Comparaison Entraînements Cycloïdaux Usinés CNC et Imprimés 3D : Conception, Assemblage et Tests de Performance

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

J'explique la conception et l'assemblage de cet entraînement cycloïdal, ainsi que des tests de précision et de capacité de charge, en le pilotant avec des moteurs pas-à-pas NEMA17 et NEMA23.

Regardez la vidéo ou suivez le tutoriel écrit.

Vue d'ensemble de l'Entraînement Cycloïdal

Dans ma vidéo précédente, j'ai déjà expliqué en détail ce qu'est un entraînement cycloïdal et comment il fonctionne. Je suggère de la regarder si vous n'êtes pas familier. En résumé : un entraînement cycloïdal est un type unique de réducteur de vitesse / boîte de vitesses offrant un rapport de réduction très élevé dans un design compact mais robuste.

Il est composé de 5 éléments principaux : arbre d'entrée haute vitesse, excentrique, deux disques cycloïdaux, couronne à goupilles/rouleaux, arbre de sortie basse vitesse avec goupilles/rouleaux.

L'arbre d'entrée entraîne l'excentrique, qui fait tourner les deux disques le long de la circonférence interne de la couronne. Le mouvement excentrique fait engrener les lobes des disques cycloïdaux avec les rouleaux de la couronne de façon à produire une rotation inverse à vitesse réduite. Le rapport de réduction dépend du nombre de goupilles sur la couronne.

Plus de détails dans la vidéo précédente, ainsi que le prototype imprimé 3D (rapport 15:1, diam. 115 mm).

Ici, je voulais augmenter le rapport de réduction tout en rendant l'entraînement plus compact. Pour ça, au lieu de roulements à billes comme rouleaux, j'utilise des bagues (bushings) de plus petit diamètre.

Le diamètre des rouleaux est LA dimension cruciale : avec le nombre de goupilles, il définit la taille du réducteur. Voyons pourquoi en expliquant mon processus de conception.

Conception de l'Entraînement Cycloïdal

D'abord, j'ai fixé le diamètre des rouleaux à 8 mm (dimension des bagues faciles à commander). Je voulais un rapport 19:1 → couronne avec 20 rouleaux. J'ai tracé un croquis avec ces 20 rouleaux de 8 mm autour d'un cercle.

D'après ces 2 entrées, j'ai pu déterminer le diamètre primitif minimal de la couronne. Cette valeur, avec la valeur d'excentricité (doit être < moitié du diamètre du rouleau), forment les 4 paramètres principaux pour générer le profil des disques cycloïdaux.

Le profil du disque cycloïdal vient d'une cycloïde, courbe tracée par un point roulant sur une ligne sans glisser, ou sa variante, l'épitrochoïde : courbe tracée par un point roulant sur la circonférence d'un cercle, à une distance du centre du cercle extérieur.

Pour tracer une telle courbe, on utilise les équations paramétriques suivantes (document d'Omar Younis pour le blog éducation SOLIDWORKS).

Voici comment j'ai utilisé ces équations pour créer les disques cycloïdaux avec SOLIDWORKS et son outil « Courbe pilotée par équation ».

Équations :

Équations par Omar Younis
N - Nombre de rouleaux
Rr - Rayon du rouleau
R - Rayon du cercle des rouleaux (PCD/2)
E - Excentricité - décalage arbre entrée vers disque cycloïdal
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))
===================
Valeurs pour cet entraînement cycloïdal 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))

On génère facilement la forme du disque en insérant les 2 équations paramétriques. Bien sûr, utiliser nos paramètres dans les équations. Pour le paramètre « t », utiliser 0 à 2*Pi.

Mais utiliser une valeur légèrement inférieure à 2*Pi pour que la courbe se génère (sinon gap). Cela génère la courbe avec un petit trou qu'on referme par une spline.

Puis extrusion du profil, trous pour excentrique et goupilles de sortie. Diamètre trous sortie = diam. rouleaux + 2×excentricité = 8 + 2×1 = 10 mm.

Maintenant, construisons cet entraînement et testons en vrai, version CNC et version imprimée 3D.

Modèle 3D et Fichiers STL à Télécharger

Modèle 3D de cet entraînement cycloïdal en fichier STEP, et exploration navigateur sur Thangs :

Télécharger modèle 3D .STEP depuis Thangs.

Fichiers STL pour impression 3D des pièces :

Fichiers SOLIDWORKS :

Plans :

J'ai utilisé ces plans pour commander les pièces usinées CNC.

Commande des Pièces Usinées CNC

J'ai commandé les pièces usinées CNC chez PCBWay. En plus de la fabrication PCB, ils offrent usinage CNC, impression 3D, tôlerie, moulage par injection.

Commande super simple : upload modèle 3D, choix matériau. Presque tous matériaux dispo. J'ai choisi aluminium pour la plupart, sauf disques cycloïdaux en inox (plus résistant).

