Redutores harmônicos ou engrenagens de onda de deformação são amplamente utilizados em sistemas de movimento de precisão compactos, onde são necessárias alta relação de redução, baixa folga e alta densidade de torque. Eles são particularmente relevantes para juntas de robôs, equipamentos semicondutores, mecanismos aeroespaciais e sistemas de posicionamento de precisão. Arquiteturas típicas de onda de deformação podem atingir grandes relações de redução em um único estágio, frequentemente variando de aproximadamente 30:1 a bem mais de 100:1, dependendo do projeto.
A aparente simplicidade mecânica é enganosa. Um redutor típico contém apenas três elementos de transmissão principais — a engrenagem flexível, a engrenagem circular e o gerador de ondas — mas seu desempenho depende da deformação elástica controlada de um componente de aço extremamente fino. A condição do material, a espessura da parede, a geometria dos dentes, o tratamento térmico, a usinagem das engrenagens, a precisão dos rolamentos, a montagem e a lubrificação afetam a precisão da transmissão, a rigidez, a eficiência, o ruído e a vida útil.
Como funciona um redutor harmônico
A haste flexível é um copo de aço de paredes finas com dentes externos próximos à sua extremidade aberta. A haste circular é um anel rígido com dentes internos, enquanto o gerador de ondas consiste em uma came de precisão combinada com um rolamento flexível de pista fina.
Quando o gerador de ondas é inserido na engrenagem flexível, ele deforma a extremidade aberta em um formato elíptico. Os dentes da engrenagem flexível engatam na engrenagem circular principalmente em torno do eixo principal. Como as duas engrenagens têm números de dentes ligeiramente diferentes, uma revolução do gerador de ondas produz uma rotação relativa muito menor do componente de saída, criando uma alta relação de redução.
Esse mecanismo explica por que a fabricação é tão exigente. A engrenagem flexspline não é rígida; ela se deforma continuamente durante a operação. A geometria da parede, o projeto da raiz do dente, a resistência à fadiga e as condições de tratamento térmico influenciam, portanto, tanto o engrenamento quanto a vida útil da engrenagem.
Por que os redutores harmônicos são usados nas juntas de robôs humanoides?
Os atuadores humanoides devem gerar torque articular substancial, mantendo-se compactos e leves. O mecanismo de engrenagens por ondas de deformação é atraente porque pode fornecer uma alta relação de redução em um mecanismo coaxial e relativamente compacto, mantendo baixa folga.
As aplicações potenciais incluem articulações rotativas compactas no pulso, cotovelo, ombro e outras, embora seja incorreto assumir que toda articulação de baixa carga deva usar um redutor harmônico. Arquiteturas de atuadores planetários, cicloidais, de acionamento quase direto e lineares também são utilizadas, dependendo do torque de saída, velocidade, carga de choque, capacidade de reversão e restrições de espaço.
À medida que a produção de robôs humanoides avança da fase de protótipos para volumes maiores, o custo de fabricação torna-se tão importante quanto a precisão. A conformação próxima à forma final, a geração automatizada de engrenagens e o acabamento seletivo de precisão são, portanto, alternativas cada vez mais importantes à usinagem de cada componente inteiramente a partir de um bloco sólido.
Componentes principais de um redutor de harmônicos
Flexspline
A engrenagem flexível é geralmente a peça mais difícil de fabricar. Ela combina uma parede cilíndrica muito fina, dentes de engrenagem externos, um diafragma e um cubo central. Deve deformar-se radialmente, mantendo-se suficientemente rígida à torção para transmitir torque.
Portanto, o material requer resistência à fadiga, tenacidade e estabilidade dimensional, e não apenas dureza máxima. Concentrações de tensão frequentemente ocorrem na transição entre a parede cilíndrica, o diafragma e o cubo, tornando o projeto do raio e a espessura da parede importantes para a vida útil à fadiga.
Spline Circular
A estria circular é rígida e contém uma engrenagem interna. Seus principais desafios de fabricação incluem o perfil interno do dente, a precisão do passo, a excentricidade da engrenagem e a concentricidade entre a engrenagem interna e os pontos de montagem externos ou os pontos de referência dos rolamentos.
