Αρμονικοί δίσκοι

Η περιστροφική κίνηση προέρχεται από έναν άξονα εισόδου που μπορεί να είναι ένας άξονας σερβοκινητήρα για παράδειγμα. Αυτό συνδέεται με ένα στοιχείο που ονομάζεται "δημιουργία κυμάτων" το οποίο έχει ελλειπτικό σχήμα και περιβάλλεται από ένα ελλειπτικό ρουλεμάν. Καθώς ο άξονας περιστρέφεται, οι άκρες αλλάζουν θέση, οπότε φαίνεται σαν να δημιουργεί ένα κύμα κίνησης. Αυτό το τμήμα εισάγεται μέσα σε μια εύκαμπτη σφήνα που είναι κατασκευασμένη από ένα στρεπτικά άκαμπτο αλλά εύκαμπτο υλικό.

Το υλικό καταλαμβάνει αυτή την κυματιστή κίνηση κάμπτοντας ανάλογα με την περιστροφή του άξονα εισόδου και δημιουργεί επίσης ένα ελλειπτικό σχήμα. Το εξωτερικό άκρο αυτού του εύκαμπτου σπάιν διαθέτει δόντια γραναζιών που είναι κατάλληλα για τη μεταφορά υψηλών φορτίων χωρίς κανένα πρόβλημα. Για τη μεταφορά αυτών των φορτίων, η εύκαμπτη νήμα προσαρμόζεται μέσα στην κυκλική σφήνα, η οποία είναι ένα στρογγυλό γρανάζι με εσωτερικά δόντια.

Αυτός ο εξωτερικός δακτύλιος είναι άκαμπτος και η εσωτερική του διάμετρος είναι οριακά μεγαλύτερη από τον κύριο άξονα της έλλειψης που σχηματίζεται από την εύκαμπτη σφήνα. Αυτό σημαίνει ότι ο κυκλικός σφήνας δεν παίρνει το ελλειπτικό σχήμα των άλλων δύο εξαρτημάτων, αλλά αντίθετα, απλώς πλέκει τα εσωτερικά του δόντια με εκείνα της εξωτερικής πλευράς του εύκαμπτου σφήνα, με αποτέλεσμα την περιστροφή του εύκαμπτου σπινθηρισμού.

Ο ρυθμός περιστροφής εξαρτάται από την περιστροφή του άξονα εισόδου και τη διαφορά στον αριθμό των δοντιών μεταξύ του εύκαμπτου και του κυκλικού άξονα. Ο εύκαμπτος σφήνας έχει λιγότερα δόντια από τον κυκλικό σπάγγο, επομένως μπορεί να περιστρέφεται με πολύ μειωμένη αναλογία και προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτή του άξονα εισόδου. Η αναλογία μείωσης δίνεται από: (αριθμός δοντιών flex spline – αριθμός κυκλικών δοντιών spline) / αριθμός flex spline δοντιών.

Έτσι, για παράδειγμα, εάν η ευκαμψία σφήνα έχει 100 δόντια και η κυκλική 105, η αναλογία μείωσης είναι (100 - 105) / 100=-0.05 που σημαίνει ότι η αναλογία flex spline είναι -5/100 (το μείον υποδηλώνει την αντίθετη κατεύθυνση της περιστροφής). Η διαφορά στον αριθμό των δοντιών μπορεί να αλλάξει για να καλύψει διαφορετικές αναλογίες μείωσης και επομένως διαφορετικές εξειδικευμένες ανάγκες και απαιτήσεις.

Υπάρχουν τρία στοιχεία σε ένα βασικό Harmonic Drive: μια κυκλική spline, μια flexspline και μια γεννήτρια κυμάτων. Η κυκλική σπονδυλική στήλη έχει εσωτερικά δόντια που δένουν με εξωτερικά δόντια στο flexspline. Η flexspline έχει λιγότερα δόντια και κατά συνέπεια μικρότερη αποτελεσματική διάμετρο από την κυκλική spline.

Η γεννήτρια κύματος είναι ελλειπτικού σχήματος και λειτουργεί ως σύνδεσμος με δύο κυλίνδρους που περιστρέφονται εντός του flexspline, αναγκάζοντάς την να πλέκει με τον κυκλικό σφήνα προοδευτικά σε διαμετρικά αντίθετα σημεία. Εάν η γεννήτρια κύματος (η είσοδος) περιστρέφεται δεξιόστροφα ενώ η κυκλική σφήνα είναι σταθερή, η flexspline (η έξοδος) θα περιστραφεί ή θα κυλήσει μέσα στην κυκλική ράχη με πολύ πιο αργό ρυθμό αριστερόστροφα.

