Entraînement cycloïdal usiné CNC ou imprimé en 3D - Comparaison de la conception, de l'assemblage et des performances

Dans cet article, nous allons jeter un œil à ma nouvelle version mise à jour de l'entraînement cycloïdal que j'ai réalisé dans la vidéo précédente, avec un rapport de réduction de 19:1 et voir comment il fonctionne avec des pièces usinées CNC par rapport à des pièces imprimées en 3D.

J'expliquerai comment j'ai conçu et assemblé ce pilote cycloïdal, ainsi que testerai sa précision et sa capacité de charge, en le pilotant avec des moteurs pas à pas NEMA17 et NEMA23.

Vous pouvez regarder la vidéo suivante ou lire le didacticiel écrit ci-dessous.

Présentation de l'entraînement cycloïdal

Dans ma vidéo précédente, j'ai déjà expliqué en détail ce qu'est l'entraînement cycloïdal et comment il fonctionne, je vous suggère donc de regarder cette vidéo au cas où vous ne seriez pas familier avec les pilotes cycloïdaux. Très rapide, un entraînement cycloïdal est un type unique de boîte de vitesses, ou réducteur de vitesse, qui offre un rapport de réduction très élevé avec une conception compacte mais robuste. 

Un entraînement cycloïdal est composé de cinq composants principaux :un arbre d'entrée à grande vitesse, un roulement excentrique, deux disques cycloïdaux, une couronne dentée avec des broches et des rouleaux et un arbre de sortie à vitesse lente avec des broches et des rouleaux.

L'arbre d'entrée entraîne le roulement excentrique, et le roulement excentrique entraîne les deux disques autour de la circonférence interne du boîtier de la couronne dentée. Le mouvement excentrique fait en sorte que les dents ou lobes du disque cycloïdal s'engagent avec les rouleaux du boîtier de la couronne dentée de manière à produire une rotation inverse à une vitesse réduite. Le rapport de réduction dépend du nombre de broches sur la couronne.

Encore une fois, vous pouvez trouver des explications plus détaillées dans ma vidéo précédente, ainsi que voir le prototype imprimé en 3D que j'ai réalisé pour cette vidéo. Il avait un rapport de réduction de 15:1 avec un diamètre de 115 mm.

Maintenant. pour cette version, je voulais augmenter le rapport de réduction mais en même temps rendre le pilote cycloïdal plus compact. Pour y parvenir, au lieu d'utiliser des roulements à billes comme rouleaux, j'utiliserai des bagues de diamètre beaucoup plus petit.

Le diamètre des rouleaux est en fait la dimension la plus cruciale car, avec le nombre de broches, ils définissent la taille de la boîte de vitesses. Voyons pourquoi en expliquant les processus que j'ai utilisés pour concevoir cet entraînement cycloïdal. 

Concevoir l'entraînement cycloïdal

J'ai donc d'abord défini le diamètre des rouleaux comme étant de 8 mm, car c'était la dimension des bagues que je pouvais commander facilement. Ensuite, je voulais avoir un rapport de réduction de 19:1, ce qui signifiait que le boîtier annulaire devait avoir 20 rouleaux. Je dessine donc un croquis avec ces 20 rouleaux de 8 mm de diamètre autour d'un cercle.

Maintenant, selon ces deux entrées, j'ai pu déterminer la taille minimale du diamètre primitif de la couronne dentée. Cette valeur, ainsi que la valeur d'excentricité qui doit être inférieure à la moitié du diamètre du rouleau, constituent les quatre principaux paramètres d'entrée utilisés pour générer la forme des disques cycloïdaux. 

Le profil du disque cycloïdal vient d'une Cycloïde, qui est une courbe tracée par un point qui roule le long d'une ligne droite sans glisser, ou en fait de sa variante, l'Epitrochoïde, qui est une courbe tracée par un point roulant sur une circonférence d'un cercle et elle est à distance du centre du cercle extérieur.

Pour tracer une telle courbe, nous pouvons utiliser les équations paramétriques suivantes qui peuvent être trouvées dans un document rédigé par Omar Younis pour le blog éducatif SOLIDWORKS.

Je vais maintenant vous montrer comment j'ai utilisé ces équations paramétriques pour créer les disques cycloïdaux à l'aide de SOLIDWORKS et de son outil Equation Driven Curve.

