Penggerak Cycloidal Mesin CNC vs Cetak 3D – Desain, Perakitan, dan Perbandingan Kinerja

Dalam artikel ini, kita akan melihat versi terbaru dari penggerak sikloidal yang saya buat di video sebelumnya, dengan rasio reduksi 19:1 dan melihat bagaimana kinerjanya yang dibuat dengan komponen mesin CNC versus dibuat dengan komponen cetakan 3D.

Saya akan menjelaskan bagaimana saya merancang dan merakit driver cycloidal ini, serta menguji akurasi dan kapasitas bebannya, mengendarainya dengan motor stepper NEMA17 dan NEMA23.

Anda dapat menonton video berikut atau membaca tutorial tertulis di bawah ini.

Ikhtisar Penggerak Sikloidal

Di video saya sebelumnya, saya sudah menjelaskan secara detail apa itu cycloidal drive dan cara kerjanya, jadi saya sarankan untuk memeriksa video tersebut jika Anda belum familiar dengan driver cycloidal. Sangat cepat, driver cycloidal adalah jenis gearbox unik, atau peredam kecepatan yang memberikan rasio reduksi sangat tinggi dengan desain kompak namun kuat. 

Penggerak sikloidal terdiri dari lima komponen utama, poros masukan berkecepatan tinggi, bantalan eksentrik, dua cakram sikloidal, roda gigi ring dengan pin dan rol, serta poros keluaran kecepatan lambat dengan pin dan rol.

Poros masukan menggerakkan bantalan eksentrik, dan bantalan eksentrik menggerakkan dua cakram di sekeliling lingkar dalam rumah roda gigi ring. Gerakan eksentrik membuat gigi atau lobus cakram sikloidal menyatu dengan roller rumah roda gigi ring sedemikian rupa sehingga menghasilkan putaran terbalik dengan kecepatan yang dikurangi. Rasio reduksi tergantung pada jumlah pin pada ring gear.

Sekali lagi, Anda dapat menemukan penjelasan lebih detail di video saya sebelumnya, serta melihat prototipe cetakan 3D yang saya buat untuk video tersebut. Rasio reduksinya 15:1 dengan diameter 115mm.

Sekarang. untuk build ini, saya ingin meningkatkan rasio reduksi tetapi pada saat yang sama membuat driver cycloidal lebih kompak. Untuk mencapai hal tersebut, daripada menggunakan bantalan bola sebagai roller, saya akan menggunakan bushing dengan diameter yang jauh lebih kecil.

Diameter roller sebenarnya adalah dimensi yang paling penting karena bersama dengan jumlah pin, mereka menentukan ukuran gearbox. Mari kita lihat alasannya dengan menjelaskan proses yang saya gunakan untuk merancang penggerak sikloidal ini. 

Merancang Penggerak Cycloidal

Jadi, pertama-tama saya tentukan diameter rollernya menjadi 8mm, karena itulah dimensi bushing yang bisa saya pesan dengan mudah. Lalu saya ingin mendapatkan rasio reduksi 19:1, yang berarti rumah cincin harus memiliki 20 rol. Jadi, saya menggambar sketsa dengan 20 rol dengan diameter lingkaran 8mm.

Sekarang berdasarkan dua masukan ini, saya bisa menentukan ukuran minimum diameter pitch ring gear. Nilai ini, bersama dengan nilai eksentrisitas yang harus lebih kecil dari setengah diameter roller, merupakan empat parameter masukan utama yang digunakan untuk menghasilkan bentuk cakram sikloidal. 

Profil piringan sikloidal berasal dari Cycloid, yaitu kurva yang dilacak oleh suatu titik ketika menggelinding sepanjang garis lurus tanpa tergelincir, atau sebenarnya variasinya, Epitrochoid, yaitu kurva yang dilacak oleh suatu titik yang menggelinding pada keliling lingkaran dan berada pada jarak dari pusat lingkaran luar.

