CN113631841A - 摩擦波动减速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及主要用于改变工业用机器人关节中的现有波动齿轮装置的驱动原理的摩擦波动减速器，其包括：波发生器，其最外面具有圆锥形加压面；无齿型柔性齿轮，其内侧容纳有所述波发生器，且具有与所述圆锥形加压面紧贴并内接的圆锥形摩擦管；无齿型刚性齿轮，其内侧容纳有所述无齿型柔性齿轮，且具有在形成相互轴对称的多个点内接有所述圆锥形摩擦管的内接圆锥形加压面，从而与所述无齿型柔性齿轮形成内摩擦轮。由此，能够提供一种克服现有波动齿轮装置的缺点的同时具有较高的生产效率和旋转精密度且无振动和噪音的减速器。

Description

摩擦波动减速器
技术领域
本发明涉及主要用于工业用机器人关节中的减速器，更具体地，涉及一种用于改变现有波动齿轮装置中的驱动原理的摩擦波动减速器。
背景技术
通常，需要精准操作的领域如工业用机器人、机床、半导体工艺等中采用的减速器包括波动齿轮装置(Strain wave gearing)、RV减速器、行星齿轮减速器等。
其中，所谓谐波驱动(Harmonic DriveTM)的波动齿轮装置以高精密度实现1：30～1：320的高减速比的同时具有简单的结构，有利于小型化、轻量化，从而在工业用机器人领域被广泛地采用。
如图1所示，现有的波动齿轮装置10其主要构件为波发生器11(Wave generator)、柔性齿轮12(Flex spline)、刚性齿轮13(Circular spline)。如图2所示，随着与发动机轴一体旋转的椭圆形的波发生器11的旋转，围绕它的作为弹性体的柔性齿轮12与旋转的波发生器11形态相应地发生变形。此外，柔性齿轮12与外侧啮合的刚性齿轮13存在一定的齿数差，因此实现波发生器11单位旋转时柔性齿轮12以所述齿数差程度的角度反方向旋转(a->b->c->d)的减速比。
然而，该原理的波动齿轮装置10虽然具有上述优点，但是由于需要在柔性齿轮12上进行设计及精密加工以形成齿形，因此存在制作困难及成本上升的问题。
此外，当因所述齿形的形成导致齿面间的摩擦引起磨耗或者存在齿形的加工误差乃至形状误差时，存在旋转精密度降低并产生振动和噪音的问题。
此外，所述齿形的形成必然导致齿侧间隙(Backlash)，从而存在旋转时晃动的问题。
[在先技术文献]
韩国公开专利公报第2018-0127794号(公开日：2018.11.30)
韩国公开专利公报第2017-0139191号(公开日：2017.12.19)
韩国授权专利第2033409号(授权日：2019.10.11)。
发明内容
【技术问题】
因此，本发明的目的在于，提供一种摩擦波动减速器，通过改变现有波动齿轮装置的驱动原理，克服如上所述的现有波动齿轮装置的缺点，从而具有相对较高的生产效率和旋转精密度，且不产生振动和噪音。
【技术方案】
为了实现上述目的，本发明提供一种摩擦波动减速器，包括：波发生器(Wavegenerator)，其最外面具有圆锥形加压面；无齿型柔性齿轮(Toothless Flex spline)，其内侧容纳有所述波发生器，且具有与所述圆锥形加压面紧贴并内接的圆锥形摩擦管；无齿型刚性齿轮(Toothless Circular spline)，其内侧容纳有所述无齿型柔性齿轮，且具有在形成相互轴对称的多个点内接有所述圆锥形摩擦管的内接圆锥形加压面，从而与所述无齿型柔性齿轮形成内摩擦轮。
其中，所述摩擦波动减速器可进一步包括加压手段，其通过向轴方向对所述波发生器加压以在所述圆锥形摩擦管与所述内接圆周摩擦面间产生摩擦力。
此时，所述加压手段可包括以推力轴承(Thrust bearing)作为媒介对所述波发生器加压的插塞(Plug)。
进一步地，所述摩擦波动减速器可进一步包括发动机安置用中间板，其结合在所述刚性齿轮的轴方向一侧端部，且内侧容纳有所述插塞，在所述插塞的外周面与所述中间板的内周面之间，相互螺丝结合，从而能够调节所述插塞对所述波发生器施加的加压力。
此时，所述插塞形成有外周面与所述中间板的内周面螺丝结合的轮辋(rim)、从所述轮辋的内周面向内侧延伸的弹性凸缘(elastic flange)及形成于所述弹性凸缘内侧端部且通过轴方向一侧端部对所述推力轴承进行加压的轮毂(hub)，从而还可采取所述弹性凸缘与基于所述轮毂的所述施加压力成比例地向相反侧轴方向弹性变形的结构。