Voici les équations :

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)

Nous pouvons facilement générer la forme du disque cycloïdal en insérant les deux équations paramétriques en place. Bien entendu, nous devons utiliser nos paramètres dans les équations de manière appropriée. Quant aux paramètres « t », nous devrions utiliser la valeur de 0 à 2*Pi.

Cependant, nous devons noter que nous devons utiliser une valeur légèrement inférieure à 2*Pi pour que la courbe soit générée. Cela générera la courbe avec un petit espace qui pourra être facilement connecté avec une spline. 

Ensuite, nous pouvons simplement extruder le profilé, et réaliser les trous pour le roulement excentrique et les broches de sortie. Le diamètre de ces trous de sortie est égal au diamètre des rouleaux à broches + deux fois l'excentricité. Dans ce cas, cela fait 8 + 2*1 =10 mm de diamètre.

Néanmoins, construisons cet entraînement cycloïdal maintenant et voyons comment il fonctionne dans la vie réelle, à la fois avec des pièces usinées CNC et imprimées en 3D.

Téléchargement de modèles 3D et de fichiers STL

Vous pouvez trouver et télécharger le modèle 3D de ce lecteur cycloïdal sous forme de fichier STEP, ainsi que l'explorer dans votre navigateur sur Thangs :

Téléchargez le fichier .STEP du modèle 3D depuis Thangs.

Quant aux fichiers STL qui servent à l'impression 3D des pièces, vous pouvez les télécharger ici :

Ici, vous pouvez également télécharger les fichiers SOLIDWORKS :

Dessins :

J'ai utilisé ces dessins lors de la commande des pièces usinées CNC.

Commande des pièces usinées CNC

J'ai commandé les pièces usinées CNC chez PCBWay. Outre leurs services de fabrication de PCB, ils proposent également des services d'usinage CNC, d'impression 3D, de fabrication de tôle et de moulage par injection.

Commander les pièces est très simple. Il suffit de télécharger le modèle 3D et de sélectionner le matériau de la pièce. Ils ont à peu près n’importe quel matériel disponible. J'ai choisi l'aluminium pour la plupart des pièces, à l'exception des disques cycloïdaux que je voulais réaliser dans un matériau plus résistant, j'ai donc choisi l'acier inoxydable pour eux.

Nous avons également la possibilité de choisir différentes finitions de surface, comme l'anodisation, le brossé, la peinture par pulvérisation, etc., ainsi que de choisir la rugosité et la tolérance de la surface. Pour les pièces pour lesquelles j'avais besoin de tolérances plus strictes que celles standard, j'ai également inclus des dessins contenant les tolérances spécifiques dont j'avais besoin. 

Nous pouvons ajouter plusieurs pièces et demander un devis pour chacune d'elles en une seule commande. 

Les pièces sont arrivées dans les délais estimés et bien emballées, chaque article protégé séparément.

Je dois dire que c’est assez satisfaisant d’avoir quelque chose que vous avez conçu et fabriqué en métal. Les pièces sont superbes et tout est exactement le même que dans la conception. Assurez-vous de visiter le site Web PCBWay pour en savoir plus sur leurs services.

Néanmoins, pour la version imprimée en 3D, j'ai réalisé les pièces moi-même en utilisant un matériau PLA. Lors de l'impression 3D des pièces, il est important d'utiliser la fonction d'expansion horizontale des trous dans votre logiciel de découpage.

Habituellement, les trous des pièces imprimées en 3D sont plus petits que la taille d'origine, donc grâce à cette fonctionnalité, nous pouvons compenser cela et obtenir des dimensions plus précises. J'ai réglé le mien à 0,07 et la fonction d'expansion horizontale qui compense les dimensions extérieures des pièces à 0,02 mm. Bien sûr, vous devriez faire quelques tests d'impression pour voir quelles valeurs vous donneront le résultat le plus précis sur votre imprimante 3D.

Assemblage des entraînements cycloïdaux

Très bien, passons donc à l’assemblage des entraînements cycloïdaux. Ici, j'ai toutes les pièces. Je vais commencer par assembler la version usinée CNC, puis celle imprimée en 3D.

