Harmoniska enheter

Rotationsrörelsen kommer från en ingående axel som till exempel kan vara en servomotoraxel. Denna är kopplad till ett element som kallas "våggenerering" som har en elliptisk form och omges av ett elliptiskt kullager. När axeln roterar ändrar kanterna position, så det ser ut som om det genererar en rörelsevåg. Denna del är införd i en flex spline som är gjord av ett vridstyvt men ändå flexibelt material.

Materialet tar upp denna vågiga rörelse genom att böjas i enlighet med rotationen av ingångsaxeln och skapar också en elliptisk form. Ytterkanten av denna flexspline har kuggar som är lämpliga för att överföra höga belastningar utan problem. För att överföra dessa belastningar, är den flexibla spline monterad inuti den cirkulära spline som är ett runt kugghjul med invändiga tänder.

Denna yttre ring är stel och dess inre diameter är marginellt större än huvudaxeln för ellipsen som bildas av den flexibla spline. Detta innebär att den cirkulära splinesen inte antar den elliptiska formen av de andra två komponenterna, utan den ansluter helt enkelt sina inre tänder med de på den yttre böjliga splinessidan, vilket resulterar i att den flexibla splinesen roterar.

Rotationshastigheten är beroende av den ingående axelns rotation och skillnaden i antalet tänder mellan den flexibla splinesen och den cirkulära splinesen. Den flexibla spline har färre tänder än den cirkulära spline, så den kan rotera med ett mycket reducerat förhållande och i motsatt riktning än den ingående axeln. Reduktionskvoten ges av: (antal flexsplinetänder – antal cirkulära splinetänder) / antal flexsplinetänder.

Så till exempel, om den flexibla spline har 100 tänder och den cirkulära spline har 105, är reduktionsförhållandet (100 - 105) / 100=-0.05 vilket betyder att flex spline-förhållandet är -5/100 (minus indikerar motsatt riktning av spinn). Skillnaden i antalet tänder kan ändras för att tillgodose olika reduktionsförhållanden och därmed olika specialiserade behov och krav.

Det finns tre element i en grundläggande Harmonic Drive: en cirkulär spline, en flexspline och en våggenerator. Den cirkulära splinen har invändiga tänder som griper in i yttre tänder på flexspline. Flexspline har färre tänder och följaktligen en mindre effektiv diameter än den cirkulära splinen.

Våggeneratorn är elliptisk till formen och fungerar som en länk med två rullar som roterar inuti flexspline, vilket gör att den griper in i den cirkulära splinen progressivt vid diametralt motsatta punkter. Om våggeneratorn (ingången) roterar medurs medan den cirkulära spline är fixerad, kommer flexspline (utgången) att rotera eller rulla inuti den cirkulära spline med en mycket långsammare hastighet i moturs riktning.

Förhållandet mellan ingångshastigheten och utgångshastigheten beror på skillnaden i antalet tänder i den cirkulära spline och på flexspline. Hastighetsförhållanden så höga som 320 till 1 kan produceras i harmoniska enheter med enkel-reduktion, som är lättare, mindre och effektivare än konventionella enheter med hög-förhållande. Sammansatta drivenheter kan producera förhållanden så höga som 1 000 000 till 1. Antingen den cirkulära spline, flexspline eller våggenerator kan vara fixerade medan de andra två elementen fungerar som ingång och utgång.

En unik och användbar egenskap hos Harmonic Drive är dess förmåga att överföra rörelse genom tätade väggar. Flexspline-tänderna kan placeras nära mitten av ett långt hermetiskt tillslutet flexibelt cylindriskt rör. Våggeneratorn kan vara inuti röret, och genom sin rotation kan den avleda den flexibla splinen och producera en långsam rotation av den omslutande cirkulära splinen.

En roterande-till-linjär version av Harmonic Drive använder en skruv och flyttar styrstaven i ett kärnreaktorhuvud utan mekanisk kontakt genom ett förseglat rör. Harmoniska drivsystem är användbara för att öka det utgående vridmomentet i växlar som används vid fräsning, vid tillverkning och i maskiner som använder robotarmar. De har använts i en mängd olika applikationer, från så låga-konsumentartiklar som varuautomater till sofistikerade system för militär och rymdbruk.

Harmoniska drivväxlar används ofta i rymdtillämpningar, robotar och precisionssystem för positionering på grund av deras attraktiva egenskaper, inklusive nästan-noll glapp, hög hastighetsreduktion, kompakt storlek och låg vikt. De har ett inneboende periodiskt positioneringsfel känt som kinematiskt fel som är ansvarigt för försämring av transmissionsprestanda.

Ha en tydlig förståelse för mekanismerna för rörelsefel och deras karakterisering. Vi rapporterar analytiska och experimentella resultat av rörelsefel med hjälp av en dedikerad studie av testutrustning för harmonisk drivning. Det visas först att felet som kallas kinematiskt fel faktiskt består av en fundamental komponent, som representerar det "rena" kinematiska felet, färgat av en andra komponent som härrör från den inneboende vridningsflexibiliteten hos de harmoniska drivväxlarna.

Den senare komponenten förklarar källan till variabilitet i publicerade kinematiska felprofiler. Nedbrytningen av det kinematiska felet till en grundläggande komponent och en flexibilitetsrelaterad komponent demonstreras experimentellt såväl som analytiskt genom att matcha en matematisk modell med experimentella data. Vi karakteriserar också det kinematiska felets beroende av tröghetsbelastning, växelmontering och rotationshastighet.