CN100430190C - 工业机器人的减速装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本的减速装置，该减速装置选用最适当的负载量的主轴承，并且在中心部设置有贯穿孔，于其中配置线状体，从而大幅缓解了对机器人各轴动作范围的制约。根据本发明，在具有定位于机器人基座的大齿轮，以及与上述大齿轮啮合且枢轴支承在旋转机体内的小齿轮的旋转轴(第一轴)减速装置中，将上述大齿轮与上述小齿轮配置在第二轴(前后轴)的旋转平面附近，并且，在具有枢轴支承在机器人基座上的小齿轮，以及与该小齿轮啮合且定位于旋转机体的大齿轮的旋转轴(第一轴)减速装置中，将上述大齿轮和上述小齿轮配置在第二轴(前后轴)旋转平面的附近。

Description

工业机器人的减速装置

技术领域

本发明涉及一种工业机器人的减速装置。

背景技术

一直以来，通常在工业机器人(以下称“机器人”)的关节部安装有减速装置。该减速装置所要求的性能之一是具有齿隙(backlash)，所谓的齿隙是指电动机的轴上带有的小齿轮和正齿轮(spur gear)之间的间隙，如果该间隙不是最适当的，则会产生异常噪音，或者产生摩擦。如果齿隙大，则成为降低机器人的动作轨迹精度和定位精度的原因，但是，相反地，我们知道如果完全没有齿隙，则在这样的没有齿隙的状态下进行运转的齿轮受到大于等于设计假定值的弯曲应力，因而在远没有达到所期望的寿命之前就会产生断裂损坏的故障。因此保持最适当的齿隙是最重要的课题。

因此，为了保持适当的齿隙量而使齿轮对正常运转，对于要求小齿隙的机器人减速器，很少在最终减速级采用齿轮系。有关适当的齿隙量的计算，当然需要研究有关因齿隙的加工精度、轴承的旋转精度、热膨胀等原因而造成的齿隙量的减小。但是还必须考虑由于机器人动作时的反作用力而造成主轴承弹性变形所引起的齿隙量的减小。

以下根据图5，对作用于机器人的力矩进行说明。

在图中，AM2是上臂，3是负荷，84是减速器内装的主轴承，100是大齿轮，103是小齿轮。S是旋转轴(第一轴)，旋转头RH以垂直轴S为中心水平旋转。L是前后轴(第二轴)，下臂AM1以水平轴L为中心进行摆动，而前后摇摆。U是上下轴(第三轴)，上臂AM2以水平的轴U为中心进行摆动，而上下摇摆。

在机器人静止时，各减速器内装的主轴承84承受与上臂AM2和负荷3等的位置和质量相对应的重力力矩。

并且，在机器人动作时，产生惯性力、离心力等，与质量和加速度、速度等相对应的动力矩作用在主轴承84上。

进而，在与周边的机架发生干涉的情况下，产生将电动机最大力矩与减速比相乘而得的旋转力矩的力作用在干涉点上。相当于该作用力的非常情况下的力矩也作用在主轴承84上。主轴承84主要使用了一对轴向负荷能力高的圆锥滚子轴承或者向心止推轴承。作用在主轴承84上的上述力矩作为径向负载与轴向负载而起作用。结果在主轴承84上产生弹性变形，大齿轮100与小齿轮103的轴产生相对移动，而使径向的齿隙发生变化。

并且，由于大齿轮100与小齿轮103的轴之间产生扭曲，而使圆周方向的齿隙发生变化。

机器人可以获得任意姿态，但是，上述力矩作用的方向可以是特定的。作用在主轴承84上的重力力矩通常作用在前后轴的旋转平面内。在前后轴、上下轴动作的情况下，动力矩、非常情况的力矩也通常作用在前后轴的旋转平面内。在旋转轴以及手腕轴动作的情况下，动力矩有时不作用在上述前后轴的旋转平面内，但是其绝对值较小，与前后轴、上下轴动作时的动力矩相比可以忽略。

