Comparación de unidades cicloidales mecanizadas por CNC e impresas en 3D:diseño, ensamblaje y pruebas de rendimiento

En este artículo, echaremos un vistazo a mi nueva versión actualizada del variador cicloidal que hice en el video anterior, con una relación de reducción de 19:1 y veremos cómo funciona con piezas mecanizadas por CNC en comparación con piezas impresas en 3D.

Explicaré cómo diseñé y ensamblé este controlador cicloidal, además de probar su precisión y capacidad de carga, conduciéndolo con motores paso a paso NEMA17 y NEMA23.

Puedes ver el siguiente vídeo o leer el tutorial escrito a continuación.

Descripción general de la transmisión cicloidal

En mi video anterior ya expliqué en detalle qué es la transmisión cicloidal y cómo funciona, por lo que te sugiero que veas ese video en caso de que no estés familiarizado con los controladores cicloidales. Muy rápido, un controlador cicloidal es un tipo único de caja de cambios o reductor de velocidad que proporciona una relación de reducción muy alta con un diseño compacto pero robusto. 

Una transmisión cicloidal se compone de cinco componentes principales:un eje de entrada de alta velocidad, un cojinete excéntrico, dos discos cicloidales, una corona dentada con pasadores y rodillos y un eje de salida de baja velocidad con pasadores y rodillos.

El eje de entrada impulsa el cojinete excéntrico y el cojinete excéntrico impulsa los dos discos alrededor de la circunferencia interna de la carcasa de la corona dentada. El movimiento excéntrico hace que los dientes o lóbulos del disco cicloidal se engranen con los rodillos de la carcasa de la corona de manera que produzcan una rotación inversa a una velocidad reducida. La relación de reducción depende del número de pasadores de la corona.

Nuevamente, puedes encontrar una explicación más detallada en mi video anterior, así como también ver el prototipo impreso en 3D que hice para ese video. Tenía una relación de reducción de 15:1 con un diámetro de 115 mm.

Ahora. Para esta construcción, quería aumentar la relación de reducción pero al mismo tiempo hacer que el controlador cicloidal fuera más compacto. Para conseguirlo, en lugar de utilizar rodamientos de bolas como rodillos, utilizaré casquillos de diámetro mucho menor.

El diámetro de los rodillos es en realidad la dimensión más importante porque, junto con el número de pasadores, definen el tamaño de la caja de cambios. Veamos por qué es así explicando los procesos que utilicé para diseñar este variador cicloidal. 

Diseño del accionamiento cicloidal

Entonces, primero definí el diámetro de los rodillos en 8 mm, ya que esa era la dimensión de los casquillos que podía pedir fácilmente. Luego quería tener una relación de reducción de 19:1, lo que significaba que la carcasa del anillo necesitaba tener 20 rodillos. Así que dibujo un boceto con estos 20 rodillos de 8 mm de diámetro alrededor del círculo.

Ahora, de acuerdo con estas dos entradas, pude determinar el tamaño mínimo del diámetro de paso de la corona. Este valor, junto con el valor de excentricidad que debe ser menor que la mitad del diámetro del rodillo, constituyen los cuatro parámetros de entrada principales que se utilizan para generar la forma de los discos cicloidales. 

El perfil del disco cicloidal proviene de una Cicloide, que es una curva trazada por un punto que rueda sobre una línea recta sin deslizarse, o más bien de su variación, Epitrocoide, que es una curva trazada por un punto que rueda sobre la circunferencia de un círculo y se encuentra a una distancia del centro del círculo exterior.

Para dibujar dicha curva, podemos utilizar las siguientes ecuaciones paramétricas que se pueden encontrar en un documento escrito por Omar Younis para el blog educativo de SOLIDWORKS.

Ahora les mostraré cómo utilicé estas ecuaciones paramétricas para crear los discos cicloidales usando SOLIDWORKS y su herramienta Curva basada en ecuaciones.

Aquí están las ecuaciones:

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)

Podemos generar fácilmente la forma del disco cicloidal insertando las dos ecuaciones paramétricas en su lugar. Por supuesto, debemos utilizar nuestros parámetros en las ecuaciones de forma adecuada. En cuanto a los parámetros “t”, debemos utilizar el valor de 0 a 2*Pi.