Options finitions : anodisé, brossé, peinture, etc., rugosité, tolérances. Pour pièces nécessitant tolérances plus serrées que standard, j'ai joint les plans avec tolérances spécifiques.

On peut ajouter plusieurs pièces et demander devis pour chacune dans une seule commande.

Pièces reçues dans les délais, bien emballées, chaque pièce protégée séparément.

C'est satisfaisant d'avoir un truc qu'on a conçu fabriqué en métal. Pièces superbes, tout conforme au design. Visitez PCBWay pour en savoir plus sur leurs services.

Pour la version imprimée 3D, j'ai fait les pièces moi-même en PLA. En impression 3D, il faut utiliser l'expansion horizontale des trous dans le trancheur.

D'habitude, trous imprimés 3D sortent plus petits → cette fonction compense pour dimensions plus précises. J'ai mis 0,07 pour trous, et expansion horizontale (dimensions extérieures) à 0,02 mm. Faites des essais pour trouver les valeurs optimales sur votre imprimante.

Assemblage des Entraînements Cycloïdaux

Allons-y pour l'assemblage. Voici toutes les pièces. Je commence par la version CNC, puis la version imprimée 3D.

Liste de tous les composants pour assembler cet entraînement cycloïdal :

• Tige cylindre acier 6 mm …………………..…. Amazon / AliExpress
  L=30 mm ×20 pcs ; L=22 mm ×6 pcs par entraînement
• Bagues 8 mm ……………………………………… Amazon / AliExpress
  L=20 mm ×20 pcs ; L=15 mm ×6 pcs par entraînement
• Roulement 35×47×7 6807-2RS – ×2 …. Amazon / AliExpress
• Roulement 17×26×5 mm 6803ZZ ×2 …. Amazon / AliExpress
• Inserts filetés ………………………..………. Amazon / AliExpress
• Boulons M3 et M4 (quincaillerie) – liste complète dans quelques jours

Note : Ce sont des liens d'affiliation. En tant qu'associé Amazon, je gagne sur les achats éligibles.

Je commence par fixer l'accouplement d'arbre sur le pas-à-pas NEMA17. L'accouplement doit être à 2 mm de la plaque avant du moteur, bloqué facilement par 2 vis sans tête. Puis on fixe la plaque de base sur le pas-à-pas par 4 boulons M3.

Ensuite, la plus grosse pièce : le corps de couronne à rouleaux. Il faut installer les rouleaux = bagues 8 mm diam., 20 mm long. Mais je n'ai pas trouvé cette dimension à la commande → ici j'utilise 2 bagues de 10 mm bout à bout.

Les goupilles pour ces bagues : diam. 6 mm, longueur 30 mm. Trous au fond du corps = ajustement serré pour tenue ferme. Donc faut forcer un peu pour les insérer. Voilà, 20 rouleaux → rapport 19:1.

Le corps de couronne va sur la plaque de base. D'abord, insérer une bague d'écartement qui tiendra les rouleaux de sortie.

Ensuite, l'arbre excentrique sur l'accouplement du NEMA17. Mais avant, il faut insérer les 2 roulements 17 mm int. / 26 mm ext.

Tout s'emboîte parfaitement. J'ai mis les tolérances des logements de roulements en ajustement serré (interférence) pour tenue ferme. Donc faut forcer pour les insérer.

Cet ensemble = excentrique. On installe les 2 disques cycloïdaux sur l'excentrique. Eux aussi ajustement serré → forcer pour insérer. Cet ajustement était encore plus serré car j'ai commandé les disques avec revêtement poudre par erreur → matière en plus, tolérance pas bonne.

On peut mettre une bague d'écartement entre les 2 disques pour les maintenir en place si le jeu roulement/disques se relâche.

On insère cet ensemble complet dans le corps (ou disque par disque). L'ajustement entre disques cycloïdaux et rouleaux de la couronne est CRUCIAL : il définit la performance. Comme je visais un ajustement le plus serré possible pour jeu minimal (backlash), j'ai eu un problème : le disque ne rentrait pas.

Problème : pas de jeu/dégagement (clearance) sur le profil du disque cycloïdal issu des équations paramétriques, ET disques revêtus poudre (taille augmentée), ET bagues légèrement > 8 mm.

Pour résoudre : j'ai commandé de nouveaux disques, mais j'ai essayé d'enlever de la matière au profil au rotofil. Après ponçage, j'ai réussi à insérer le disque.

Pas la meilleure solution, mais on verra les perfs.

Quand on insère les 2 disques dans le corps, ils doivent être déphasés de 180°.

Il y a un trou dans les disques pour les positionner correctement. On retourne un disque et aligne les 2 trous. Une fois insérés, on alimente le moteur et on voit les disques travailler avec l'excentrique et les rouleaux de la couronne.

Les disques tournent en mouvement excentrique inverse à l'arbre d'entrée, 19 fois plus lents.

