CNC 機械加工と 3D プリントによるサイクロイドドライブ – 設計、組み立て、性能の比較

この記事では、前のビデオで作成した、減速比 19:1 のサイクロイドドライブの新しい更新バージョンを見て、CNC 機械加工部品で作られたものと 3D プリント部品で作られたものとがどのように機能するかを見ていきます。

このサイクロイドドライバーをどのように設計して組み立てたかを説明し、NEMA17 と NEMA23 ステッピングモーターの両方で駆動してその精度と負荷容量をテストします。

次のビデオを見るか、以下のチュートリアルを読むことができます。

サイクロイドドライブの概要

前回のビデオで、サイクロイドドライブとは何か、その仕組みについて詳しく説明しました。サイクロイドドライバーに詳しくない場合は、そのビデオをチェックすることをお勧めします。簡単に言えば、サイクロイドドライバーは、コンパクトでありながら堅牢な設計で非常に高い減速比を提供するユニークなタイプのギアボックスまたは減速機です。

サイクロイドドライブは、高速入力シャフト、偏心ベアリング、2 つのサイクロイドディスク、ピンとローラーを備えたリングギア、ピンとローラーを備えた低速出力シャフトの 5 つの主要コンポーネントで構成されています。

入力シャフトは偏心ベアリングを駆動し、偏心ベアリングはリングギアハウジングの内周の 2 つのディスクを駆動します。偏心運動により、サイクロイドディスクの歯またはローブがリングギアハウジングのローラーと係合し、減速された速度で逆回転が生じます。減速比はリングギアのピンの数によって異なります。

繰り返しますが、以前のビデオでより詳細な説明が見つかり、そのビデオ用に作成した 3D プリントのプロトタイプもご覧いただけます。直径 115mm で減速比 15:1 でした。

さて。今回の製作では、減速比を高めながらもサイクロイドドライバーをよりコンパクトにしたいと考えました。これを実現するには、ローラーとしてボールベアリングを使用する代わりに、はるかに小さな直径のブッシュを使用します。

ローラーの直径は、ピンの数とともにギアボックスのサイズを決定するため、実際には最も重要な寸法です。このサイクロイドドライブの設計に使用したプロセスを説明して、その理由を見てみましょう。

サイクロイドドライブの設計

そこで、簡単に注文できるブッシュの寸法であるため、最初にローラーの直径を 8 mm に定義しました。次に、減速比を 19:1 にしたいと考えました。これは、リングハウジングに 20 個のローラーが必要になることを意味します。そこで、直径 8 mm のローラーを 20 個使用して、円の周りにスケッチを描きます。

これら 2 つの入力に従って、リングギアのピッチ直径の最小サイズを決定することができました。この値は、ローラー直径の半分より小さくなければならない偏心値とともに、サイクロイドディスクの形状を生成するために使用される 4 つの主要な入力パラメーターを構成します。

サイクロイドディスクプロファイルは、滑ることなく直線に沿って転がるときに点によってなぞられる曲線であるサイクロイド、または実際にはそのバリエーションであるエピトロコイドに由来します。エピトロコイドは、円の円周上を転がり、外円の中心から離れた位置にある点によってなぞられる曲線です。

このような曲線を描くには、Omar Younis が SOLIDWORKS 教育ブログ用に書いたドキュメントにある次のパラメトリック方程式を使用できます。

ここで、SOLIDWORKS とその方程式駆動曲線ツールを使用して、これらのパラメトリック方程式を使用してサイクロイドディスクを作成する方法を説明します。

方程式は次のとおりです。

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)

2 つのパラメトリック方程式を所定の位置に挿入することで、サイクロイドディスク形状を簡単に生成できます。もちろん、方程式のパラメータを適切に使用する必要があります。「t」パラメータに関しては、0 ～ 2*Pi の値を使用する必要があります。

ただし、曲線を生成するには、2*Pi よりわずかに小さい値を使用する必要があることに注意してください。これにより、スプラインで簡単に接続できる小さなギャップのある曲線が生成されます。

次に、プロファイルを押し出し、偏心ベアリングと出力ピン用の穴を作成します。これらの出力穴の直径は、ピンローラーの直径 + 偏心の 2 倍に等しくなります。この場合、8 + 2*1 =直径 10mm となります。

