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이 기사에서는 이전 동영상에서 19:1 축소 비율로 만든 사이클로이드 드라이브의 새로운 업데이트 버전을 살펴보고 CNC 가공 부품과 3D 프린팅 부품으로 만든 성능이 어떻게 다른지 살펴보겠습니다.
이 사이클로이드 드라이버를 어떻게 설계하고 조립했는지 설명하고 NEMA17 및 NEMA23 스테퍼 모터를 사용하여 구동하여 정확성과 부하 용량을 테스트하는 방법을 설명하겠습니다.
다음 비디오를 보거나 아래에 작성된 튜토리얼을 읽어보실 수 있습니다.
이전 영상에서 사이클로이드 구동이 무엇인지, 어떻게 작동하는지 자세히 설명했으므로, 사이클로이드 구동에 대해 잘 모르시는 분들을 위해 해당 영상을 시청해 보시길 권해 드립니다. 정말 빠른 사이클로이드 드라이버는 작지만 견고한 디자인으로 매우 높은 감속비를 제공하는 독특한 유형의 기어박스 또는 감속기입니다.
사이클로이드 드라이브는 고속 입력 샤프트, 편심 베어링, 두 개의 사이클로이드 디스크, 핀과 롤러가 있는 링 기어, 핀과 롤러가 있는 저속 출력 샤프트의 다섯 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.
입력 샤프트는 편심 베어링을 구동하고 편심 베어링은 링 기어 하우징의 내부 원주 주위에 두 개의 디스크를 구동합니다. 편심 운동으로 인해 사이클로이드 디스크 톱니 또는 로브가 링 기어 하우징의 롤러와 맞물려 감소된 속도로 역회전을 생성합니다. 감속비는 링기어의 핀 수에 따라 달라집니다.
다시 한 번 말씀드리지만, 제 이전 영상에서 더 자세한 설명을 보실 수 있을 뿐만 아니라 해당 영상을 위해 제가 만든 3D 프린팅 프로토타입도 보실 수 있습니다. 직경 115mm에 축소율이 15:1이었습니다.
지금. 이번 빌드에서는 감속비를 높이면서 동시에 사이클로이드 드라이버를 더 컴팩트하게 만들고 싶었습니다. 이를 위해 볼 베어링을 롤러로 사용하는 대신 훨씬 작은 직경의 부싱을 사용하겠습니다.
롤러 직경은 핀 수와 함께 기어박스의 크기를 정의하기 때문에 실제로 가장 중요한 치수입니다. 이 사이클로이드 드라이브를 설계하는 데 사용한 프로세스를 설명하여 왜 그런지 살펴보겠습니다.
그래서 먼저 롤러의 직경을 8mm로 정의했는데, 이는 쉽게 주문할 수 있는 부싱의 치수였기 때문입니다. 그런 다음 19:1의 감속비를 원했는데, 이는 링 하우징에 20개의 롤러가 필요하다는 것을 의미합니다. 그래서 원을 중심으로 직경 8mm의 롤러 20개로 밑그림을 그립니다.
이제 이 두 가지 입력에 따라 링 기어 피치 직경의 최소 크기를 결정할 수 있었습니다. 이 값은 롤러 직경의 절반보다 작아야 하는 편심 값과 함께 사이클로이드 디스크의 모양을 생성하는 데 사용되는 네 가지 주요 입력 매개변수를 구성합니다.
사이클로이드 디스크 프로파일은 미끄러지지 않고 직선을 따라 구를 때 점이 추적하는 곡선인 사이클로이드 또는 실제로 그 변형인 에피트로코이드(원의 원주를 구르는 점이 추적하며 외부 원의 중심에서 멀리 떨어져 있는 곡선)에서 유래합니다.
이러한 곡선을 그리기 위해 Omar Younis가 SOLIDWORKS 교육 블로그에 작성한 문서에서 찾을 수 있는 다음 파라메트릭 방정식을 사용할 수 있습니다.
이제 SOLIDWORKS와 방정식 기반 곡선 도구를 사용하여 사이클로이드 디스크를 만들기 위해 이러한 파라메트릭 방정식을 사용하는 방법을 보여 드리겠습니다.
