 이 섹션 중 하나에는 NEMA 17 스테퍼 모터를 고정하는 데 적합한 샤프트 커플러도 있습니다.
나머지 부품은 이 3가지 핵심 구성 요소를 중심으로 설계되었습니다. 하우징의 출력면에 외경이 47mm인 두 개의 베어링을 삽입하고 일부 볼트와 너트를 사용하여 고정합니다.
출력 플랜지는 볼트와 너트로 연결된 두 부분으로 구성되어 두 베어링에 쉽게 고정할 수 있습니다.
아래는 3D 프린팅에 필요한 STL 파일입니다.
이 3D 모델을 다운로드하고 Thangs의 브라우저에서 탐색할 수 있습니다.
Thangs에서 3D 모델을 다운로드하세요.
3D 프린팅에 필요한 STL 파일:
참조:초보자와 제작자를 위한 최고의 3D 프린터[2021 업데이트]
자, 이제 부품을 3D 프린팅할 시간입니다. 기어를 3D 프린팅할 때 슬라이싱 소프트웨어에서 수평 확장 기능을 사용하는 것이 중요합니다.
나는 광산을 -0.15mm로 설정했고 인쇄물에서 비교적 괜찮은 정확도를 얻었습니다. 이것은 프린터마다 다를 수 있습니다. 이 기능을 사용하지 않으면 출력 시 필라멘트의 팽창으로 인해 출력물이 약간 커지며 부품이나 기어가 제대로 맞물리지 않을 수 있습니다.
저는 Creality CR-10 3D 프린터를 사용하여 모든 부품을 인쇄했는데 가격대를 생각하면 잘 한 것 같아요.
여기 모든 3D 인쇄 부품이 있습니다.
Harmonic 드라이브의 조립을 완료하는 데 필요한 볼트, 너트 및 베어링만 있으면 됩니다.
모든 구성 요소의 전체 목록은 다음과 같습니다.
두 개의 출력 베어링을 하우징에 삽입하여 조립을 시작했습니다. 베어링의 외경은 47mm, 내경은 35mm입니다. 말씀드린 것처럼 부품을 자를 때 -0.15mm Horizontal Expansion 보상을 사용했기 때문에 베어링이 하우징에 아주 단단히 끼워졌습니다.
두 베어링 사이에 1.5mm 3D 인쇄 거리 링을 배치했습니다. 베어링을 하우징에 고정하려면 길이가 25mm인 6개의 M4 접시머리 볼트가 필요합니다. 또한 베어링의 외부 링에 충분히 닿아 베어링이 하우징에 고정되도록 하는 M4 와셔도 사용할 것입니다.
다음은 플렉스 스플라인입니다. 컵의 벽은 1.2mm 눈금에 불과하여 PLA로 인쇄되어 있지만 열린 쪽 끝이 여전히 유연합니다.
Flex 스플라인의 닫힌 끝에서 6개의 M4 볼트를 사용하여 출력 플랜지를 부착할 수 있습니다. 일단 고정되면 플렉스 스플라인은 이제 이전보다 약간 덜 유연하지만 닫기 끝은 이제 상당히 단단해집니다.
다음으로 베어링을 통해 플렉스 스플라인을 삽입해야 합니다. 출력 플랜지는 첫 번째 베어링의 절반을 통과합니다. 다른 쪽에서는 두 베어링 사이에 정확히 맞는 출력 플랜지의 다른 부분을 삽입합니다.
계속해서 출력 샤프트의 슬롯에 4개의 M4 너트를 배치했습니다. 이 너트는 기어 세트의 출력에 물건을 부착하거나 연결하는 역할을 합니다.
출력축을 완성하기 위해 그 위에 너트를 덮을 또 다른 부품을 배치하고 40mm 길이의 4개의 M4 볼트를 사용하여 마침내 두 개의 출력 부품을 함께 고정할 수 있습니다. 이제 하우징에 고정된 상태에서 플렉스 스플라인과 출력 샤프트를 자유롭게 사용할 수 있습니다.