图6是表示机器人主要作业区域的侧视图。

如从图中判断的那样，因为机器人作业通常在如图6所示的区域中进行，前后轴的主轴承通常不承受来自该作业姿态的重力力矩。前后轴以及上下轴动作时，不承受动力矩、非常情况的力矩。只在旋转轴动作时产生力矩。

图7是关于本发明小齿轮配置的剖面图(a)与立体图(b)。

如图7(b)所示，在大齿轮的外周的位置a上配置小齿轮，在与连接大齿轮与小齿轮各自中心的方向垂直的方向上，作用力矩时，如果将齿轮的轴向宽度取为B，齿轮的倾斜角取为θ，则圆周方向的齿隙jt为：

jt＝Bsinθ  ---(1)

圆周方向的齿隙减小该部分的量。这表示必须预先对这些齿轮设置大于等于圆周方向齿隙jt的圆周方向的齿隙。

下面，关于该减速装置所要求的功能，可以例举专利文献1所述的如图8所示的中空结构(专利文献1：日本特开平10-175188号公报)。图8为现有例所涉及的要部剖面图，据此，提出了如下方法，即，在第一轴、第三轴的减速装置的中心部设有贯穿孔，在其中配置线状体，从而大幅度缓解了对机器人各轴的动作范围的制约。第一轴减速机构12由共同枢轴支承在旋转机体上的大齿轮、小齿轮以及旋转型减速器构成。

并且，作为公知的旋转型减速器的例子有如专利文献2记载的图9的所示的例子。(专利文献2：日本特公平8-22516号公报)。

这是内装有主轴承84的实施例，因为主轴承需要配置在曲柄轴30和滚针轴承42的外周，所以外径变大而大于等于必要的量。并且，在设置中空部时，需要采用更大尺寸的主轴承，从而导致重量增加，成本增加。并且，在该例中，如果考虑力矩作用在主轴承上的情况，则曲柄轴30每旋转1圈，齿轮29就进行变心摆动运动。如果将该齿轮29的减速比取为1/60，则旋转轴每移动6度，齿轮29就重复进行公转运动。这样，因为必须通过上述力矩作用的方向，所以在齿轮29上需要赋予相当于jt的圆周方向的齿隙量。

发明内容

因此本发明要解决下述课题，使由作用在主轴承上的力矩引起的齿隙量减为最小，并使预先赋予的齿隙量为最小，由此，提供一种低成本的减速装置，该减速装置使用最适当的负载量的主轴承，在中心部设置贯穿孔，并在其中配置线状体，从而可以大幅缓解对机器人各轴动作范围的限制。

为了达到上述目的，本发明第一方面的工业机器人的减速装置具有：机器人基座；安装在上述机器人基座上可以旋转的旋转机体；以及一端通过前后轴而枢轴支承在上述旋转机体上的下臂，该下臂以所述前后轴为中心进行摆动；该工业机器人的减速装置还具有定位在上述机器人基座上的大齿轮以及与上述大齿轮啮合并且枢轴支承在上述旋转机体内的小齿轮，其特征在于，以通过所述大齿轮的旋转中心轴、并且与所述前后轴的旋转平面相平行的平面作为基准平面，所述小齿轮配置在从所述基准平面到以上述大齿轮的旋转中心轴为中心的左右35度的范围内。

本发明第二方面的工业机器人的减速装置具有：机器人基座；安装在上述机器人基座上可以旋转的旋转机体；以及一端通过前后轴而枢轴支承在上述旋转机体上的下臂，该下臂以所述前后轴为中心进行摆动；该工业用机器人的减速装置还具有枢轴支承在上述机器人基座上的小齿轮，以及与上述小齿轮啮合且定位在上述旋转机体内的大齿轮，其特征在于，以通过所述大齿轮的旋转中心轴、并且与所述前后轴的旋转平面相平行的平面作为基准平面，所述小齿轮配置在从所述基准平面到以上述大齿轮的旋转中心轴为中心的左右35度的范围内。

