Harmonické pohony

Rotačný pohyb pochádza zo vstupného hriadeľa, ktorým môže byť napríklad os servomotora. Ten je spojený s prvkom nazývaným „generovanie vlny“, ktorý má eliptický tvar a je obklopený eliptickým guľôčkovým ložiskom. Ako sa hriadeľ otáča, okraje menia polohu, takže to vyzerá, že generuje pohybovú vlnu. Táto časť je vložená do ohybnej drážky, ktorá je vyrobená z torzne tuhého, no zároveň flexibilného materiálu.

Materiál preberá tento vlnitý pohyb ohýbaním podľa rotácie vstupného hriadeľa a tiež vytvára eliptický tvar. Vonkajšia hrana tohto flexibilného drážkovania má ozubenie, ktoré je vhodné na bezproblémové prenášanie vysokého zaťaženia. Na prenos týchto zaťažení je ohybné drážkovanie namontované vo vnútri kruhového drážkovania, čo je okrúhle ozubené koleso s vnútornými zubami.

Tento vonkajší krúžok je tuhý a jeho vnútorný priemer je o niečo väčší ako hlavná os elipsy tvorenej ohybným drážkovaním. To znamená, že kruhové drážkovanie nepreberá eliptický tvar ostatných dvoch komponentov, ale namiesto toho jednoducho zaberá svoje vnútorné zuby so zubami na vonkajšej strane ohybného drážkovania, čo vedie k rotácii ohybného drážkovania.

Rýchlosť otáčania závisí od otáčania vstupného hriadeľa a rozdielu v počte zubov medzi flex drážkou a kruhovou drážkou. Ohybné drážkovanie má menej zubov ako kruhové drážkovanie, takže sa môže otáčať v oveľa menšom pomere a v opačnom smere ako vstupný hriadeľ. Redukčný pomer je daný: (počet flex drážkových zubov – počet kruhových drážkových zubov) / počet flex drážkových zubov.

Napríklad, ak má ohybná drážka 100 zubov a kruhová drážka 105, pomer redukcie je (100 - 105) / 100=-0.05, čo znamená, že pomer ohybnej drážky je -5/100 (mínus označuje opačný smer rotácie). Rozdiel v počte zubov môže byť zmenený tak, aby vyhovoval rôznym redukčným pomerom a tým rôznym špecializovaným potrebám a požiadavkám.

Základný Harmonic Drive obsahuje tri prvky: kruhové drážkovanie, flexspline a generátor vĺn. Kruhová drážka má vnútorné zuby, ktoré zapadajú do vonkajších zubov na flexspline. Flexspline má menej zubov a následne menší efektívny priemer ako kruhové drážkovanie.

Generátor vĺn má eliptický tvar a pôsobí ako spojka s dvoma valčekmi, ktoré sa otáčajú v rámci flexspline, čo spôsobuje, že sa postupne dostáva do záberu s kruhovým drážkovaním v diametrálne opačných bodoch. Ak sa generátor vĺn (vstup) otáča v smere hodinových ručičiek, zatiaľ čo kruhová drážka je pevná, flexspline (výstup) sa bude otáčať alebo rolovať vo vnútri kruhovej drážky oveľa pomalšie v smere proti smeru hodinových ručičiek.

Pomer vstupnej rýchlosti k výstupnej rýchlosti závisí od rozdielu v počte zubov v kruhovom drážkovaní a na flexspline. Rýchlostné pomery až 320 ku 1 je možné dosiahnuť pomocou jednoduchých-redukčných harmonických meničov, ktoré sú ľahšie, menšie a efektívnejšie ako bežné meničy s vysokým-pomerom. Zložené pohony môžu produkovať pomery až 1 000 000 ku 1. Buď kruhové drážkovanie, flexspline alebo vlnový generátor môžu byť pevné, zatiaľ čo ostatné dva prvky slúžia ako vstup a výstup.

Jedinečnou a užitočnou vlastnosťou Harmonic Drive je jeho schopnosť prenášať pohyb cez utesnené steny. Ohybné zuby môžu byť umiestnené blízko stredu dlhej hermeticky uzavretej ohybnej valcovej trubice. Generátor vĺn môže byť vo vnútri trubice a svojou rotáciou môže vychyľovať flexspline a vytvárať pomalé otáčanie obopínajúceho kruhového drážkovania.

Rotačná-až{1}}lineárna verzia Harmonic Drive využíva skrutku a pohybuje riadiacou tyčou v hlave jadrového reaktora bez mechanického kontaktu cez utesnenú trubicu. Systémy Harmonic Drive sú užitočné pri zvyšovaní výstupného krútiaceho momentu v prevodoch používaných pri frézovaní, vo výrobe a v strojoch, ktoré používajú robotické ramená. Používali sa v rôznych aplikáciách, od takých-nákladových spotrebných predmetov, ako sú predajné automaty, až po sofistikované systémy pre vojenské a letecké využitie.

Harmonické hnacie ozubené kolesá sú široko používané vo vesmírnych aplikáciách, robotike a presných polohovacích systémoch, pretože majú atraktívne vlastnosti vrátane takmer-nulovej vôle, vysokého pomeru zníženia rýchlosti, kompaktných rozmerov a nízkej hmotnosti. Majú inherentnú periodickú chybu polohovania známu ako kinematická chyba zodpovedná za zhoršenie výkonu prenosu.

Jasne rozumieť mechanizmom pohybových chýb a ich charakterizácii. Uvádzame analytické a experimentálne výsledky chýb pohybu pomocou špecializovanej štúdie zariadenia na testovanie harmonického pohonu. Najprv sa ukazuje, že chyba nazývaná kinematická chyba v skutočnosti pozostáva zo základnej zložky, ktorá predstavuje "čistú" kinematickú chybu, zafarbenú druhou zložkou, ktorá je výsledkom prirodzenej torznej pružnosti harmonických hnacích ozubených kolies.

Posledná zložka vysvetľuje zdroj variability v publikovaných profiloch kinematických chýb. Dekompozícia kinematickej chyby na základný komponent a komponent súvisiaci s flexibilitou sa demonštruje experimentálne aj analyticky porovnávaním matematického modelu s experimentálnymi údajmi. Charakterizujeme tiež závislosť kinematickej chyby od zotrvačného zaťaženia, zostavy ozubených kolies a otáčok.