JP2014084989A - Wave gear device, driving apparatus, and robot equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転モータの回転速度を減速可能な波動歯車装置、この波動歯車装置を備えた駆動装置、及びこの駆動装置を備えたロボット装置に関する。 The present invention relates to a wave gear device that can reduce the rotation speed of a rotary motor, a drive device that includes the wave gear device, and a robot device that includes the drive device.
産業用ロボット等の関節駆動には、高速低トルクの電動の回転モータの出力を、減速機構を用いて低速大トルクに変換して適用することが一般的である。減速機構としては、多種の方式が実用されているが、比較的小出力のもので大きな減速比が得られ、比較的小型軽量な波動歯車装置が多く用いられている。 For joint driving of industrial robots and the like, it is common to apply the output of a high-speed, low-torque electric rotary motor to low-speed, large torque using a reduction mechanism. Various types of speed reduction mechanisms have been put into practical use, but a relatively small output and large reduction gear ratio can be obtained, and a relatively small and light wave gear device is often used.
波動歯車装置は、外周が略楕円形に形成されたカム板を有する波動発生器を、可撓性外歯車の内側に嵌め込んで楕円状に変形させ、円環状の剛性内歯車とその長軸部の２か所で噛み合わせるものである。この剛性内歯車と歯数が２ｎだけ異なるもう１つの剛性内歯車を可撓性外歯車に噛み合わせて出力とすると、歯数差に応じた差動回転により、例えば５０：１の大きな減速比が一段で得られる。 A wave gear device is a ring-shaped rigid internal gear and its long axis, which is formed by fitting a wave generator having a cam plate with an outer periphery formed into an elliptical shape into an elliptical shape by fitting it inside a flexible external gear. It meshes at two places of the part. When this rigid internal gear and another rigid internal gear whose number of teeth is different by 2n are meshed with a flexible external gear for output, a large reduction ratio of, for example, 50: 1 is obtained by differential rotation according to the number of teeth difference. Is obtained in one step.
しかしながら、波動発生器として薄肉の玉軸受の内周に楕円形のカム板を嵌め込んで玉軸受を変形させて用いるため、この玉軸受は特殊な専用品である。すなわち、この軸受は、特に外周が内周の１回転につき２回の屈曲変形を受けるため、非常に薄肉でなければならない。また、薄肉の可撓性外歯車に直接外周を嵌め込まなければならないため、入力トルクが小さいにもかかわらず軸受の直径が大きくなる。したがって、入力最大回転数が制限され、軸受のピッチ円径に比例する損失トルクも大きい。さらには可撓性外歯車の変形に要する力と負荷トルクによる力を受けるために波動歯車装置の寿命はこの変形する軸受で制限されている。 However, since the ball bearing is deformed and used by inserting an elliptical cam plate on the inner periphery of a thin ball bearing as a wave generator, this ball bearing is a special dedicated product. In other words, this bearing must be very thin because the outer periphery is subjected to bending deformation twice per one rotation of the inner periphery. Further, since the outer periphery must be directly fitted into the thin flexible external gear, the diameter of the bearing is increased despite the small input torque. Therefore, the maximum input rotational speed is limited, and the loss torque proportional to the diameter of the pitch circle of the bearing is large. Furthermore, since the force required for the deformation of the flexible external gear and the force due to the load torque are received, the life of the wave gear device is limited by the deforming bearing.
そこで、２枚の円板を入力回転軸に対して偏心させた２枚の円板を有する波動発生器を用いることで、通常の変形しない円環状の軸受を用いるものが提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１に記載されている可撓性外歯車は、フランジを有するカップ状のものである。 In view of this, there has been proposed one that uses an ordinary ring bearing that does not deform by using a wave generator having two discs in which the two discs are eccentric with respect to the input rotating shaft (patent). Reference 1). The flexible external gear described in Patent Document 1 has a cup shape having a flange.
上記特許文献１では、長軸では軸受に対して単純なラジアル荷重となると考えられるが、実際には圧力の集中を避けるため、可撓性外歯車と円板とは長軸部付近でできるだけ広い角度範囲にわたって接触させなければならない。ところが、可撓性外歯車の変形は単純な楕円円錐筒ではなく、軸方向の傾きが長軸方向から短軸方向にわたって変化する、いわゆるコーニングが発生する。したがって、円板は可撓性外歯車の内面を軸方向に滑りながら周方向に転がり運動することになるので、円板には長軸方向を軸としたモーメント力が作用することになる。結果として円板と可撓性外歯車との滑りによる損失が発生し、また円板を支持する軸受にはフランジの影響で増大する圧力とモーメント力の複合的な負荷がかかり、波動歯車装置の寿命が短くなる問題があった。 In the above-mentioned Patent Document 1, it is considered that the long shaft is a simple radial load with respect to the bearing. However, in order to avoid pressure concentration, the flexible external gear and the disc are as wide as possible near the long shaft. Must be contacted over an angular range. However, the deformation of the flexible external gear is not a simple elliptical conical cylinder, and so-called coning occurs in which the inclination in the axial direction changes from the major axis direction to the minor axis direction. Therefore, the disk rolls in the circumferential direction while sliding in the axial direction on the inner surface of the flexible external gear, so that a moment force about the major axis acts on the disk. As a result, loss due to slippage between the disc and the flexible external gear occurs, and the bearing supporting the disc is subjected to a combined load of pressure and moment force that increases due to the influence of the flange. There was a problem of shortening the service life.