자, 다음으로 기어 세트 덮개 및 모터 마운트와 함께 하우징에 고정될 원형 스플라인이 있습니다. 하지만 그 전에 파동 발생기를 조립해야 합니다. 여기에 먼저 두 개의 M3 너트를 삽입해야 합니다. 이 너트는 2개의 그립 나사를 사용하여 파동 발생기를 모터 샤프트에 고정하는 역할을 합니다.
다음으로 10개의 베어링을 제자리에 삽입할 수 있습니다. 여기서 우리는 샤프트 바닥의 작은 모서리와 함께 베어링이 벽에서 얼마나 떨어져 있는지 알 수 있습니다. 파도 발생기의 다른 부분에도 이러한 모서리가 있어 베어링이 벽에 닿지 않습니다. 16mm 길이의 M3 볼트와 일부 너트를 사용하여 베어링과 실제로 전체 파도 발생기를 고정할 것입니다.
다음으로 파동 발생기를 모터에 고정해야 하지만 그 전에 모터를 모터 마운트와 기어 세트의 덮개에 부착해야 합니다. 웨이브 제너레이터는 모터 덮개에서 2mm 떨어져 있어야 하므로 웨이브 제너레이터를 제자리에 삽입할 때 2개의 와셔를 가이드로 사용했습니다. 그런 다음 베어링 사이에 닿을 수 있는 위치에 있는 손잡이 나사를 조이면 됩니다.
마지막으로 웨이브 생성기를 플렉스 스플라인에 삽입하고 모든 것을 함께 연결할 수 있습니다. 먼저 원형 스플라인과 타원 형태로 맞물리도록 플렉스 스플라인을 조정한 다음 같은 방향으로 웨이브 제너레이터를 삽입해야 합니다.
솔직히 말해서 우리는 모터 마운트 때문에 플렉스 스플라인을 제어할 수 없기 때문에 이것을 맞추기가 약간 어려울 수 있습니다. 조금 다르게 디자인할 수도 있었지만 그래도 시연용으로는 충분하다고 생각합니다.
이제 이 하우징 소켓에 M4 너트를 삽입하고 원형 스플라인과 파동 발생기를 하우징에 고정하는 일만 남았습니다.
이제 스트레인 웨이브 기어 또는 하모닉 드라이브가 완료되었습니다. 그러나 작업을 마치면서 이와 같이 기어 세트를 완성하는 것은 느리게 회전하는 출력 샤프트 외에는 아무것도 보이지 않기 때문에 지루하다는 생각이 들었습니다. 그곳에서 3D 인쇄된 기어 세트 뚜껑을 아크릴로 교체하여 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 볼 수 있도록 하기로 했습니다.
저는 4mm 눈금 아크릴판을 가지고 있어서 뚜껑의 모양을 표시하고 톱으로 대충 모양을 잘라냈습니다.
그런 다음 줄을 사용하여 아크릴의 모양을 미세 조정했습니다. 나는 3mm 드릴 비트로 구멍을 만들고 25mm Forstner 비트로 모터용 큰 구멍을 만들었습니다. 모양은 마지막에 꽤 괜찮게 나왔습니다.
앞서 보여드린 것처럼 모터와 웨이브 제너레이터를 다시 조립했습니다. 뚜껑이 이전에 있었던 것처럼 적절한 거리를 확보하기 위해 아크릴과 하우징 사이에 너트를 추가했음을 알 수 있습니다.
이제 이 장비 세트가 훨씬 더 멋지게 보입니다.
스테퍼 모터를 Arduino에 연결하여 모터 속도와 방향을 제어하여 시스템이 어떻게 작동하는지 더 잘 조사하고 볼 수 있습니다.
여기 있습니다. 이제 하모닉 드라이브가 실생활에서 어떻게 작동하는지 볼 수 있습니다. 이 경우 출력축은 입력축보다 35배 느립니다.
