¡Hola a todos! En este artículo de cómo hacer mecatrónica, vamos a aprender qué es un engranaje de onda de torsión, también conocido como engranaje armónico. Primero, explicaremos su principio de funcionamiento y luego diseñaremos nuestro propio modelo y lo ensamblaremos para ver cómo funciona en la vida real y comprenderlo mejor.
¿Qué es un engranaje de onda de torsión?
Un engranaje de onda de torsión es un tipo único de sistema de engranajes mecánicos que permite ratios de reducción muy altos en un paquete compacto y ligero en comparación con los sistemas de engranajes tradicionales como los engranajes helicoidales o planetarios.
Puede lograr ratios de reducción mucho mayores de hasta 30 veces en el mismo espacio. Además, tiene una característica de falta de retroceso, alta precisión de torque y confiabilidad. Por lo tanto, este sistema de engranajes se utiliza en muchas aplicaciones, incluyendo robótica, aeroespacial, máquinas médicas, máquinas de fresado y equipos de manufactura, entre otros.
Principio de funcionamiento
Un engranaje armónico consta de tres componentes principales: un generador de ondas, un plano flexible y una carcasa circular. El generador de ondas tiene una forma elíptica y consta de un cubo elíptico y un rodamiento especial de pared delgada que sigue la forma elíptica del cubo. Este es el punto de entrada del conjunto de engranajes y está conectado al eje del motor. A medida que el generador de ondas gira, genera un movimiento ondulatorio.
El plano flexible tiene forma de copa cilíndrica y está hecho de un material de acero aleado flexible pero rígido en torsión. El fondo de la copa es grueso y rígido, lo que permite que el extremo abierto de la copa sea flexible pero los extremos cerrados sean rígidos. Por lo tanto, podemos usarlo como punto de salida y conectarle la brida de salida.
El plano flexible tiene una parte exterior en el extremo abierto de la copa. Por otro lado, la carcasa circular es un anillo rígido con dientes en su interior. La carcasa circular tiene dos dientes más que el plano flexible, que es en realidad el diseño clave del sistema de engranajes de onda de torsión.
Una vez que insertamos el generador de ondas en el plano flexible, el plano flexible adopta la forma del generador de ondas a medida que este gira radialmente. El generador de ondas y el plano flexible se colocan dentro de la carcasa circular, encajando los dientes entre sí. Debido a la forma elíptica del plano flexible, los dientes solo encajan en dos regiones en los lados opuestos del plano flexible, a lo largo del eje mayor de la elipse del generador de ondas.
A medida que el generador de ondas gira, el encaje de los dientes cambiará lentamente de posición debido a la diferencia en el número de dientes entre el plano flexible y la carcasa circular. Con cada rotación de 180 grados del generador de ondas, el encaje de los dientes hará que el plano flexible gire una pequeña cantidad hacia atrás en relación con el generador de ondas. En otras palabras, con cada rotación de 180 grados del generador de ondas, el encaje del plano flexible con la carcasa circular avanzará solo un diente.
Con una rotación completa de 360 grados del generador de ondas, el plano flexible cambiará de posición avanzando dos dientes. Podemos calcular fácilmente el ratio de reducción con la siguiente fórmula: el ratio es igual al número de dientes en el plano flexible menos el número de dientes en la carcasa circular dividido por el número de dientes en el plano flexible.
Con el ejemplo de 200 dientes en el plano flexible y 202 dientes en la carcasa circular, el ratio de reducción es -0.01, es decir, 1/100 de la velocidad del generador de ondas, y el signo negativo indica que la salida es en dirección opuesta. Podemos obtener diferentes ratios de reducción cambiando el número de dientes.
Podemos lograr esto ya sea cambiando el diámetro del mecanismo manteniendo el mismo tamaño de dientes o cambiando el tamaño de los dientes manteniendo el mismo tamaño y peso del conjunto de engranajes.
Diseño de un engranaje de onda de torsión
Para diseñar un engranaje de onda de torsión, podemos utilizar una impresora 3D para crear las piezas necesarias del conjunto. Por supuesto, también necesitaremos algunos tornillos y tuercas, así como rodamientos para completar el ensamblaje. Como entrada, podemos utilizar un motor paso a paso NEMA 17.
Utilicé el programa de diseño Fusion 360 para diseñar los tres elementos clave de un engranaje de onda de torsión: la carcasa circular, el plano flexible y el generador de ondas. Como las impresoras 3D tienen sus propias limitaciones en cuanto a la precisión y precisión, tuve que decidir el tamaño del módulo de los engranajes.
Elegí un módulo de 1.25 y 72 dientes para la carcasa circular. Por supuesto, el plano flexible debe tener dos dientes menos, es decir, 70 dientes, lo que resulta en una relación de reducción de 35:1, manteniendo un tamaño relativamente pequeño del conjunto de engranajes. Para el generador de ondas, en lugar de utilizar rodamientos de pared delgada especiales, utilizaremos rodamientos de bolas normales dispuestos alrededor de una circunferencia elíptica. Las dimensiones de la elipse deben ajustarse a las dimensiones de la pared interna del plano flexible.
Diseñé el radio del eje mayor de la elipse para que sea 1,25 mm más grande que el radio de la pared interna del plano flexible. Por otro lado, el radio del eje menor de la elipse es 1,25 mm más pequeño. El generador de ondas estará hecho de dos secciones a las que se pueden fijar fácilmente los rodamientos de bolas.
Una de estas secciones también contendrá un acoplador de eje adecuado para fijar el motor paso a paso NEMA 17. Las demás piezas están diseñadas alrededor de estos tres elementos clave. Para el lado de salida de la carcasa, insertaremos dos rodamientos con un diámetro externo de 47 mm y los aseguraremos con la ayuda de algunos tornillos y tuercas. La brida de salida está compuesta por dos piezas conectadas con tornillos y tuercas para poder fijarla fácilmente a los dos rodamientos.
Luego, simplemente se trata de imprimir las piezas en 3D y ensamblarlas siguiendo las instrucciones proporcionadas en el artículo. Una vez que hemos completado el ensamblaje, podemos ver cómo funciona el engranaje de onda de torsión en la vida real, utilizando un motor paso a paso controlado por un Arduino. Podemos observar cómo el generador de ondas, el plano flexible y la carcasa circular interactúan entre sí para lograr la reducción de velocidad deseada.
Además, también podemos observar una carga de prueba, con pesos colgando a una distancia de 25 centímetros, para demostrar la capacidad de torque del engranaje de onda de torsión. En general, un engranaje de onda de torsión es una opción eficiente y compacta para obtener altas relaciones de reducción en aplicaciones donde se requiere precisión y confiabilidad.