Dependendo do módulo, diâmetro, dureza e volume de produção, os processos podem incluir conformação de engrenagens, brochamento, corte mecânico e retificação.
Gerador de Ondas
O gerador de ondas consiste em uma came de precisão e um rolamento flexível. Seu perfil determina a deformação imposta à flexspline e, portanto, influencia o engrenamento dos dentes, a distribuição de carga e a rigidez do redutor.
A geometria de produção deve seguir o perfil real da came projetado, em vez de simplesmente assumir uma elipse matemática perfeita. Precisão do perfil, simetria, acabamento superficial, ajuste do rolamento e concentricidade em relação ao eixo de entrada são fatores importantes.
Por que a usinagem de flexspline é tão difícil?
Geometria de paredes finas
Algumas hastes flexíveis têm espessuras de parede próximas ou inferiores a 1 mm, dependendo do tamanho do redutor. Durante o desbaste, a peça bruta pode ser relativamente rígida, mas a rigidez diminui drasticamente à medida que o material é removido.
Forças de fixação inofensivas no início do processo podem distorcer o componente final. Forças de corte também podem deformar a parede, causando conicidade, ovalização ou variação localizada na espessura.
Remoção de Material e Tensão Residual
As flexsplines tradicionais podem envolver uma remoção de material extremamente alta quando usinadas a partir de um bloco sólido. À medida que o material é removido, a tensão residual na peça bruta se redistribui e pode distorcê-la.
Um processo estável, portanto, separa o desbaste do acabamento final e pode incluir estabilização intermediária ou tratamento térmico, dependendo da liga.
Uniformidade da espessura da parede
A espessura uniforme da parede é particularmente importante porque a estria flexível deve deformar-se de forma previsível. Uma diferença dimensional que seria insignificante em uma carcaça rígida pode criar rigidez não uniforme na estria flexível, alterando o engate dos dentes e a tensão local.
O objetivo, portanto, não é simplesmente atingir a espessura mínima da parede, mas manter uma espessura consistente ao redor da circunferência e na região de transição.
Fixação de peças de parede fina
A fixação convencional com mordentes pode facilmente distorcer uma engrenagem flexível acabada. Pode ser necessário o uso de mordentes macios, mandris expansíveis, eixos personalizados ou outros métodos de fixação distribuída, e a estratégia de fixação geralmente muda entre as etapas de desbaste, acabamento e usinagem da engrenagem.
É por isso que o planejamento do processo é tão importante quanto a capacidade da máquina-ferramenta.
Processo de fabricação Flexspline
Peças em branco e pré-formas
A matéria-prima pode ser uma barra, peça forjada, tubo ou uma pré-forma com formato próximo ao final. A usinagem de peças sólidas é flexível para protótipos, mas gera alto desperdício de material, enquanto os processos de conformação ou de fabricação de peças com formato próximo ao final tornam-se mais atrativos à medida que o volume de produção aumenta.
Torneamento CNC de desbaste
O diâmetro externo, a cavidade interna, o diafragma e o cubo são inicialmente torneados de forma desbastada enquanto o componente ainda possui rigidez suficiente. Normalmente, o material é deixado nas superfícies críticas para acabamento posterior.
Nesta fase, o objetivo é estabelecer pontos de referência estáveis e remover a maior parte do excesso de material sem criar prematuramente a condição final de parede fina.
Tratamento térmico e gerenciamento de estresse
O tratamento térmico é crucial, pois a engrenagem flexível precisa de resistência à fadiga, tenacidade e resistência ao desgaste dos dentes. O processo exato depende do material e do projeto do redutor, portanto, não existe uma receita universal de dureza ou tratamento térmico.
O processamento térmico também pode deformar a fina peça. Portanto, a sobremedida de usinagem e a sequência de acabamento devem ser desenvolvidas em conjunto com o processo de tratamento térmico.
Usinagem final de paredes finas
Após o desbaste e o processamento térmico principal, a parede pode ser usinada para o acabamento. Baixas forças de corte, ferramentas afiadas e dispositivos de fixação cuidadosamente distribuídos ajudam a reduzir a deformação.