そこで、本発明は、高負荷作用時においても安定したトルク伝達が可能であり、波動発生器の入力回転軸に作用する回転モーメントを減少させることで、波動歯車装置の長寿命化を達成することを目的とする。 Therefore, the present invention is capable of stable torque transmission even under a high load action, and achieves a long life of the wave gear device by reducing the rotational moment acting on the input rotation shaft of the wave generator. With the goal.
本発明の波動歯車装置は、環状の第１の剛性内歯車と、前記第１の剛性内歯車と同軸に前記第１の剛性内歯車に隣接して配置され、前記第１の剛性内歯車よりも歯数が少ない環状の第２の剛性内歯車と、前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車の内側に配置された環状の可撓性外歯車と、前記可撓性外歯車の内側に配置され、前記可撓性外歯車を撓ませて前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車に対して周方向に複数箇所で部分的に噛み合わせると共に、前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車と前記可撓性外歯車との噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器と、を備え、前記波動発生器は、前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車の内側であって、前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車と同軸に配置された入力回転軸と、前記第１の剛性内歯車に対応して配置され、前記入力回転軸に対して互いに異なる方向に偏心して装着された、前記噛み合い位置の数と同数の複数の円板からなる第１の円板群と、前記第２の剛性内歯車に対応して配置され、前記入力回転軸に対して互いに異なる方向に偏心して装着された、前記噛み合い位置の数と同数の複数の円板からなる第２の円板群と、を有することを特徴とする。 The wave gear device according to the present invention is arranged adjacent to the first rigid internal gear, coaxially with the annular first rigid internal gear, and coaxially with the first rigid internal gear. An annular second rigid internal gear having a small number of teeth, an annular flexible external gear disposed inside the first rigid internal gear and the second rigid internal gear, and the flexible external gear. The flexible external gear is disposed inside the gear, and is partially meshed with the first rigid internal gear and the second rigid internal gear at a plurality of locations in the circumferential direction. A wave generator that moves a meshing position of the first rigid internal gear and the second rigid internal gear and the flexible external gear in the circumferential direction, and the wave generator includes the first rigid internal gear. Inside the gear and the second rigid internal gear, the first rigid internal gear and the second rigid internal gear The same number of meshing positions as the number of the meshing positions arranged corresponding to the first rigid internal gear and eccentrically mounted in different directions with respect to the input rotating shaft. And a number of meshing positions arranged corresponding to the second rigid internal gear and eccentrically mounted in different directions with respect to the input rotation shaft. And a second disk group made up of the same number of disks.
本発明によれば、各剛性内歯車について、可撓性外歯車を各噛み合い位置に複数の円板からなる円板群で均一に押し付けているので、噛み合わせが強固になり、負荷容量を大きくできる。さらに、各円板を介して入力回転軸が受ける荷重は、主にラジアル荷重となり、入力回転軸にかかる回転モーメントを低減できるので、波動歯車装置の剛性が高くなり、長寿命となる。 According to the present invention, for each rigid internal gear, the flexible external gear is uniformly pressed to each meshing position by the disk group consisting of a plurality of disks, so that the meshing is strengthened and the load capacity is increased. it can. Further, the load received by the input rotary shaft via each disk is mainly a radial load, and the rotational moment applied to the input rotary shaft can be reduced. Therefore, the rigidity of the wave gear device is increased and the life is extended.