本发明第三方面的工业机器人的减速装置具有：机器人基座；安装在上述机器人基座上可以旋转的旋转机体；一端枢轴支承在上述旋转机体上的下臂；以及一端枢轴支承在上述下臂的另一端上的上臂，该工业机器人的减速装置还具有：定位在上述下臂上的大齿轮，以及与上述大齿轮啮合并且枢轴支承在上述旋转机体内的小齿轮，其特征在于，以通过所述大齿轮的旋转中心轴、并且与所述旋转机体的旋转平面相平行的平面作为基准平面，所述小齿轮配置在从所述基准平面到以上述大齿轮的旋转中心轴为中心的左右35度的范围内。

本发明第四方面是根据本发明第一至第三任意一方面所述的工业机器人的减速装置，其特征在于，在上述大齿轮的中心部具有贯穿孔。

上述本发明第一至第四方面的减速装置的情况，与如图7所示在位置b配置小齿轮、力矩在包含大齿轮与小齿轮的旋转中心线的平面上，沿着使大齿轮倾斜的方向作用的情况是等同的。

因此，如果将齿轮的宽度取B，将齿轮的倾斜角取为θ，则径向齿隙jr为：jr＝Bsinθ  ---(2)。

如果将齿轮的压力角(所谓齿轮的压力角是指在齿轮面的一点上，其半径线与齿形的切线所构成的角)取为α，则与圆周方向齿隙jt’的关系为：jt’＝2tanα×jr   ---(3)。

齿隙减小这样程度的量，但是如果压力角α取14.5度，则：

jt’＝2tan14.5×Bsinθ

    ＝0.52Bsinθ   ---(4)

由此可知，只要预先将大约一半的现有例(1)的圆周方向的齿隙赋予这些齿轮即可。

下面，对于在从位置b旋转角度β的位置c配置小齿轮的情况，圆周方向的齿隙jt”利用下式表示，

jt”＝Bsinθ×cosβ+2tanα×Bsinθsinβ

    ＝Bsinθ(cosβ+2tanα×Bsinβ)   ---(5)

设k＝cosβ+2tanα×Bsinβ，

取α＝14.5度，k与β的关系如图10。

由此可知，当β处于0至0.61rad(0至35度)范围时，k≤1，jt”比jt小。

本计算例为正齿轮，但对于斜齿轮等也同样适用。

下面，根据本发明第四方面所记载的工业机器人的减速装置，输出级利用齿轮系构成可减小齿隙的结构，这样，与旋转型减速机构比较，因为中心部只有贯穿孔，所以能够选择最适当负载量的主轴承。

附图说明

图1是本发明的工业机器人的侧剖面图。

图2是图1所示的工业机器人的主视图。

图3是表示本发明实施例1的图，是图1的A-A剖面图。

图4是表示本发明实施例2的图，是图1的B-B剖面图。

图5是对齿隙减小进行说明的示意图。

图6是机器人的主要作业区域的侧视示意图。

图7是关于本发明的小齿轮配置的剖面图(a)及其立体图(b)。

图8是现有减速装置1的要部剖面图。

图9是现有减速装置2的剖面图。

图10是关于作为本发明课题的齿隙减小效果的图。

附图标号说明

3是负荷，7、7a是电动机轴，10是机器人基座，13是旋转轴电动机，22、22a是输入小齿轮，23是前后轴电动机，25、25a是输入大齿轮，29是齿轮，30是曲柄轴，33、33a是输出轴，42是滚针轴承，84、84a是主轴承，100、100a是大齿轮，102旋转机体部件，103、103a是小齿轮，104是旋转机体部件，105、105a是轴承，115是旋转机体部件，116是旋转机体部件，AM1是下臂，AM2是上臂，CB是电缆(线状体)。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施例进行说明。