방정식은 다음과 같습니다:
Equations by Omar Younis
N - Number of rollers
Rr - Radius of the roller
R - Radius of the rollers PCD - Pitch Circle Diameter
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:
i = 19:1
N - 20
Rr = 8/2 = 4
R= 66/2 = 33
E = 1
x = (33*cos(t))-(4*cos(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))-(1*cos(20*t))
y = (-33*sin(t))+(4*sin(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))+(1*sin(20*t))Code language: JavaScript (javascript)두 개의 매개변수 방정식을 제자리에 삽입하여 사이클로이드 디스크 모양을 쉽게 생성할 수 있습니다. 물론 방정식의 매개변수를 적절하게 사용해야 합니다. "t" 매개변수는 0에서 2*Pi 사이의 값을 사용해야 합니다.
그러나 곡선을 생성하려면 2*Pi보다 약간 작은 값을 사용해야 한다는 점에 유의해야 합니다. 이렇게 하면 스플라인으로 쉽게 연결할 수 있는 약간의 간격이 있는 곡선이 생성됩니다.
그런 다음 간단히 프로파일을 돌출시키고 편심 베어링과 출력 핀용 구멍을 만들 수 있습니다. 이러한 출력 구멍의 직경은 핀 롤러 직경 + 편심률의 2배와 같습니다. 이 경우 직경은 8 + 2*1 =10mm입니다.
그럼에도 불구하고, 이제 이 사이클로이드 드라이브를 제작하고 CNC 가공 부품과 3D 프린팅 부품을 사용하여 실제 생활에서 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.
이 사이클로이드 드라이브의 3D 모델을 STEP 파일로 찾아 다운로드할 수 있을 뿐만 아니라 Thangs의 브라우저에서 탐색할 수도 있습니다.
Thangs에서 3D 모델 .STEP 파일을 다운로드하세요.
부품 3D 프린팅에 사용되는 STL 파일은 여기에서 다운로드할 수 있습니다:
여기에서 SOLIDWORKS 파일을 다운로드할 수도 있습니다:
그림:
CNC 가공 부품을 주문할 때 이 그림을 사용했습니다.
PCBWay에서 CNC 가공 부품을 주문했습니다. PCB 제조 서비스와 함께 CNC 가공, 3D 프린팅, 판금 제조 및 사출 성형 서비스도 제공합니다.
부품 주문은 매우 쉽습니다. 3D 모델을 업로드하고 부품의 재료를 선택하기만 하면 됩니다. 그들은 거의 모든 자료를 사용할 수 있습니다. 사이클로이드 디스크를 제외하고는 대부분의 부품에 알루미늄을 선택했는데 더 강한 재질로 만들고 싶어서 스테인레스 스틸을 선택했습니다.
또한 양극산화처리, 브러시 처리, 스프레이 페인팅 등과 같은 다양한 표면 마감을 선택할 수 있을 뿐만 아니라 표면 거칠기와 공차도 선택할 수 있습니다. 표준 부품보다 더 엄격한 공차가 필요한 부품의 경우 필요한 특정 공차가 포함된 도면도 포함했습니다.
여러 부품을 추가하고 단일 주문으로 각 부품에 대한 견적을 요청할 수 있습니다.
부품은 예상 시간 내에 도착했고 잘 포장되었으며 각 품목은 별도로 보호되었습니다.
당신이 디자인한 것을 금속으로 제작한다는 것은 꽤 만족스러운 일이라고 말하고 싶습니다. 부품이 멋져 보이고 모든 것이 디자인과 똑같습니다. PCBWay 웹사이트를 방문하여 해당 서비스에 대해 자세히 알아보세요.
그럼에도 불구하고 3D 프린팅 버전의 경우 PLA 소재를 사용해 부품을 직접 제작했습니다. 부품을 3D 프린팅할 때 슬라이싱 소프트웨어의 구멍 수평 확장 기능을 사용하는 것이 중요합니다.
일반적으로 3D 프린팅된 부품의 구멍은 원래 크기보다 작으므로 이 기능을 사용하면 이를 보완하고 보다 정확한 치수를 얻을 수 있습니다. 저는 0.07로 설정했고, 부품의 외부 치수를 0.02mm로 보상하는 수평 확장 기능을 설정했습니다. 물론, 3D 프린터에서 어떤 값이 가장 정확한 결과를 제공하는지 확인하려면 몇 가지 테스트 프린트를 수행해야 합니다.
좋습니다. 이제 사이클로이드 드라이브 조립을 시작해 보겠습니다. 여기에 모든 부품이 있습니다. 먼저 CNC 가공 버전을 조립한 다음 3D 프린팅 버전을 조립하겠습니다.
이 사이클로이드 드라이브를 조립하는 데 필요한 모든 구성 요소 목록은 다음과 같습니다.