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボット装置の概略構成を示す斜視図である。図１に示すロボット装置５００は、例えば組立作業等を行う産業ロボットである。ロボット装置５００は、垂直多関節（６つ関節）のロボットアーム１００と、ロボットアーム１００の先端に設けられ、ワークＷに対して把持等の作業を行うエンドエフェクタとしてのロボットハンド２００とを備えている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of the robot apparatus according to the first embodiment of the present invention. A
ロボットアーム１００は、ロボット本体として、関節Ｊ１〜Ｊ６で連結されたベース１１１及び複数のリンク１０１〜１０６を有している。また、ロボットアーム１００は、各関節Ｊ１〜Ｊ６に設けられ、対応する関節Ｊ１〜Ｊ６を駆動する駆動装置１２０を複数（６つ）備えている。
The
図２は、図１の各関節を駆動する駆動装置の断面図である。駆動装置１２０は、回転モータである電磁モータとしてのサーボモータ１３０と、サーボモータ１３０の出力、つまりサーボモータ１３０の回転軸１３１の回転速度を減速する波動歯車装置１５０と、を有している。波動歯車装置１５０は、第１の剛性内歯車としての円環状の剛性内歯車２０、第２の剛性内歯車としての円環状の剛性内歯車３０、円環状の可撓性外歯車４０及び波動発生器５０を備えている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a drive device that drives each joint of FIG. The
図３は、本発明の第１実施形態に係る波動歯車装置の概略構成を示す説明図である。図３（ａ）は波動歯車装置の軸方向に沿った断面図、図３（ｂ）は波動歯車装置の右側面図、図３（ｃ）は波動歯車装置の左側面図、図３（ｄ）は波動歯車装置の波動発生器の構成の一部の分解斜視図である。なお、波動歯車装置１５０の内部をわかりやすくするために、カバーや入出力軸を支持する軸受は省略し、また軸受のリテーナ等の詳細は省略して要部のみを示してある。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the wave gear device according to the first embodiment of the present invention. 3A is a cross-sectional view of the wave gear device along the axial direction, FIG. 3B is a right side view of the wave gear device, FIG. 3C is a left side view of the wave gear device, and FIG. ) Is an exploded perspective view of a part of the configuration of the wave generator of the wave gear device. In addition, in order to make the inside of the
図３において、剛性内歯車２０は、内歯２１の歯数が例えば１０２の固定内歯車であって、不図示のハウジングに固定されている。
In FIG. 3, the rigid
剛性内歯車３０は、内歯３１の歯数が、剛性内歯車２０の内歯２１の歯数よりも少ない、例えば１００の出力内歯車であって、剛性内歯車２０と同軸に剛性内歯車３０に隣接して配置されている。これら２つの剛性内歯車２０，３０は、歯先円径及び歯元円径がほぼ同一である。
The rigid
可撓性外歯車４０は、外歯４１の歯数が剛性内歯車３０の内歯３１の歯数と同数の１００の可撓性外歯車であって、剛性内歯車２０，３０の内側に配置されている。
The flexible
波動発生器５０は、可撓性外歯車４０の内側に配置されている。そして、波動発生器５０は、可撓性外歯車４０を撓ませて剛性内歯車２０，３０に対して周方向に複数箇所（本実施形態では、２箇所）で部分的に噛み合わせると共に、剛性内歯車２０，３０と可撓性外歯車４０との噛み合い位置を周方向に移動させるものである。
The
なお、可撓性外歯車４０の軸方向の位置は、不図示のハウジングに囲われることによって保たれている。この可撓性外歯車４０の真円状態における直径は、図３（ｃ）及び図３（ｄ）の組立状態において、紙面上下方向近傍が噛み合うと同時に、左右方向の一定角度範囲で噛み合いが十分はずれるような大きさに設定されている。
The position of the flexible
波動発生器５０は、剛性内歯車２０，３０の内側であって、剛性内歯車２０，３０と同軸に配置され、サーボモータ１３０の回転軸１３１（図２）に連結され、回転軸１３１と一体に回転する入力回転軸５１を有している。この入力回転軸５１は、サーボモータ１３０の回転軸１３１と一体に形成されていているが、別体に形成されていてもよい。
The
また、波動発生器５０は、剛性内歯車２０に対応して配置され、入力回転軸５１に対して互いに異なる方向に偏心して装着された、噛み合い位置の数と同数の複数（２つ）の円板６１，６２からなる第１の円板群としての円板群６０１を有している。
The
また、波動発生器５０は、剛性内歯車３０に対応して配置され、入力回転軸５１に対して互いに異なる方向に偏心して装着された、噛み合い位置の数と同数の複数（２つ）の円板６３，６４からなる第２の円板群としての円板群６０２を有している。
The
ここで、噛み合い位置の数をｎ（ｎは２以上の整数）としたとき、円板群６０１は、ｎ個の円板からなり、円板群６０２は、ｎ個の円板からなる。そして、円板群６０１の数をｍ１（ｍ１は正の整数）個とし、円板群６０２の数をｍ２（ｍ２は正の整数）個とする。すると、剛性内歯車２０に対しては、ｎ×ｍ１個の円板が配置され、剛性内歯車３０に対しては、ｎ×ｍ２個の円板が配置されることになる。本第１実施形態では、ｎ＝２，ｍ１＝１，ｍ２＝１としている。
Here, when the number of meshing positions is n (n is an integer of 2 or more), the
つまり、剛性内歯車２０については、１つの円板群６０１、つまり、２つの円板６１，６２が相対して配置され、剛性内歯車３０については、１つの円板群６０２、つまり２つの円板６３，６４が相対して配置されている。より具体的には、各円板群６０１，６０２は、それぞれの剛性内歯車２０，３０の内歯２１，３１に可撓性外歯車４０を介して相対して配置されている。