Sin embargo, debemos tener en cuenta que necesitamos usar un valor ligeramente menor que 2*Pi para que se genere la curva. Esto generará la curva con un pequeño espacio que se puede conectar fácilmente con una ranura. 

Luego simplemente podemos extruir el perfil y hacer los agujeros para el cojinete excéntrico y los pasadores de salida. El diámetro de estos orificios de salida es igual al diámetro de los rodillos del pasador + dos veces la excentricidad. En este caso, es 8 + 2*1 =10 mm de diámetro.

Sin embargo, construyamos este accionamiento cicloidal ahora y veamos cómo funciona en la vida real, tanto con piezas mecanizadas por CNC como impresas en 3D.

Descarga de modelos 3D y archivos STL

Puede buscar y descargar el modelo 3D de esta unidad cicloidal como un archivo STEP, así como explorarlo en su navegador en Thangs:

Descargue el archivo .STEP del modelo 3D de Thangs.

En cuanto a los archivos STL que se utilizan para imprimir las piezas en 3D, puedes descargarlos aquí:

Aquí también puedes descargar los archivos de SOLIDWORKS:

Dibujos:

Utilicé estos dibujos al pedir las piezas mecanizadas CNC.

Pedido de piezas mecanizadas CNC

Pedí las piezas mecanizadas por CNC a PCBWay. Además de sus servicios de fabricación de PCB, también ofrecen servicios de mecanizado CNC, impresión 3D, fabricación de chapa metálica y moldeo por inyección.

Pedir las piezas es muy fácil. Sólo tenemos que subir el modelo 3D y seleccionar el material de la pieza. Tienen prácticamente cualquier material disponible. Elegí aluminio para la mayoría de las piezas, excepto para los discos cicloidales, que quería que estuvieran hechos de un material más resistente, así que elegí acero inoxidable para ellos.

También tenemos la opción de elegir varios acabados superficiales, como anodizado, cepillado, pintura en aerosol, etc., así como elegir la rugosidad y tolerancia de la superficie. Para aquellas piezas que necesitaba tolerancias más estrictas que las estándar, también incluí dibujos que contenían las tolerancias específicas que necesitaba. 

Podemos añadir varias piezas y solicitar presupuesto para cada una de ellas en un único pedido. 

Las piezas llegaron dentro del tiempo estimado y bien embaladas, cada artículo protegido por separado.

Debo decir que es muy satisfactorio tener algo que has diseñado fabricado en metal. Las piezas se ven geniales y todo es exactamente igual que en el diseño. Asegúrese de visitar el sitio web de PCBWay para obtener más información sobre sus servicios.

Sin embargo, para la versión impresa en 3D, hice las piezas yo mismo utilizando material PLA. Al imprimir las piezas en 3D, es importante utilizar la función de expansión horizontal del orificio en su software de corte.

Normalmente, los agujeros de las piezas impresas en 3D son más pequeños que el tamaño original, por lo que con esta característica podemos compensarlo y obtener una dimensión más precisa. Configuré el mío en 0,07 y la función de Expansión horizontal que compensa las dimensiones exteriores de las piezas en 0,02 mm. Por supuesto, deberías hacer algunas impresiones de prueba para ver qué valores te darán el resultado más preciso en tu impresora 3D.

Montaje de las transmisiones cicloidales

Muy bien, sigamos con el montaje de las transmisiones cicloidales. Aquí tengo todas las piezas. Comenzaré ensamblando primero la versión mecanizada por CNC y luego la impresa en 3D.