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NEMA17 스테퍼 모터에 샤프트 커플러를 고정하는 것부터 시작했습니다. 샤프트 커플러는 모터 전면 플레이트에서 2mm 거리에 있어야 하며, 그러브 나사 2개를 사용하여 쉽게 고정할 수 있습니다. 그런 다음 M3 볼트 4개를 사용하여 베이스 플레이트를 스테퍼에 고정할 수 있습니다.
다음은 이 어셈블리에서 가장 큰 부분인 링 기어 롤러 하우징입니다. 여기에서는 롤러를 설치해야 합니다. 이 경우에는 직경이 8mm이고 길이가 20mm인 부싱입니다. 그런데 주문 당시에는 그 치수를 찾을 수 없어서 여기서는 길이 10mm의 부싱 2개를 사용하고 있습니다.
이러한 부싱이 설치되는 핀은 직경 6mm, 길이 30mm이다. 하우징 바닥에 있는 구멍은 핀이 제자리에 단단히 고정될 수 있도록 크기가 조정되어 있습니다. 따라서 여기서 설치하려면 약간의 힘을 사용해야 합니다. 여기 20개의 롤러가 있는데, 이는 19:1의 감속비를 제공합니다.
링 기어 하우징은 베이스 플레이트 상단에 위치하며 먼저 출력 롤러를 제자리에 고정할 거리 링을 삽입해야 합니다.
다음으로 NEMA17 샤프트 커플러에 연결되는 편심 샤프트를 설치할 수 있습니다. 실제로 설치하기 전에 내경 17mm, 외경 26mm의 베어링 2개를 삽입해야 합니다.
보시다시피 모든 것이 완벽하게 맞습니다. 베어링이 제자리에 단단히 고정되도록 베어링이 억지 끼워맞춤이 되는 공차를 설정했습니다. 그래서 여기에 삽입하려면 힘을 좀 써야 했어요.
이 어셈블리는 편심 베어링을 나타냅니다. 그런 다음 편심 베어링에 두 개의 사이클로이드 디스크를 설치할 수 있습니다. 이것도 억지 끼워맞춤이므로 설치하려면 약간의 힘을 가해야 합니다. 제가 실수로 사이클로이드 디스크에 파우더 코팅을 하도록 주문했기 때문에 이 핏은 더욱 빡빡했습니다. 그래서 재료가 조금 더 많고 공차가 정확하지 않았습니다.
그럼에도 불구하고 베어링과 디스크 사이의 맞춤이 느슨해지는 경우를 대비하여 두 사이클로이드 디스크 사이에 거리 링을 설치할 수도 있습니다.
그런 다음 이 어셈블리 전체를 하우징에 삽입하거나 한 번에 하나의 디스크에 삽입할 수 있습니다. 사이클로이드 디스크와 링 기어 롤러 사이의 이러한 맞춤은 드라이브의 성능을 결정하므로 매우 중요합니다. 드라이브의 백래시를 최소화하기 위해 최대한 꽉 끼워 맞추려고 하다가 디스크가 맞지 않아 문제가 발생했습니다.
문제는 파라메트릭 방정식에서 얻은 사이클로이드 디스크 프로파일에 대한 클리어런스나 오프셋을 만들지 않았고, 이에 더해 디스크의 크기를 늘리는 파우더 코팅을 주문했기 때문에 발생했습니다. 게다가 제가 가지고 있던 부싱도 상태가 좋지 않고 직경이 8mm보다 조금 더 컸습니다.
그래서 이 문제를 해결하기 위해 새로운 사이클로이드 디스크를 주문해야 했지만 회전 도구를 사용하여 디스크 프로파일에서 일부 재료를 제거하기로 결정했습니다. 약간의 샌딩 후에 실제로 디스크에 들어갈 수 있게 되었습니다.
물론 이것이 최선의 해결책은 아니지만 이것이 어떻게 수행될지는 지켜보겠습니다.
그럼에도 불구하고 두 개의 디스크를 하우징에 삽입할 때 위상이 180도 다르게 배치되어야 합니다.
디스크를 올바르게 배치하는 데 사용할 수 있는 구멍이 디스크에 있습니다. 디스크 하나를 뒤집어 구멍 두 개를 내려야 합니다. 일단 삽입되면 모터의 전원을 켜고 사이클로이드 디스크가 편심 베어링 및 링 기어 롤러와 함께 어떻게 작동하는지 확인할 수 있습니다.