此外，所述插塞以弹簧作为媒介对所述推力轴承加压，所述弹簧与所述加压力成比例地向轴方向弹性压缩变形。
另外，所述摩擦波动减速器可进一步包括取代所述加压手段的拉伸手段，其通过向轴方向牵引所述波发生器以在所述圆锥形摩擦管与所述内接圆周摩擦面之间产生摩擦力。
此时，所述拉伸手段包括：延伸轴，其从所述波发生器向轴方向延伸且通过所述柔性齿轮的中心；轴承，其支撑所述延伸轴且使所述延伸轴可相对于所述柔性齿轮旋转；以及插塞，其结合在所述延伸轴上且与所述轴承紧贴，从而受到轴方向的支撑。
此时，在所述插塞的内周面与所述延伸轴的外周面之间相互螺丝结合，从而可调节所述插塞对所述波发生器的拉伸力。
进一步地，所述插塞形成有内周面与所述延伸轴承的外周面螺丝结合的轮毂(hub)、从所述轮毂的外周面向外侧延伸的弹性凸缘(elastic flange)及形成于所述弹性凸缘外侧端部且通过轴方向一侧端部支撑于所述推力轴承上的轮辋(rim)，所述弹性凸缘与通过所述轮毂的所述拉伸力成比例地向相反侧轴方向弹性变形。
此外，所述插塞以弹簧作为媒介支撑在所述轴承上，所述弹簧与所述拉伸力成比例地向轴方向弹性压缩变形。
此外，所述波发生器可包括：波生成凸轮，其最外面具有所述圆锥形加压面；波生成凸轮轴，其与所述波生成凸轮朝轴方向可拆卸地结合且形成有所述延伸轴。
【有益效果】
如上所述，根据本发明的摩擦波动减速器，通过将现有柔性齿轮与刚性齿轮间的啮合结构转换为面对面接触的摩擦结合结构，从而具有无需进行齿形设计或精密加工的优点，结果相比于现有的谐波驱动，制作费用相对较低，生产效率高。特别是，即使波发生器的椭圆半径或者外形尺寸不是十分准确，也能够通过调整轴方向的设置位置,实现内外圆锥面间的摩擦接触，从而减轻了加工精密度的负担。
此外，通过克服现有齿形的小型化的局限性，可提供超小型及超轻量的减速器。当然，由于无需形成齿形因此耐磨耗性及耐久性进一步提高。
进而，在基于高表面压力无相对滑动的额定容量范围内，具有相当高的旋转精密度，几乎不存在齿侧间隙。而且，完全不存在齿形的加工误差或者形状误差等，即使高速旋转也不会产生振动和噪音。另外，无需使用现有啮合结构中作为必需品的高价润滑油。
附图说明
图1是现有波动齿轮装置的主要部件的分解立体图。
图2是图1的波动齿轮装置的结合状态中的各操作步骤的俯视图。
图3和图4是根据本发明第一实施例的摩擦波动减速器与发动机的结合立体图及截面图。
图5和图6是将图4中的波动齿轮装置分离图示的放大立体图及截面图。
图7和图8是根据本发明第二实施例的摩擦波动减速器与发动机的结合立体图及截面图。
图9和图10是将图8中的摩擦波动减速器分离图示的放大立体图及截面图。
图11和图12分别是图6的变形例的截面图。
图13和图14分别是图10的变形例的截面图。
具体实施方式
根据本发明第一实施例的摩擦波动减速器100如图3和图4所示，结合在一侧面的发动机20的驱动轴21上结合有波发生器110并一体旋转，由此，围绕它的弹性体柔性齿轮120与旋转的波发生器110的形状对应地变形(参照图2)，而针对其外侧的刚性齿轮130以一定比例反方向旋转，从而实现输出轴140的减速比，基于这一点，与现有的波动齿轮装置(参照图1和图2的10)实质上相同。
只是，关键区别在于，现有柔性齿轮(图1的12)与刚性齿轮(图1的13)为啮合关系，而本发明涉及的柔性齿轮120与刚性齿轮130为面对面接触的摩擦结合关系。
本实施例为了实现如上所述的摩擦结合关系，如图5和图6所示，波发生器110侧柔性轴承111(Flexible bearing)由其外圈112(Outer race)的外周面112a为左高右低的倾斜面即圆锥形加压面组成，从而对沿着垂直方向紧贴在外侧的柔性齿轮120施加压力。
所述压力基于以推力轴承150(Thrust bearing)作为媒介向轴方向对波发生器110的凸轮113(Cam)进行加压的插塞160(Plug)而产生。为此，所述柔性轴承111优选为可将轴方向的力向半径方向传递的斜角接触(Angular contact)式，其示例如图所示，还可以采用具有其它圆锥形轨道轮的柔性轴承或者锥形滚动轴承。
特别是，本实施例中凸轮113的外周面113a一体形成以兼备柔性轴承111的内圈(Inner race)的形状及功能。