Untuk menggambar kurva seperti itu, kita dapat menggunakan persamaan parametrik berikut yang dapat ditemukan dalam dokumen yang ditulis oleh Omar Younis untuk blog pendidikan SOLIDWORKS.

Sekarang saya akan menunjukkan kepada Anda bagaimana saya menggunakan persamaan parametrik ini untuk membuat disk sikloidal menggunakan SOLIDWORKS dan alat Equation Driven Curve-nya.

Berikut persamaannya:

Equations by Omar Younis
N - Number of rollers
Rr - Radius of the roller
R - Radius of the rollers PCD - Pitch Circle Diameter
E - Eccentricity - offset from input shaft to a cycloidal disk
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))
===================
Values for this DIY Cycloidal Drive:
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))Code language: JavaScript (javascript)

Kita dapat dengan mudah menghasilkan bentuk piringan sikloidal dengan memasukkan dua persamaan parametrik pada tempatnya. Tentu saja, kita harus menggunakan parameter kita dalam persamaan dengan tepat. Sedangkan untuk parameter “t”, kita harus menggunakan nilai dari 0 hingga 2*Pi.

Meskipun demikian, kita harus mencatat bahwa kita perlu menggunakan nilai yang sedikit lebih kecil dari 2*Pi, agar kurva dapat dihasilkan. Ini akan menghasilkan kurva dengan sedikit celah yang dapat dengan mudah dihubungkan dengan spline. 

Kemudian kita cukup mengekstrusi profilnya, dan membuat lubang untuk bantalan eksentrik dan pin keluaran. Diameter lubang keluaran ini sama dengan diameter pin roller + dua kali eksentrisitas. Dalam hal ini diameternya 8 + 2*1 =10mm.

Namun demikian, mari kita buat penggerak sikloidal ini sekarang dan lihat cara kerjanya di dunia nyata, baik dengan komponen mesin CNC maupun cetakan 3D.

Unduh Model 3D dan File STL

Anda dapat menemukan dan mengunduh model 3D drive Cycloidal ini sebagai file STEP, serta menjelajahinya di browser Anda di Thangs:

Unduh file .STEP model 3D dari Thangs.

Adapun file STL yang digunakan untuk pencetakan 3D bagian-bagiannya, Anda dapat mengunduhnya di sini:

Di sini Anda juga dapat mengunduh file SOLIDWORKS:

Gambar:

Saya menggunakan gambar ini saat memesan suku cadang mesin CNC.

Pemesanan Suku Cadang Mesin CNC

Saya memesan suku cadang mesin CNC dari PCBWay. Selain layanan pembuatan PCB, mereka juga menawarkan layanan Pemesinan CNC, Pencetakan 3D, Fabrikasi Lembaran Logam, dan Cetakan Injeksi.

Pemesanan suku cadangnya sangat mudah. Kita tinggal upload model 3D dan pilih material partnya. Mereka memiliki hampir semua materi yang tersedia. Saya memilih Aluminium untuk sebagian besar bagiannya, kecuali cakram sikloidal yang ingin saya buat dari bahan yang lebih kuat, jadi saya memilih baja tahan karat untuk bagian tersebut.

Kami juga mempunyai opsi untuk memilih berbagai penyelesaian permukaan, seperti anodisasi, kuas, pengecatan semprot, dan sebagainya, serta memilih kekasaran dan toleransi permukaan. Untuk bagian-bagian yang saya perlukan toleransi lebih ketat dari yang standar, saya juga menyertakan gambar yang berisi toleransi spesifik yang saya perlukan. 

Kami dapat menambahkan beberapa bagian dan meminta penawaran untuk masing-masing bagian dalam satu pesanan. 

Suku cadang tiba dalam perkiraan waktu dan dikemas dengan baik, setiap item dilindungi secara terpisah.