A medição também deve ser realizada com força de contato controlada, pois um medidor de alta força pode deformar a peça e gerar resultados enganosos.
Usinagem de dentes de engrenagem Flexspline
Fresagem de engrenagem
A fresagem por geração de dentes flexíveis externos é um importante processo industrial para a produção de dentes flexíveis. Pesquisas modernas mostram que o avanço axial da fresa, o erro de ângulo de montagem, o diâmetro da fresa e a estratégia de coroamento do dente podem influenciar a superfície final do dente.
É por isso que a usinagem por fresa flexível não deve ser descrita simplesmente como "menos precisa que a eletroerosão". A precisão da máquina, a geometria da fresa, a configuração, o design dos dentes e o acabamento subsequente afetam o resultado final.
Conformação de engrenagens e desbaste mecânico
A conformação de engrenagens pode ser usada para certos formatos de dentes internos e externos, enquanto o corte mecânico (power skiving) é cada vez mais atraente para engrenagens internas de precisão, pois pode oferecer uma produtividade substancialmente maior do que a conformação convencional.
As ranhuras circulares são candidatas particularmente adequadas para esses processos, dependendo do diâmetro, módulo e quantidade de produção.
Fio EDM
A eletroerosão a fio é útil para protótipos, materiais endurecidos e geometrias de dentes especializadas, pois introduz uma força de corte muito pequena. Ela pode produzir perfis complexos sem ferramentas dedicadas ao corte de engrenagens, tornando-a atraente durante o desenvolvimento.
Suas desvantagens incluem menor produtividade e a necessidade de considerar a camada refundida, a integridade da superfície e o acabamento subsequente. Portanto, não deve ser considerada a solução padrão para todos os protótipos.
Retificação e acabamento final de engrenagens
Dependendo do material e dos requisitos de desempenho, os dentes podem necessitar de retificação ou de outra operação de acabamento após o endurecimento. O objetivo é controlar o perfil, o passo, a rugosidade da superfície e os desvios introduzidos durante os processos anteriores.
Tecnicamente, não faz sentido afirmar que "todos os erros nos dentes do redutor harmônico devem ser inferiores a 1 μm". A precisão da engrenagem consiste em diversos parâmetros, incluindo desvio de perfil, variação de passo, excentricidade e condição da superfície.
Usinagem de estrias circulares
A estria circular não sofre grande deformação elástica, mas sua engrenagem interna define o lado rígido do sistema de engrenamento. Portanto, a geometria interna do dente deve estar precisamente relacionada aos pontos de referência de montagem e de apoio.
Uma rota de fabricação típica pode incluir torneamento de peças brutas, usinagem de elementos de montagem, geração de engrenagens internas, tratamento térmico e acabamento final de precisão.
A transferência de dados deve ser minimizada. Se o eixo da engrenagem interna e o diâmetro do rolamento externo precisarem ser concêntricos, o processo de fabricação deve preservar uma referência comum sempre que possível.
Usinagem CNC com gerador de ondas
Perfil da câmera
O perfil do gerador de ondas determina como o rolamento flexível e a linha flexível se deformam durante a rotação. Pequenos erros de perfil podem alterar o contato entre os dentes, a distribuição de torque e a carga no rolamento.
A inspeção do perfil é, portanto, mais útil do que medir apenas os diâmetros maior e menor.
Ajuste e acabamento superficial do rolamento
O rolamento flexível deve se ajustar ao gerador de ondas sem movimento excessivo ou interferência. A seleção do rolamento adequado depende do projeto do rolamento, da temperatura e do método de montagem.
A superfície de contato também precisa de um acabamento controlado, pois irregularidades na superfície podem afetar a fina pista do rolamento. Portanto, para aplicações de alto desempenho, a retificação de precisão pode ser uma etapa subsequente ao torneamento.
Tratamento térmico em redutor harmônico
O tratamento térmico afeta mais do que apenas a dureza do dente. A haste flexível deve suportar deformações elásticas repetidas, portanto, dureza excessiva em detrimento da tenacidade pode reduzir a vida útil à fadiga.
