CNC vs impresión 3D en transmisión cicloidal: Diseño, montaje y comparativa de rendimiento

En este artículo veremos mi nueva versión actualizada de la transmisión cicloidal (relación 19:1) y cómo rinde con piezas mecanizadas por CNC frente a piezas impresas en 3D. Explicaré diseño, montaje y testaré precisión y capacidad de carga con motores NEMA 17 y NEMA 23.

Puedes ver el vídeo o leer el tutorial a continuación.

Resumen de la transmisión cicloidal

En mi vídeo anterior ya expliqué en detalle qué es y cómo funciona, así que te sugiero verlo si no estás familiarizado. Resumen: una transmisión cicloidal es un reductor único que da alta relación de reducción en diseño compacto y robusto.

Consta de 5 componentes principales: eje de entrada alta velocidad, rodamiento excéntrico, dos discos cicloidales, corona con pasadores y rodillos, eje de salida baja velocidad con pasadores y rodillos.

El eje de entrada impulsa el rodamiento excéntrico, que hace girar los dos discos alrededor de la circunferencia interior de la carcasa de la corona. El movimiento excéntrico hace que los lóbulos/dientes de los discos engranen con los rodillos de la corona produciendo rotación inversa a velocidad reducida. La relación depende del número de pasadores en la corona.

Mi prototipo impreso en 3D anterior tenía 15:1 y 115 mm diámetro. Ahora quería aumentar la relación pero hacerla más compacta. Para ello, en lugar de rodamientos como rodillos, usaré casquillos (bushings) de diámetro mucho menor. El diámetro de los rodillos es la dimensión más crucial porque junto con el número de pasadores define el tamaño de la caja. Veamos por qué explicando el proceso de diseño.

Diseño de la transmisión cicloidal

Primero definí diámetro de rodillos = 8 mm (dimensión de casquillos que podía conseguir fácilmente). Quería relación 19:1 → corona necesita 20 rodillos. Dibujé boceto con 20 rodillos de 8 mm alrededor de un círculo.

Con estas dos entradas determiné el diámetro de paso mínimo de la corona. Este valor, junto con la excentricidad (menor que la mitad del diámetro del rodillo), conforman los cuatro parámetros principales para generar la forma de los discos cicloidales.

El perfil del disco proviene de una cicloide, curva trazada por un punto que rueda sobre una línea recta sin deslizar, o su variante epitrocoide (punto que rueda sobre circunferencia de un círculo a distancia del centro). Para dibujarla usamos ecuaciones paramétricas (documento de Omar Younis para blog educativo SOLIDWORKS). Muestro cómo usé estas ecuaciones en SOLIDWORKS con su herramienta Equation Driven Curve.

Ecuaciones:

Ecuaciones de Omar Younis
N - Número de rodillos
Rr - Radio del rodillo
R - Radio del PCD - Diámetro de paso
E - Excentricidad - offset del eje de entrada al disco cicloidal
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))
===================
Valores para esta transmisión cicloidal DIY:
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))

Insertamos las ecuaciones con nuestros parámetros. Para “t” usamos 0 a 2*Pi, pero ligeramente menor para que la curva se genere (queda hueco que se cierra con spline). Extruimos perfil y hacemos agujeros para rodamiento excéntrico y pasadores de salida. Diámetro agujeros = diámetro rodillos + 2×excentricidad = 8 + 2×1 = 10 mm.

Vamos a construirla y ver cómo funciona en la vida real, tanto con piezas CNC como impresas en 3D.

Modelo 3D y archivos STL para descargar

• Modelo 3D .STEP en Thangs.
• Archivos STL para impresión 3D.
• Archivos SOLIDWORKS.
• Planos (usados para pedir piezas CNC).

Pedido de piezas mecanizadas CNC

Pedí las piezas CNC a PCBWay. Además de fabricación de PCB, ofrecen mecanizado CNC, impresión 3D, chapa e inyección.

Pedir es súper fácil: subes modelo 3D y seleccionas material. Tienen casi cualquier material. Elegí aluminio para la mayoría, excepto discos cicloidales que quise en material más fuerte: acero inoxidable.