That is, for the rigid
可撓性外歯車４０は、４つの円板６１，６２，６３，６４によって紙面上下方向に撓められて、上下の一定角度範囲にある複数枚の外歯４１が、各剛性内歯車２０，３０の内歯２１，３１と噛み合わされている。
The flexible
４つの円板６１，６２，６３，６４は、２つの剛性内歯車２０，３０と同軸に回転可能に支持された入力回転軸（クランク軸）５１に軸受６１１，６２１，６３１，６４１を介して取り付けられている。
The four
本第１実施形態では、剛性内歯車２０から剛性内歯車３０に向かって、円板６１、円板６２、円板６３、円板６４の順に軸方向に並んで配置されており、円板６１及び円板６３が同一方向に偏心し、円板６２及び円板６４が同一方向に偏心している。なお、円板６１と円板６２とは、互いに異なる方向、即ち互いに反対方向に偏心しており、円板６３と円板６４とは、互いに異なる方向、即ち互いに反対方向に偏心している。円板６１，６２，６３，６４は、円環状に形成されており、円板６１，６２，６３，６４の内側に入力回転軸５１が挿通して配置されている。
In the first embodiment, the
入力回転軸５１には、軸方向と直交する偏心方向に平行に延びる一対の平面（側面）５１ａ，５１ｂが形成され、平面５１ａと平面５１ｂとの間に凹部５１ｃ，５１ｄが形成されている。
The
入力回転軸５１には、偏心方向にスライド可能に支持部材６１２，６２２，６３２，６４２が配置されている。
支持部材６１２，６２２，６３２，６４２は、外周が円形状に形成されている。そして、支持部材６１２，６２２，６３２，６４２には、入力回転軸５１の平面５１ａ，５１ｂに面接触する一対のスライド面６０ａ，６０ｂを有する切欠部６０が形成されている。切欠部６０は、略矩形状に形成されている。
The outer periphery of the
各支持部材６１２，６２２，６３２，６４２は、切欠部６０が入力回転軸５１に嵌められ、切欠部６０の一対のスライド面６０ａ，６０ｂがそれぞれ入力回転軸５１の平面５１ａ，５１ｂに面接触して配置されている。これにより、各支持部材６１２，６２２，６３２，６４２は、一対の平面５１ａ，５１ｂに案内されて偏心方向にスライド可能となっている。
In each of the
軸受６１１，６２１，６３１，６４１は、円環状のラジアル軸受である。また、軸受６１１，６２１，６３１，６４１は、玉軸受である。軸受６１１，６２１，６３１，６４１は、外輪（アウターレース）が円板６１，６２，６３，６４の内側に圧入又は接着剤によって固着され、内輪（インナーレース）が支持部材６１２，６２２，６３２，６４２の外周に固着されている。したがって、支持部材６１２，６２２，６３２，６４２は、軸受６１１，６２１，６３１，６４１を介して円板６１，６２，６３，６４を支持している。
The
支持部材６１２，６２２，６３２，６４２は、入力回転軸５１の一対の平面５１ａ，５１ｂに規制されて、偏心方向にのみ移動可能に入力回転軸５１に支持された規制部材である。入力回転軸５１の軸方向の一端には、突起部５４が形成されており、他端には、止め輪５３が取り付けられる溝５３１が形成されている。これら突起部５４及び止め輪５３により、支持部材６１２，６２２，６３２，６４２は、軸方向への移動が規制されている。
The supporting
支持部材６１２，６２２，６３２，６４２の切欠部６０と入力回転軸５１との間には、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３が配置されている。本第１実施形態では、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３は、バネ鋼製の円管状の部材である。なお、支持部材６１２，６２２，６３２，６４２は、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３より剛性の大きい。各弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３は、各円板６１，６２，６３，６４をそれぞれの偏心方向に付勢する。
支持部材６１２，６２２，６３２，６４２の切欠部６０一対のスライド面６０ａ，６０ｂの間の当接面（底面）６０ｃには、更に凹部６６が形成されている。各弾性部材６２３，６４３は、各支持部材６２２，６４２の凹部６６と、入力回転軸５１の凹部５１ｃとの間に嵌り込むように配置されている。また、各弾性部材６１３，６３３は、各支持部材６１２，６３２の凹部６６と、入力回転軸５１の凹部５１ｄとの間に嵌り込むように配置されている。
A
これにより、各弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３は、軸方向に直交し、かつ偏心方向に直交する方向へのずれが規制されている。つまり、各弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３は、各円板６１，６２，６３，６４の軸方向中央の位置に保持されている。
Thereby, each
弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３の外径は、図３（ａ）〜図３（ｃ）の状態に組み立てたときの支持部材６１２，６２２，６３２，６４２の凹部６６と入力回転軸５１の凹部５１ｃ，５１ｄとの間の空隙より若干大きい寸法に設定されている。従って、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３は、組立状態では所定量、弾性変形する。これにより、円板６１，６２，６３，６４は、偏心方向には弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３によって弾性的に支持され、これと直交する方向には支持部材６１２，６２２，６３２，６４２等によって剛に支持されている。つまり、支持部材６１２，６２２，６３２，６４２は、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３による円板６１，６２，６３，６４の変位を偏心方向に規制する。
The outer diameters of the
このような構成により、弾性部材６１３，６２３の付勢力により、円板６１，６２が可撓性外歯車４０を剛性内歯車２０に押し付け、弾性部材６３３，６４３の付勢力により、円板６３，６４が可撓性外歯車４０を剛性内歯車３０に押し付けている。
With such a configuration, the