Aquí hay una lista de todos los componentes necesarios para ensamblar este variador cicloidal:

• Varilla cilíndrica de acero de 6 mm ………………..…. Amazon / Aliexpress
  L=30mm x20 piezas; L=22 mm x6 piezas para una unidad
• Bujes de 8 mm ………………………………………. Amazon / Aliexpress
  L=20mm x20 piezas; L=15 mm x6 piezas para una unidad
• Rodamiento de bolas 35x47x7 6807-2RS – x2…. Amazon  / Aliexpress
• Rodamiento de bolas 17x26x5mm 6803ZZ x2…. Amazon / Aliexpress
• Inserciones roscadas ……………………..…………. Amazon  / Aliexpress
• Pernos M3 y M4 de su ferretería local. Incluiré una lista completa de los pernos necesarios para este proyecto en unos días

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Comencé asegurando el acoplador del eje en el motor paso a paso NEMA17. El acoplador del eje debe quedar a una distancia de 2mm de la placa frontal del motor, y podemos fijarlo fácilmente mediante dos tornillos prisioneros. Luego podemos asegurar la placa base al paso a paso con cuatro pernos M3.

A continuación viene la parte más grande de este conjunto, la carcasa de los rodillos de la corona. Aquí necesitamos instalar los rodillos que en este caso son casquillos de 8 mm de diámetro y deben tener 20 mm de largo. Sin embargo, no pude encontrar esa dimensión en el momento de realizar el pedido, así que aquí estoy usando dos casquillos con 10 mm de longitud.

Los pasadores sobre los que se instalan estos casquillos tienen un diámetro de 6 mm y una longitud de 30 mm. Los orificios en la parte inferior de la carcasa están dimensionados para encajar perfectamente con los pasadores de modo que permanezcan firmemente en su lugar. Por lo tanto, aquí necesitamos usar algo de fuerza para poder instalarlos. Aquí están, 20 rodillos, que nos darán una relación de reducción de 19:1.

La carcasa de la corona va encima de la placa base y aquí primero debemos insertar un anillo distanciador que mantendrá los rodillos de salida en su lugar. 

A continuación, podemos instalar el eje excéntrico que va en el acoplador de eje NEMA17. En realidad, antes de instalarlo, debemos insertar los dos rodamientos con un diámetro interior de 17 mm y un diámetro exterior de 26 mm.

Verás, todo encaja perfectamente. Establecí las tolerancias donde van los rodamientos para que tengan un ajuste de interferencia para que los rodamientos permanezcan firmemente en su lugar. Por eso tuve que usar algo de fuerza aquí para poder insertarlos.

Este conjunto representa el cojinete excéntrico. Luego, podemos instalar los dos discos cicloidales en el rodamiento excéntrico. Estos también son ajustes de interferencia y necesitamos usar algo de fuerza para instalarlos. Este ajuste fue aún más ajustado porque por error ordené que los discos cicloidales tuvieran recubrimiento en polvo, por lo que tenían un poco más de material y la tolerancia no era correcta. 

No obstante, también podemos instalar un anillo distanciador entre los dos discos cicloidales para mantenerlos en su sitio en caso de que se afloje el ajuste entre el rodamiento y los discos.

Luego podemos insertar este conjunto en su totalidad en la carcasa o un disco a la vez. Este ajuste entre los discos cicloidales y los rodillos de la corona es crucial ya que define qué tan bien funcionará la transmisión. Mientras intentaba hacer que esto encajara lo más ajustado posible para que la unidad tuviera un juego mínimo, encontré un problema porque el disco no podía encajar.

El problema se debió a que no hice ningún espacio libre o desplazamiento al perfil del disco cicloidal que obtuve de las ecuaciones paramétricas, y además de eso, pedí los discos con recubrimiento en polvo, lo que también aumentó su tamaño. Además de eso, los casquillos que tenía no eran tan buenos y tenían un diámetro ligeramente mayor que 8 mm.

Entonces, para resolver este problema, tuve que pedir discos cicloidales nuevos, pero decidí intentar quitar algo de material del perfil del disco usando una herramienta giratoria. Después de lijar un poco, pude colocar el disco.

Por supuesto, esta no es la mejor solución, pero veremos cómo funciona. 

Sin embargo, al introducir los dos discos en la carcasa, es necesario colocarlos con un desfase de 180 grados.

Hay un agujero en los discos que se puede utilizar para colocarlos correctamente. Debemos voltear un disco y encender los dos agujeros. Una vez insertado, podemos encender el motor y ver cómo funcionan los discos cicloidales en combinación con el rodamiento excéntrico y los rodillos de la corona.