También se eligen acabados: anodizado, cepillado, pintura, rugosidad, tolerancias. Para piezas que necesitaban tolerancias más ajustadas que la estándar, incluí planos con tolerancias específicas. Se pueden añadir múltiples piezas y pedir presupuesto en un solo pedido.

Llegaron en plazo estimado y bien embaladas, cada pieza protegida por separado. Es muy satisfactorio tener algo que diseñaste fabricado en metal. Las piezas lucen geniales y todo exactamente igual al diseño. Visita PCBWay para más info.

Para la versión impresa en 3D, hice las piezas yo mismo con PLA. Al imprimir, es importante usar Hole Horizontal Expansion en el laminador. Los agujeros suelen salir más pequeños; con esta función compensamos y conseguimos dimensiones más exactas. Puse 0,07 y Horizontal Expansion (dimensiones exteriores) a 0,02 mm. Haz pruebas para ver qué valores dan mejor precisión en tu impresora.

Montaje de las transmisiones cicloidales

Tengo todas las piezas. Empiezo con versión CNC, luego la impresa.

Lista de componentes

• Varilla cilíndrica acero 6 mm ………………….. Amazon / AliExpress L=30 mm x20 uds; L=22 mm x6 uds por caja
• Casquillos 8 mm ……………………………………… Amazon / AliExpress L=20 mm x20 uds; L=15 mm x6 uds por caja
• Rodamiento 35x47x7 6807-2RS – x2 …. Amazon / AliExpress
• Rodamiento 17x26x5 mm 6803ZZ x2 …. Amazon / AliExpress
• Insertos roscados ………………………..………. Amazon / AliExpress
• Tornillos M3 y M4 de tu ferretería – incluiré lista completa en pocos días

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Empecé fijando acoplador de eje en motor NEMA 17. El acoplador debe estar a 2 mm de la placa frontal del motor, fácil con dos tornillos de presión. Luego fijé placa base al motor con 4 tornillos M3.

Sigue la pieza más grande: carcasa de rodillos de corona. Instalamos los rodillos (casquillos 8 mm, 20 mm largo). No encontré esa longitud al pedir, así que uso dos casquillos de 10 mm. Los pasadores son 6 mm diámetro, 30 mm largo. Los agujeros en la base de la carcasa están dimensionados para ajuste a presión con los pasadores, así que hay que usar fuerza para instalarlos. 20 rodillos → relación 19:1.

La carcasa va sobre la placa base; primero insertamos anillo de separación que mantendrá los rodillos de salida.

Instalamos eje excéntrico sobre acoplador del NEMA 17. Antes, insertamos dos rodamientos 17x26 mm en el eje excéntrico. Todo encaja perfecto. Puse tolerancias de interferencia para que los rodamientos se queden firmes; por eso tuve que forzar un poco.

Este conjunto es el rodamiento excéntrico. Instalamos los dos discos cicloidales sobre él. También son ajustes de interferencia, hay que forzar. Este ajuste fue aún más apretado porque pedí los discos con recubrimiento en polvo por error, así que tenían más material y la tolerancia no era correcta.

Podemos poner un anillo de separación entre los dos discos para mantenerlos en su sitio por si el ajuste se afloja.

Insertamos el conjunto en la carcasa (o disco a disco). El ajuste entre discos y rodillos de corona es crucial: define el rendimiento. Al intentar hacerlo lo más ajustado posible para mínimo juego, tuve problema: el disco no entraba.

Causa: no dejé holgura (offset) en el perfil del disco generado por ecuaciones, además pedí recubrimiento en polvo (aumenta tamaño), y los casquillos tenían diámetro ligeramente mayor a 8 mm.

Para solucionar, pedí discos nuevos, pero decidí probar a quitar material del perfil con herramienta rotativa. Tras lijar, conseguí meter el disco. No es la mejor solución, pero veremos rendimiento.

Al insertar los dos discos en la carcasa, deben colocarse 180° fuera de fase. Hay un agujero en los discos para posicionarlos: volteamos uno y alineamos los dos agujeros. Una vez insertados, encendemos motor y vemos cómo trabajan discos, excéntrico y rodillos de corona. Los discos giran con movimiento excéntrico opuesto al eje de entrada, 19× más lento.