円板６１，６２，６３，６４が可撓性外歯車４０に加えるこれらの力は、接触している範囲の分布荷重であり、その積分したものは紙面上下方向の力になる。これを図３中にベクトルＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４として示す。ここで、これら力Ｆ１〜Ｆ４は、ほぼ同一の大きさで上下逆方向であるため、入力回転軸５１にはラジアル荷重がほとんどかからず、若干のモーメント荷重のみがかかった状態になっている。
These forces applied to the flexible
次に波動歯車装置１５０の動作について説明する。入力回転軸５１に動力源であるサーボモータ１３０（図２）からの回転力を入力して、入力回転軸５１を回転させると、円板６１，６２，６３，６４の偏心方向が回転し、可撓性外歯車４０と剛性内歯車２０，３０との噛み合い位置も同時に回転移動する。入力回転軸５１が一回転すると、剛性内歯車３０は剛性内歯車２０より歯数が２歯少ないため、入力回転軸５１と逆方向に２歯分回転する。したがって、入力回転軸５１が５０回転すると、ちょうど１回転逆転することになり、５０分の１に減速された出力が取り出せる。
Next, the operation of the
続いて、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３の作用について詳述する。減速機の性能指標は種々あるが、ロボットの制御の観点で特に重要なのは応答特性に関係する剛性とバックラッシュ、それに効率である。
Next, the operation of the
可撓性外歯車４０は、薄い円環状のため、図３のように撓ませるために必要な力は、従来例で述べたようなフランジを有する可撓性外歯車（カップ状又はシルクハット状の可撓性外歯車）に比べれば小さくて良い。また、原理的に軸方向への滑りが発生しないので、損失トルクが小さく効率がよい。
Since the flexible
本第１実施形態では、弾性部材によりさらに若干大きな力を発生させて可撓性外歯車４０と２つの剛性内歯車２０，３０との噛み合い部分に予圧を与えることで隙間を無くし、バックラッシュをゼロにする、或いはゼロに近づけている。
In the first embodiment, a slightly larger force is generated by the elastic member to apply a preload to the meshing portion between the flexible
図３（ｂ）及び図３（ｃ）において、矢印で示した力Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ２１，Ｆ２２，Ｆ３１，Ｆ３２，Ｆ４１，Ｆ４２は、弾性部材による予圧によって２つの剛性内歯車２０，３０の歯面に生じる反力を示している。これらの力は、紙面上下方向の偏心方向頂点から左右に４歯分ずれた位置の歯に生じるものを代表して示したもので、噛み合っている範囲のすべての歯には大きさと方向が少しずつ異なる同様の反力が生じることは明らかである。
3 (b) and 3 (c), the forces F11, F12, F21, F22, F31, F32, F41, and F42 indicated by the arrows are the teeth of the two rigid
円板６１からの力Ｆ１によって下方に加えられた力は、可撓性外歯車４０を撓ませた残りの力で剛性内歯車２０に加わる。剛性内歯車２０の内歯２１は、可撓性外歯車４０の外歯４１よりも歯数が多く、わずかにそのピッチが小さいため、偏心方向に近い側の歯面が可撓性外歯車４０の歯面と噛み合う。したがって、歯面に生じる反力はＦ１１，Ｆ１２のようになる。円板６２からの力Ｆ２に対しても同様にＦ２１，Ｆ２２のようになる。
The force applied downward by the force F <b> 1 from the
一方、円板６３からの力Ｆ３によって下方に加えられた力は、可撓性外歯車４０を撓ませた残りの力で剛性内歯車３０に加わる。剛性内歯車３０の内歯３１は、可撓性外歯車４０の外歯４１と歯数が同じで周長が大きいのでわずかにそのピッチが大きいため、偏心方向から遠い側の歯面が可撓性外歯車４０の歯面と噛み合う。歯面に生じる反力はＦ３１，Ｆ３２のようになる。力Ｆ４に対しても同様にＦ４１，Ｆ４２のようになる。反力Ｆ１１と反力Ｆ３１、反力Ｆ１２と反力Ｆ３２は、それぞれ可撓性外歯車４０の同じ歯を挟み込むように働く。他の歯についても同様であって、これらの反力を積分したものと可撓性外歯車４０の撓みに対する反力が４つの力Ｆ１〜Ｆ４と釣り合っている。
On the other hand, the force applied downward by the force F <b> 3 from the
このように最適な予圧を与えるために、円管状の弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３の直径がわずかに異なるものを数種類用意して、各部材の寸法誤差に合わせて適切な撓みとなるものを選択して挿入する。このように弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３の直径を調整することで、容易に精度よく予圧を設定できる。なお、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３の付勢力の調整は他の方法、例えば調整部としての不図示の調整機構を入力回転軸５１か支持部材６１２，６２２，６３２，６４２に設けてもよい。また、図３（ｄ）に破線で示すように、調整部としての薄板状の調整部材６５０を凹部６６と凹部５１ｃ（又は凹部５１ｄ）の間に挿入してもよい。このように、調整部材６５を挿入することにより、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３による円板６１，６２，６３，６４の偏心量を調整している。
In order to give such an optimal preload, several types of cylindrical
ここで減速機としての剛性を考察するために、入力軸である入力回転軸５１を固定して出力軸である剛性内歯車３０に負荷トルクを加えたときの撓みについて考える。
Here, in order to consider the rigidity as a speed reducer, the bending when a load torque is applied to the rigid