图1和图2是说明本发明工业机器人整体的图。图1是其侧剖面图，图2是主视图。两图均表示发明第一方面和发明第四方面。在这里，为了驱动旋转轴动作，利用输入小齿轮22和输入大齿轮25对旋转轴电动机13通过电动机轴7的旋转输入进行减速。小齿轮103连接在输入大齿轮25上。该输入大齿轮25通过轴承105枢轴支承在旋转机体部件102、104上。

进而，该小齿轮103与支承于机器人的基座10、且连接于输出轴33上的大齿轮100啮合，进行二级减速，由此而构成减速装置，输出轴33与大齿轮100也可以是一体的。

图3是表示实施例1的图，是图1的A-A剖面图。该图表示了本发明第二方面和第四方面。如图所示，将上述大齿轮100和上述小齿轮103配置成与前后轴(第二轴)的旋转中心轴(利用单点划线图示)垂直。主轴承84(图1)的外圈安装在旋转机体部件102、104上，内圈安装在固定于机器人基座10的输出轴33上。主轴承84通常是由具有相对工作角的两轴承组合而成，如果力矩负载产生作用，则因为主轴承内部的弹性变形，而产生内圈中心和外圈中心的中心偏移的现象。从上下轴和前后轴产生的力矩使旋转机体部件102、104相对于输出轴33的位置发生变化。这对于利用一个轴承支承力矩负载的横向滚珠轴承也是同样的。这样，因为小齿轮103枢轴支承在旋转机体部件102、104上，所以大齿轮100与小齿轮103的轴间隙发生变化。

因为在包含小齿轮103和大齿轮100的旋转中心线的平面内，上述力矩作用在使大齿轮倾斜的方向上，所以大齿轮100和小齿轮103的圆周方向齿隙的变化量比其他的配置位置小。为了达到本发明的效果，上述小齿轮103也可以配置在上述大齿轮100的旋转中心线的周围、左右35度的任一位置上(但是，齿轮压力角为14.5度)。减速装置的齿轮系由两级构成(输入级与输出级)，但即使是三级或者三级以上也是相同的。

在大齿轮100的旋转中心部，开设有用于配置线状体的贯穿孔101。这种情况下，所谓线状体是指对角轴驱动电动机进行供电的电缆CB，但是，也可以包含用于其他目的的各种电缆或配管之类的一根线状体或者两根或两根以上的线状体。这样的线状体的配置，完全避免了伴随着旋转而产生的干涉。并且，因为中空部的外周只需配置用于固定主轴承外圈的输出轴33即可，因此，内圈尺寸不受限制，可以选择最低必要规格的轴承，从而降低成本。

图4是表示实施例2的图，是图1的B-B剖面图。该图表示了本发明第三方面和第四方面。为了驱动前后轴动作，利用输入小齿轮22a和输入大齿轮25a对前后轴电动机23通过电动机轴7a的旋转输入进行减速。小齿轮103a连接在输入大齿轮25a上。该输入大齿轮25a通过轴承105a枢轴支承在旋转机体部件115、116上。另外，小齿轮103a与支承在下臂AM1上、并连接在输出轴33a上的大齿轮100a啮合，进行二级减速，由此而构成减速装置。输出轴33a与大齿轮100a也可以是一体的。

如图4所示，将上述大齿轮100a与上述小齿轮25a配置成与XZ平面上的旋转轴垂直。主轴承84a的外圈安装在旋转机体部件115、116上，内圈安装在固定于下臂AM1上的输出轴33a上。主轴承84a通常由具有相对工作角的两轴承组合而成，如果力矩负载产生作用，则由于轴承内部的弹性变形，产生内圈中心与外圈中心的中心偏移的现象。从旋转轴产生的力矩使旋转机体部件115、116相对于输出轴33a的相对位置发生变化。这样，因为小齿轮103a枢轴支承在旋转机体部件115、116上，所以大齿轮100a与小齿轮103a的轴间隙发生变化。即，上下轴以及前后轴动作时，由于前后轴和上下轴静止时产生的力，在主轴承84a上几乎不产生力矩，可以忽略。这是因为机器人的前后轴以及上下轴的静态、动态的荷重负载通常分布在主轴承84a的作用线内或其附近。