Voici une liste de tous les composants nécessaires à l'assemblage de cet entraînement cycloïdal :

• Tige de cylindre en acier de 6 mm …………………..…. Amazon / AliExpress
  L =30 mm x 20 pièces ; L=22 mm x6 pièces pour un lecteur
• Bagues de 8 mm ………………………………………. Amazon / AliExpress
  L =20 mm x 20 pièces ; L=15 mm x6 pièces pour un lecteur
• Roulement à billes 35x47x7 6807-2RS – x2 …. Amazon  / AliExpress
• Roulement à billes 17x26x5mm 6803ZZ x2 …. Amazone / AliExpress
• Inserts filetés ………………………..………. Amazon  / AliExpress
• Boulons M3 et M4 provenant de votre quincaillerie locale. J'inclurai une liste complète des boulons nécessaires pour ce projet dans quelques jours

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J'ai commencé par sécuriser le coupleur d'arbre sur le moteur pas à pas NEMA17. Le coupleur d'arbre doit être à une distance de 2 mm de la plaque avant du moteur et nous pouvons facilement le fixer à l'aide de deux vis sans tête. Ensuite, nous pouvons fixer la plaque de base au stepper avec quatre boulons M3.

Vient ensuite la partie la plus importante de cet assemblage, le boîtier des rouleaux de la couronne dentée. Ici, nous devons installer les rouleaux qui, dans ce cas, sont des bagues de 8 mm de diamètre et doivent avoir une longueur de 20 mm. Cependant, je n'ai pas trouvé cette dimension au moment de la commande, j'utilise donc ici deux bagues de 10 mm de longueur.

Les broches sur lesquelles ces bagues sont installées ont un diamètre de 6 mm et une longueur de 30 mm. Les trous au bas du boîtier sont dimensionnés pour s'adapter parfaitement aux broches afin qu'elles restent fermement en place. Par conséquent, nous devons ici utiliser une certaine force pour les installer. Les voici, 20 rouleaux, ce qui nous donnera un rapport de réduction de 19:1.

Le boîtier de la couronne dentée se place au-dessus de la plaque de base et ici, nous devons d'abord insérer une bague d'écartement qui maintiendra les rouleaux de sortie en place. 

Ensuite, nous pouvons installer l'arbre excentrique qui va sur le coupleur d'arbre NEMA17. En fait, avant de l'installer, nous devons insérer les deux roulements d'un diamètre intérieur de 17 mm et d'un diamètre extérieur de 26 mm.

Vous voyez, tout s'accorde parfaitement. J'ai défini les tolérances où les roulements vont être un ajustement serré afin que les roulements restent fermement en place. C'est pourquoi j'ai dû utiliser un peu de force ici pour les insérer.

Cet ensemble représente le roulement excentrique. Ensuite, on peut installer les deux disques cycloïdaux sur le roulement excentrique. Ce sont également des ajustements serrés et nous devons utiliser une certaine force pour les installer. Cet ajustement était encore plus serré car j'ai commandé par erreur que les disques cycloïdaux soient recouverts de poudre, ils avaient donc un peu plus de matière et la tolérance n'était pas correcte. 

Néanmoins, nous pouvons également installer une bague d'écartement entre les deux disques cycloïdaux afin de les maintenir en place au cas où l'ajustement entre le roulement et les disques se desserrait.

On peut alors insérer cet ensemble dans son ensemble dans le boîtier ou un disque à la fois. Cet ajustement entre les disques cycloïdaux et les rouleaux de la couronne dentée est crucial car il définit les performances de l'entraînement. Alors que j'essayais de rendre cet ajustement aussi serré que possible afin que le disque ait un minimum de jeu, j'ai rencontré un problème car le disque ne pouvait pas s'y insérer.

Le problème était dû au fait que je n'avais fait aucun jeu ou décalage par rapport au profil de disque cycloïdal que j'avais obtenu à partir des équations paramétriques, et en plus de cela, j'ai commandé les disques avec un revêtement en poudre, ce qui a également augmenté leur taille. En plus de cela, les bagues que j'avais n'étaient pas très bonnes et avaient un diamètre légèrement supérieur à 8 mm.

Ainsi, afin de résoudre ce problème, j'ai dû commander de nouveaux disques cycloïdaux, mais j'ai décidé d'essayer de retirer un peu de matière du profil du disque à l'aide d'un outil rotatif. Après quelques ponçages, j'ai pu insérer le disque.

Bien sûr, ce n’est pas la meilleure solution, mais nous verrons comment cela fonctionnera. 

Néanmoins, lors de l'insertion des deux disques dans le boîtier, il faut les placer déphasés de 180 degrés.

