Unidades Harmônicas

O movimento rotacional vem de um eixo de entrada que pode ser um eixo de servo motor, por exemplo. Isto está conectado a um elemento denominado "geração de ondas", que tem formato elíptico e é circundado por um rolamento de esferas elíptico. À medida que o eixo gira, as bordas mudam de posição, parecendo que está gerando uma onda de movimento. Esta peça é inserida dentro de uma ranhura flexível feita de um material resistente à torção, porém flexível.

O material assume esse movimento ondulado flexionando de acordo com a rotação do eixo de entrada e também cria uma forma elíptica. A borda externa desta estria flexível possui dentes de engrenagem adequados para transferir cargas elevadas sem nenhum problema. Para transferir essas cargas, a estria flexível é instalada dentro da estria circular, que é uma engrenagem redonda com dentes internos.

Este anel externo é rígido e seu diâmetro interno é marginalmente maior que o eixo maior da elipse formada pela estria flexível. Isso significa que a estria circular não assume a forma elíptica dos outros dois componentes, mas, em vez disso, ela simplesmente engrena seus dentes internos com os do lado externo da estria flexível, resultando na rotação da estria flexível.

A taxa de rotação depende da rotação do eixo de entrada e da diferença no número de dentes entre a estria flexível e a estria circular. A estria flexível tem menos dentes que a estria circular, portanto pode girar em uma proporção muito reduzida e na direção oposta à do eixo de entrada. A razão de redução é dada por: (número de dentes da estria flexível – número de dentes da estria circular) / número de dentes da estria flexível.

Assim, por exemplo, se o spline flexível tiver 100 dentes e o spline circular tiver 105, a taxa de redução será (100 - 105) / 100=-0.05, o que significa que a proporção do spline flexível será -5/100 (menos indica a direção oposta do giro). A diferença no número de dentes pode ser alterada para acomodar diferentes taxas de redução e, portanto, diferentes necessidades e requisitos especializados.

Existem três elementos em um Harmonic Drive básico: um spline circular, um flexspline e um gerador de ondas. A spline circular possui dentes internos que se encaixam nos dentes externos da flexspline. O flexspline possui menos dentes e consequentemente um diâmetro efetivo menor que o spline circular.

O gerador de ondas tem formato elíptico e atua como um elo com dois rolos que giram dentro do flexspline, fazendo com que ele se engate progressivamente com o spline circular em pontos diametralmente opostos. Se o gerador de ondas (a entrada) girar no sentido horário enquanto o spline circular estiver fixo, o flexspline (a saída) girará ou rolará dentro do spline circular a uma taxa muito mais lenta no sentido anti-horário.

A relação entre a velocidade de entrada e a velocidade de saída depende da diferença no número de dentes na spline circular e na flexspline. Taxas de velocidade tão altas quanto 320 para 1 podem ser produzidas em unidades harmônicas de{3}redução única, que são mais leves, menores e mais eficientes que as unidades convencionais-de alta proporção. Os acionamentos compostos podem produzir relações tão altas quanto 1.000.000 para 1. O spline circular, o flexspline ou o gerador de ondas podem ser fixos enquanto os outros dois elementos servem como entrada e saída.

Uma característica única e útil do Harmonic Drive é a sua capacidade de transmitir movimento através de paredes seladas. Os dentes flexspline podem ser colocados próximos ao centro de um longo tubo cilíndrico flexível hermeticamente fechado. O gerador de ondas pode estar dentro do tubo e, por sua rotação, pode desviar o flexspline e produzir uma rotação lenta do spline circular circundante.

Uma versão rotativa-para{1}}linear do Harmonic Drive usa um parafuso e move a haste de controle na cabeça de um reator nuclear sem contato mecânico através de um tubo selado. Os sistemas Harmonic Drive são úteis para aumentar o torque de saída em engrenagens usadas em fresamento, fabricação e em máquinas que utilizam braços robóticos. Eles têm sido empregados em diversas aplicações, desde itens de consumo-de baixo custo, como máquinas de venda automática, até sistemas sofisticados para uso militar e aeroespacial.

As engrenagens de acionamento harmônico são amplamente utilizadas em aplicações espaciais, robótica e sistemas de posicionamento de precisão devido aos seus atributos atraentes, incluindo folga quase{0}}zero, taxa de redução de alta velocidade, tamanho compacto e peso reduzido. Eles possuem um erro de posicionamento periódico inerente conhecido como erro cinemático, responsável pela degradação do desempenho da transmissão.

Ter uma compreensão clara dos mecanismos dos erros de movimento e da sua caracterização. Relatamos resultados analíticos e experimentais de erros de movimento usando um estudo dedicado de equipamentos de teste de acionamento harmônico. Mostra-se primeiro que o erro denominado erro cinemático consiste na verdade em um componente fundamental, representando o erro cinemático "puro", colorido por um segundo componente decorrente da flexibilidade torcional inerente às engrenagens motrizes harmônicas.

O último componente explica a fonte de variabilidade nos perfis de erro cinemáticos publicados. A decomposição do erro cinemático em um componente básico e um componente relacionado à flexibilidade é demonstrada experimentalmente e também analiticamente, combinando um modelo matemático com dados experimentais. Também caracterizamos a dependência do erro cinemático da carga inercial, conjunto de engrenagens e velocidade de rotação.