Гармонические приводы

Вращательное движение исходит от входного вала, который может представлять собой, например, ось серводвигателя. Это связано с элементом, называемым «генерацией волн», который имеет эллиптическую форму и окружен эллиптическим шарикоподшипником. Когда вал вращается, края меняют положение, поэтому создается впечатление, что он генерирует волну движения. Эта деталь вставлена ​​внутрь гибкой шлицы, изготовленной из крутильно-жесткого, но гибкого материала.

Материал воспринимает это волнообразное движение, изгибаясь в соответствии с вращением входного вала, а также создает эллиптическую форму. На внешнем крае этой гибкой шлицы имеются зубья, которые без проблем переносят высокие нагрузки. Для передачи этих нагрузок гибкий шлиец установлен внутри кругового шлица, который представляет собой круглую шестерню с внутренними зубьями.

Это внешнее кольцо является жестким, а его внутренний диаметр немного больше главной оси эллипса, образованного гибкой шлицом. Это означает, что круговая шлица не принимает эллиптическую форму двух других компонентов, а вместо этого просто зацепляет свои внутренние зубья с зубцами внешней стороны гибкой шлицы, что приводит к вращению гибкой шлицы.

Скорость вращения зависит от вращения входного вала и разницы в количестве зубьев между гибкой и круглой шлицами. Гибкая шлица имеет меньше зубьев, чем круглая шлица, поэтому она может вращаться с гораздо меньшим передаточным отношением и в направлении, противоположном направлению вращения входного вала. Коэффициент уменьшения определяется по формуле: (количество зубьев гибкой шлицы – количество зубьев круглой шлицы) / количество зубьев гибкой шлицы.

Так, например, если у гибкого шлица 100 зубьев, а у круглого шлица — 105, коэффициент уменьшения равен (100 - 105) / 100=-0.05, что означает, что коэффициент гибкого шлица равен -5/100 (минус указывает на противоположное направление вращения). Разницу в количестве зубьев можно изменить в соответствии с различными коэффициентами редукции и, следовательно, с учетом различных специализированных потребностей и требований.

В базовом Harmonic Drive есть три элемента: круговой сплайн, гибкий сплайн и генератор волн. Круглая шлица имеет внутренние зубья, которые входят в зацепление с внешними зубцами гибкой шлицы. Гибкая шлица имеет меньше зубьев и, следовательно, меньший эффективный диаметр, чем круглая шлица.

Генератор волн имеет эллиптическую форму и действует как связующее звено с двумя роликами, которые вращаются внутри гибкого шлица, заставляя его постепенно входить в зацепление с круглым шлицем в диаметрально противоположных точках. Если генератор волн (вход) вращается по часовой стрелке, в то время как круговой сплайн зафиксирован, гибкий сплайн (выход) будет вращаться или катиться внутри кругового сплайна с гораздо меньшей скоростью в направлении против часовой стрелки.

Отношение входной скорости к выходной зависит от разницы количества зубьев в круговом и гибком шлице. Передаточные числа от 320 до 1 могут быть достигнуты в приводах Harmonic Drive с одним-редуктором, которые легче, меньше и более эффективны, чем обычные приводы с высоким-передаточным числом. Составные приводы могут обеспечивать передаточное отношение до 1 000 000 к 1. Либо круговая сплайн, либо гибкая сплайн, либо генератор волн может быть фиксированным, в то время как два других элемента служат входом и выходом.

Уникальной и полезной характеристикой Harmonic Drive является его способность передавать движение через герметичные стены. Зубья гибкой шлицы могут быть размещены вблизи центра длинной герметично закрытой гибкой цилиндрической трубки. Генератор волн может находиться внутри трубки и за счет своего вращения может отклонять гибкий сплайн и вызывать медленное вращение окружающего его кругового шлица.

В роторной---линейной версии Harmonic Drive используется винт, который перемещает управляющий стержень в головке ядерного реактора без механического контакта через герметичную трубку. Системы Harmonic Drive полезны для увеличения выходного крутящего момента в зубчатых передачах, используемых при фрезеровании, производстве и в машинах, использующих роботизированные руки. Они используются в различных приложениях: от таких недорогих потребительских товаров, как торговые автоматы, до сложных систем военного и аэрокосмического назначения.

Гармонические приводные механизмы широко используются в космических приложениях, робототехнике и системах точного позиционирования из-за их привлекательных качеств, включая почти-нулевой люфт, высокую степень понижения скорости, компактные размеры и малый вес. Им свойственна периодическая ошибка позиционирования, известная как кинематическая ошибка, ответственная за ухудшение характеристик передачи.

Иметь четкое представление о механизмах ошибок движения и их характеристике. Мы сообщаем аналитические и экспериментальные результаты ошибок движения, используя специальное исследование испытательного оборудования для гармонического привода. Впервые показано, что ошибка, называемая кинематической ошибкой, на самом деле состоит из фундаментальной составляющей, представляющей собой «чистую» кинематическую ошибку, окрашенную второй составляющей, возникающей из-за присущей гармоническим приводным шестерням крутильной гибкости.

Последний компонент объясняет источник изменчивости опубликованных профилей кинематических ошибок. Разложение кинематической ошибки на базовую составляющую и составляющую, связанную с гибкостью, демонстрируется экспериментально, а также аналитически путем сопоставления математической модели с экспериментальными данными. Также охарактеризована зависимость кинематической погрешности от инерционной нагрузки, узла передачи и частоты вращения.