Harmonische aandrijvingen

De roterende beweging komt van een ingaande as die bijvoorbeeld een servomotoras kan zijn. Dit is verbonden met een element genaamd "golfopwekking", dat een elliptische vorm heeft en omgeven is door een elliptisch kogellager. Terwijl de as draait, veranderen de randen van positie, zodat het lijkt alsof er een bewegingsgolf ontstaat. Dit onderdeel wordt ingebracht in een flexibele spiebaan die is gemaakt van een torsiestijf en toch flexibel materiaal.

Het materiaal neemt deze golvende beweging op door te buigen volgens de rotatie van de ingaande as en creëert ook een elliptische vorm. De buitenrand van deze flex spline is voorzien van tandwieltanden die geschikt zijn om zonder problemen hoge belastingen over te brengen. Om deze belastingen over te brengen, is de flexibele spiebaan in de cirkelvormige spiebaan gemonteerd, een rond tandwiel met interne tanden.

Deze buitenring is stijf en de interne diameter ervan is marginaal groter dan de hoofdas van de ellips gevormd door de flexibele spie. Dit betekent dat de cirkelvormige spiebaan niet de elliptische vorm aanneemt van de andere twee componenten, maar in plaats daarvan eenvoudigweg de binnenste tanden in elkaar laat passen met die van de buitenste flexibele spiebaanzijde, wat resulteert in de rotatie van de flexibele spiebaan.

De rotatiesnelheid is afhankelijk van de rotatie van de ingaande as en het verschil in het aantal tanden tussen de flexibele spiebaan en de cirkelvormige spiebaan. De flexibele spiebaan heeft minder tanden dan de cirkelvormige spiebaan, zodat deze met een veel kleinere verhouding en in de tegenovergestelde richting kan draaien dan die van de ingaande as. De reductieverhouding wordt gegeven door: (aantal flexibele spietanden – aantal cirkelvormige spietanden) / aantal flexibele spietanden.

Als de flex-spline bijvoorbeeld 100 tanden heeft en de cirkelvormige spline 105, is de reductieverhouding (100 - 105) / 100=-0.05, wat betekent dat de flex-spline-verhouding -5/100 is (minus geeft de tegenovergestelde draairichting aan). Het verschil in het aantal tanden kan worden gewijzigd om tegemoet te komen aan verschillende reductieverhoudingen en dus aan verschillende gespecialiseerde behoeften en vereisten.

Er zijn drie elementen in een basis Harmonic Drive: een cirkelvormige spline, een flexspline en een golfgenerator. De cirkelvormige spiebaan heeft interne tanden die in elkaar grijpen met externe tanden op de flexspline. De flexspline heeft minder tanden en bijgevolg een kleinere effectieve diameter dan de cirkelvormige spiebaan.

De golfgenerator is elliptisch van vorm en fungeert als een verbinding met twee rollen die binnen de flexspline roteren, waardoor deze op diametraal tegenovergestelde punten geleidelijk in de cirkelvormige spline ingrijpt. Als de golfgenerator (de ingang) met de klok mee draait terwijl de cirkelvormige spiebaan vastzit, zal de flexspline (de uitgang) veel langzamer in de cirkelvormige spiebaan draaien of rollen, tegen de klok in.

De verhouding tussen de invoersnelheid en de uitvoersnelheid hangt af van het verschil in het aantal tanden in de cirkelvormige spiebaan en op de flexspline. Snelheidsverhoudingen tot wel 320:1 kunnen worden geproduceerd in Harmonic Drives met enkele-reductie, die lichter, kleiner en efficiënter zijn dan conventionele drives met hoge- reductie. Samengestelde aandrijvingen kunnen verhoudingen produceren van wel 1.000.000 op 1. De cirkelvormige spline, de flexspline of de golfgenerator kunnen vast zijn, terwijl de andere twee elementen als input en output dienen.

Een uniek en nuttig kenmerk van de Harmonic Drive is het vermogen om beweging door gesloten wanden over te brengen. De flexspline-tanden kunnen nabij het midden van een lange, hermetisch afgesloten flexibele cilindrische buis worden geplaatst. De golfgenerator kan zich in de buis bevinden en kan door zijn rotatie de flexibele spiebaan afbuigen en een langzame rotatie van de omringende cirkelvormige spie veroorzaken.

Een roterende-naar-lineaire versie van de Harmonic Drive maakt gebruik van een schroef en beweegt de regelstaaf in de kop van een kernreactor zonder mechanisch contact door een afgesloten buis. Harmonic Drive-systemen zijn nuttig bij het vergroten van het uitgangskoppel in tandwielen die worden gebruikt bij het frezen, in de productie en in machines die robotarmen gebruiken. Ze zijn gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, variërend van goedkope- consumentenartikelen zoals verkoopautomaten tot geavanceerde systemen voor gebruik in het leger en de ruimtevaart.

Harmonische aandrijftandwielen worden veel gebruikt in ruimtevaarttoepassingen, robotica en precisiepositioneringssystemen vanwege hun aantrekkelijke eigenschappen, waaronder bijna- spelingvrij, hoge snelheidsreductieverhouding, compact formaat en laag gewicht. Ze bezitten een inherente periodieke positioneringsfout, bekend als kinematische fout, die verantwoordelijk is voor de verslechtering van de transmissieprestaties.

Een duidelijk inzicht hebben in de mechanismen van bewegingsfouten en hun karakterisering. We rapporteren analytische en experimentele resultaten van bewegingsfouten met behulp van een speciaal onderzoek naar testapparatuur voor harmonische aandrijvingen. Eerst wordt aangetoond dat de fout die kinematische fout wordt genoemd, feitelijk bestaat uit een fundamentele component, die de "zuivere" kinematische fout vertegenwoordigt, gekleurd door een tweede component die voortkomt uit de inherente torsieflexibiliteit van de harmonische aandrijftandwielen.

Deze laatste component verklaart de bron van variabiliteit in gepubliceerde kinematische foutprofielen. De ontleding van de kinematische fout in een basiscomponent en een flexibiliteitsgerelateerde component wordt zowel experimenteel als analytisch gedemonstreerd door een wiskundig model te matchen met experimentele gegevens. We karakteriseren ook de afhankelijkheid van de kinematische fout van de traagheidsbelasting, de tandwielsamenstelling en de rotatiesnelheid.