CN100581758C - 工业机器人的摆动部分结构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是有效地防止曲柄销45偏心部分47的表面磨耗或曲柄销45的断裂。偏心振动型减速器27的减速比M除以通过滚销齿29中心的直径D得到的值N设定成小于0.20。结果，在偏心振动型减速器27中的润滑剂温度可以被抑制在60℃以下，即使根据在间歇时间或在工厂里所需要的偏心振动型减速器27额定转矩下的输出转速变成28rpm或以上，由此曲柄销45偏心部分47与针状滚柱轴承48之间的区域将一直被发挥所需要的润滑功能的润滑剂润滑。

Description

工业机器人的摆动部分结构

技术领域

本发明涉及采用偏心振动型减速器的工业机器人的摆动部件结构。

背景技术

作为工业机器人的摆动部分的传统结构，如日本专利公开号JP-A-62-4586中所公开类型的结构是众所周知的。

该结构包括：工业机器人的固定部分和旋转部分；前级减速器，其减小从驱动马达输入的旋转速度，并输出减小速度的旋转；和主减速器，其减小来自前级减速器的旋转速度，并输出旋转至旋转部分，其中采用偏心振动型减速器作为主减速器，以及采用外齿轮减速器作为前级减速器，所述偏心振动型减速器包括：壳体，其在其内周上设置有若干滚销齿；副齿轮(pinion)，其容纳在壳体中，并具有与滚销齿相啮合的外齿；托架(carrier)，其插入壳体内，适于相对于壳体旋转；和多个由托架可旋转地支撑的曲柄销，其具有分别插入副齿轮中的偏心部分，曲柄销与从前级减速器输入的旋转同步旋转，从而使副齿轮偏心地旋转，其中壳体和托架中的任一个被固定到固定部分上，减速旋转从壳体和托架中的另一个输出给旋转部分，所述外齿轮减速器包括：第一外齿轮，其设置在所有曲柄销的输入侧端；和第二外齿轮，第二外齿轮与壳体或托架同轴，旋转从驱动马达输入到所述第二外齿轮。

发明内容

本发明要解决的问题

近来，因为对减小工业机器人尺寸以及加速工作速度的需要越来越高，所以已经使用具有高转速的紧凑马达作为驱动马达。另一方面，正在通过增大如上所述的前级减速器和主减速器的总减速比，努力获得必需的输出转速和输出转矩。但是，已经发现，在这样的结构长时间使用后，在主减速器(偏心振动型减速器)的曲柄销偏心部分上会出现表面磨耗，这最终导致曲柄销断裂。

在这些情况下，发明人急切地进行研究以阐明引起如上所述曲柄销断裂的机理，并已经发现，上述断裂归因于下列机理。具体地说，由于曲柄销偏心部分与针状滚柱轴承之间的摩擦，填充在主减速器(偏心振动型减速器)中的润滑剂(油，油脂)被加热至润滑功能大大下降的温度(一般约为60℃)。结果，部分地失去润滑偏心部分与针状滚柱轴承之间的润滑剂的润滑膜，偏心部分与针状滚柱轴承之间发生金属接触。这是上述断裂的机理。

发明人也进一步地继续研究，为了寻找输出转矩与输出转速之间的关系，进行了大量的当如下所述用于工业机器人的腕关节等等的中型主减速器(偏心振动型减速器)中的润滑剂在60℃饱和时的试验，其中，通过滚销齿中心的直径D在150到200mm范围内。在间歇时间或在工厂里，主减速器(偏心振动型减速器)常常需要达到28rpm以上的输出转速。但是，发明人从这些测试结果中已经发现，如下所述，主减速器(偏心振动型减速器)的减速比M除以直径D得到的值N应当小于0.20，以便在这样的转速下使润滑剂的温度不会高于60℃。