插塞160能够调节施加在凸轮113上的力，本在实施例中，以外侧刚性齿轮130的轴方向结合于一侧上的发动机安置用中间板170的内侧，结合有所述插塞160，并且通过在所述中间板170的内周面与插塞160的外周面之间实现螺丝结合，从而可根据插塞160的旋转调节来调节施加在凸轮113上的力。由此，可调节最外面的圆锥形加压面112a施加到柔性齿轮120的压力。
此时，柔性轴承111如图所示，虽然可以是球轴承(Ball bearing)，但是，当传递相对较强的力时，也可由滚柱轴承(Roller bearing)取代。
柔性齿轮120与所述圆锥形加压面112a对应地具有左侧宽且向右侧逐渐变窄的圆锥形摩擦管121。因此，圆锥形加压面112a紧贴在圆锥形摩擦管121并与其内接。该圆锥形摩擦管121中不形成齿形，因此具有这种圆锥形摩擦管121的柔性齿轮120被称为“无齿(Toothless)型”柔性齿轮。
此外，外侧刚性齿轮130的内周面与圆锥形摩擦管121对应地具有左侧宽且向右侧逐渐变窄的内接圆锥形加压面131。该内接圆锥形加压面131也不形成齿形，因此具有这种内接圆锥形加压面131的刚性齿轮130被称为“无齿型”刚性齿轮。
由此，在圆锥形摩擦管121与内接圆锥形加压面131之间，基于波发生器110凸轮113的形状形成相互轴对称的两点或者三个以上的点上相互接触(即，内接)。
因此，无齿型柔性齿轮120与无齿形刚性齿轮130在多个点上构成相互接触的内摩擦轮(Internal friction wheel)，从而实现基于圆周方向的长度差的减速比。
根据本发明第二实施例的摩擦波动减速器200如图7和图8所示，结合在一侧面的发动机20的驱动轴21上结合有波发生器210并一体旋转，由此，围绕它的弹性体柔性齿轮220将与旋转的波发生器210的形状对应地变形(参照图2)，而针对其外侧的刚性齿轮230以一定比例反方向旋转，从而实现输出端222的减速比，基于这一点，与现有的波动齿轮装置(参照图1和图2的10)实质上相同。
只是，关键区别在于，现有柔性齿轮(图1的12)与刚性齿轮(图1的13)为啮合关系，而本发明涉及的柔性齿轮120与刚性齿轮130为面对面接触的摩擦结合关系。
本实施例为了实现如上所述的摩擦结合关系，如图9和图10所示，波发生器210侧柔性轴承211(Flexible bearing)由其外圈212(Outer race)的外周面212a为左高右低的倾斜面即圆锥形加压面组成，从而对沿着垂直方向紧贴在外侧的柔性齿轮220施加压力。
所述压力基于朝向轴方向对自波发生器210的中心向轴方向延伸的延伸轴214进行牵引的插塞260而产生。为此，轴承250紧贴在形成于柔性齿轮220中心部的圆筒面223并***，从而可旋转地支撑内侧的延伸轴214。结合在延伸轴214的插塞260以沿着轴方向紧贴于轴承250内圈的方式牵引波发生器210。其中，轴承250可以是斜角接触(Angularcontact)式，基于柔性齿轮220中心部的形状也可采用推力轴承(Thrust bearing)。
所述柔性轴承211优选为可将轴方向的力向半径方向传递的斜角接触式，其示例如图所示，还可以采用具有其它圆锥形轨道轮的柔性轴承或者锥形滚动轴承。
特别是，本实施例中，凸轮213的外周面213a一体形成以兼备柔性轴承211的内圈(Inner race)的形状及功能。
插塞260能够调节朝轴方向牵引波发生器210的力，在本实施例中，通过在所述插塞260的内周面与延伸轴214的外周面之间实现螺丝结合，从而可根据插塞260的旋转调节来调节牵引波发生器210的力(即，拉伸力)。由此可调节最外面的圆锥形加压面212a施加到柔性齿轮220的压力。
此时，柔性轴承21如图所示，虽然可以是球轴承(Ball bearing)，但是，当传递相对较强的力时，也可由滚柱轴承(Roller bearing)取代。
柔性齿轮220与所述圆锥形加压面22a对应地具有左侧宽且向右侧逐渐变窄的圆锥形摩擦管221。从而圆锥形加压面212a紧贴在圆锥形摩擦管221并与其内接。该圆锥形摩擦管221中不形成齿形，因此具有这种圆锥形摩擦管221的柔性齿轮220被称为“无齿型”柔性齿轮。
此外，外侧刚性齿轮230的内周面与圆锥形摩擦管221对应地具有左侧宽且向右侧逐渐变窄的内接圆锥形加压面231。该内接圆锥形加压面231也不形成齿形，因此具有这种内接圆锥形加压面231的刚性齿轮230被称为“无齿型”刚性齿轮。
