【什么是摆线减速器？设计、3D 打印和测试】

在本教程中，我们将学习什么是摆线驱动器，它是如何工作的，解释如何设计我们自己的模型和 3D 打印模型，以便我们可以在真实现场看到它并更好地了解它是如何工作的。

您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。

1. 什么是摆线驱动？

摆线驱动器是一种独特的减速机，它以紧凑而坚固的设计提供非常高的减速比。与传统的齿轮传动装置（如正齿轮和行星齿轮传动装置）相比，它可以在同一空间或阶段内实现高达 10 倍的更高减速率。除此之外，它还具有几乎零背隙、更高的负载能力、刚性和高达 90% 的高效率。这些特性使摆线驱动器适用于许多定位精度和性能很重要的应用，例如机器人、机床、制造设备等。

现在让我们来看看里面有什么以及摆线驱动器是如何工作的。摆线驱动器由五个主要部件组成，一个高速输入轴，一个偏心轴承或摆线凸轮，两个摆线盘或凸轮从动件，一个带销和滚子的齿圈，以及一个带销和滚子的低速输出轴。

输入轴驱动偏心轴承，偏心轴承带动摆线盘围绕齿圈箱的内圆周。偏心运动使摆线盘齿或叶片与齿圈壳体的滚子啮合，从而以降低的速度产生反向旋转。

我们可以在这里仔细观察，可以看到偏心轴承实际上是在将摆线盘推向齿圈滚子。

由于独特的圆盘形状及其相对于齿圈滚子的位置，我们可以看到，随着偏心轴承的前进，旋转前面的圆盘凸角将无法通过或跳过下一个齿圈滚子，而是会滑动或向后滚动。此行为实际上是导致磁盘反向旋转的原因。

通常，与齿圈壳体上的销数相比，圆盘上的摆线凸角少一个。这使得，对于偏心轴承的一次完整旋转，摆线盘仅移动一个叶片的距离。由此我们可以看出，减速比完全取决于齿圈的销数。

例如，这里的齿圈上有 12 个销，这意味着摆线盘上有 11 个凸轮，这个比率为 11：1，或输出速度慢 11 倍。圆盘、齿圈滚子或偏心轴承的尺寸完全不会影响减速比。

减少的旋转通过摆线盘上的孔传递到输出轴销。

有两个摆线盘，异相放置180度，以补偿偏心运动引起的不平衡力，并在更高的速度下提供更平稳的操作。

摆线驱动器的名称来自磁盘的轮廓，而磁盘的轮廓又来自摆线，但在视频的下一部分我们将设计自己的摆线驱动器。

2. 如何设计摆线驱动器

因此，现在我们知道摆线驱动器的工作原理，我们可以继续设计自己的模型，我们将能够3D打印它。如果我们尝试3D打印这个演示示例，它可能会起作用，但它会很快失败，因为3D打印材料不够坚固，无法承受变速箱中出现的力和摩擦。

关键部件是通常是轴套的滚子，如果材料是金属，这是不错的选择，但是对于PLA材料，我们将不得不使用滚珠轴承。

考虑到这一点，这是我设计的摆线驱动器，并使用滚珠轴承作为滚子。

在设计摆线驱动器时，有四个主要输入参数来定义摆线盘的大小和形状，即齿圈半径、滚子半径、这些滚子的数量和偏心率。

3. DIY摆线驱动3D模型

这是我使用 SOLIDWORKS 设计的摆线驱动器，并使用滚珠轴承作为滚子。

在这一点上，让我向 SOLIDWORKS 大声疾呼，感谢他们赞助这个项目。您听说过 3DEXPERIENCE 世界吗？由 SOLIDWORKS 组织的年度活动？

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Nevertheless, you can find and download this 3D model as a STEP file, as well as explore it in your browser on Thangs:

您可以下载 3D 模型 .来自唐斯的步文件。

感谢唐斯支持本教程。

至于用于3D打印零件的STL文件，您可以在此处下载：

Icon DIY摆线驱动器STL文件 1 文件 442.05 KB What is Strain Wave Gear a.k.a
Harmonic Drive A Perfect Gear Set For Robotics
Applications
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4. 三维设计

我定义的第一件事是，我想要这个变速箱的减速比为 15：1，这意味着我需要 16 个齿圈滚子。因此，我在 SOLIDWORKS 中绘制了一个草图，其中 16 个滚轮围绕一个圆圈。