Dependendo da liga e do componente, os processos podem incluir têmpera total, cementação, nitretação ou tratamentos específicos do fabricante. O processo correto deve equilibrar resistência ao desgaste, resistência à fadiga e estabilidade dimensional.
Portanto, o processo de usinagem e o tratamento térmico devem ser planejados como um sistema único. O acabamento excessivo do material antes do tratamento térmico acarreta o risco de distorção, enquanto a usinagem excessiva posterior pode liberar novas tensões residuais.
Requisitos que realmente importam
Perfil e inclinação do dente
A geometria dos dentes Flexspline e Circular-Spline influencia diretamente o erro de transmissão, a distribuição de carga e a perda de movimento. Engrenagens de onda de deformação avançadas frequentemente utilizam formatos de dentes modificados ou proprietários em vez da geometria involuta convencional simples.
O perfil especificado pelo cliente deve, portanto, ser tratado como dados de projeto controlados e não deve ser substituído por uma forma genérica de dente baseada apenas no módulo e na quantidade de dentes.
Concentricidade e excentricidade
O gerador de ondas, a flexspline e a spline circular compartilham um eixo de transmissão funcional. O desalinhamento altera a distribuição da carga e pode reduzir a precisão e a vida útil.
Portanto, a usinagem e a montagem devem utilizar um sistema de referência que preserve o eixo comum entre a engrenagem, o rolamento e os elementos de montagem.
Revestimento de superfície
O acabamento superficial afeta o desgaste e o comportamento de contato, principalmente nas superfícies dos mancais do gerador de ondas e nos dentes das engrenagens acabadas. Ele deve ser especificado de acordo com a função, em vez de usar um requisito universal de rugosidade Ra ultrabaixa.
Materiais para Redutores Harmônicos
| Componente | Requisito principal | Direção típica do material |
|---|---|---|
| Flexspline | Resistência à fadiga, tenacidade, elasticidade controlada | Aço de liga de alto desempenho |
| Spline circular | Resistência dos dentes, resistência ao desgaste, estabilidade dimensional | Aço de liga ou temperado |
| hub do gerador de ondas | Resistência, estabilidade dimensional | liga de aço |
| Rolamento flexível | Resistência à fadiga por contato de rolamento | Aço para rolamentos |
| Habitação | Rigidez e baixa massa | Alumínio ou aço |
| Flange de saída | Resistência e baixo desvio | Alumínio, aço-liga ou titânio |
Portanto, é muito genérico afirmar que as hastes flexíveis e os mancais flexíveis são geralmente feitos de aço 40Cr. A especificação exata do material, as condições de tratamento térmico e a certificação devem ser determinadas para cada aplicação.
Lubrificação e Montagem
Um conjunto de engrenagens perfeitamente usinado ainda pode apresentar desempenho insatisfatório se for montado ou lubrificado incorretamente. A lubrificação afeta o atrito, o aumento da temperatura, o desgaste, o ruído e a vida útil, principalmente na região do rolamento flexível, na área de contato dos dentes e na superfície interna da estria flexível.
A montagem também é importante porque os três componentes principais podem ser combinados como um conjunto. A conformidade dimensional das peças individuais não significa necessariamente que diferentes flexsplines, splines circulares e geradores de ondas possam ser misturados sem alterar o desempenho.
Inspeção de componentes do redutor harmônico
Inspeção de Flexspline
A inspeção pode incluir a distribuição da espessura da parede, circularidade, perfil do dente, espessura do dente, erro de passo e geometria da transição do diafragma. A força de medição deve ser controlada para evitar a deformação da parede fina durante a inspeção.
Inspeção de Spline Circular
Características importantes incluem a geometria interna dos dentes, o passo, a excentricidade, os diâmetros de localização e a relação entre o eixo da engrenagem e os pontos de referência de montagem. Equipamentos dedicados à metrologia de engrenagens podem ser necessários.
Inspeção do gerador de ondas
A geometria do perfil, a excentricidade, as superfícies de encaixe do rolamento e o alinhamento com a referência de entrada devem ser inspecionados. Um micrômetro sozinho não consegue caracterizar completamente o perfil funcional da came.