それでも、今すぐこのサイクロイドドライブを構築し、CNC 機械加工部品と 3D プリント部品の両方を使用して実際にどのように動作するかを見てみましょう。

3D モデルと STL ファイルのダウンロード

このサイクロイドドライブの 3D モデルを STEP ファイルとして検索してダウンロードしたり、Thangs のブラウザで探索したりできます。

Thangs から 3D モデル .STEP ファイルをダウンロードします。

パーツの 3D プリントに使用される STL ファイルについては、ここからダウンロードできます。

ここで SOLIDWORKS ファイルをダウンロードすることもできます。

図面:

CNC 機械加工部品を注文するときにこれらの図面を使用しました。

CNC 機械加工部品の注文

PCBWay に CNC 加工部品を注文しました。 PCB 製造サービスに加えて、CNC 機械加工、3D プリント、板金製造、射出成形サービスも提供しています。

部品の注文はとても簡単です。 3D モデルをアップロードし、パーツの材質を選択するだけです。彼らは利用可能なほとんどすべての材料を持っています。サイクロイドディスクを除いて、ほとんどの部品にはアルミニウムを選択しました。サイクロイドディスクはより強度の高い素材で作りたかったので、ステンレス鋼を選択しました。

また、陽極酸化、つや消し、スプレー塗装などのさまざまな表面仕上げを選択したり、表面粗さと公差を選択したりするオプションもあります。標準のものよりも厳しい公差が必要な部品については、必要な特定の公差を含む図面も含めました。

複数のパーツを追加して、1 回の注文でそれぞれの見積もりをリクエストすることができます。

部品は予定時間内に到着し、丁寧に梱包され、各項目が個別に保護されていました。

自分がデザインしたものが金属で製造されるというのは、非常に嬉しいことだと言わざるを得ません。パーツの見た目は素晴らしく、すべてがデザインとまったく同じです。サービスの詳細については、必ず PCBWay ウェブサイトにアクセスしてください。

ただし、3D プリント版では、PLA 素材を使用してパーツを自分で作成しました。パーツを 3D プリントするときは、スライスソフトウェアの穴の水平拡張機能を使用することが重要です。

通常、3D プリントされたパーツの穴は元のサイズより小さいため、この機能を使用するとそれを補正し、より正確な寸法を得ることができます。私は0.07に設定し、部品の外形寸法を補正する水平拡張機能を0.02mmに設定しました。もちろん、いくつかのテスト印刷を行って、どの値が 3D プリンタで最も正確な結果をもたらすかを確認する必要があります。

サイクロイドドライブの組み立て

さて、それではサイクロイドドライブの組み立てに進みましょう。これですべての部品が揃いました。まず CNC 加工バージョンを組み立ててから、3D プリントしたバージョンを組み立てることにします。

このサイクロイドドライブの組み立てに必要なすべてのコンポーネントのリストは次のとおりです。

6mm スチールシリンダーロッド ………………..……. アマゾン / アリエクスプレス
L=30mm x20個; L=22mm x6個（1ドライブ用）
8mm ブッシュ ……………………………………. アマゾン / アリエクスプレス
L=20mm x20個; L=15mm x6個（1ドライブ分）
ボールベアリング 35x47x7 6807-2RS – x2 …。 アマゾン / アリエクスプレス
ボールベアリング 17x26x5mm 6803ZZ x2 …。 アマゾン / アリエクスプレス
ねじ付きインサート…………………………..…………。 アマゾン / アリエクスプレス
地元のホームセンターで購入できる M3 および M4 ボルト – このプロジェクトに必要なボルトの完全なリストを数日以内に添付します

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NEMA17 ステッピングモーターのシャフトカプラーを固定することから始めました。シャフトカプラーはモーターのフロントプレートから 2 mm の距離にある必要があり、2 本のグラブネジを使用して簡単に固定できます。次に、4 本の M3 ボルトでベースプレートをステッパーに固定します。

次に、このアセンブリの最大の部品であるリングギアローラーハウジングに進みます。ここで、ローラーを取り付ける必要があります。この場合、ローラーは直径 8 mm、長さ 20 mm のブッシュです。ただし、注文時にその寸法が見つからなかったので、ここでは長さ 10mm のブッシュを 2 つ使用しています。

これらのブッシュが取り付けられているピンは直径 6 mm、長さ 30 mm です。ハウジングの底部の穴は、ピンが所定の位置にしっかりと留まるように、ピンとしっかりと嵌合するような寸法になっています。したがって、ここでそれらを取り付けるには、ある程度の力を加える必要があります。こちらは 20 個のローラーで、減速比は 19:1 になります。

リングギアハウジングはベースプレートの上にあり、ここではまず出力ローラーを所定の位置に保持する距離リングを挿入する必要があります。

次に、NEMA17 シャフトカプラーに取り付けられる偏心シャフトを取り付けます。実際には、取り付ける前に、内径 17mm、外径 26mm のベアリングを 2 つ挿入する必要があります。