Il y a un trou dans les disques qui peut être utilisé pour les positionner correctement. Nous devrions retourner un disque et ouvrir les deux trous. Une fois insérés, nous pouvons mettre le moteur sous tension et voir comment les disques cycloïdaux fonctionnent en combinaison avec le roulement excentrique et les rouleaux de la couronne dentée.

Les disques cycloïdaux tournent avec un mouvement excentrique opposé à l'arbre d'entrée et à une vitesse 19 fois plus lente. 

Désormais, ce mouvement excentrique sera transféré à l'arbre de sortie à travers les six trous des disques cycloïdaux. Voici l'arbre de sortie. Nous devons sécuriser six broches sur lesquelles iront les bagues. Les broches mesurent 6 mm de diamètre et 22 mm de longueur. Les trous sur l'arbre de sortie sont dimensionnés pour permettre un ajustement serré afin qu'ils restent fermement en place une fois installés, et nous devons donc utiliser une certaine force pour les installer.

Une fois les broches sécurisées, nous pouvons insérer les bagues de 8 mm. Ici, nous avons besoin de bagues de 15 mm de long, mais au moment de réaliser ce projet, je n'ai pas trouvé cette dimension, j'ai donc utilisé des bagues de 10 mm mais j'ai inséré des rondelles pour compenser.

En fait, j'ai utilisé une seule rondelle au lieu de deux comme le montre la vidéo. Cependant, les liens inclus pour tous les composants nécessaires à ce projet ont les dimensions correctes. 

Avant d'insérer l'arbre de sortie en place, nous devons insérer une bague d'écartement et un roulement qui supporteront à la fois l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie. Ensuite, nous pouvons simplement insérer l'arbre de sortie dans les trous des disques cycloïdaux.

Sur l'arbre de sortie, nous devons insérer une bague d'écartement supplémentaire et un roulement d'un diamètre intérieur de 35 mm.

Nous pouvons enfin terminer l'assemblage en insérant le couvercle du boîtier par-dessus le tout et en le fixant avec six boulons M6 de 45 mm de longueur. Et voilà, l'entraînement cycloïdal est maintenant entièrement assemblé, j'aime vraiment le résultat.

Désormais, comme pour la version imprimée en 3D, nous pouvons suivre exactement la même procédure pour l'assembler.

Une étape supplémentaire ici est que nous devons installer des inserts filetés sur l'arbre de sortie, afin de pouvoir y attacher des objets. 

Tests

Très bien, maintenant que les deux pilotes cycloïdaux sont prêts et il est temps de les soumettre à quelques tests et de voir comment ils fonctionnent. Un petit mot avant de voir les tests, le poids de la version usinée CNC est considérablement plus élevé que celui imprimé en 3D.

Couple

Je vais commencer par tester le couple que ces entraînements cycloïdaux peuvent produire. Ici, je mets les deux entraînements côte à côte et je mesure la force qu'ils peuvent produire à une distance de 10 cm.

Ils ont tous deux produit une force d’environ 45 N à une distance de 10 cm, ce qui se traduit en couple, soit environ 450 Ncm de couple. Cependant, celui usiné CNC donnait des résultats un peu plus élevés et plus cohérents.

D'un autre côté, ces moteurs pas à pas NEMA17 sont évalués à 28 Ncm, ce qui signifie que nous avons une augmentation de couple d'environ 16 fois. Cela représente une efficacité d'environ 85 % si l'on considère que le rapport de réduction est de 19 : 1, et dans des conditions idéales, nous devrions obtenir une augmentation de couple de 19 fois. 

Néanmoins, voyons comment ils fonctionneront lorsque nous leur fixerons des moteurs pas à pas NEMA23. J'ai conçu l'entraînement cycloïdal afin que nous puissions l'utiliser avec les moteurs NEMA17 et NEMA23. Cependant, afin de garder la conception aussi compacte que possible, le passage de NEMA17 à NEMA23 nécessite quelques travaux.

Nous devons démonter certaines pièces et changer la plaque de base pour l'adapter aux trous NEMA23. Nous devons également utiliser un autre coupleur d'arbre car le NEMA23 a un arbre plus grand. Donc en gros, il suffit de changer ces deux parties et de tout remonter. 

J'ai également changé le moteur pas à pas en NEMA23 sur la version imprimée en 3D. Ici, lorsque j'ai démonté le driver, j'ai remarqué que les disques cycloïdaux commençaient déjà à montrer une certaine usure.