여기에서 플렉스 스플라인의 한 치아를 빨간색으로 표시하여 더 잘 추적하고 플렉스 스플라인의 움직임을 감지할 수 있습니다. 솔직히 말해서 이게 어떻게 작동하는지 보는 것은 꽤 재미있습니다.
그러나 플렉스 스플라인이 때때로 흔들리거나 모션이 부드럽지 않다는 것을 알 수 있습니다. 여기에는 몇 가지 이유가 있습니다. 이 구성에서 문제는 아크릴 모터 마운트를 손으로 직접 만들어서 모터가 중앙에 완벽하게 장착되지 않는다는 점입니다. 오리지널 3D 프린팅 모터 마운트를 사용하면 움직임이 훨씬 부드러워집니다.
또한 Harmonic 드라이브가 제로 백래시와는 거리가 멀다는 것을 알 수 있습니다. 그것은 앞서 말했듯이 이러한 유형의 3D 프린터의 한계와 인쇄 품질 때문입니다. 치아의 프로파일을 얼마나 잘 인쇄할 수 있는지 뿐만 아니라 전체 치수가 얼마나 정확한지에 관한 것입니다. 예를 들어 여기에서는 0.18mm 눈금에 불과한 아마 스플라인 내부에 절연 테이프를 사용했는데 더 나은 결과를 얻었습니다.
따라서 더 나은 결과를 얻기 위해 인쇄물을 테스트하고 조정하는 것이 전부라고 생각합니다. 저도 1.75 모듈로 기어를 출력해 보았지만 좋은 결과를 얻지 못했습니다.
사실 3D 프린팅으로 만든 오리지널 뚜껑을 사용하면 움직임이 더 부드러워지긴 했지만 그래도 충분히 좋지는 않았습니다.
무게를 좀 들어보기도 했습니다. 25cm 거리에서 1.25kg을 들어 올릴 수 있었습니다. 이는 약 3Nm의 토크로, 이 NEMA 17 스테퍼 모터의 정격보다 10배 이상 큽니다.
이것이 이 비디오의 거의 모든 것입니다. 나는 이 기어링 시스템이 로봇 응용 분야에 매우 편리한 중공 축을 갖도록 쉽게 설계할 수 있다고 덧붙이고 싶습니다. 그래서 앞으로 로봇 프로젝트를 만들 때 Harmonic Drives를 사용할 수도 있습니다.
이 비디오를 보시고 새로운 것을 배웠기를 바랍니다. 구독하는 것을 잊지 말고 더 많은 튜토리얼과 프로젝트를 보려면 HowToMechatronics.com을 방문하십시오.
산업기술
고성능 수소 밸브:선택할 때 고려해야 할 사항 Chuck Hayes, Swagelok 청정 에너지 수석 애플리케이션 엔지니어 수소 연료는 이동성 솔루션으로 빠르게 성장하고 있습니다. 안전하고 비용 효율적이며 실용적이고 지속 가능한 것으로 입증되었습니다. 요컨대:이상적인 길입니다. 교통의 미래. 수소는 운송의 미래를 위한 이상적인 수단입니다. 이러한 잠재력을 실현하려면 수년 또는 수십 년 동안 지속되어야 하는 누출 방지 성능을 제공하기 위해 수소 차량 및 연료 보급 인프라를 고품질 재료로 설계 및 구축해야 합니다. 그
로봇은 항공우주 산업에서 어떻게 사용됩니까? 항공우주 분야에서 로봇 공학을 사용하기 시작하는 가장 좋은 방법은 무엇인가요? 항공우주 산업은 최근 몇 가지 변화를 겪었습니다. 많은 항공우주 제조업체와 마찬가지로 여러분도 운영을 개선하고 어려움에도 불구하고 계속 번창할 수 있는 방법을 찾고 있을 것입니다. 오늘날 특히 항공우주 제조업체를 대상으로 하는 흥미롭고 혁신적인 로봇 솔루션이 많이 있습니다. 현대 로봇으로 무엇이 가능하며 귀하의 비즈니스에 적합합니까? 항공 우주 공학에서 로봇 공학은 얼마나 흔한가요? 항공 우주 산