Saya harus mengatakan cukup memuaskan memiliki sesuatu yang Anda rancang diproduksi dari logam. Bagian-bagiannya tampak bagus dan semuanya persis sama seperti pada desainnya. Pastikan Anda mengunjungi situs web PCBWay untuk mempelajari lebih lanjut tentang layanan mereka.

Namun untuk versi cetak 3D, saya membuat sendiri bagian-bagiannya menggunakan bahan PLA. Saat mencetak komponen secara 3D, penting untuk menggunakan fitur Ekspansi Lubang Horizontal di perangkat lunak pengiris Anda.

Biasanya lubang pada bagian cetakan 3D lebih kecil dari ukuran aslinya, sehingga dengan fitur ini kami dapat mengimbanginya dan mendapatkan dimensi yang lebih akurat. Saya menetapkan milik saya ke 0,07, dan fitur Ekspansi Horizontal yang mengkompensasi dimensi luar bagian-bagian menjadi 0,02mm. Tentu saja, Anda harus melakukan beberapa tes pencetakan untuk melihat nilai apa yang akan memberikan hasil paling akurat pada Printer 3D Anda.

Merakit Penggerak Cycloidal

Baiklah, mari kita lanjutkan dengan merakit penggerak sikloidal. Di sini saya memiliki semua bagiannya. Saya akan mulai dengan merakit versi mesin CNC terlebih dahulu, lalu versi cetak 3D.

Berikut daftar seluruh komponen yang dibutuhkan untuk merakit cycloidal drive ini:

• Batang Silinder Baja 6mm …………………..…. Amazon / AliExpress
  P =30mm x 20 buah; L=22mm x6 buah untuk satu drive
• Bushing 8mm ………………………………………. Amazon / AliExpress
  L =20mm x 20 buah; L=15mm x6 buah untuk satu drive
• Bantalan Bola 35x47x7 6807-2RS – x2 …. Amazon  /AliExpress
• Bantalan Bola 17x26x5mm 6803ZZ x2 …. Amazon / AliExpress
• Sisipan berulir ………………………..………. Amazon  /AliExpress
• Baut M3 dan M4 dari toko perangkat keras lokal Anda – Saya akan menyertakan daftar lengkap baut yang diperlukan untuk proyek ini dalam beberapa hari

Pengungkapan:Ini adalah tautan afiliasi. Sebagai Rekanan Amazon, saya memperoleh penghasilan dari pembelian yang memenuhi syarat.

Saya mulai dengan mengencangkan poros coupler pada motor stepper NEMA17. Coupler poros harus berada pada jarak 2mm dari pelat depan motor, dan kita dapat dengan mudah mengencangkannya menggunakan dua sekrup grub. Kemudian kita bisa mengencangkan pelat dasar ke stepper dengan empat baut M3.

Berikutnya adalah bagian terbesar dalam rakitan ini, rumah rol roda gigi ring. Di sini kita perlu memasang roller yang dalam hal ini adalah bushing dengan diameter 8mm dan panjang harus 20mm. Namun, saya tidak dapat menemukan dimensi tersebut pada saat memesan, jadi di sini saya menggunakan dua bushing dengan panjang 10mm.

Pin tempat bushing ini dipasang berdiameter 6 mm dan panjang 30 mm. Lubang-lubang di bagian bawah rumahan diberi dimensi agar pas dengan pin sehingga tetap kokoh di tempatnya. Oleh karena itu, di sini kita perlu menggunakan kekuatan untuk menginstalnya. Ini dia, 20 rol, yang akan memberi kita rasio pengurangan 19:1.

Rumah roda gigi cincin berada di atas pelat dasar dan di sini pertama-tama kita perlu memasukkan cincin jarak yang akan menahan rol keluaran pada tempatnya. 

Selanjutnya kita dapat memasang poros eksentrik yang dipasang pada coupler poros NEMA17. Sebenarnya sebelum kita memasangnya, kita perlu memasukkan kedua bantalan dengan diameter dalam 17mm dan diameter luar 26mm.