然后我选择使用外径为 13mm 的滚子轴承。现在，根据这两个参数，我能够定义齿圈节距直径的大小。我把它设置为 90 毫米。偏心率值应小于辊径的一半，我选择了1.5mm的值。

现在我们有了四个主要的输入参数，我们可以绘制摆线盘的形状或轮廓。正如我所提到的，圆盘轮廓来自摆线，摆线是由圆上的点跟踪的曲线，因为它沿着直线滚动而不会滑动，或者它的变化，在圆的圆周上滚动时跟踪的外摆线。

还有另一种变体称为外摆线，其中跟踪点与外圆的中心有一定距离，这就是摆线盘轮廓的实际基础。

为了绘制这样的曲线，我们可以在这里使用这些参数方程，但还有其他参数要包含在其中，例如滚子的直径和偏心率。这让事情变得有点复杂，但幸运的是，Omar Younis为SOLIDWORKS Education博客写了一份很棒的文档，他在文档中将所有这些参数组合在单个X和Y参数方程中。

以下是等式：

N - Number of rollers
Rr - Radius of the roller
R - Radius of the rollers PCD (Pitch Circle Diamater)
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:

N = 16
Rr = 6.5
R = 45 
E = 1.5 

x = (45*cos(t))-(6.5*cos(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))-(1.5*cos(16*t))
y = (-45*sin(t))+(6.5*sin(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))+(1.5*sin(16*t))
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Code language: Arduino (arduino)
现在，为了生成轮廓，我们可以简单地使用 SOLIDWORKS 的方程驱动曲线工具，适当地插入两个方程，这将生成摆线盘轮廓。当然，对于输入参数，我们应该插入我们的值。

另请注意，如果“t”参数从 0 到 2pi 或 360 度，则不会生成曲线。因此，我们需要将 t2 参数设置为略低于 2pi，然后生成具有小间隙的曲线，我们可以使用简单的样条将其连接。

现在我们已经定义了摆线驱动器的主要参数，其余的只是找到如何连接一切的技术解决方案。同样，考虑到我们使用的不是那么坚固的3D打印材料，我设计了辊子的轴，以及输入轴和输出轴。

输入轴由几个部分组成，并在输出轴内由两个轴承支撑。输出轴还由轴承座内的两个轴承支撑。

因此，回顾一下该变速箱的工作，来自电机的输入被传输到偏心输入轴，该输入轴驱动齿轮环周围的摆线盘。

产生的反向运动通过输出轴辊传递到输出轴。就是这样，现在让我们3D打印它，看看它在现实生活中是如何工作的。

5. 3D打印制造

3D 打印零件时，在切片软件中使用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，因此使用此功能，我们可以组成并获得准确的尺寸，这对于该零件非常重要。我将我的设置为0.07mm，水平扩展也可以补偿零件的外部尺寸，为0.02mm。当然，您应该进行一些测试打印，以查看哪些值可以在3D打印机上获得最佳效果。

6. 组装摆线齿轮箱

因此，这里是所有3D打印零件，以及组装摆线驱动器所需的轴承和螺栓。

以下是组装此摆线驱动器所需的所有组件的列表：

• 滚珠轴承 6x13x5mm 686-2RS – x44
• 滚珠轴承 15x24x5 6802-2RS – x4
• 滚珠轴承 35x47x7 6807-2RS – x2
• 6x35mm钢棒
• 螺纹嵌件

来自您当地五金店的 M3 和 M4 螺栓 – 我将在几天内包括该项目所需的螺栓的完整列表

我首先将齿圈销插入外壳。这些销可容纳齿圈滚子或轴承，但它们的直径仅为6mm。我不确定它们是否足够坚固，不会在摆线盘的负载下断裂。

因此，我把它们做成空心，并将我躺在周围的3毫米金属轴插入其中。这样，引脚肯定会足够坚固。当然，有更智能的解决方案。例如，我们可以改用 M6 螺栓，但我不喜欢的是 M6 螺栓略小于 6 毫米，所以轴承会摆动。理想情况下，在这里我们可以使用合适的 6mm 杆，即使使用这种 35mm 的特定尺寸，实际上也很容易购买。