剛性内歯車３０側から見て時計回りのトルクＴがかかったとすると、このトルク分だけ力Ｆ３２，Ｆ４２が増大し、剛性内歯車２０は強固にハウジングに固定されているため、これに対応して反力Ｆ１２，Ｆ２２も増大する。一方、力Ｆ３１，Ｆ４１は減少し、反力Ｆ１１，Ｆ２１も減少する。すなわち、可撓性外歯車４０の図３（ｃ）で右上と左下の歯に加わる力が増大し、左上と右下の歯に加わる力は減少する。これらの力は各円板６１，６２，６３，６４の中心方向に作用するので、円板６１，６２，６３，６４の偏心のためにわずかながら入力回転軸５１を反時計回りに回転させる方向のトルクが生じることになる。この状態で入力回転軸５１は固定されている。剛性内歯車３０は、軸受６１１〜６４１の隙間寄せ方向の変化による僅かな円板６１〜６４の移動と支持部材６１２〜６４２と入力回転軸５１との隙間のガタ寄せ分、各部材の歪み量の変化分を合わせただけ剛性内歯車２０に対してわずかに回転する。この回転量をトルクで割ったものが剛性であり、非常に高い剛性が実現される。
If a clockwise torque T as viewed from the rigid
負荷されるトルクＴがさらに増大してその合力の偏心方向成分が力Ｆ１〜Ｆ４以上になると、弾性部材６１３〜６４３が弾性変形し始め、円板６１〜６４の偏心量が減少することで剛性内歯車３０が回転する。このように比較的大きな負荷トルクがかかった状態では、弾性部材６１３〜６４３の弾性係数によって剛性を設定できるので、必要な剛性に合わせた弾性部材６１３〜６４３を用いればよい。
When the applied torque T is further increased and the eccentric direction component of the resultant force becomes equal to or greater than the forces F1 to F4, the
弾性部材６１３〜６４３の弾性係数を大きくすることで高い剛性が得られるが、その場合、各弾性部材６１３〜６４３の精度を高めておく必要がある。比較的低い剛性で良い場合には、弾性係数を低くすることで各弾性部材６１３〜６４３の精度を緩和することも可能である。
High rigidity can be obtained by increasing the elastic coefficient of the
なお、弾性部材６１３〜６４３は、円環状以外の形状、例えば図４（ａ）の楕円環形状、図４（ｂ）のＵ字形状、図４（ｃ）の三角形状などでもよい。要は必要な弾性係数と弾性変形量（撓み量）が得られる形状と材質のものを用いればよいのである。
The
ここで、円板６１，６２，６３，６４の材質は剛性内歯車２０，３０と熱膨張係数がほぼ等しいものが好適である。歯車としては熱処理や表面処理によって高い歯面強度が得られる鋳鉄や鋼鉄、ステンレスなどの高強度の鉄系金属が一般的であり、円板６１，６２，６３，６４も鉄系金属が望ましい。しかし、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３によって熱膨張差を吸収できる場合は、円板６１，６２，６３，６４をアルミなどの軽金属合金、樹脂やＣＦＲＰなどの複合材料などの軽量なものが使用可能である。これにより、高回転数側の慣性を小さくでき、応答特性をさらに改善可能である。
Here, the material of the
図５は、剛性内歯車２０及び剛性内歯車３０の要部を示す部分拡大図である。図５（ａ）は、剛性内歯車２０，３０と可撓性外歯車４０との噛み合い部分を軸方向から見た図、図５（ｂ）〜図５（ｄ）は、剛性内歯車２０，３０の２歯分のみを示す斜視図である。
FIG. 5 is a partially enlarged view showing the main parts of the rigid
本第１実施形態では、剛性内歯車２０の内歯２１及び剛性内歯車３０の内歯３１には、互いに近接する側の端部の歯面２１１，２１１及び歯面３１１，３１２に、エンドレリーフ加工が施されている。
In the first embodiment, the
本第１実施形態においては、可撓性外歯車４０の外歯４１を２つの剛性内歯車２０，３０の内歯２１，３１の間に押し付けることでバックラッシュを無くしているが、この押し付け力によって歯面に生じる力Ｆ９１，Ｆ９２は歯筋方向に分布を持っている。
In the first embodiment, the backlash is eliminated by pressing the
図５（ｂ）〜図５（ｄ）の右側にこの力Ｆ９１，Ｆ９２の分布の模式図を示す。図５（ｂ）には内歯２１，３１の断面形状が一定の場合を示している。図５（ｂ）において、可撓性外歯車４０の歯４１は、剛性内歯車２０の歯２１の片側の歯面２１１と接しており、剛性内歯車３０の歯３１とは反対側の歯面３１２と接している。したがって、歯筋方向に可撓性外歯車４０の歯４１の長さにわたって接触力Ｆ９１，Ｆ９２が生じ、その分布は模式図のように２つの剛性内歯車２０，３０の対向面側の端部２１３，３１３にピークを持つ。
A schematic diagram of the distribution of the forces F91 and F92 is shown on the right side of FIGS. 5 (b) to 5 (d). FIG. 5B shows a case where the cross-sectional shapes of the
そこで、本第１実施形態では、図４（ｃ）のように、ピークに相当するところ、即ち互いに近接する側の端部２１３，３１３の歯面２１１，２１１及び歯面３１１，３１２に、エンドレリーフ加工を施すことで、最大面圧を緩和している。これにより、歯面２１１，２１１及び歯面３１１，３１２の耐久性を増すことができる。
Therefore, in the first embodiment, as shown in FIG. 4C, the ends corresponding to the peaks, that is, on the tooth surfaces 211 and 211 and the tooth surfaces 311 and 312 of the
なお、図４（ｄ）のように、クラウニング加工を施すことでも同様の効果がある。他の方法、例えば連続的に転位を施すことで対向面側の歯厚を細くすることでも同様に適用可能である。 As shown in FIG. 4D, the same effect can be obtained by applying crowning. Other methods such as reducing the tooth thickness on the opposite surface side by continuously performing dislocation are also applicable.
