Unidades armónicas

El movimiento de rotación proviene de un eje de entrada que puede ser, por ejemplo, el eje de un servomotor. Éste está conectado a un elemento llamado "generación de ondas", que tiene forma elíptica y está rodeado por un rodamiento de bolas elíptico. A medida que el eje gira, los bordes cambian de posición, por lo que parece que está generando una onda de movimiento. Esta pieza se inserta dentro de una ranura flexible que está hecha de un material rígido a la torsión pero flexible.

El material adopta este movimiento ondulado flexionándose según la rotación del eje de entrada y también crea una forma elíptica. El borde exterior de esta ranura flexible presenta dientes dentados que son adecuados para transferir cargas elevadas sin ningún problema. Para transferir estas cargas, la ranura flexible se coloca dentro de la ranura circular, que es un engranaje redondo con dientes internos.

Este anillo exterior es rígido y su diámetro interno es marginalmente mayor que el eje mayor de la elipse formada por la estría flexible. Esto significa que la tira circular no asume la forma elíptica de los otros dos componentes, sino que simplemente engrana sus dientes internos con los del lado exterior de la tira flexible, lo que resulta en la rotación de la tira flexible.

La velocidad de rotación depende de la rotación del eje de entrada y de la diferencia en el número de dientes entre la ranura flexible y la ranura circular. La ranura flexible tiene menos dientes que la ranura circular, por lo que puede girar en una proporción mucho más reducida y en la dirección opuesta a la del eje de entrada. La relación de reducción viene dada por: (número de dientes estriados flexibles – número de dientes estriados circulares) / número de dientes estriados flexibles.

Entonces, por ejemplo, si la ranura flexible tiene 100 dientes y la ranura circular tiene 105, la relación de reducción es (100 - 105) / 100=-0.05, lo que significa que la proporción de la ranura flexible es -5/100 (menos indica la dirección opuesta de giro). La diferencia en el número de dientes se puede cambiar para adaptarse a diferentes relaciones de reducción y, por tanto, a diferentes necesidades y requisitos especializados.

Hay tres elementos en un Harmonic Drive básico: un spline circular, un flexspline y un generador de ondas. La ranura circular tiene dientes internos que se engranan con los dientes externos de la ranura flexible. El flexspline tiene menos dientes y, en consecuencia, un diámetro efectivo más pequeño que el spline circular.

El generador de ondas tiene forma elíptica y actúa como enlace con dos rodillos que gira dentro del flexspline, haciendo que se engrane con el spline circular progresivamente en puntos diametralmente opuestos. Si el generador de ondas (la entrada) gira en el sentido de las agujas del reloj mientras la ranura circular está fija, la ranura flexible (la salida) girará o rodará dentro de la ranura circular a un ritmo mucho más lento en el sentido contrario a las agujas del reloj.

La relación entre la velocidad de entrada y la velocidad de salida depende de la diferencia en el número de dientes en la ranura circular y en la ranura flexible. Se pueden producir relaciones de velocidad de hasta 320 a 1 en unidades armónicas de reducción simple-, que son más ligeras, más pequeñas y más eficientes que las unidades convencionales de relación alta-. Las unidades compuestas pueden producir relaciones de hasta 1.000.000 a 1. La ranura circular, la ranura flexible o el generador de ondas pueden ser fijas, mientras que los otros dos elementos sirven como entrada y salida.

Una característica única y útil del Harmonic Drive es su capacidad de transmitir movimiento a través de paredes selladas. Los dientes flexspline se pueden colocar cerca del centro de un tubo cilíndrico flexible, largo y sellado herméticamente. El generador de ondas puede estar dentro del tubo y, mediante su rotación, puede desviar la línea flexible y producir una rotación lenta de la línea circular circundante.

Una versión rotativa-a-lineal de Harmonic Drive utiliza un tornillo y mueve la varilla de control en la cabeza de un reactor nuclear sin contacto mecánico a través de un tubo sellado. Los sistemas Harmonic Drive son útiles para aumentar el par de salida en engranajes utilizados en fresado, fabricación y en máquinas que utilizan brazos robóticos. Se han empleado en una variedad de aplicaciones, que van desde artículos de consumo de bajo costo-como máquinas expendedoras hasta sistemas sofisticados para uso militar y aeroespacial.

Los engranajes impulsores armónicos se utilizan ampliamente en aplicaciones espaciales, robótica y sistemas de posicionamiento de precisión debido a sus atractivos atributos, que incluyen un juego casi-cero, una alta relación de reducción de velocidad, un tamaño compacto y un peso reducido. Poseen un error de posicionamiento periódico inherente conocido como error cinemático responsable de la degradación del rendimiento de la transmisión.

Tener una comprensión clara de los mecanismos de los errores de movimiento y su caracterización. Informamos resultados analíticos y experimentales de errores de movimiento utilizando un estudio dedicado de equipos de prueba de conducción armónica. En primer lugar, se muestra que el error denominado error cinemático consta en realidad de un componente fundamental, que representa el error cinemático "puro", coloreado por un segundo componente que surge de la flexibilidad torsional inherente de los engranajes impulsores armónicos.

El último componente explica la fuente de variabilidad en los perfiles de error cinemático publicados. La descomposición del error cinemático en un componente básico y un componente relacionado con la flexibilidad se demuestra experimental y analíticamente haciendo coincidir un modelo matemático con datos experimentales. También caracterizamos la dependencia del error cinemático de la carga inercial, el conjunto de engranajes y la velocidad de rotación.