本发明是根据上述发现作出的，提供了一种工业机器人的摆动部分结构，其包括：工业机器人的固定部分和旋转部分；前级减速器，其设置在固定部分和旋转部分之间，其减小从驱动马达输入的旋转速度，并以减小速度输出旋转；和主减速器，其减小来自前级减速器的旋转速度，并输出旋转至旋转部分，其中采用偏心振动型减速器作为主减速器，以及采用外齿轮减速器作为前级减速器，所述偏心振动型减速器包括：壳体，其在其内周上设置有若干滚销齿，通过滚销齿中心的圆的直径D在150到200mm范围内；副齿轮，其容纳在壳体中，并具有与滚销齿相啮合的外齿；托架，其插入壳体内，适于相对于壳体旋转；和多个由托架可旋转地支撑的曲柄销，其具有分别插入副齿轮中的偏心部分，曲柄销与从前级减速器输入的旋转同步旋转，从而使副齿轮偏心地旋转，其中壳体和托架中的任一个被固定到固定部分上，减速旋转从壳体和托架中的另一个输出给旋转部分，所述外齿轮减速器包括：第一外齿轮，其设置在所有曲柄销的输入侧端；和第二外齿轮，第二外齿轮与壳体或托架同轴，旋转从驱动马达输入到所述第二外齿轮，外齿轮减速器和偏心振动型减速器的总减速比为80到200，其特征在于，偏心振动型减速器的减速比M除以直径D得到的值N小于0.20。

本发明的优点

在本发明中，因为偏心振动型减速器的减速比M除以直径D得到的值N设定为小于0.20，所以，可以将填充在偏心振动型减速器中的润滑剂温度抑制在60℃以下，即使在间歇时间或在工厂里，偏心振动型减速器额定转矩下的输出转速变成28rpm或以上。这样，润滑剂的润滑功能不会大大下降，曲柄销偏心部分与针状滚柱轴承之间的区域将一直被发挥所需要的润滑功能的润滑剂润滑。结果，曲柄销偏心部分的表面磨耗和曲柄销的断裂将得到有效预防。

此外，在值N设定为小于0.17的情况下，润滑剂的温度可以被抑制在60℃以下，即使偏心振动型减速器的输出转速变为约30rpm。

更进一步，在小齿轮(small gear)与壳体同轴或托架设置在输入减速旋转的壳体或托架的输出端，以及与小齿轮相啮合的大齿轮设置在旋转部分上以便使包括这些小齿轮和大齿轮的后级减速器可以进一步减小旋转速度的情况下，可以容易地形成电缆等等可以通过的大直径通孔，以及容易地偏心振动型减速器变得紧凑。

附图说明

图1是依照本发明的实施例1的局部剖取的示意性前视图。

图2是包括手的区域的截面的示意性前视图。

图3是包括主减速器和前级减速器的区域的局部剖取的前视图。

图4是从图3中箭头符号I-I的方向看到的剖视图。

图5是当润滑剂在60℃温度饱和时的输出转矩与输出转速之间的关系的曲线图。

实施本发明的最佳方式

现在，参照附图将描述本发明的实施例1。

实施例1

在图1和2中，数字11表示工业机器人。该工业机器人11在第一关节部分13具有减速器14，第一关节部分13安装在地板12上。该减速器14减小从驱动马达15输入的转速，并以减小的速度输出旋转至基体端臂(摆动头)16，从而使基体端臂16绕竖直的第一轴线旋转。在大体上竖直的方向上延伸的第一臂18的下端连接于基体端臂16的上端，以便绕水平的第二轴线旋转。通过从第二关节部分17接收减小速度的驱动力，该第一臂18绕第二轴线在侧向方向上转动，第二关节部分17具有基本上与第一关节部分13相同的结构，包括减速器14和驱动马达15。