由此，在圆锥形摩擦管221与内接圆锥形加压面231之间，基于波发生器210凸轮213的形状形成相互轴对称的两点或者三个以上的点上相互接触(即，内接)。
因此，无齿型柔性齿轮220与无齿形刚性齿轮230在多个点上构成相互接触的内摩擦轮(Internal friction wheel)，从而实现基于圆周方向的长度差的减速比。
另外，图11作为根据上述第一实施例的摩擦波动减速器(参照图6)的一变形例，插塞360上形成有外周面与中间板370的内周面螺丝结合的轮辋361(rim)、从该轮辋361的内周面向内侧延伸的弹性凸缘362(elastic flange)、形成于该弹性凸缘362的内侧端部且通过轴方向一侧端部对推力轴承350进行加压的轮毂363(hub)。
在该结构中，通过进一步拧紧中间板370上螺丝结合的轮辋361，随着所述361轮辋逐渐(向右侧)前进，轮毂363通过推力轴承350施加给波发生器310的压力逐渐增加，弹性凸缘362将与其成比例地朝相反侧轴方向(附图中的左侧方向)弹性变形。这好像如所述加压力大小的弹力被保存在弹性凸缘362中。
由此，因柔性轴承311部位的长时间摩擦旋转导致的细微磨耗，造成摩擦加压力减少时，仍能够用基于所述弹性凸缘362的轴方向加压力进行自动补偿，从而能够维持与圆锥形摩擦管321及内接圆周摩擦面331的接触力。
作为另一种用于维持这种构件间接触的变形例，如图12所示，也可以采取通过在插塞460与推力轴承450之间夹设盘簧480，将其作为媒介向推力轴承450和波发生器410提供压力的结构。
盘簧480与所述加压力成比例地朝轴方向弹性压缩变形，这种积攒在盘簧480的恢复力如上所述，可自动地补偿基于柔性轴承411部位的磨耗导致的摩擦加压力减少。
此外，在所述变形例中，不同于前面参照图6的描述内容，采用在波发生器410凸轮413的外周面另行安装包括内外圈的柔性轴承411的结构，从而当发生磨耗时能够用新的轴承取代，进而可提供考虑到维护方面的设计。
另外，如上所述的变形式样同样可应用于根据本发明第二实施例的摩擦波动减速器(参照图10)。
即，如图13所示，插塞560作为朝轴方向牵引波发生器510的拉伸手段，形成有内周面与延伸轴514的外周面螺丝结合的轮毂561(hub)、自该轮毂561的外周面向外侧延伸的弹性凸缘562(elastic flange)、形成于该弹性凸缘562的外侧端部且通过轴方向一侧端部支撑在轴承550的轮辋563(rim)。
由此，基于柔性轴承511部位的磨耗产生段差时，仍能够通过所述弹性凸缘562的变形积攒的轴方向拉伸力，始终维持与圆锥形摩擦管521及内接圆周摩擦面531的接触力。
此外，如上述的另一变形例，如图14所示，通过在插塞660与轴承650之间夹设盘簧680，将其作为媒介向波发生器610提供拉伸力。
另外，在本变形例中，波发生器610显然可采用在波生成凸轮613的外周面另外安装包括内外圈的柔性轴承611的结构，这种波生成凸轮613采用与形成有延伸轴614的波生成凸轮轴615可拆卸地结合的结构。由此，可提供一种考虑到根据波发生器610的不同破损部位进行维护的设计。
以上所述的摩擦波动减速器是为了有助于理解本发明而提供的，基于后述的权利要求书及其均等的范围定义的本发明的权利范围及技术范围不受上述内容的限制。

Claims (20)

1.一种摩擦波动减速器，包括：
波发生器，其最外面具有圆锥形加压面；
无齿型柔性齿轮，其内侧容纳有所述波发生器，且具有与所述圆锥形加压面紧贴并内接的圆锥形摩擦管；
无齿型刚性齿轮，其内侧容纳有所述无齿型柔性齿轮，且具有在形成相互轴对称的多个点内接有所述圆锥形摩擦管的内接圆锥形加压面，从而与所述无齿型柔性齿轮形成内摩擦轮。
2.如权利要求1所述的摩擦波动减速器，其特征在于，进一步包括加压手段，其通过向轴方向对所述波发生器加压以在所述圆锥形摩擦管与所述内接圆周摩擦面间产生摩擦力。
3.如权利要求2所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述加压手段包括以推力轴承作为媒介对所述波发生器加压的插塞。
4.如权利要求3所述的摩擦波动减速器，其特征在于，进一步包括发动机安置用中间板，其结合在所述刚性齿轮的轴方向一侧端部，且内侧容纳有所述插塞，在所述插塞的外周面与所述中间板的内周面之间，相互螺丝结合，从而能够调节所述插塞对所述波发生器施加的加压力。