Los discos cicloidales giran con movimiento excéntrico opuesto al eje de entrada y con una velocidad 19 veces más lenta. 

Ahora, este movimiento excéntrico se transferirá al eje de salida a través de los seis orificios de los discos cicloidales. Aquí está el eje de salida. Necesitamos asegurar seis pasadores sobre los que irán los casquillos. Los pasadores tienen 6 mm de diámetro y 22 mm de largo. Los orificios en el eje de salida están dimensionados para hacer un ajuste de interferencia de modo que permanezcan firmemente en su lugar cuando se instalan y, por lo tanto, necesitamos usar algo de fuerza para instalarlos.

Una vez que aseguramos los pasadores, podemos insertar los casquillos de 8 mm. Aquí necesitamos casquillos de 15 mm de largo, pero al momento de hacer este proyecto no pude encontrar esa dimensión, así que usé casquillos de 10 mm pero inserté algunas arandelas para compensar.

De hecho, usé solo una lavadora en lugar de dos como se muestra en el video. Sin embargo, los enlaces incluidos para todos los componentes necesarios para este proyecto tienen las dimensiones correctas. 

Antes de insertar el eje de salida en su lugar, necesitamos insertar un anillo distanciador y un rodamiento que soportará tanto el eje de entrada como el de salida. Luego podemos simplemente insertar el eje de salida en los orificios de los discos cicloidales.

En el eje de salida, necesitamos insertar un anillo distanciador más y un rodamiento con un diámetro interior de 35 mm.

Finalmente podemos finalizar el montaje introduciendo la tapa de la carcasa encima de todo y fijándola con seis tornillos M6 de 45mm de longitud. Y listo, el accionamiento cicloidal ya está completamente montado, me gusta mucho cómo quedó.

Ahora, en cuanto a la versión impresa en 3D, podemos seguir exactamente el mismo procedimiento para ensamblarla.

Un paso adicional aquí es que necesitamos instalar algunos insertos roscados en el eje de salida, para poder conectarle cosas. 

Pruebas

Muy bien, ahora que tengo los dos conductores cicloidales listos y es hora de someterlos a algunas pruebas y ver cómo se desempeñan. Una nota rápida antes de ver las pruebas, el peso de la versión mecanizada CNC es considerablemente mayor que la impresa en 3D.

Par

Comenzaré probando cuánto torque pueden generar estas unidades cicloidales. Aquí coloco los dos motores uno al lado del otro y mido la fuerza que pueden producir a una distancia de 10 cm.

Ambos generaron una fuerza de alrededor de 45 N a una distancia de 10 cm, lo que se tradujo en torque, es alrededor de 450 Ncm de torque. Sin embargo, el mecanizado CNC estaba dando resultados un poco mejores y más consistentes.

Por otro lado, estos motores paso a paso NEMA17 tienen una potencia nominal de 28 Ncm, lo que significa que tenemos un aumento de par de aproximadamente 16 veces. Esa es una eficiencia de alrededor del 85% considerando que la relación de reducción es de 19:1, y en condiciones ideales deberíamos obtener un aumento de par 19 veces. 

Sin embargo, veamos cómo funcionarán cuando les conectemos motores paso a paso NEMA23. Diseñé el variador cicloidal para que podamos usarlo con motores NEMA17 y NEMA23. Sin embargo, para mantener el diseño lo más compacto posible, el cambio de NEMA17 a NEMA23 requiere algo de trabajo.

Tenemos que desmontar algunas de las piezas, y cambiar la placa base para que encaje en los agujeros NEMA23. También necesitamos usar otro acoplador de eje ya que el NEMA23 tiene un eje más grande. Básicamente, solo necesitamos cambiar estas dos partes y volver a armar todo. 

También cambié el motor paso a paso a NEMA23 en la versión impresa en 3D. Aquí, cuando desarmé el controlador, noté que los discos cicloidales ya comenzaron a mostrar algo de desgaste.

Podemos notar que el desgaste está más presente en un lado de los discos, y supongo que ese es el lado inferior de las piezas cuando se imprimen en 3D. Esto se debe al hecho de que las primeras capas de la impresión 3D tienden a extruir más filamento. 