以上、本第１実施形態によれば、各剛性内歯車２０，３０について、可撓性外歯車４０を各噛み合い位置に複数の円板からなる円板群６０１，６０２で均一に押し付けているので、噛み合わせが強固になり、負荷容量を大きくできる。さらに、各円板６１〜６４を介して入力回転軸５１が受ける荷重は、主にラジアル荷重となり、入力回転軸５１にかかる回転モーメントを低減できるので、波動歯車装置１５０の剛性が高くなり、長寿命となる。
As described above, according to the first embodiment, the flexible
また、軸受６１１，６２１，６３１，６４１は、変形させる必要がなく、また単純なラジアル負荷にのみ対応すればよいので、剛性が高く品質の安定した安価な量産品を使用でき、寿命の点でも有利である。
The
また、軸受６１１，６２１，６３１，６４１の外径を可撓性外歯車４０の内径よりも小さくできるので、高い入力回転数に対応可能で、損失トルクも小さくすることが可能である。
Further, since the outer diameters of the
更に、複数の円板６１，６２，６３，６４を各々弾性的に支持する弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３を用いたことで、最適な予圧を与えることができる。これにより、バックラッシュを小さく、或いはゼロにすることができ、かつ剛性と損失トルクを最適なバランスに設定することができる。
Furthermore, the use of the
更に、弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３の弾性変形による円板６１，６２，６３，６４の変位を偏心方向に規制する支持部材６１２，６２２，６３２，６４２を用いたことにより、負荷トルクに対する各円板の変位量を小さくすることができる。これにより、波動歯車装置１５０の剛性が高くなる。
Furthermore, by using the
更に、円板６１，６２，６３，６４の偏心量を各々調整する調整部材６５０を用いたことにより、各弾性部材６１３，６２３，６３３，６４３の誤差の影響を最小にすることが可能になる。
Furthermore, by using the adjusting
更に、剛性内歯車２０，３０の互いに近接して対向している側の端部２１３，３１３の歯面２１１，２１２，３１１，３１２にエンドレリーフ加工またはクラウニング加工が施されているので、歯面の応力のピークを緩和することができる。これにより、負荷能力をさらに高め、寿命を改善することが可能となる。
Further, since the tooth surfaces 211, 212, 311 and 312 of the
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態の波動歯車装置について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る波動歯車装置を示す断面図である。なお、本第２実施形態において、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略し、差異のみについて説明する。
[Second Embodiment]
Next, a wave gear device according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a wave gear device according to a second embodiment of the present invention. Note that in the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof will be omitted, and only differences will be described.
本第２実施形態の波動歯車装置１５０Ａでは、円板６１，６２，６３，６４の配置が上記第１実施形態と異なっており、円板６１と円板６４とが紙面上方に同一方向に偏心し、円板６２と円板６３とが紙面下方に同一方向に偏心している。なお、円板６１と円板６２とは入力回転軸５１に対して互いに反対方向に偏心し、円板６３と円板６４とは入力回転軸５１に対して互いに反対方向に偏心している。
In the
このように配置することで、入力回転軸５１にかかる荷重がラジアル方向のラジアル荷重だけでなく、モーメント荷重も相殺することができる。したがって、軸受６１１，６２１，６３１，６４１の負荷を軽減でき、また振動や騒音の点で有利である。
By arranging in this way, the load applied to the
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention.
上記第２実施形態では、円板６２と円板６３とを別体に形成しているが、円板６２と円板６３とを一体に形成して、部品点数を減らしてもよい。その場合、軸受や弾性部材にかかる力が大きくなるので、それらを負荷に応じたものに変更すればよい。
In the second embodiment, the
また、上記第１，第２実施形態では、円板を支持する軸受として玉軸受を用いているが、円筒ころ軸受や含油軸受などのすべり軸受でも本発明は適用可能である。 In the first and second embodiments, a ball bearing is used as a bearing for supporting the disc. However, the present invention can also be applied to a sliding bearing such as a cylindrical roller bearing or an oil-impregnated bearing.