因为在包含小齿轮103a和大齿轮100a的旋转中心线的平面上，从旋转轴动作产生的力矩作用在使大齿轮倾斜的方向上，所以大齿轮100a和小齿轮103a的圆周方向齿隙的变化量比其他配置位置小，为了获得本发明的效果，小齿轮103a可以配置在大齿轮100a的旋转中心周围的、左右35度的任一位置上(但是，齿轮压力角为14.5度)。减速装置的齿轮系由两级(输入级与输出级)构成，但即使是三级或者三级以上也是相同的。

在大齿轮100a的中心部，开设有用于配置线状体的贯穿孔100a1，这样的配线结构，完全避免了前后轴旋转时的干涉。并且，因为中空部的外周只需配置用于固定主轴承外圈的输出轴33a即可，内圈尺寸不受限制，可以选择最低必要规格的轴承，从而降低成本。

根据本发明第一方面至第三方面，可以使因作用在轴承上的力矩而引起的齿隙量的减为最小，并可以使预先赋予的齿隙量为最小。根据该结构，即使在最后级采用齿轮系，也可以实现小齿隙。如果利用齿轮系来构成，根据本发明第四方面，在主轴承的中心部只有贯穿孔，利用最适当的负载量的轴承，并且在贯穿孔内配置线状体，可以大幅缓解对于机器人各轴动作范围的制约。另外，因为可以选择最适当的负载量的主轴承，所以能够提供低成本的减速装置。

Claims (4)

1、一种工业机器人的减速装置，具有：机器人基座；安装在上述机器人基座上可以旋转的旋转机体；以及一端通过前后轴而枢轴支承在上述旋转机体上的下臂，该下臂以所述前后轴为中心进行摆动；该工业机器人的减速装置还具有定位在上述机器人基座上的大齿轮以及与上述大齿轮啮合并且枢轴支承在上述旋转机体内的小齿轮，其特征在于，以通过所述大齿轮的旋转中心轴、并且与所述前后轴的旋转平面相平行的平面作为基准平面，所述小齿轮配置在从所述基准平面到以上述大齿轮的旋转中心轴为中心的左右35度的范围内。

2、一种工业机器人的减速装置，具有：机器人基座；安装在上述机器人基座上可以旋转的旋转机体；以及一端通过前后轴而枢轴支承在上述旋转机体上的下臂，该下臂以所述前后轴为中心进行摆动；该工业用机器人的减速装置还具有枢轴支承在上述机器人基座上的小齿轮，以及与上述小齿轮啮合且定位在上述旋转机体内的大齿轮，其特征在于，以通过所述大齿轮的旋转中心轴、并且与所述前后轴的旋转平面相平行的平面作为基准平面，所述小齿轮配置在从所述基准平面到以上述大齿轮的旋转中心轴为中心的左右35度的范围内。

3、一种工业机器人的减速装置，具有：机器人基座；安装在上述机器人基座上可以旋转的旋转机体；一端枢轴支承在上述旋转机体上的下臂；以及一端枢轴支承在上述下臂的另一端上的上臂，该工业机器人的减速装置还具有定位在上述下臂上的大齿轮，以及与上述大齿轮啮合并且枢轴支承在上述旋转机体内的小齿轮，其特征在于，以通过所述大齿轮的旋转中心轴、并且与所述旋转机体的旋转平面相平行的平面作为基准平面，所述小齿轮配置在从所述基准平面到以上述大齿轮的旋转中心轴为中心的左右35度的范围内。

4、根据权利要求1至3任意一项所述的工业机器人的减速装置，其特征在于，在上述大齿轮的中心部具有贯穿孔。

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