Teste completo do redutor
Os testes em nível de sistema podem incluir erro de transmissão, folga, rigidez torsional, torque de funcionamento sem carga, eficiência, aumento de temperatura, ruído e durabilidade. Esses testes são necessários porque a conformidade dimensional por si só não garante o desempenho do redutor.
Protótipo versus Produção em Massa
Para protótipos, pode ser vantajoso o uso de usinagem CNC , eletroerosão e processos flexíveis. Em volumes maiores, processos dedicados como fresagem por engrenagem, desbaste, produção de peças quase na forma final, tratamento térmico automatizado e inspeção automatizada tornam-se mais econômicos.
Para robôs humanoides em particular, a produção em larga escala provavelmente aumentará o uso de processos de conformação e fabricação de peças quase acabadas, seguidos por usinagem de precisão seletiva, em vez de usinar cada componente inteiramente a partir de um bloco sólido.
Quais componentes de redutor harmônico são adequados para usinagem CNC?
| Componente | Função de usinagem CNC |
|---|---|
| Flexspline blank | Preparação de referência para torneamento e paredes finas |
| câmera geradora de ondas | Usinagem de torneamento de precisão e pré-retificação |
| Broca de spline circular | Usinagem de torneamento e de referência |
| Flange de saída | Interfaces de torneamento, fresagem e rolamentos |
| Carcaça do redutor | Usinagem multi-eixo |
| Adaptador de motor | Furos de precisão e alinhamento de flanges |
| Suporte de rolamento | Usinagem de torneamento e ajuste |
| Componentes de engrenagem protótipos | Desenvolvimento de fabricação |
| Dispositivos de inspeção | Localização e medição de precisão |
Corte especializado de engrenagens, retificação de engrenagens, tratamento térmico e produção de rolamentos continuam sendo capacidades de fabricação dedicadas. Um fornecedor confiável deve separar esses processos da usinagem CNC geral.
DFM para componentes de redutores harmônicos
Os desenhos Flexspline devem identificar onde a espessura da parede é funcionalmente crítica e onde o material de suporte temporário pode permanecer durante a usinagem. Os desenhos do gerador de ondas devem definir o perfil projetado real, em vez de apenas os diâmetros maior e menor.
Os pontos de referência das engrenagens estriadas circulares devem ser coordenados com as interfaces dos rolamentos e alojamentos, enquanto os alojamentos dos redutores devem ser projetados de forma que os furos correspondentes possam ser feitos a partir de configurações comuns.
As tolerâncias devem ser concentradas nas características de transmissão e montagem. Aplicar requisitos em nível micrométrico a superfícies não funcionais aumenta o custo de usinagem e inspeção sem melhorar o desempenho do redutor.
Usinagem de precisão para redutor harmônico
Uma solicitação de cotação completa deve incluir o modelo CAD 3D, desenho totalmente dimensionado, especificação exata do material, especificação do tratamento térmico, dados do perfil do dente quando relevantes, dados críticos, GD&T, rugosidade da superfície, quantidade esperada e requisitos de inspeção.
Para aplicações em robôs humanoides, o torque nominal, o torque máximo, a velocidade esperada e a localização das juntas também podem ajudar o fornecedor a entender quais características são funcionalmente importantes.
A fabricação de redutores harmônicos é complexa porque o desempenho depende da deformação elástica controlada, e não apenas da geometria rígida das engrenagens. A estria flexível deve permanecer fina, resistente à fadiga e dimensionalmente consistente; a estria circular deve manter a geometria interna precisa das engrenagens; e o gerador de ondas deve impor o padrão de deformação correto.
A usinagem CNC de precisão é particularmente valiosa para blanks de flexspline, geradores de ondas, blanks de circular-spline, flanges de saída, suportes de rolamentos e carcaças de atuadores. Uma revisão de DFM (Design for Manufacturing) antes da produção pode identificar distorções em paredes finas, relações de referência complexas, requisitos de fabricação de engrenagens e tolerância para tratamento térmico antes do primeiro lote de produção.
