CNC切削と3Dプリントのサイクロイド・ドライブ比較：設計、組み立て、性能テスト

今回は、前回の動画で制作したサイクロイド・ドライブのアップデート版（減速比19:1）を、CNC切削部品と3Dプリント部品でそれぞれ製作し、その性能を比較検証します。

このサイクロイド・ドライブの設計・組み立てプロセスを解説し、NEMA17およびNEMA23ステッピングモーターで駆動した際の精度と耐荷重性能をテストします。

以下の動画をご覧いただくか、記事をお読みください。

サイクロイド・ドライブの概要

前回の動画でサイクロイド・ドライブの仕組みを詳しく解説しましたので、未見の方はそちらをご覧ください。簡単に言うと、サイクロイド・ドライブはコンパクトかつ堅牢な設計で非常に高い減速比を実現する、独特のギアボックス（減速機）です。

サイクロイド・ドライブは主に5つのコンポーネントで構成されます：高速入力軸、エキセントリック（偏心）ベアリング、2枚のサイクロイド・ディスク、ピンとローラーを持つリングギア、ピンとローラーを持つ低速出力軸。

入力軸がエキセントリック・ベアリングを駆動し、ベアリングが2枚のディスクをリングギア・ハウジングの内周に沿って公転させます。この偏心運動により、サイクロイド・ディスクの歯（ローブ）がリングギア・ハウジングのローラーと噛み合い、逆方向の回転を減速して出力します。減速比はリングギアのピン数によって決まります。

詳細な説明と、前回製作した3Dプリント試作版（減速比15:1、直径115mm）は前回の動画をご覧ください。

今回は減速比を上げつつ、よりコンパクトなドライブを目指しました。ボールベアリングをローラーとして使う代わりに、直径のずっと小さいブッシュ（軸受け）を使用します。

ローラーの直径は実は最も重要な寸法です。ピン数と合わせてギアボックスのサイズを決定するからです。設計プロセスを通じて理由を解説します。

サイクロイド・ドライブの設計

まず、ローラーの直径を8mmと定めました。入手しやすいブッシュの寸法だったからです。目標減速比19:1を達成するには、リング・ハウジングに20個のローラーが必要です。そこで、直径8mmのローラー20個を円周上に配置するスケッチを作成しました。

この2つの入力（ローラー径とピン数）から、リングギアのピッチ円直径の最小値が決まります。この値と偏心量（入力軸からサイクロイド・ディスクまでのオフセット。ローラー半径の半分未満である必要がある）が、サイクロイド・ディスクの形状を生成するための4つの主要入力パラメータとなります。

サイクロイド・ディスクのプロファイルは「サイクロイド曲線」、正確にはその変種である「エピトロコイド（外トロコイド）」から導かれます。これは、ある点が円の円周上を転がるときに描く曲線で、その点が外側の円の中心から一定距離離れている場合の軌跡です。

この曲線を描くためのパラメトリック方程式は、Omar Younis氏がSOLIDWORKS教育ブログで公開しているドキュメントに記載されています。

これらのパラメトリック方程式をSOLIDWORKSの「方程式駆動曲線」ツールで用いて、サイクロイド・ディスクを作成する方法を紹介します。

使用した方程式

Omar Younis氏の方程式
N - ローラー数
Rr - ローラー半径
R - ローラーのピッチ円半径
PCD - ピッチ円直径
E - 偏心量 - 入力軸からサイクロイド・ディスクまでのオフセット
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))
===================
今回のDIYサイクロイド・ドライブの値:
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))

2つのパラメトリック方程式を挿入し、パラメータを適切に割り当てれば、サイクロイド・ディスクの形状を簡単に生成できます。「t」パラメータには0から2πの値を使用します（正確には2πよりわずかに小さい値を使い、生成された曲線の微小な隙間をスプラインで接続します）。

プロファイルを押し出し、エキセントリック・ベアリング用と出力ピン用の穴を開ければディスクは完成です。出力穴の直径は「ピン・ローラー径 + 2×偏心量」です。今回は8 + 2×1 = 10mm径となります。