Anda lihat, semuanya sangat cocok. Saya mengatur toleransi di mana bantalan menjadi sesuai interferensi agar bantalan tetap kokoh di tempatnya. Itu sebabnya saya harus menggunakan kekuatan di sini untuk memasukkannya.

Rakitan ini mewakili bantalan eksentrik. Kemudian, kita dapat memasang dua piringan sikloidal pada bantalan eksentrik. Ini juga merupakan gangguan interferensi dan kita perlu menggunakan kekuatan untuk memasangnya. Kesesuaian ini semakin ketat karena saya tidak sengaja memesan cycloidal disk untuk dilapisi bubuk, sehingga bahannya lebih banyak dan toleransinya tidak tepat. 

Namun demikian, kami juga dapat memasang cincin jarak antara kedua cakram sikloidal agar tetap di tempatnya jika bantalan dan cakram kendor.

Kami kemudian dapat memasukkan rakitan ini secara keseluruhan ke dalam housing atau satu disk pada satu waktu. Kesesuaian antara disk sikloidal dan roller roda gigi ring ini sangat penting karena menentukan seberapa baik kinerja penggerak. Saat saya mencoba memasangnya sekencang mungkin agar drive memiliki reaksi minimum, saya mengalami masalah karena disk tidak dapat memuatnya.

Masalah tersebut disebabkan karena saya tidak membuat jarak bebas, atau mengimbangi profil disk sikloidal yang saya dapatkan dari persamaan parametrik, dan selain itu, saya memesan disk yang dilapisi bubuk yang juga menambah ukurannya. Selain itu, bushing yang saya punya kurang bagus dan diameternya sedikit lebih besar dari 8mm.

Jadi, untuk mengatasi masalah ini, saya harus memesan disk sikloidal baru, namun saya memutuskan untuk mencoba menghapus beberapa material dari profil disk menggunakan alat putar. Setelah beberapa kali diampelas, saya benar-benar bisa memasukkannya ke dalam disk.

Tentu saja, ini bukan solusi terbaik, tapi kita akan lihat bagaimana kinerjanya. 

Namun demikian, saat memasukkan kedua disk ke dalam wadahnya, keduanya harus ditempatkan 180 derajat keluar fase.

Terdapat lubang pada disk yang dapat digunakan untuk memposisikannya dengan benar. Kita harus membalik satu disk dan membakar kedua lubangnya. Setelah dimasukkan, kita dapat menyalakan motor dan melihat cara kerja cakram sikloidal yang dikombinasikan dengan bantalan eksentrik dan roller roda gigi ring.

Cakram sikloidal berputar dengan gerakan eksentrik berlawanan dengan poros masukan, dan dengan kecepatan 19 kali lebih lambat. 

Kini, gerakan eksentrik ini akan ditransfer ke poros keluaran melalui enam lubang pada piringan sikloidal. Inilah poros keluarannya. Kita perlu mengamankan enam pin yang akan digunakan untuk memasang busing. Pin berdiameter 6mm dan panjang 22mm. Lubang pada poros keluaran diberi dimensi agar sesuai dengan interferensi sehingga tetap kokoh di tempatnya saat dipasang, dan oleh karena itu kita perlu menggunakan tenaga untuk memasangnya.

Setelah kami mengamankan pin, kami dapat memasukkan bushing 8mm. Di sini kita membutuhkan bushing sepanjang 15mm tetapi pada saat membuat proyek ini saya tidak dapat menemukan dimensi tersebut jadi saya menggunakan bushing 10mm tetapi memasukkan beberapa ring sebagai kompensasi.

Saya sebenarnya hanya menggunakan satu mesin cuci, bukan dua seperti yang ditunjukkan dalam video. Namun, tautan yang disertakan untuk semua komponen yang diperlukan untuk proyek ini memiliki dimensi yang benar. 