将所有销钉放置到位后，我们可以按此顺序插入轴承，一个 7mm 距离环，一个轴承，然后是 3mm 距离环、一个轴承和另一个 7mm 距离环。

摆线驱动器现在应该适合我们创建的这个齿圈，如果我们尝试以偏心运动移动圆盘，通过在旋转时向两侧推动，圆盘应该开始反向旋转。

接下来，我们可以组装由四个部分组成的输入轴。在每个部分中，我们需要放置一个轴承和一些距圈，由于偏心率，除非轴是分段制造的，否则我们将无法做到这一点。

为了将这些部分连接在一起，我使用了两个穿过所有部分的 M3 螺栓。我们可以在这里注意到，这些 M3 螺栓的孔比 M3 螺栓略小，因此螺栓会在其中形成螺纹并具有更紧密的配合。

这是轴组装时的样子，但我实际上不得不插入摆线盘，现在我做不到。因此，我将其拆卸并在插入磁盘的情况下再次组装。

我继续组装输出轴。在这里，我们需要安装输出滚子或轴承，我们以类似于齿圈滚子所示的方式进行操作。一个 6 毫米的销，带有 13 毫米的轴承和一些通过一些 20 毫米长的 M3 螺栓插入的距离环。

当将这些输出辊插入摆线盘的开口时，重要的是将两个盘相对于彼此异相 180 度放置。为了帮助解决这个问题，我在两个圆盘上都打了 180 度异相的小孔，所以在这里我们只需要匹配它们，我们就可以将滚轮插入。

请注意，这有点紧密配合，但如果孔尺寸准确，我们将能够进行配合。

现在我们可以将这些销钉固定到另一侧的另一个法兰上，但为此，首先我们需要在法兰中安装一些螺纹插件。我使用这些螺纹插件是为了使整个组件更加紧凑。

因此，一旦输入轴和输出轴组装在一起，我们就可以通过外径为 47mm 的轴承将整个组件安装到轴承座中。

然后我们可以在轴的前部再安装一个这样的轴承，并将轴承座盖插入到位。这也是一个紧密的配合，因为所有 16 个引脚都应该适合它们的外壳盖槽，所以我们必须用一点力来插入它。

在外壳的背面，我安装了一些 M4 螺纹插件，然后用一些 40mm M4 螺栓将盖子和外壳固定在一起。

就是这样！如果公平地说，看看这个美丽就行了。我真的很喜欢这个摆线齿轮箱的结果，干净的设计，没有任何东西弹出。

7. 测试摆线驱动器

不过，现在让我们将电机连接到它，看看它将如何工作。在输入轴的背面，我又安装了几个螺纹插件，以便我们可以轻松连接各种轴耦合器。

为了测试变速箱，我将使用NEMA 17步进电机，因此我将合适的3D打印轴耦合器连接到输入轴。我将步进器固定在3D打印的安装支架上，然后将电机轴插入耦合器，并将安装支架固定到外壳上。

最后一件事是在输出轴的前部安装一些螺纹插件，以便我们可以将东西连接到上面。这是这款摆线驱动器的最终外观，与 NEMA 17 步进电机结合使用，但当然我们可以在这里使用任何其他类型的电机。

我们有它。老实说，我真的很惊讶这个变速箱的输出如此平稳。从前面我们可以看到输入轴和输出轴同时旋转，方向相反，速度差为 15：1。

我还能够在没有前盖的情况下运行变速箱，因此我们可以看到之前解释的所有内容。

这个动作简直令人着迷。

最后，我做了一些测试来检查变速箱性能。这里需要注意的另一件事是，这种摆线驱动器也是可向后驱动的，这对于某些应用来说是一个很好的功能。

所以，在这里我测量这个变速箱在 10 厘米的距离内可以产生的力。我得到的读数约为 26N，转换为扭矩，约为 260 Ncm，而这款 NEMA 17 步进机只有 34 毫米长，额定值为 26 Ncm。

这意味着摆线驱动器的扭矩增加了大约 10 倍。考虑到减速比为 66：15，效率约为 1%，在理想条件下，我们应该获得 15 倍的扭矩增加。尽管如此，考虑到一切都是用预算3D打印机3D打印的，并且零件不像我们在全金属变速箱的情况下使用一些专业打印机或CNC机器那样精确，这仍然是一个很好的结果。

我还做了一些准确性测试，结果也很好。

在制作一些机器人项目时，我肯定会在以后的视频中使用这种类型的变速箱。

我希望您喜欢这个视频并学到一些新东西。如果您有任何疑问，请随时在下面的评论部分提问。

翻译地址：https://howtomechatronics.com/how-it-works/what-is-cycloidal-driver-designing-3d-printing-and-testing/
参考视频：https://youtu.be/OsS9-FzKN6s