مقاله: هارمونیک درایو ( Harmonic Drive ) چیست؟

Strain Wave Gearing

 Strain Wave Gearingها (البته با نام هارمونیک درایو – Harmonic Drive هم شناخته می‌شوند)، نوع خاصی از چرخ‌دنده‌های مکانیکی محسوب می‌شوند که در مواردی خاص، برتری‌هایی نسبت به دیگر انواع دنده‌های مکانیکی (حلزونی، مخروطی و …) دارند. این وسیله در سال ۱۹۵۷ توسط C.W.Musser اختراع شد.

منبع: www.ceeindustrial.com

برتری‌های این نوع خاص از چرخ‌دنده عبارتند از:

• لقی نداشتن (Backlash)

• کوچک بودن و وزن کم

• نسبت بالا بین دنده ها

• نسبت قابل تنظیم در یک محل استاندارد

• دقت بالا

• تکرارپذیری عالی (به صورت خطی) حتی باوجود تغییر بار

• قابللیت تحمل گشتاورهای بالا

• هم محور بودن محورورودی و محور خروجی

نسبت بالایی که این دنده‌ها برای کاهش دور دارند در یک حجم کوچک اتفاق می‌افتد. در یک فضای یکسان می‌توانیم نسبت‌هایی از ۳۰:۱ تا ۳۲۰:۱ را در این دنده‌ها شاهد باشیم، درحالی که در دنده‌های خورشیدی (Planetary gears) شاهد نسبت ۱۰:۱ خواهیم بود.

اما در این مکانیزم، موارد نامطلوبی هم وجود دارد، که عبارتند از:

• تمایل به توقف (با یک حالت فنری دورانی یا a torsional spring rate)
• کاهش پتانسیل به مرور زمان از تنش‌های مکانیکی و همچنین از محیط (potential degradation over time from mechanical shocks and environment)

این نوع دنده‌ها عموماٌ در موارد زیر برای کاهش دنده‌ها، کاربرد دارند. البته ممکن است برای افزایش سرعت چرخشی یا در دیفرانسیل خودرو نیز کاربرد داشته باشد.

• کنترل حرکت صنعتی

• ابزارهای تراش

• ماشین‌های چاپ

• صنایع رباتیک

• صنایع فضایی

توضیحات مکانیکی

تئوری strain wave gearing ها بر پایه‌ی دینامیک الاستیک و استفاده از انعطاف‌پذیری فلزات بنا شده‌است. این مکانیزم دارای سه جزء اصلی است:

• مولد موج

• حلقه‌ی منعطف

• حلقه‌ی دایره‌ای

بیشتر هارمونیک‌درایوهای پیچیده، دارای جزء چهارم نیزهستند که برای کاهش طول کل مکانیزم، یا برای افزایش نسبت کاهش دنده‌ها در قطر کمتر استفاده می‌شود؛ اما فعلاٌ ما به بررسی همین شکل ساده و اولیه‌ی آنها می‌پردازیم.

بخش مولد موج، از دو قسمت تشکیل شده‌است. بخش درونی یا wave generator plug که بیضی شکل است و یاتاقان بیرونی. با قرار گرفتن بخش درونی درون یاتاقان، یاتاقان به شکل یک بیضی در می‌آید. (ناگفته نماند که میزان بیضی بودن این قطعه بسیار کم است به طوری که شاید اگر کسی از قبل نداند که شکل آن بیضی است، ان را با دایره اشتباه بگیرد.)

حلقه‌ی منعطف، شبیه یک فنجان کم‌عمق است. کناره‌های حلقه بسیار نازک است ولی پایین آن، ضخیم و صلب می‌باشد. انعطاف‌پذیری قابل توجه دیواره در بخش بالایی و باز فنجان، به خاطر نازکیِ این دیواره‌ها است. اما بخش پایینی و بسته، صلب، محکم و غیرقابل انعطاف است. در بخش بیرونی حلقه، دندانه‌هایی قرار گرفته‌اند. حلقه‌ی منعطف محکم روی مولد موج قرار می‌گیرد. بنابراین وقتی بخش درونی مولد موج می‌چرخد، حلقه‌ی منعطف به شکل بیضی‌ای که در حال دوران است (=همون مولد موج)، تغییر شکل می‌دهد ولی همراه با آن دوران نمی‌کند.

حلقه‌ی دایره‌ای درواقعه یک قطعه‌ی صلب است که دندانه‌هایی درون خود دارد. مولد موج و حلقه‌ی منعطف، درون حلقه‌ی دایره‌ای قرار دارند و دندانه‌های آنها با یکدیگر درگیر است. با توجه به اینکه مولد موج بیضی شکل است، دندانه‌های حلقه‌ی منعطف و حلقه‌ی دایره‌ای، در دوقسمت با یکدیگر دیگیر می‌شوند و نه در تمام قسمت‌ها. این دوقسمت در دوجهت مخالف و در راستای قطر اصلیِ بیضی قرار دارند.

مولد موج را به عنوان ورودی درنظر می‌گیریم. هنگامی که بخش درونی مولد موج می‌چرخد، دنده‌های حلقه‌ی منعطف که با دندانه‌های حلقه‌ی دایره‌ای درگیرند، تغییر می‌کنند. محور اصلیِ حلقه‌ی منعطف درواقع با مولدموج می‌چرخد، لذا نقاطی که دندانه‌های درگیر در اطراف نقطه‌ی مرکزی می‌چرخند به همان نسبت مولد موج هستند. نکته‌ی کلیدی طراحی هارمونیک‌درایو این است که تعداد دنده‌های حلقه‌ی منعطف کمتر (مثلاً دوتا کمتر) از تعداد دندانه‌های حلقه‌ی دایره‌ای است. این بدان معنی است که برای هردور چرخش کامل مولد موج، حلقه‌ی دایره‌ای باید اندکی (مثلاً دو دندانه) خلاف حلقه‌ی دایره‌ای بچرخد. بنابراین چرخش مولد موج، باعث ایجاد دوران خیلی آرام‌تر در خلاف جهت آن در حلقه‌ی منعطف می‌شود.

میزان نسبت کاهنده‌ی این مکانیزم را می‌توان از رابطه‌ی زیر که بر اساس تعداد دندانه‌های هر قطعه است، حساب نمود:

مثلاً اگر حلقه‌ی دایره‌ای ۲۰۲ دنده و حلقه‌ی منعطف ۲۰۰ دنده داشته باشد، نسبت کاهنده‌ی این مکانیزم ۰٫۰۱- خواهد بود. بنابراین حلقه‌ی منعطف، با سرعت یکصدمِ مولد موج و درخلاف جهت خواهد چرخید.

این ویژگی باعث می‌شود که بتوانیم به نسبت‌های مختلف، بدون تغییر شکل، افزایش وزن یا افزودن بخش‌های دیگر برسیم. حوزه‌ی تغییرات ممکن برای نسبت این مکانیزم، به اندازه‌ی دنده‌ها که آن‌هم جزء مشخصات طراحی می‌باشد،  محدود شده‌است. [۱]

بیشتر

هارمونیک درایورها جایگزین خوبی برای لولاها و یاتاقان های معمولی و انواع دیگر وسایلی هستند که معمولاً در مفاصل ربات وجود دارند. درحالت عادی برای یک مفصل یک لولا قرار می‌دهیم، اگر کمی دقت و عمر دستگاه برایمان مهم باشد، بلبرینگ می‌گذاریم ولی اگر خیلی دقت و لقی نداشتن برایمان مهم باشد باید از هارمونیک درایو استفاده کنیم.

Strain Wave Gearing