On peut remarquer que l’usure est plus présente sur une face des disques, et je suppose que c’est la face inférieure des pièces lors de l’impression 3D. Cela est dû au fait que les deux premières couches lors de l’impression 3D ont tendance à extruder davantage de filament. 

Néanmoins, voici les deux drivers cycloïdaux avec les plus gros moteurs pas à pas NEMA23 que j'ai eu, afin de stresser au maximum les drivers.

J'ai d'abord commencé le test avec le même bâton de 10 cm que j'avais déjà utilisé, mais j'ai vite réalisé qu'il me fallait un bâton plus long, car à environ 25 % de la puissance du moteur pas à pas, j'avais déjà atteint 130 N à 10 cm, et mon dynamomètre peut mesurer un maximum de 200 N. J'ai donc dû augmenter la distance à laquelle je mesure la force afin de rester en dessous de 200N. 

J'ai attaché un bâton de pin plus long et j'ai essayé de mesurer la force à une distance de 50 cm. Eh bien, le bâton de pin s’est cassé sous une force d’environ 50 N, car il s’agit en fait d’un matériau assez fragile. Je l'ai donc remplacé par un bâton en contreplaqué plus solide, et j'ai pu mesurer la force à une distance de 50 cm.

J'ai obtenu une lecture d'environ 60 N, ce qui se traduit par un couple d'environ 3 000 Ncm ou 30 Nm de couple. C'est assez impressionnant. Jetez simplement un œil à la flexion du contreplaqué sous la charge.

En mesurant la force à une distance de 20 cm, j'ai obtenu une lecture d'environ 170 N, soit environ 34 Nm de couple. D'un autre côté, ce moteur pas à pas NEMA23 est évalué à 2,1 Nm, donc encore une fois, j'ai obtenu une augmentation de couple d'environ 16 fois, tout comme avec le test NEMA17. Encore une fois, cela représente une efficacité d’environ 85 %. 

Cependant, lors du test de la version imprimée en 3D avec le moteur pas à pas NEMA23, j'ai obtenu une lecture d'environ 65 Nm à une distance de 20 cm.

Cela représente un couple d’environ 13 Nm, ce qui est en réalité nettement inférieur au couple de 34 Nm que j’ai obtenu avec la version usinée CNC. Ainsi, avec ce test, nous pouvons réellement voir la différence entre les deux versions. Celui imprimé en 3D ne peut tout simplement pas suivre les forces que ce puissant moteur pas à pas NEMA23 peut produire. Même l'insert fileté a échoué sous ces charges.

Réaction négative

Néanmoins, j'ai également effectué quelques tests de précision. On voit que la répétabilité est bonne, aussi bien sur la version usinée CNC que sur la version imprimée en 3D. Cependant, une fois que nous appliquons une charge, nous pouvons remarquer que les disques présentent un certain jeu. La version usinée CNC a eu un meilleur résultat, montrant un jeu d'environ 4 mm à une distance d'environ 12 cm, lorsque la force est appliquée dans les deux sens, tandis que la version imprimée en 3D a montré un jeu de 7 mm, à une distance d'environ 15 cm.

Ce jeu de l'arbre, ou jeu, est présent car les dimensions des bagues n'étaient pas très précises, ainsi que le fait que je ponçais manuellement le profil des disques cycloïdaux car je les avais commandés par erreur avec un revêtement en poudre. Pour la même raison, nous pouvons également remarquer à quel point ce jeu est incohérent, certaines positions sur l'arbre ont plus de jeu que d'autres.

Conclusion

Néanmoins, nous pouvons certainement obtenir de meilleurs résultats si nous utilisons de meilleures bagues et si nous usinons le profil du disque cycloïdal avec les dimensions et le jeu appropriés. 

Bien entendu, la précision de la version imprimée en 3D peut également être améliorée en imprimant plus précisément l’entraînement cycloïdal. Nous pouvons y parvenir en expérimentant la fonction d'expansion horizontale lors de l'impression 3D des pièces, et pour une meilleure durabilité, nous pouvons concevoir les disques pour qu'ils soient plus larges et aient une meilleure surface de contact. 

J'essaierai certainement d'implémenter ce type d'entraînement cycloïdal dans certaines de mes futures vidéos lors de la réalisation de projets robotiques. 

J'espère que vous avez apprécié ce tutoriel et appris quelque chose de nouveau. N'hésitez pas à poser vos questions dans la section commentaires ci-dessous.