第二臂22的基体端作为大体上水平地延伸的固定部分，连接于第一臂18的上端，以便绕水平的第三轴线旋转。通过从第三关节部分21接收减小速度的驱动力，该第二臂22可以绕第三轴线在竖直方向上转动，第三关节部分21具有基本上与第二关节部分17相同的结构。手24作为与第二臂22同轴的旋转部分，保持在第二臂22的远端部分上，以便绕沿着第二臂22的中心轴线延伸的第四轴线旋转。

在图1、2、3和4中，数字27表示作为主减速器的偏心振动型减速器，其设置在第二臂22的远端部分的外侧。该偏心振动型减速器27具有大体上圆筒形状的壳体28，若干滚销齿29沿圆周方向等间隔地设置在壳体28内周的轴向中间部分上。在该实施例中，偏心振动型减速器27是用于致动如上所述的工业机器人11的手24的中型减速器，因此，通过滚销齿中心的直径D通常在150到200mm范围内。

多个(在该实施例中为两个)具有环状形状的副齿轮33轴向平行地容纳在壳体28中，若干具有余摆线齿廓的外齿34分别形成在这些副齿轮33的外周上。在该实施例中，副齿轮33的外齿34数量比滚销齿29数量更少，在该实施例中少一个。此外，在副齿轮33与壳体28内接触的状态下，外齿34与滚销齿29相啮合，两个副齿轮33之间的最大啮合部分(最深啮合位置)在相位上偏离180度。每个副齿轮33设置有多个(三个)轴向贯穿并在圆周方向上等间隔的通孔35。

数字38表示插入壳体28中的托架。该托架38包括一对具有环状形状并且轴向布置在两个副齿轮33的外侧的端板39和多个(与通孔35数量相同)支柱40。数字41表示介于托架38、特别是两个端板39的外周与壳体28内周的轴向两端部分之间的一对轴承41。托架38通过这些轴承41而保持，以便相对于壳体28旋转。数字42表示多个(三个)轴向延伸的曲轴孔42，曲轴孔42形成在各个副齿轮33中。这些曲轴孔42沿圆周方向等间隔分开，并与通孔35交替布置。

数字45表示多个(与曲轴孔42数量相同)曲柄销。这些曲柄销45沿圆周方向等角度布置。轴承46分别介于曲柄销45的轴向两端部分与托架38、特别是两端板39之间，由此，曲柄销45的轴向两端部分由托架38可旋转地支撑。曲柄销45具有与副齿轮33数量相同(两个)的偏心部分47，在其轴向中间部分上，偏心部分47与曲柄销45的中心轴线偏离相等距离。这些偏心部分47在轴向上彼此分开一小的距离，并且在相位上彼此偏离180度。反常的部分47的曲柄销45的偏心部分47分别插入介于针状滚柱轴承48之间的副齿轮33的曲轴孔42中，所以，允许副齿轮33和曲柄销45彼此相对旋转。

上述壳体28、副齿轮33、托架38和曲柄销45作为一个整体构成作为上述主减速器的偏心振动型减速器27，其减小输入至曲柄销45的旋转速度，并输出旋转至壳体28或托架38(在该实施例中为托架38)。偏心振动型减速器27的减速比是壳体28的滚销齿29数量除以滚销齿29数量与副齿轮33的外齿34数量之差得到的值。在该实施例中，滚销齿29数量为30，外齿34数量为29，两数量之差为1。所以，减速比为30。

例如日本专利公开号JP-A-3-181641中提出其中滚销齿29数量与外齿34数量之差为2或以上的副齿轮33。在也采用这种副齿轮33的情况下，以同样的方式获得减速比。其中齿数量之差为2或以上的副齿轮33意味着，通过使副齿轮33外廓沿圆周方向位移由外齿34之间的齿距除以齿数量之差得到的角度，并去掉沿圆周位移的外廓的重叠部分作为齿廓，获得外齿齿轮。