それでは実際に製作し、CNC切削版と3Dプリント版の両方で実性能を検証しましょう。

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（STEPファイル）はThangsで入手・閲覧できます：

• 3Dモデル .STEPファイルをThangsからダウンロード
• 3Dプリント用STLファイルをダウンロード
• SOLIDWORKSファイルをダウンロード
• 図面をダウンロード（CNC切削部品発注時に使用）

CNC切削部品の発注

CNC切削部品はPCBWayに発注しました。PCB製造サービスに加え、CNC切削、3Dプリント、板金加工、射出成形サービスも提供しています。

発注は非常に簡単です。3Dモデルをアップロードし、材料を選択するだけです。ほぼあらゆる材料が選べます。ほとんどの部品にはアルミニウムを選びましたが、サイクロイド・ディスクはより強度が必要なためステンレス鋼を選択しました。

表面処理（アルマイト、ブラスト、塗装など）、表面粗さ、公差も選択可能です。標準公差より厳しい公差が必要な部品には、具体的な公差指示を含む図面も添付しました。

複数の部品を一度の注文でまとめて見積もり依頼できます。部品は予定通りに届き、各アイテムが個別に保護されて梱包されていました。

自分で設計したものが金属部品として製造されて手元に届くのは、なかなか感慨深いものです。部品は見事で、設計通りの精度でした。PCBWayのウェブサイトでサービス詳細をご確認ください。

一方、3Dプリント版はPLA材料で自作しました。3Dプリント時には、スライサーソフトの「穴水平拡張（Hole Horizontal Expansion）」機能を使用することが重要です。

通常、3Dプリント部品の穴は設計より小さくなるため、この機能で補正して寸法精度を高めます。私は0.07mmに設定し、外形寸法を補正する「水平拡張」は0.02mmとしました。もちろん、お使いの3Dプリンターでテストプリントを行い、最適な値を見つけてください。

サイクロイド・ドライブの組み立て

それでは組み立てに入ります。まずCNC切削版から、次に3Dプリント版を組み立てます。

必要な部品リスト（1台分）

• 6mmスチール円柱ロッド …………… Amazon / AliExpress
  L=30mm ×20本； L=22mm ×6本
• 8mmブッシュ …………………………… Amazon / AliExpress
  L=20mm ×20個； L=15mm ×6個
• ボールベアリング 35×47×7mm 6807-2RS ×2 … Amazon / AliExpress
• ボールベアリング 17×26×5mm 6803ZZ ×2 … Amazon / AliExpress
• ねじインサート …………………………… Amazon / AliExpress
• M3およびM4ボルト（地元の金物店で調達） - 完全なボルトリストは後日追加予定

※これらはアフィリエイトリンクです。Amazonアソシエイトとして、適格販売から収益を得ています。

CNC切削版の組み立て

1. NEMA17ステッピングモーターにシャフト・カプラーを固定（モーター前面プレートから2mmの位置、2本の止めねじで固定）
2. ベースプレートをモーターに4本のM3ボルトで固定
3. 最大部品であるリングギア・ローラー・ハウジングを取り付け。8mm径×20mm長のブッシュ20個をピン（6mm径×30mm長）に圧入。穴はインターフェアフィット（圧入）仕様のため、強めの力で押し込む
4. リングギア・ハウジングをベースプレート上に載せ、まずディスタンス・リング（出力ローラー保持用）を挿入
5. エキセントリック・シャフトをNEMA17のシャフト・カプラーに取り付け。事前に内径17mm、外径26mmのベアリング2個をシャフトに圧入（こちらもインターフェアフィット）
6. 2枚のサイクロイド・ディスクをエキセントリック・ベアリングに圧入。ディスク間にディスタンス・リングを挟んで位置固定
7. このサブアセンブリをハウジングに挿入。ディスクとリングギア・ローラーの嵌合が性能を左右するため、極力バックラッシュを減らすようタイトなフィットを目指したが、粉体塗装を誤って指定してしまったことと、ブッシュの径がわずかに大きかったため、ディスクが入らないトラブル発生。ロータリーツールでディスク外周を削って対処
8. 2枚のディスクは180度位相をずらして挿入（ディスクの穴を合わせて反転させる）
9. モーター通電で動作確認。サイクロイド・ディスクが入力軸と逆方向に、19倍遅い速度で偏心運動
10. 出力軸を組み立て：6mm径×22mm長のピン6本を出力軸に圧入、8mmブッシュ（15mm長、今回は10mmブッシュ＋ワッシャーで代用）を装着
11. 出力軸挿入前にディスタンス・リングとベアリング（内径35mm）をハウジングにセット
12. 出力軸をサイクロイド・ディスクの穴に挿入、さらにディスタンス・リングとベアリング（内径35mm）を追加
13. ハウジング蓋を載せ、M6×45mmボルト6本で締結して完成