Sin embargo, aquí están los dos controladores cicloidales con los motores paso a paso NEMA23 más grandes que tuve, para estresar a los controladores lo más posible.

Inicialmente comencé la prueba con el mismo bastón de 10 cm que ya usaba, pero pronto me di cuenta de que necesitaba uno más largo, ya que con alrededor del 25 % de la potencia del motor paso a paso ya alcancé 130 N a 10 cm, y mi medidor de fuerza puede medir un máximo de 200 N. Entonces, tuve que aumentar la distancia a la que mido la fuerza para mantenerme por debajo de 200 N. 

Coloqué un palo de pino más largo e intenté medir la fuerza a una distancia de 50 cm. Bueno, la vara de pino se rompió con una fuerza de alrededor de 50 N, ya que en realidad es un material bastante débil. Así que lo reemplacé con un palo de madera contrachapada más fuerte y pude medir la fuerza a una distancia de 50 cm.

Obtuve una lectura de alrededor de 60 N, lo que traducido en torque es de alrededor de 3000 Ncm o 30 Nm de torque. Eso es bastante impresionante. Solo eche un vistazo a cuánto se dobla la madera contrachapada bajo la carga.

Al medir la fuerza a una distancia de 20 cm obtuve una lectura de alrededor de 170 N, que es alrededor de 34 Nm de torque. Por otro lado, este motor paso a paso NEMA23 tiene una potencia nominal de 2,1 Nm, por lo que nuevamente obtuve un aumento de par de aproximadamente 16 veces, al igual que con la prueba NEMA17. Nuevamente, esa es una eficiencia de alrededor del 85%. 

Sin embargo, al probar la versión impresa en 3D con el paso a paso NEMA23, obtuve una lectura de alrededor de 65 Nm a una distancia de 20 cm.

Eso es un par de alrededor de 13 Nm, que en realidad es significativamente menor en comparación con el par de 34 Nm que obtuve de la versión mecanizada por CNC. Entonces, con esta prueba podemos ver la diferencia entre las dos versiones. El impreso en 3D simplemente no puede seguir el ritmo de las fuerzas que puede generar este potente paso a paso NEMA23. Incluso el inserto roscado falló bajo estas cargas.

Contragolpe

Sin embargo, también hice algunas pruebas de precisión. Podemos ver que la repetibilidad es buena, tanto en la versión mecanizada por CNC como en la versión impresa en 3D. Sin embargo, una vez que aplicamos una carga, podemos notar que las unidades tienen cierta reacción. La versión mecanizada por CNC tuvo un mejor resultado, mostrando un juego de alrededor de 4 mm a una distancia de alrededor de 12 cm, cuando se aplicó fuerza en ambas direcciones, mientras que la versión impresa en 3D mostró un juego de 7 mm, a una distancia de alrededor de 15 cm.

Este juego del eje, o juego, está presente porque las dimensiones de los casquillos no eran tan precisas, además del hecho de que estuve lijando manualmente el perfil de los discos cicloidales porque por error los pedí con recubrimiento en polvo. Por la misma razón, también podemos notar cuán inconsistente es este juego, algunas posiciones en el eje tienen más juego que otras.

Conclusión

Sin embargo, definitivamente podemos obtener mejores resultados si utilizamos mejores bujes y mecanizamos el perfil del disco cicloidal con la dimensión y el espacio adecuados. 

Por supuesto, la precisión de la versión impresa en 3D también se puede mejorar imprimiendo el accionamiento cicloidal con mayor precisión. Podemos lograrlo experimentando con la función de expansión horizontal al imprimir las piezas en 3D y, para una mayor durabilidad, podemos diseñar los discos para que sean más anchos y tengan una mejor superficie de contacto. 

Definitivamente intentaré implementar este tipo de accionamiento cicloidal en algunos de mis videos futuros cuando haga algunos proyectos de robótica. 

Espero que hayas disfrutado este tutorial y hayas aprendido algo nuevo. No dude en hacer cualquier pregunta en la sección de comentarios a continuación.