ご覧のとおり、すべてが完璧にフィットします。ベアリングが所定の位置にしっかりと留まるように、ベアリングが締り嵌めとなる公差を設定しました。そのため、ここで挿入するには少し力を入れる必要がありました。

このアセンブリは偏心ベアリングを表します。次に、2 つのサイクロイドディスクを偏心ベアリングに取り付けることができます。これらも締まりばめなので、取り付けるにはある程度の力が必要です。サイクロイドディスクを誤って粉体塗装するように注文したため、このフィット感はさらにきつくなりました。そのため、材料が少し多くなり、公差が正しくありませんでした。

ただし、ベアリングとディスクの間の嵌合が緩んだ場合に備えて、2 つのサイクロイドディスクの間に距離リングを取り付けて、ディスクを所定の位置に保つこともできます。

次に、このアセンブリ全体をハウジングに挿入するか、一度に 1 枚ずつディスクを挿入します。サイクロイドディスクとリングギアローラーの間のこのフィット感は、ドライブのパフォーマンスを決定するため、非常に重要です。ドライブのバックラッシュを最小限に抑えるために、できるだけきつくフィットさせようとしたところ、ディスクがフィットしないという問題が発生しました。

この問題は、パラメトリック方程式から得たサイクロイドディスクプロファイルに対してクリアランスやオフセットをまったく作成しなかったために発生しました。それに加えて、サイズも大きくなったパウダーコーティングされたディスクを注文したためです。それに加えて、私が持っていたブッシュはあまり良くなく、直径が 8 mm よりわずかに大きかったです。

したがって、この問題を解決するには、新しいサイクロイドディスクを注文する必要がありましたが、回転ツールを使用してディスクのプロファイルから一部の材料を除去してみることにしました。何度か研磨した後、実際にディスクに収まるようになりました。

もちろん、これは最善の解決策ではありませんが、それがどのように機能するか見てみましょう。

ただし、2 つのディスクをハウジングに挿入するときは、位相を 180 度ずらして配置する必要があります。

ディスクには穴があり、正しく位置決めするために使用できます。 1 枚の円盤を裏返して 2 つの穴に火をつけなければなりません。挿入したら、モーターの電源を入れ、偏心ベアリングおよびリングギアローラーと組み合わせてサイクロイドディスクがどのように動作するかを確認できます。

サイクロイドディスクは、入力シャフトとは反対の偏心運動で、19 倍遅い速度で回転します。

さて、この偏心運動はサイクロイドディスクの 6 つの穴を通って出力軸に伝達されます。こちらが出力軸です。ブッシュを取り付けるピンを 6 本固定する必要があります。ピンは直径6mm、長さ22mmです。出力シャフトの穴は、取り付け時にしっかりと所定の位置に留まるように、しまりばめの寸法になっているため、取り付けるにはある程度の力が必要です。

ピンを固定したら、8mm ブッシュを挿入します。ここでは長さ 15mm のブッシングが必要ですが、このプロジェクトを作成した時点ではその寸法が見つからなかったため、10mm のブッシングを使用しましたが、補正のためにワッシャーをいくつか挿入しました。

ビデオで示されているように、実際にはワッシャーを2つではなく1つだけ使用しました。ただし、このプロジェクトに必要なすべてのコンポーネントに含まれるリンクは正しい寸法になっています。

出力シャフトを所定の位置に挿入する前に、入力シャフトと出力シャフトの両方をサポートする距離リングとベアリングを挿入する必要があります。次に、出力シャフトをサイクロイドディスクの穴に挿入するだけです。

出力シャフトには、もう 1 つの距離リングと内径 35 mm のベアリングを挿入する必要があります。

最後に、ハウジングの蓋をすべての上に挿入し、長さ 45 mm の M6 ボルト 6 本で固定して、組み立てを完了します。以上です。サイクロイドドライブは完全に組み立てられました。仕上がりはとても気に入りました。

さて、3D プリントされたバージョンについては、まったく同じ手順に従って組み立てることができます。

ここでの追加のステップは、出力シャフトに何かを取り付けることができるように、出力シャフトにいくつかのねじ付きインサートを取り付ける必要があることです。

テスト

さて、2 つのサイクロイドドライバーの準備ができたので、いくつかのテストを実行して、それらがどのように機能するかを確認します。テストを見る前に簡単にメモしておきますが、CNC 機械加工バージョンの重量は 3D プリントバージョンよりもかなり重いです。