Sebelum memasukkan poros keluaran pada tempatnya, kita perlu memasukkan cincin jarak dan bantalan yang akan menopang poros masukan dan keluaran. Kemudian kita tinggal memasukkan poros keluaran ke dalam lubang cakram sikloidal.

Pada poros keluaran, kita perlu memasukkan satu cincin jarak lagi dan bantalan dengan diameter dalam 35mm.

Kami akhirnya dapat menyelesaikan perakitan dengan memasukkan penutup rumah di atas semuanya dan mengencangkannya dengan enam baut M6 dengan panjang 45mm. Selesai, penggerak sikloidal kini sudah terpasang sepenuhnya, saya sangat suka hasilnya.

Sekarang, untuk versi cetak 3D, kita dapat mengikuti prosedur yang sama persis untuk merakitnya.

Satu langkah tambahan di sini adalah kita perlu memasang beberapa sisipan berulir ke poros keluaran, sehingga kita dapat memasang sesuatu ke sana. 

Pengujian

Baiklah, sekarang saya sudah menyiapkan dua driver cycloidal dan sekarang saatnya mengujinya dan melihat kinerjanya. Catatan singkat sebelum kita melihat pengujiannya, bobot versi mesin CNC jauh lebih tinggi dibandingkan versi cetak 3D.

Torsi

Saya akan mulai dengan menguji seberapa besar torsi yang dapat dihasilkan oleh penggerak sikloidal ini. Di sini saya menempatkan kedua drive secara berdampingan dan saya mengukur gaya yang dapat dihasilkannya pada jarak 10cm.

Keduanya mengeluarkan tenaga sekitar 45N pada jarak 10cm, yang diterjemahkan menjadi torsi, yaitu torsi sekitar 450 Ncm. Padahal, mesin CNC memberikan hasil yang sedikit lebih tinggi dan konsisten.

Di sisi lain, motor stepper NEMA17 ini memiliki rating 28Ncm yang berarti peningkatan torsi sekitar 16 kali lipat. Efisiensinya sekitar 85% mengingat rasio reduksi adalah 19:1, dan dalam kondisi ideal kita harus mendapatkan peningkatan torsi 19 kali lipat. 

Namun demikian, mari kita lihat bagaimana kinerjanya jika kita memasang motor stepper NEMA23 padanya. Saya merancang penggerak sikloidal sehingga kami dapat menggunakannya dengan motor NEMA17 dan NEMA23. Namun, untuk menjaga desainnya sekompak mungkin, peralihan dari NEMA17 ke NEMA23 memerlukan beberapa perbaikan.

Kami harus membongkar beberapa bagian, dan mengganti pelat dasar agar sesuai dengan lubang NEMA23. Kita juga perlu menggunakan coupler poros lain karena NEMA23 memiliki poros yang lebih besar. Jadi pada dasarnya, kita hanya perlu mengubah kedua bagian ini dan menyatukan semuanya kembali. 

Saya mengubah motor stepper menjadi NEMA23 pada versi cetak 3D juga. Di sini, ketika saya membongkar drivernya, saya perhatikan bahwa disk sikloidal sudah mulai menunjukkan keausan.

Kita dapat melihat bahwa keausan lebih banyak terjadi pada satu sisi disk, dan menurut saya itu adalah sisi bawah bagian tersebut saat dicetak 3D. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa beberapa lapisan pertama saat pencetakan 3D cenderung mengeluarkan lebih banyak filamen. 

Namun demikian, berikut adalah kedua driver cycloidal dengan motor stepper NEMA23 terbesar yang saya miliki, untuk membuat pengemudi stres sebanyak mungkin.

Awalnya saya memulai pengujian dengan tongkat 10cm yang sama dengan yang sudah saya gunakan, namun saya segera menyadari bahwa saya memerlukan tongkat yang lebih panjang, karena hanya dengan sekitar 25% daya motor stepper saya sudah mencapai 130N pada 10cm, dan Force meter saya dapat mengukur maksimum 200N. Jadi, saya harus menambah jarak pengukuran gaya agar tetap di bawah 200N. 

