Гармонічні приводи

Обертальний рух походить від вхідного вала, який може бути, наприклад, віссю серводвигуна. Це пов’язано з елементом під назвою «генерація хвилі», який має еліптичну форму та оточений еліптичним шарикопідшипником. Коли вал обертається, краї змінюють положення, тому виглядає, ніби він генерує хвилю руху. Ця частина вставляється всередину гнучкого шліца, виготовленого з жорсткого на кручення, але гнучкого матеріалу.

Матеріал приймає цей хвилеподібний рух, згинаючись відповідно до обертання вхідного вала, а також створює еліптичну форму. Зовнішній край цього гнучкого шліца має зуби шестерні, які придатні для перенесення високих навантажень без будь-яких проблем. Щоб перенести ці навантаження, гнучка шліца встановлюється всередину круглої шліци, яка є круглою шестернею з внутрішніми зубами.

Це зовнішнє кільце є жорстким, а його внутрішній діаметр дещо більший за велику вісь еліпса, утвореного гнучким шліцом. Це означає, що круглий шліц не набуває еліптичної форми інших двох компонентів, а замість цього він просто з’єднує свої внутрішні зубці з зубцями зовнішньої сторони гнучкого шліца, що призводить до обертання гнучкого шліца.

Швидкість обертання залежить від обертання вхідного вала та різниці в кількості зубців між гнучким шліцом і круглим шліцом. Гнучкий шліц має менше зубів, ніж круглий шліц, тому він може обертатися зі значно меншим числовим числом і в протилежному напрямку, ніж вхідний вал. Коефіцієнт зменшення визначається як: (кількість гнучких шліцьових зубів – кількість кругових шліцевих зубів) / кількість гнучких шліцевих зубців.

Так, наприклад, якщо гнучка шлица має 100 зубців, а кругла шлиця має 105, коефіцієнт зменшення становить (100 - 105) / 100=-0.05, що означає, що гнучка шлица має співвідношення -5/100 (мінус вказує на протилежний напрямок обертання). Різницю в кількості зубів можна змінити, щоб пристосуватись до різних коефіцієнтів зменшення, а отже, до різних спеціалізованих потреб і вимог.

У базовому гармонічному приводі є три елементи: круговий сплайн, гнучкий сплайн і генератор хвиль. Круговий шліц має внутрішні зубці, які зачіпаються із зовнішніми зубцями гнучкого шліца. Гнучкий шліц має менше зубців і, отже, менший ефективний діаметр, ніж круглий шліц.

Генератор хвиль має еліптичну форму і діє як сполучна ланка з двома роликами, які обертаються в гнучкому сплайні, змушуючи його поступово з’єднуватися з круглим сплайном у діаметрально протилежних точках. Якщо генератор хвиль (вхід) обертається за годинниковою стрілкою, коли круговий сплайн фіксований, гнучкий сплайн (вихід) буде обертатися або котитися всередині кругового сплайна з набагато меншою швидкістю проти годинникової стрілки.

Співвідношення вхідної швидкості до вихідної швидкості залежить від різниці в кількості зубців у круглому шліці та гнучкому шліці. Коефіцієнти швидкості до 320 до 1 можуть бути створені в гармонійних приводах з одним-зменшенням, які легші, менші й ефективніші, ніж звичайні приводи з високим-відношенням. Складені приводи можуть створювати коефіцієнти до 1 000 000 до 1. Круговий сплайн, гнучкий сплайн або генератор хвиль можуть бути фіксованими, тоді як інші два елементи служать вхідними та вихідними сигналами.

Унікальною та корисною характеристикою Harmonic Drive є його здатність передавати рух через герметичні стіни. Зуби flexspline можна розмістити поблизу центру довгої герметично закритої гнучкої циліндричної трубки. Генератор хвиль може знаходитися всередині труби, і своїм обертанням він може відхиляти гнучкий сплайн і виробляти повільне обертання оточуючого кругового сплайну.

Обертова --лінійна версія Harmonic Drive використовує гвинт і переміщує керуючий стрижень у головці ядерного реактора без механічного контакту через герметичну трубу. Системи Harmonic Drive корисні для збільшення вихідного крутного моменту в передачах, які використовуються у фрезеруванні, на виробництві та в машинах, які використовують роботизовані руки. Вони використовуються в різноманітних сферах застосування, починаючи від таких недорогих споживчих товарів, як торговельні автомати, до складних систем для військового та аерокосмічного використання.

Гармонійні приводні шестерні широко використовуються в космічних програмах, робототехніці та системах точного позиціонування завдяки їхнім привабливим характеристикам, зокрема майже-нульовому люфту, високому коефіцієнту зниження швидкості, компактним розмірам і малій вазі. Вони мають притаманну періодичну помилку позиціонування, відому як кінематична помилка, що відповідає за погіршення продуктивності трансмісії.

Мати чітке уявлення про механізми помилок руху та їх характеристику. Ми повідомляємо аналітичні та експериментальні результати помилок руху, використовуючи спеціальне дослідження обладнання для тестування гармонійного приводу. Спочатку показано, що похибка, яка називається кінематичною похибкою, насправді складається з основного компонента, що представляє «чисту» кінематичну похибку, забарвленого другим компонентом, що виникає внаслідок властивої торсійної гнучкості гармонійних приводних передач.

Останній компонент пояснює джерело мінливості опублікованих профілів кінематичних помилок. Розкладання кінематичної похибки на основний компонент і компонент, пов'язаний з гнучкістю, демонструється експериментально, а також аналітично шляхом зіставлення математичної моделі з експериментальними даними. Також охарактеризовано залежність кінематичної похибки від інерційного навантаження, механізму передачі та швидкості обертання.