Ce mouvement excentrique est transféré à l'arbre de sortie par les 6 trous dans les disques cycloïdaux. Voici l'arbre de sortie. Il faut fixer 6 goupilles pour les bagues. Goupilles : diam. 6 mm, 22 mm long. Trous sur arbre de sortie = ajustement serré → forcer pour insérer.

Goupilles fixées, on insère les bagues 8 mm. Il faut des bagues 15 mm mais je n'ai pas trouvé → bagues 10 mm + rondelles pour compenser. J'ai mis 1 rondelle au lieu de 2 comme dans la vidéo. Les liens fournis ont les bonnes dimensions.

Avant d'insérer l'arbre de sortie, mettre une bague d'écartement et un roulement qui supportera à la fois l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie. Puis insérer l'arbre de sortie dans les trous des disques cycloïdaux.

Sur l'arbre de sortie : encore une bague d'écartement et un roulement diam. int. 35 mm.

On termine en posant le couvercle du corps sur le tout et en serrant 6 boulons M6×45 mm. C'est fini, l'entraînement cycloïdal est assemblé, j'aime bien le rendu.

Pour la version imprimée 3D, même procédure d'assemblage.

Étape supplémentaire : installer des inserts filetés sur l'arbre de sortie pour y fixer des accessoires.

Tests

Maintenant que j'ai les 2 entraînements prêts, place aux tests de performance. Note rapide : le poids de la version CNC est considérablement plus élevé que la version imprimée 3D.

Couple

Je teste le couple de sortie. Les 2 entraînements côte à côte, mesure de force à 10 cm de distance.

Les deux sortent une force d'environ 45 N à 10 cm → ~450 Ncm de couple. La version CNC donne des résultats un peu plus hauts et plus constants.

Ces NEMA17 sont cotés 28 Ncm → multiplication ~16×. Rendement ~85 % (théorique 19× pour rapport 19:1).

Test avec NEMA23. J'ai conçu l'entraînement pour accepter NEMA17 et NEMA23. Mais pour garder le design compact, le swap NEMA17→NEMA23 demande du travail.

Faut démonter des pièces, changer la plaque de base pour trous NEMA23, changer l'accouplement d'arbre (arbre NEMA23 plus gros). En gros, changer ces 2 pièces et remonter.

J'ai mis NEMA23 sur la version imprimée 3D aussi. En démontant, j'ai vu que les disques cycloïdaux commençaient à montrer de l'usure.

Usure plus marquée d'un côté des disques (côté face inférieure à l'impression). Cause : les premières couches en impression 3D ont tendance à sur-extruder.

Voilà les 2 entraînements avec les plus gros NEMA23 que j'avais, pour les stresser au max.

J'ai commencé avec le même bâton 10 cm, mais vite réalisé qu'il me fallait plus long : à ~25 % puissance du pas-à-pas, j'atteignais déjà 130 N à 10 cm, et mon dynamomètre max = 200 N. Donc augmenter la distance de mesure pour rester sous 200 N.

Bâton pin plus long, mesure à 50 cm. Le pin a cassé à ~50 N (matériau faible). Remplacé par bâton contreplaqué plus costaud, mesure à 50 cm possible.

Lecture ~60 N → couple ~3 000 Ncm = 30 Nm. Impressionnant. Regardez comme le contreplaqué fléchit sous la charge.

À 20 cm : ~170 N → ~34 Nm. Ce NEMA23 est coté 2,1 Nm → encore multiplication ~16×, rendement ~85 %.

Mais sur la version imprimée 3D avec NEMA23 : lecture ~65 N à 20 cm.

Couple ~13 Nm, SIGNIFICATIVEMENT moins que les 34 Nm de la version CNC. La version imprimée 3D ne tient pas la charge de ce NEMA23 puissant. Même l'insert fileté a lâché sous la charge.

Jeu (Backlash)

Tests de précision aussi. Répétabilité bonne, versions CNC et imprimée 3D. Mais sous charge, on voit du jeu. Version CNC : ~4 mm de jeu à ~12 cm distance, force dans les 2 sens. Version imprimée 3D : ~7 mm à ~15 cm.

Ce jeu (backlash) vient de : dimensions des bagues pas assez précises, ET ponçage manuel des profils disques (erreur revêtement poudre). Pour la même raison, le backlash est incohérent : certaines positions de l'arbre ont plus de jeu que d'autres.

Conclusion

On peut définitivement obtenir de meilleurs résultats avec de meilleures bagues et des profils de disques usinés aux bonnes dimensions et avec le bon dégagement.

La précision de la version imprimée 3D peut aussi être améliorée en imprimant plus précisément (expérimenter expansion horizontale), et pour la durabilité, concevoir les disques plus larges pour meilleure surface de contact.

J'utiliserai sûrement ce type d'entraînement cycloïdal dans de futurs projets robotiques.

J'espère que ce tutoriel vous a plu et appris quelque chose. Questions en commentaires.