Napędy harmoniczne

Ruch obrotowy pochodzi z wału wejściowego, którym może być na przykład oś serwosilnika. Jest to połączone z elementem zwanym „generowaniem fal”, który ma kształt eliptyczny i jest otoczony eliptycznym łożyskiem kulkowym. Gdy wał się obraca, krawędzie zmieniają położenie, więc wygląda na to, że generuje falę ruchu. Ta część jest umieszczona wewnątrz elastycznego wielowypustu, który jest wykonany ze sztywnego skrętnie, a jednocześnie elastycznego materiału.

Materiał przejmuje ten falisty ruch, wyginając się zgodnie z obrotem wału wejściowego, a także tworzy kształt eliptyczny. Na zewnętrznej krawędzi tego elastycznego wielowypustu znajdują się zęby przekładni, które bez problemu przenoszą duże obciążenia. Aby przenieść te obciążenia, elastyczny wielowypust jest zamontowany wewnątrz okrągłego wielowypustu, który jest okrągłym kołem zębatym z wewnętrznymi zębami.

Ten pierścień zewnętrzny jest sztywny, a jego średnica wewnętrzna jest nieznacznie większa niż główna oś elipsy utworzonej przez wielowypust giętki. Oznacza to, że splajn kołowy nie przyjmuje kształtu eliptycznego pozostałych dwóch elementów, ale zamiast tego po prostu zazębia swoje wewnętrzne zęby z zębami zewnętrznej strony giętkiego splajnu, co powoduje obrót giętkiego splajnu.

Szybkość obrotu zależy od obrotu wału wejściowego i różnicy w liczbie zębów pomiędzy wielowypustem elastycznym a wielowypustem kołowym. Wypust elastyczny ma mniej zębów niż wielowypust kołowy, dzięki czemu może obracać się ze znacznie zmniejszonym przełożeniem i w kierunku przeciwnym niż wał wejściowy. Współczynnik redukcji jest określony przez: (liczba zębów z wielowypustem elastycznym – liczba zębów z wielowypustem okrągłym) / liczba zębów z wielowypustem elastycznym.

Na przykład, jeśli splajn giętki ma 100 zębów, a splajn kołowy ma 105, współczynnik redukcji wynosi (100 - 105) / 100=-0.05, co oznacza, że ​​współczynnik splajnu giętkiego wynosi -5/100 (minus oznacza przeciwny kierunek wirowania). Różnicę w liczbie zębów można zmienić, aby uwzględnić różne współczynniki redukcji, a tym samym różne specjalistyczne potrzeby i wymagania.

Podstawowy napęd harmoniczny składa się z trzech elementów: splajnu kołowego, splajnu elastycznego i generatora fal. Wielowypust kołowy ma zęby wewnętrzne, które zazębiają się z zębami zewnętrznymi na linii elastycznej. Flexspline ma mniej zębów, a co za tym idzie, mniejszą efektywną średnicę niż splajn kołowy.

Generator fal ma kształt eliptyczny i działa jak łącznik z dwoma rolkami, które obracają się w obrębie elastycznej linii, powodując stopniowe zazębianie się z kołowym splajnem w diametralnie przeciwnych punktach. Jeśli generator fal (wejście) obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy splajn kołowy jest nieruchomy, linia elastyczna (wyjście) będzie się obracać lub toczyć wewnątrz splajnu kołowego ze znacznie mniejszą szybkością w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Stosunek prędkości wejściowej do prędkości wyjściowej zależy od różnicy liczby zębów w splajnie kołowym i w splajnie giętkim. W napędach harmonicznych z pojedynczą-redukcją można uzyskać współczynniki prędkości sięgające 320 do 1, które są lżejsze, mniejsze i bardziej wydajne niż konwencjonalne napędy o wysokim-przełożeniu. Napędy złożone mogą wytwarzać współczynniki nawet od 1 000 000 do 1. Splajn kołowy, splajn elastyczny lub generator fal mogą być stałe, podczas gdy pozostałe dwa elementy służą jako wejście i wyjście.

Unikalną i użyteczną cechą Harmonic Drive jest jego zdolność do przenoszenia ruchu przez uszczelnione ściany. Zęby Flexspline można umieścić w pobliżu środka długiej, hermetycznie zamkniętej, elastycznej cylindrycznej rurki. Generator fal może znajdować się wewnątrz rury i poprzez swój obrót może odchylić linię elastyczną i spowodować powolny obrót otaczającego wielowypustu kołowego.

Wersja obrotowa-na-liniową napędu Harmonic Drive wykorzystuje śrubę i przesuwa pręt sterujący w głowicy reaktora jądrowego bez kontaktu mechanicznego przez uszczelnioną rurę. Systemy Harmonic Drive są przydatne do zwiększania wyjściowego momentu obrotowego w przekładniach stosowanych we frezowaniu, w produkcji oraz w maszynach wykorzystujących ramiona robotyczne. Stosowano je w różnorodnych zastosowaniach, począwszy od tanich-produktów konsumenckich, takich jak automaty sprzedające, po zaawansowane systemy do użytku wojskowego i lotniczego.

Harmoniczne przekładnie napędowe są szeroko stosowane w zastosowaniach kosmicznych, robotyce i systemach precyzyjnego pozycjonowania ze względu na ich atrakcyjne cechy, w tym niemal{{0}zero luzów, wysoki współczynnik redukcji prędkości, niewielkie rozmiary i niewielką wagę. Mają nieodłączny okresowy błąd pozycjonowania, znany jako błąd kinematyczny, odpowiedzialny za pogorszenie wydajności przekładni.

Mają jasne zrozumienie mechanizmów błędów ruchu i ich charakterystyki. Raportujemy wyniki analityczne i eksperymentalne błędów ruchu, korzystając z dedykowanych badań sprzętu do testowania napędów harmonicznych. Po pierwsze wykazano, że błąd zwany błędem kinematycznym w rzeczywistości składa się ze składowej podstawowej, reprezentującej „czysty” błąd kinematyczny, zabarwionej przez drugą składową wynikającą z nieodłącznej elastyczności skrętnej harmonicznych kół zębatych napędowych.

Ten ostatni składnik wyjaśnia źródło zmienności opublikowanych profili błędów kinematycznych. Rozkład błędu kinematycznego na składową podstawową i składową związaną z elastycznością wykazano eksperymentalnie i analitycznie, dopasowując model matematyczny do danych eksperymentalnych. Charakteryzujemy także zależność błędu kinematycznego od obciążenia bezwładnościowego, zespołu przekładni i prędkości obrotowej.