3Dプリント版も基本的に同じ手順で組み立てます。追加で、出力軸にねじインサートを埋め込んで取り付け部を作ります。

テスト

2台のサイクロイド・ドライブが完成したので、性能テストを行います。なお、CNC切削版の方が3Dプリント版よりかなり重いです。

トルクテスト

まず、両ドライブがどれだけのトルクを出せるか測定します。10cmの距離で発生する力を測定しました。

• 両方とも約45N（10cm地点）を出力。トルク換算で約450 N·cm
• CNC切削版の方がわずかに高く、安定した結果
• NEMA17の定格トルクは28 N·cmなので、約16倍のトルク増幅。理想的な19倍に対し、効率は約85%

次に、よりパワフルなNEMA23ステッピングモーターでテストします。設計段階でNEMA17/NEMA23両対応としていますが、コンパクトさを優先したため、モーター交換にはベースプレートとシャフト・カプラーの交換が必要です（分解・再組み立てが必要）。

3Dプリント版を分解した際、サイクロイド・ディスクにすでに摩耗が見られました。片面により摩耗が進んでおり、これは3Dプリントの初期レイヤーでフィラメントが多めに押し出されるため（いわゆる「ゾウの足」現象）と推測されます。

手持ちで最大のNEMA23モーターを両方に装着し、限界まで負荷をかけます。

• 最初は10cmの棒で測定したが、モーター出力25%程度で130N（力計の上限200Nに接近）に達したため、測定距離を50cmに延長
• 松の棒では50Nで折れたため、より強度の高い合板の棒に交換
• 50cm地点で約60Nを測定 → トルク換算で約3000 N·cm（30 Nm）
• 20cm地点では約170N → 約34 Nm
• NEMA23の定格トルクは2.1 Nmなので、ここでも約16倍増幅、効率約85%

一方、3Dプリント版にNEMA23を搭載してテストしたところ、20cm地点で約65N（約13 Nm）しか出ず、CNC切削版の34 Nmに比べて大幅に低い結果となりました。3Dプリント版はこの強力なモーターの出力に耐えきれず、ねじインサートも破損しました。

バックラッシュ（遊び）テスト

精度テストも実施しました。無負荷時の繰り返し精度は両版とも良好です。しかし負荷をかけるとバックラッシュが現れます：

• CNC切削版：約12cm地点で双方向に力を加えたとき、約4mmの遊び
• 3Dプリント版：約15cm地点で約7mmの遊び

このバックラッシュの原因は、ブッシュの寸法精度が十分でなかったこと、粉体塗装のせいでディスク外周を手作業で削ったためクリアランスが不均一になったことなどが考えられます。シャフト位置によって遊びの大きさが変わることも確認されました。

結論

より精度の高いブッシュを使い、サイクロイド・ディスクのプロファイルを適切なクリアランス込みで正確に加工すれば、さらに良い結果が得られるはずです。

3Dプリント版についても、スライサーの水平拡張設定を最適化し、ディスクを厚くして接触面積を増やすなどの設計改善で精度と耐久性を高められます。

今後のロボット制作プロジェクトで、このタイプのサイクロイド・ドライブを積極的に採用していきたいと考えています。

このチュートリアルがお役に立てば幸いです。ご質問はコメント欄までお気軽にどうぞ。