Η αναλογία της ταχύτητας εισόδου προς την ταχύτητα εξόδου εξαρτάται από τη διαφορά στον αριθμό των δοντιών στον κυκλικό σπάγγο και στον εύκαμπτο σπάγγο. Αναλογίες ταχύτητας τόσο υψηλές όσο 320 προς 1 μπορούν να δημιουργηθούν σε απλούς-εισαγωγούς αρμονικούς δίσκους μείωσης, οι οποίοι είναι ελαφρύτεροι, μικρότεροι και πιο αποτελεσματικοί από τους συμβατικούς δίσκους υψηλής-αναλογίας. Οι σύνθετοι δίσκοι μπορούν να παράγουν αναλογίες τόσο υψηλές όσο 1.000.000 προς 1. Είτε η κυκλική spline, η flexspline ή η γεννήτρια κυμάτων μπορεί να είναι σταθερά ενώ τα άλλα δύο στοιχεία χρησιμεύουν ως είσοδος και έξοδος.

Ένα μοναδικό και χρήσιμο χαρακτηριστικό του Harmonic Drive είναι η ικανότητά του να μεταδίδει κίνηση μέσω σφραγισμένων τοίχων. Τα δόντια flexspline μπορούν να τοποθετηθούν κοντά στο κέντρο ενός μακριού ερμητικά σφραγισμένου εύκαμπτου κυλινδρικού σωλήνα. Η γεννήτρια κύματος μπορεί να βρίσκεται μέσα στο σωλήνα και, με την περιστροφή της, μπορεί να εκτρέψει την εύκαμπτη λωρίδα και να παράγει μια αργή περιστροφή της κυκλικής περιστροφής.

Μια περιστροφική έκδοση-προς-της Harmonic Drive χρησιμοποιεί μια βίδα και μετακινεί τη ράβδο ελέγχου σε μια κεφαλή πυρηνικού αντιδραστήρα χωρίς μηχανική επαφή μέσω ενός σφραγισμένου σωλήνα. Τα συστήματα Harmonic Drive είναι χρήσιμα για την αύξηση της ροπής εξόδου σε γρανάζια που χρησιμοποιούνται στο φρεζάρισμα, στην κατασκευή και σε μηχανές που χρησιμοποιούν ρομποτικούς βραχίονες. Έχουν χρησιμοποιηθεί σε μια ποικιλία εφαρμογών, που κυμαίνονται από καταναλωτικά είδη χαμηλού{4}}όπως μηχανήματα αυτόματης πώλησης έως εξελιγμένα συστήματα για στρατιωτική και αεροδιαστημική χρήση.

Τα αρμονικά γρανάζια μετάδοσης κίνησης χρησιμοποιούνται ευρέως σε διαστημικές εφαρμογές, ρομποτική και συστήματα ακριβείας εντοπισμού θέσης λόγω των ελκυστικών χαρακτηριστικών τους, όπως η σχεδόν{0}}μηδενική ανταπόκριση, ο λόγος μείωσης υψηλής ταχύτητας, το συμπαγές μέγεθος και το μικρό βάρος. Διαθέτουν ένα εγγενές περιοδικό σφάλμα τοποθέτησης γνωστό ως κινηματικό σφάλμα που είναι υπεύθυνο για την υποβάθμιση της απόδοσης της μετάδοσης.

Να έχουν σαφή κατανόηση των μηχανισμών των σφαλμάτων κίνησης και του χαρακτηρισμού τους. Αναφέρουμε αναλυτικά και πειραματικά αποτελέσματα σφαλμάτων κίνησης χρησιμοποιώντας μια ειδική μελέτη εξοπλισμού δοκιμής αρμονικής μετάδοσης κίνησης. Καταρχάς αποδεικνύεται ότι το σφάλμα που ονομάζεται κινηματικό σφάλμα στην πραγματικότητα αποτελείται από ένα θεμελιώδες στοιχείο, που αντιπροσωπεύει το "καθαρό" κινηματικό σφάλμα, χρωματισμένο από ένα δεύτερο στοιχείο που προκύπτει από την εγγενή στρεπτική ευκαμψία των αρμονικών γραναζιών μετάδοσης κίνησης.

Το τελευταίο στοιχείο εξηγεί την πηγή μεταβλητότητας στα δημοσιευμένα προφίλ κινηματικών σφαλμάτων. Η αποσύνθεση του κινηματικού σφάλματος σε μια βασική συνιστώσα και μια συνιστώσα που σχετίζεται με την ευελιξία αποδεικνύεται πειραματικά καθώς και αναλυτικά με την αντιστοίχιση ενός μαθηματικού μοντέλου με πειραματικά δεδομένα. Χαρακτηρίζουμε επίσης την εξάρτηση του κινηματικού σφάλματος από το αδρανειακό φορτίο, τη διάταξη του γραναζιού και την ταχύτητα περιστροφής.