また、上記第１及び第２実施形態では、剛性内歯車２０，３０にエンドレリーフ加工又はクラウニング加工が施されている場合について説明したが、これら加工は、性能改善の効果があるものであるが、必須ではない。要求される性能とコストに応じてこれら加工を適用するか否かは任意である。 In the first and second embodiments, the case where the internal relief gears 20 and 30 are subjected to end relief processing or crowning processing has been described. However, these processing have an effect of improving performance. ,Not required. Whether or not to apply these processes according to required performance and cost is arbitrary.
また、上記第１，第２実施形態では、垂直型のロボットアームの関節を駆動する駆動装置に適用される波動歯車装置ついて説明したが、水平型のロボットアームや、パラレルリンクのロボット等の駆動装置についても本発明の波動歯車装置は適用可能である。 In the first and second embodiments, the wave gear device applied to the driving device for driving the joint of the vertical robot arm has been described. However, the driving of a horizontal robot arm, a parallel link robot, or the like is described. The wave gear device of the present invention can also be applied to the device.
２０…剛性内歯車（第１の剛性内歯車）、３０…剛性内歯車（第２の剛性内歯車）、４０…可撓性外歯車、５０…波動発生器、５１…入力回転軸、６１，６２…円板、６３，６４…円板、１２０…駆動装置、１３０…サーボモータ（回転モータ）、１５０…波動歯車装置、５００…ロボット装置、６０１…板群（第１の円板群）、６０２…円板群（第２の円板群）
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記第１の剛性内歯車と同軸に前記第１の剛性内歯車に隣接して配置され、前記第１の剛性内歯車よりも歯数が少ない環状の第２の剛性内歯車と、
前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車の内側に配置された環状の可撓性外歯車と、
前記可撓性外歯車の内側に配置され、前記可撓性外歯車を撓ませて前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車に対して周方向に複数箇所で部分的に噛み合わせると共に、前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車と前記可撓性外歯車との噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器と、を備え、
前記波動発生器は、
前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車の内側であって、前記第１の剛性内歯車及び前記第２の剛性内歯車と同軸に配置された入力回転軸と、
前記第１の剛性内歯車に対応して配置され、前記入力回転軸に対して互いに異なる方向に偏心して装着された、前記噛み合い位置の数と同数の複数の円板からなる第１の円板群と、
前記第２の剛性内歯車に対応して配置され、前記入力回転軸に対して互いに異なる方向に偏心して装着された、前記噛み合い位置の数と同数の複数の円板からなる第２の円板群と、を有することを特徴とする波動歯車装置。 An annular first rigid internal gear;
An annular second rigid internal gear disposed adjacent to the first rigid internal gear coaxially with the first rigid internal gear and having fewer teeth than the first rigid internal gear;
An annular flexible external gear disposed inside the first rigid internal gear and the second rigid internal gear;
Arranged inside the flexible external gear, the flexible external gear is bent to partially mesh with the first rigid internal gear and the second rigid internal gear at a plurality of locations in the circumferential direction. And a wave generator that moves the meshing position of the first rigid internal gear and the second rigid internal gear and the flexible external gear in the circumferential direction,
The wave generator is
An input rotation shaft disposed inside the first rigid internal gear and the second rigid internal gear and coaxially with the first rigid internal gear and the second rigid internal gear;
A first disc comprising a plurality of discs having the same number as the number of meshing positions, arranged corresponding to the first rigid internal gear and mounted eccentrically in different directions with respect to the input rotation shaft. Group,
A second disk composed of a plurality of disks having the same number as that of the meshing positions, which are arranged corresponding to the second rigid internal gear and are eccentrically mounted in different directions with respect to the input rotation shaft. A wave gear device comprising: a group;
前記第１の円板群及び前記第２の円板群のそれぞれの前記円板を偏心方向に付勢する弾性部材を有することを特徴とする請求項１に記載の波動歯車装置。 The wave generator is
2. The wave gear device according to claim 1, further comprising an elastic member that biases each of the first disk group and the second disk group in an eccentric direction.
前記弾性部材による前記円板の変位を前記偏心方向に規制する規制部材を有することを特徴とする請求項２に記載の波動歯車装置。 The wave generator is
The wave gear device according to claim 2, further comprising a regulating member that regulates displacement of the disk by the elastic member in the eccentric direction.
前記規制部材には、前記一対の平面に接する一対のスライド面を有する切欠部が形成され、
前記弾性部材は、前記切欠部と前記入力回転軸との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の波動歯車装置。 On the outer periphery of the input rotation shaft, a pair of planes are formed in parallel to the eccentric direction,
The regulating member is formed with a notch portion having a pair of slide surfaces in contact with the pair of flat surfaces,
The wave gear device according to claim 3, wherein the elastic member is disposed between the notch and the input rotation shaft.
前記回転モータの回転速度を減速する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波動歯車装置と、を備えた駆動装置。 A rotary motor;
A drive device comprising: the wave gear device according to claim 1, which reduces a rotation speed of the rotary motor.
前記関節を駆動する請求項８に記載の駆動装置と、を備えたロボット装置。 A robot body having a joint;
A robot apparatus comprising: the drive device according to claim 8 that drives the joint.
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