Este movimiento excéntrico se transfiere al eje de salida a través de los 6 agujeros en los discos. Aquí el eje de salida: fijamos 6 pasadores para los casquillos. Pasadores 6 mm, 22 mm largo. Agujeros en eje de salida con ajuste de interferencia, hay que forzar.

Una vez asegurados pasadores, insertamos casquillos 8 mm. Necesitamos 15 mm largo pero no encontré esa dimensión, usé 10 mm con arandelas de compensación. En vídeo usé solo una arandela en vez de dos; los enlaces incluidos tienen dimensiones correctas.

Antes de insertar eje de salida, ponemos anillo de separación y rodamiento que soporta ambos ejes. Insertamos eje en agujeros de discos. En eje de salida ponemos otro anillo y rodamiento 35 mm interior. Terminamos poniendo tapa de carcasa y asegurando con 6 tornillos M6 de 45 mm. ¡Transmisión cicloidal totalmente montada, me encanta cómo quedó!

Para la versión impresa en 3D, seguimos el mismo procedimiento. Paso adicional: instalar inserts roscados en eje de salida para fijar cosas.

Tests

Ambas cajas listas para tests. Nota rápida: peso de versión CNC es considerablemente mayor que la impresa.

Par (torque)

Test de par: pongo las dos cajas lado a lado, mido fuerza a 10 cm.

Ambas dieron ~45 N a 10 cm → ~450 Ncm par. La CNC dio lecturas ligeramente más altas y consistentes.

Motores NEMA 17 rated 28 Ncm → aumento ~16×. Eficiencia ~85 % (relación 19:1, ideal 19×).

Probemos con NEMA 23. Diseñé la caja para usar ambos motores, pero cambiar de NEMA 17 a NEMA 23 requiere trabajo para mantener compacidad: desmontar partes, cambiar placa base para agujeros NEMA 23, usar otro acoplador (eje mayor). Básicamente cambiar esas dos piezas y volver a montar.

Cambié a NEMA 23 en versión impresa también. Al desmontar, noté que los discos cicloidales ya mostraban desgaste. Más presente en un lado (cara inferior al imprimir), debido a que las primeras capas tienden a extruir más filamento.

Ambas cajas con NEMA 23 más grandes para estresarlas al máximo. Empecé con barra 10 cm, pero a 25 % potencia ya alcanzé 130 N a 10 cm (límetro dinamómetro 200 N). Tuve que aumentar distancia para quedarme bajo 200 N. Puse barra de pino más larga, medí a 50 cm. Pino se rompió a ~50 N (material débil). Cambié a contrachapado fuerte, medí a 50 cm: ~60 N → ~3000 Ncm = 30 Nm. ¡Impresionante! Mira cómo se dobla la madera bajo carga.

A 20 cm medí ~170 N → ~34 Nm. NEMA 23 rated 2,1 Nm → aumento ~16×, eficiencia ~85 % de nuevo.

Pero con versión impresa y NEMA 23 obtuve ~65 N a 20 cm → ~13 Nm, significativamente menos que los 34 Nm de la CNC. La impresa no aguanta la fuerza de este potente NEMA 23. Incluso el inserto roscado falló bajo estas cargas.

Juego (backlash)

Tests de precisión: repetibilidad buena en ambas. Al aplicar carga, ambas tienen juego. CNC: ~4 mm juego a ~12 cm (fuerza ambas direcciones). Impresa: ~7 mm a ~15 cm.

El juego está presente porque dimensiones de casquillos no eran precisas, y porque lijé manualmente el perfil de discos por el error del recubrimiento. Por eso el juego es inconsistente: algunas posiciones tienen más juego que otras.

Conclusión

Definitivamente se pueden conseguir mejores resultados usando mejores casquillos y mecanizando el perfil de discos con dimensiones y holgura correctas.

La precisión de la versión impresa también puede mejorarse experimentando con Horizontal expansion al imprimir, y para mayor durabilidad diseñar discos más anchos con mejor superficie de contacto.

Seguro implementaré este tipo de transmisión cicloidal en futuros proyectos robóticos.

Espero que hayas disfrutado el tutorial y aprendido algo nuevo. Pregunta en comentarios.