사이클로이드 디스크는 입력 샤프트 반대쪽의 편심 운동으로 회전하며 속도는 19배 더 느립니다.
이제 이 편심 운동은 사이클로이드 디스크의 6개 구멍을 통해 출력 샤프트로 전달됩니다. 여기에 출력 샤프트가 있습니다. 부싱이 들어갈 핀 6개를 고정해야 합니다. 핀의 직경은 6mm이고 길이는 22mm입니다. 출력 샤프트의 구멍은 설치 시 제자리에 단단히 고정되도록 억지 끼워맞춤 크기로 되어 있으므로 설치하려면 약간의 힘을 사용해야 합니다.
핀을 고정한 후 8mm 부싱을 삽입할 수 있습니다. 여기에는 15mm 길이의 부싱이 필요하지만 이 프로젝트를 만들 당시 해당 치수를 찾을 수 없어 10mm 부싱을 사용하고 보상을 위해 와셔를 삽입했습니다.
저는 실제로 영상에 나온 것처럼 와셔 2개가 아닌 1개만 사용했습니다. 그러나 이 프로젝트에 필요한 모든 구성 요소에 포함된 링크는 올바른 치수를 가지고 있습니다.
출력 샤프트를 제자리에 삽입하기 전에 입력 샤프트와 출력 샤프트를 모두 지지할 디스턴스 링과 베어링을 삽입해야 합니다. 그런 다음 출력 샤프트를 사이클로이드 디스크 구멍에 삽입하기만 하면 됩니다.
출력 샤프트에는 디스턴스 링을 하나 더 삽입하고 내경이 35mm인 베어링을 삽입해야 합니다.
모든 것 위에 하우징 뚜껑을 삽입하고 45mm 길이의 M6 볼트 6개로 고정하여 마침내 조립을 마무리할 수 있습니다. 이제 사이클로이드 드라이브가 완전히 조립되었습니다. 결과가 정말 마음에 듭니다.
이제 3D 프린팅 버전의 경우에도 똑같은 절차를 따라 조립할 수 있습니다.
여기서 한 가지 추가 단계는 나사형 인서트를 출력 샤프트에 설치하여 출력 샤프트에 부착할 수 있도록 해야 한다는 것입니다.
좋습니다. 이제 두 개의 사이클로이드 드라이버가 준비되었으므로 몇 가지 테스트를 거쳐 성능이 어떤지 확인할 차례입니다. 테스트를 보기 전에 간단히 말씀드릴 점은 CNC 가공 버전의 무게가 3D 프린팅 버전보다 상당히 높다는 것입니다.
이 사이클로이드 드라이브가 얼마나 많은 토크를 출력할 수 있는지 테스트하는 것부터 시작하겠습니다. 여기에서는 두 개의 드라이브를 나란히 놓고 10cm 거리에서 생성할 수 있는 힘을 측정하고 있습니다.
둘 다 10cm 거리에서 약 45N의 힘을 출력했는데, 이는 토크로 환산하면 약 450Ncm의 토크입니다. 하지만 CNC 가공된 제품은 조금 더 높고 일관된 결과를 제공했습니다.
반면에 NEMA17 스테퍼 모터의 정격은 28Ncm이며 이는 토크가 약 16배 증가했음을 의미합니다. 감속비가 19:1인 것을 고려하면 약 85%의 효율이며, 이상적인 조건에서는 토크가 19배 증가해야 합니다.
그럼에도 불구하고 NEMA23 스테퍼 모터를 부착하면 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다. 저는 NEMA17 및 NEMA23 모터 모두와 함께 사용할 수 있도록 사이클로이드 드라이브를 설계했습니다. 그러나 디자인을 최대한 컴팩트하게 유지하기 위해 NEMA17에서 NEMA23으로 교체하려면 약간의 작업이 필요합니다.
일부 부품을 분해하고 NEMA23 구멍에 맞게 베이스 플레이트를 변경해야 합니다. NEMA23에는 더 큰 샤프트가 있으므로 다른 샤프트 커플러도 사용해야 합니다. 따라서 기본적으로 이 두 부분을 변경하고 모든 것을 다시 통합하면 됩니다.
3D 프린팅 버전에서도 스테퍼 모터를 NEMA23으로 변경했습니다. 여기서 드라이버를 분해해보니 사이클로이드 디스크가 이미 어느 정도 마모되기 시작한 것을 발견했습니다.