Saya memasang tongkat pinus yang lebih panjang dan mencoba mengukur gaya pada jarak 50cm. Nah, batang pinus tersebut patah dengan kekuatan sekitar 50N, karena sebenarnya bahannya cukup lemah. Jadi, saya menggantinya dengan tongkat triplek yang lebih kuat, dan saya bisa mengukur gaya pada jarak 50cm.

Saya mendapat pembacaan sekitar 60N, yang diterjemahkan ke dalam torsi adalah sekitar 3000Ncm atau torsi 30Nm. Itu cukup mengesankan. Lihat saja seberapa banyak kayu lapis yang tertekuk karena beban.

Saat mengukur gaya pada jarak 20cm saya mendapat pembacaan sekitar 170N, yaitu torsi sekitar 34Nm. Di sisi lain, motor stepper NEMA23 ini memiliki tenaga 2,1Nm, jadi sekali lagi saya mendapat peningkatan torsi sekitar 16 kali lipat, sama seperti pada pengujian NEMA17. Sekali lagi, efisiensinya sekitar 85%. 

Namun, saat menguji versi cetak 3D dengan stepper NEMA23, saya mendapatkan pembacaan sekitar 65Nm pada jarak 20cm.

Torsinya hanya sekitar 13Nm, yang sebenarnya jauh lebih kecil dibandingkan torsi 34Nm yang saya dapatkan dari versi mesin CNC. Jadi, dengan pengujian ini sebenarnya kita bisa melihat perbedaan kedua versi tersebut. Yang dicetak 3D tidak dapat mengimbangi kekuatan yang dapat dihasilkan oleh stepper NEMA23 yang kuat ini. Bahkan sisipan berulir gagal karena beban ini.

Serangan balik

Meskipun demikian, saya juga melakukan beberapa tes akurasi. Kita dapat melihat bahwa kemampuan pengulangannya bagus, baik pada mesin CNC maupun versi Cetak 3D. Namun, setelah kami menerapkan beban, kami dapat melihat bahwa drive mengalami reaksi balik. Versi mesin CNC memiliki hasil yang lebih baik, menampilkan pemutaran sekitar 4mm pada jarak sekitar 12cm, ketika gaya diterapkan di kedua arah, sedangkan versi cetak 3D menunjukkan pemutaran 7mm, pada jarak sekitar 15cm.

Permainan poros, atau serangan balik ini terjadi karena dimensi busing tidak begitu akurat, serta fakta bahwa saya mengampelas profil cakram sikloidal secara manual karena saya tidak sengaja memesannya dilapisi bubuk. Karena alasan yang sama, kita juga dapat melihat betapa tidak konsistennya serangan balik ini, beberapa posisi pada poros memiliki serangan balik yang lebih banyak dibandingkan posisi lainnya.

Kesimpulan

Namun demikian, kami pasti bisa mendapatkan hasil yang lebih baik jika kami menggunakan bushing yang lebih baik dan membuat profil disk sikloidal dengan dimensi dan jarak bebas yang tepat. 

Tentu saja, presisi versi cetak 3D juga dapat ditingkatkan dengan mencetak penggerak sikloidal secara lebih presisi. Kita dapat mencapainya dengan bereksperimen dengan fitur ekspansi Horizontal saat mencetak komponen secara 3D, dan untuk daya tahan yang lebih baik, kita dapat mendesain disk menjadi lebih lebar dan memiliki permukaan kontak yang lebih baik. 

Saya pasti akan mencoba menerapkan penggerak sikloidal jenis ini di beberapa video saya yang akan datang ketika membuat beberapa proyek robot. 

Saya harap Anda menikmati tutorial ini dan mempelajari sesuatu yang baru. Jangan ragu untuk mengajukan pertanyaan apa pun di bagian komentar di bawah.