トルク

まずは、これらのサイクロイドドライブがどのくらいのトルクを出力できるかをテストします。ここでは 2 つのドライブを並べて配置し、10 cm の距離で生成できる力を測定しています。

どちらも 10cm の距離で約 45N の力を出力しました。これをトルクに換算すると、約 450Ncm のトルクになります。ただし、CNC 加工されたものは、もう少し高く、より安定した結果をもたらしました。

一方、これらの NEMA17 ステッピングモーターの定格は 28Ncm で、これはトルクが約 16 倍増加することを意味します。減速比が 19:1 であることを考慮すると、これは約 85% の効率となり、理想的な条件では 19 倍のトルク増加が得られるはずです。

それでも、NEMA23 ステッピングモーターを取り付けたときにどのように動作するかを見てみましょう。 NEMA17 モーターと NEMA23 モーターの両方で使用できるようにサイクロイドドライブを設計しました。ただし、設計を可能な限りコンパクトに保つために、NEMA17 から NEMA23 への交換にはいくつかの作業が必要です。

一部の部品を分解し、NEMA23の穴に合うようにベースプレートを変更する必要があります。 NEMA23 のシャフトは大きいため、別のシャフトカプラーも使用する必要があります。したがって、基本的には、これら 2 つの部分を変更して、すべてを元に戻すだけです。

3Dプリント版でもステッピングモーターをNEMA23に変更しました。ここで、ドライバーを分解したときに、サイクロイドディスクがすでに若干の摩耗を示し始めていることに気づきました。

ディスクの片面に摩耗が多く見られることがわかりますが、これは 3D プリント時のパーツの下側だと思われます。これは、3D プリント時の最初の数層でより多くのフィラメントが押し出される傾向があるためです。

それにも関わらず、ドライバーにできる限りストレスを与えるために、ここでは私が所有していた最大の NEMA23 ステッピングモーターを備えた両方のサイクロイドドライバーを示します。

最初はすでに使用しているのと同じ 10cm スティックでテストを開始しましたが、ステッピングモーターの出力のわずか約 25% で 10cm ですでに 130N に達しており、フォースメーターは最大 200N を測定できるため、より長いスティックが必要であることにすぐに気づきました。したがって、200N 未満に抑えるためには、力を測定する距離を増やす必要がありました。

長めの松棒を付けて50cmの距離で力を測ってみました。さて、松の棒は実際には非常に弱い素材なので、約50Nの力で折れました。そこで、より強度の高いベニヤ棒に交換したところ、50cm の距離で力を測定できるようになりました。

測定値は約60Nで、トルクに換算すると約3000Ncmまたは30Nmのトルクになります。それはとても印象的ですね。荷重がかかると合板がどれだけ曲がるか見てみましょう。

20cmの距離で力を測定したところ、約170Nという測定値が得られました。これは約34Nmのトルクに相当します。一方、このNEMA23ステッピングモーターの定格は2.1Nmなので、やはりNEMA17テストと同様に約16倍のトルク増加が得られました。繰り返しになりますが、効率は約 85% です。

ただし、NEMA23 ステッパーを使用して 3D プリントバージョンをテストしたところ、20 cm の距離で約 65Nm の測定値が得られました。

これはわずか約 13Nm のトルクであり、CNC 加工バージョンから得られた 34Nm のトルクと比較すると、実際には大幅に小さいです。したがって、このテストでは、2 つのバージョン間の違いを実際に確認できます。 3D プリントされたものは、この強力な NEMA23 ステッパーが出力できる力にまったく追いつきません。ねじ付きインサートでさえ、これらの負荷の下では機能しませんでした。

バックラッシュ

それでも、いくつかの精度テストも行いました。 CNC 加工バージョンと 3D プリントバージョンの両方で再現性が良好であることがわかります。ただし、負荷を加えると、ドライブに多少のバックラッシュがあることがわかります。 CNC 加工バージョンではより良好な結果が得られ、両方向に力を加えた場合、約 12 cm の距離で約 4 mm の遊びが示されましたが、3D プリントバージョンでは約 15 cm の距離で 7 mm の遊びが示されました。

このシャフトの遊び、つまりバックラッシュは、ブッシングの寸法がそれほど正確ではなかったことと、誤って粉体塗装を注文したためにサイクロイドディスクのプロファイルを手動で研磨していたために発生します。同じ理由で、このバックラッシュがいかに一貫していないのか、シャフト上の一部の位置が他の位置よりもバックラッシュが大きいことにも気づくことができます。