디스크의 한쪽 면에 마모가 더 많이 존재한다는 것을 알 수 있는데, 3D 프린팅했을 때 그것이 부품의 아래쪽인 것 같습니다. 이는 3D 프린팅 시 처음 두 개의 레이어가 더 많은 필라멘트를 압출하는 경향이 있기 때문입니다.
그럼에도 불구하고 여기에는 드라이버에게 최대한 스트레스를 주기 위해 내가 가지고 있는 가장 큰 NEMA23 스테퍼 모터를 갖춘 사이클로이드 드라이버가 있습니다.
처음에는 이미 사용한 것과 동일한 10cm 스틱으로 테스트를 시작했지만 곧 더 긴 스틱이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 스테퍼 모터 전력의 약 25%에서 이미 10cm에서 130N에 도달했고 포스 미터는 최대 200N을 측정할 수 있습니다. 그래서 200N 이하로 유지하기 위해 힘을 측정하는 거리를 늘려야 했습니다.
좀 더 긴 소나무 막대기를 붙여서 50cm 거리에서 힘을 측정해 보았습니다. 글쎄, 소나무 막대기는 약 50N의 힘으로 부러졌습니다. 실제로는 매우 약한 재료이기 때문입니다. 그래서 좀 더 튼튼한 합판 막대로 교체했더니 50cm 거리에서 힘을 측정할 수 있었습니다.
약 60N의 판독값을 얻었는데, 이는 토크로 변환하면 약 3000Ncm 또는 30Nm의 토크입니다. 꽤 인상적이네요. 합판이 하중을 받을 때 얼마나 휘어지는지 살펴보세요.
20cm 거리에서 힘을 측정했을 때 약 170N의 판독값을 얻었으며 이는 약 34Nm의 토크입니다. 반면에 이 NEMA23 스테퍼 모터의 정격은 2.1Nm이므로 NEMA17 테스트와 마찬가지로 토크가 약 16배 증가했습니다. 다시 말하지만 효율성은 약 85%입니다.
그러나 NEMA23 스테퍼를 사용하여 3D 프린팅 버전을 테스트할 때 20cm 거리에서 약 65Nm의 판독값을 얻었습니다.
이는 약 13Nm의 토크로, 실제로 CNC 가공 버전에서 얻은 34Nm 토크에 비해 훨씬 적습니다. 따라서 이 테스트를 통해 실제로 두 버전 간의 차이점을 확인할 수 있습니다. 3D 프린팅된 제품은 이 강력한 NEMA23 스테퍼가 출력할 수 있는 힘을 따라잡을 수 없습니다. 이러한 부하에서는 스레드 인서트도 실패했습니다.
그럼에도 불구하고 몇 가지 정확도 테스트도 수행했습니다. CNC 가공 버전과 3D 프린팅 버전 모두에서 반복성이 좋은 것을 확인할 수 있습니다. 그러나 일단 부하를 적용하면 드라이브에 약간의 백래시가 있음을 알 수 있습니다. CNC 가공 버전은 양방향으로 힘을 가했을 때 약 12cm 거리에서 약 4mm의 유격을 보이는 등 더 좋은 결과를 보인 반면, 3D 프린팅 버전은 약 15cm의 거리에서 7mm의 유격을 보였습니다.
샤프트의 이러한 유격 또는 백래시는 부싱 치수가 그다지 정확하지 않았기 때문에 존재했으며, 실수로 파우더 코팅을 주문했기 때문에 사이클로이드 디스크 프로파일을 수동으로 샌딩하고 있었다는 사실도 있습니다. 같은 이유로 우리는 이 백래시가 얼마나 일관성이 없는지 알 수 있습니다. 샤프트의 일부 위치는 다른 위치보다 백래시가 더 많습니다.
그럼에도 불구하고 더 나은 부싱을 사용하고 사이클로이드 디스크 프로파일을 적절한 치수와 간격으로 가공하면 확실히 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.
물론 사이클로이드 드라이브를 더욱 정밀하게 프린팅하면 3D 프린팅 버전의 정밀도도 향상될 수 있습니다. 부품을 3D 프린팅할 때 수평 확장 기능을 실험함으로써 이를 달성할 수 있으며, 더 나은 내구성을 위해 디스크를 더 넓고 더 나은 접촉 표면을 갖도록 설계할 수 있습니다.
나는 로봇 프로젝트를 만들 때 향후 비디오에서 이러한 유형의 사이클로이드 드라이브를 구현하려고 노력할 것입니다.
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산업기술
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