5.如权利要求4所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述插塞形成有外周面与所述中间板的内周面螺丝结合的轮辋、从所述轮辋的内周面向内侧延伸的弹性凸缘及形成于所述弹性凸缘内侧端部且通过轴方向一侧端部对所述推力轴承进行加压的轮毂，所述弹性凸缘与基于所述轮毂的所述加压力成比例地向相反侧轴方向弹性变形。
6.如权利要求4所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述插塞以弹簧作为媒介对所述推力轴承加压，所述弹簧与所述加压力成比例地向轴方向弹性压缩变形。
7.如权利要求1所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述波发生器包括凸轮及结合在所述凸轮的外周面的斜角接触式柔性轴承，所述圆锥形加压面由所述柔性轴承外圈的外周面组成。
8.如权利要求7所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述柔性轴承的内圈由所述凸轮的外周面组成，从而构成所述凸轮的一部分。
9.如权利要求7所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述柔性轴承为球轴承。
10.如权利要求7所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述柔性轴承为滚柱轴承。
11.如权利要求1所述的摩擦波动减速器，其特征在于，进一步包括拉伸手段，其通过向轴方向牵引所述波发生器以在所述圆锥形摩擦管与所述内接圆周摩擦面之间产生摩擦力。
12.如权利要求11所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述拉伸手段包括：延伸轴，其从所述波发生器向轴方向延伸且通过所述柔性齿轮的中心；轴承，其支撑所述延伸轴且使所述延伸轴可相对于所述柔性齿轮旋转；以及插塞，其结合在所述延伸轴上且与所述轴承紧贴，从而受到轴方向的支撑。
13.如权利要求12所述的摩擦波动减速器，其特征在于，在所述插塞的内周面与所述延伸轴的外周面之间相互螺丝结合，从而能够调节所述插塞对所述波发生器的拉伸力。
14.如权利要求13所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述插塞形成有内周面与所述延伸轴承的外周面螺丝结合的轮毂、从所述轮毂的外周面向外侧延伸的弹性凸缘及形成于所述弹性凸缘外侧端部且通过轴方向一侧端部支撑于所述推力轴承上的轮辋，所述弹性凸缘与基于所述轮毂的所述拉伸力成比例地向相反侧轴方向弹性变形。
15.如权利要求13所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述插塞以弹簧作为媒介支撑在所述轴承上，所述弹簧与所述拉伸力成比例地向轴方向弹性压缩变形。
16.如权利要求12所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述波发生器包括：波生成凸轮，其最外面具有所述圆锥形加压面；波生成凸轮轴，其与所述波生成凸轮朝轴方向可拆卸地结合且形成有所述延伸轴。
17.如权利要求11所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述波发生器包括凸轮及结合在所述凸轮的外周面的斜角接触式柔性轴承，所述圆锥形加压面由所述柔性轴承外圈的外周面组成。
18.如权利要求17所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述柔性轴承的内圈由所述凸轮的外周面组成，从而构成所述凸轮的一部分。
19.如权利要求17所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述柔性轴承为球轴承。
20.如权利要求17所述的摩擦波动减速器，其特征在于，所述柔性轴承为滚柱轴承。
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