Unitats harmòniques

El moviment de rotació prové d'un eix d'entrada que pot ser, per exemple, un eix de servomotor. Aquest està connectat a un element anomenat "generació d'ones" que té una forma el·líptica i està envoltat per un coixinet de boles el·líptic. A mesura que l'eix gira, les vores canvien de posició, de manera que sembla que està generant una ona de moviment. Aquesta peça s'insereix dins d'una estria flexible que està feta d'un material rígid a la torsió però flexible.

El material pren aquest moviment ondulat flexionant-se segons la rotació de l'eix d'entrada i també crea una forma el·líptica. La vora exterior d'aquesta spline flexible presenta dents d'engranatge que són adequades per transferir càrregues elevades sense cap problema. Per transferir aquestes càrregues, la spline flexible s'instal·la dins de la spline circular que és un engranatge rodó amb dents internes.

Aquest anell exterior és rígid i el seu diàmetre intern és marginalment més gran que l'eix principal de l'el·lipse formada per la spline flexible. Això vol dir que la spline circular no assumeix la forma el·líptica dels altres dos components, sinó que simplement engrana les seves dents interiors amb les del costat exterior de la spline flexible, donant lloc a la rotació de la spline flexible.

La velocitat de rotació depèn de la rotació de l'eix d'entrada i de la diferència en el nombre de dents entre la spline flexible i la spline circular. La spline flexible té menys dents que la spline circular, de manera que pot girar amb una proporció molt reduïda i en sentit contrari a la de l'eix d'entrada. La proporció de reducció ve donada per: (nombre de dents de spline flexible – nombre de dents de spline circular) / nombre de dents de spline flexible.

Així, per exemple, si la spline flexible té 100 dents i la spline circular en té 105, la relació de reducció és (100 - 105) / 100=-0.05, el que significa que la ració de spline flexible és -5/100 (menys indica la direcció oposada de l'espíritu). La diferència en el nombre de dents es pot canviar per adaptar-se a diferents ràtios de reducció i, per tant, a diferents necessitats i requisits especialitzats.

Hi ha tres elements en una unitat harmònica bàsica: una spline circular, una spline flexible i un generador d'ones. La spline circular té dents internes que engranen amb les dents externes a la spline flexible. La flexspline té menys dents i, per tant, un diàmetre efectiu més petit que la spline circular.

El generador d'ones és de forma el·líptica i actua com un enllaç amb dos corrons que giran dins de la flexspline, fent que s'engrani amb la spline circular progressivament en punts diametralment oposats. Si el generador d'ones (l'entrada) gira en sentit horari mentre la spline circular està fixa, la flexspline (la sortida) girarà o rodarà dins de la spline circular a una velocitat molt més lenta en sentit contrari a les agulles del rellotge.

La relació entre la velocitat d'entrada i la velocitat de sortida depèn de la diferència en el nombre de dents de la spline circular i de la spline flexible. Es poden produir relacions de velocitat de fins a 320 a 1 en unitats harmòniques de reducció única-, que són més lleugeres, més petites i més eficients que les unitats convencionals d'alta relació-. Els accionaments compostos poden produir proporcions de fins a 1.000.000 a 1. Es poden fixar tant la spline circular, la flexspline o el generador d'ones, mentre que els altres dos elements serveixen d'entrada i sortida.

Una característica única i útil del Harmonic Drive és la seva capacitat de transmetre el moviment a través de parets segellades. Les dents flexspline es poden col·locar a prop del centre d'un llarg tub cilíndric flexible tancat hermèticament. El generador d'ones pot estar dins del tub i, mitjançant la seva rotació, pot desviar la flexspline i produir una rotació lenta de la spline circular que l'envolta.

Una versió giratòria-a-lineal de la unitat harmònica utilitza un cargol i mou la barra de control en un cap del reactor nuclear sense contacte mecànic a través d'un tub segellat. Els sistemes Harmonic Drive són útils per augmentar el parell de sortida en els engranatges utilitzats en el fresat, en la fabricació i en màquines que utilitzen braços robòtics. S'han utilitzat en una varietat d'aplicacions, que van des d'articles de consum tan baixos-com màquines expenedores fins a sistemes sofisticats per a ús militar i aeroespacial.

Els engranatges d'accionament harmònic s'utilitzen àmpliament en aplicacions espacials, robòtica i sistemes de posicionament de precisió a causa dels seus atributs atractius, com ara un joc proper a -zero, una relació de reducció d'alta velocitat, una mida compacta i un pes reduït. Tenen un error de posicionament periòdic inherent conegut com a error cinemàtic responsable de la degradació del rendiment de la transmissió.

Tenir una comprensió clara dels mecanismes dels errors de moviment i la seva caracterització. Informem resultats analítics i experimentals d'errors de moviment mitjançant un estudi dedicat d'equips de prova d'accionament harmònic. Primer es mostra que l'error anomenat error cinemàtic consisteix en realitat en un component fonamental, que representa l'error cinemàtic "pur", acolorit per un segon component que sorgeix de la flexibilitat torsional inherent dels engranatges d'accionament harmònics.

Aquest últim component explica la font de variabilitat en els perfils d'error cinemàtic publicats. La descomposició de l'error cinemàtic en un component bàsic i un component relacionat amb la flexibilitat es demostra tant experimentalment com analíticament fent coincidir un model matemàtic amb dades experimentals. També caracteritzem la dependència de l'error cinemàtic de la càrrega inercial, el conjunt d'engranatges i la velocitat de rotació.