数字51表示借助于支架52附着于壳体28的驱动马达。该驱动马达51的输出轴53与偏心振动型减速器27的输出部分(托架38)同轴。数字54表示前级减速器，其减小从马达51(输出轴53)输入的旋转速度，并输出旋转至作为主减速器的偏心振动型减速器27。该前级减速器54具有多个(与曲柄销45数量相同)具有大直径的第一外齿轮55，第一外齿轮55固定到所有曲柄销45的输入侧端。数字58表示单个直径小于第一外齿轮55的第二外齿轮，第二外齿轮固定到输出轴53上。第二外齿轮58与输入减速旋转的壳体28或托架38(在该实施例中为托架38)同轴，并与所有第一外齿轮55相啮合。

上述第一和第二外齿轮55、58作为一个整体构成前级减速器54，其包括外齿轮减速器。该前级减速器54不局限于包括如该实施例中的第一外齿轮55和第二外齿轮58的结构，其可以是包括两级正齿轮系的结构。在其中正齿轮系以这种方式设置成两级的情况下，固定到曲柄销45上的外齿轮和包括与外齿轮相啮合的外齿轮的第二级的齿轮系可以具有相等的比率。为了如下所述将前级减速器54和偏心振动型减速器27的总减速比设定成80到200，前级减速器54的减速比优选为2.5到6.5，偏心振动型减速器27的减速比优选为25到36，以便使前级减速器54的减速比在偏心振动型减速器27的减速比的0.15到0.25倍范围之内。

当旋转速度已经由前级减速器54减小之后驱动马达51的旋转同时被传递至所有曲柄销45时，曲柄销45绕它们自己的中心轴线旋转，由此曲柄销45的偏心部分47在副齿轮33的各个曲轴孔42中偏心地旋转，副齿轮33偏心地旋转并振动。在这种场合下，因为每个副齿轮33的外齿34数量比滚销齿29数量更少，托架38显著减小速度，并以低速旋转。

如上所述，因为近来对减小工业机器人尺寸以及加速工作速度的需要越来越高，所以已经使用具有高转速的紧凑马达作为驱动马达51。另一方面，已经通过使如下所述的前级减速器54和偏心振动型减速器27的总减速比增大至80到200，努力获得必需的输出转速和输出转矩。但是，发明人已经发现，长时间使用该结构后，偏心振动型减速器27中的曲柄销45的偏心部分47可能会出现表面磨耗，这最终引起致曲柄销45断裂。

发明人已经发现，这种现象归因于这样的事实，即，填充在偏心振动型减速器27的润滑剂将被加热至如上所述由于摩擦润滑功能大大降低的温度(通常大约为60℃)。所以，发明人准备了两组测试减速器，各包括前级减速器54和偏心振动型减速器27，并具有彼此不同的总减速比。然后，为了寻求在其黏稠度为由JIS K 2220表示的数字00的润滑剂(油脂)在60℃温度饱和时输出转矩与输出转速之间的关系，发明人通过逐渐增大每个测试减速器的输出转速，同时使输出转矩维持在某一值，进行了试验。应当注意，这些测试在非常苛刻的工作条件下进行，其中，测试减速器在同一方向上持续旋转。

在测试期间，前级减速器54的减速比为3，曲柄销45数量为3，两个测试减速器的环境温度均为20℃。在第一测试减速器中，偏心振动型减速器27的直径D为174mm，额定输出转矩为1078N.m，滚销齿29数量为60，由此偏心振动型减速器27的减速比M为60。在第二测试减速器中，偏心振动型减速器27的直径D为179mm，额定输出转矩为1323N.m，滚销齿29数量为30，由此偏心振动型减速器27的减速比M为30。在第一测试减速器中，因为直径D为174mm，所以减速比M除以直径D得到的值N为0.34。在第二测试减速器中，因为直径D为179mm，所以减速比M除以直径D得到的值N为0.17。

上述测试的结果显示在图5中。可以认定，在第一测试减速器的曲线(值N为0.34)和第二测试减速器的曲线(值N为0.17)之间，在如上所述的相同状态下，存在大体上平行于这些曲线且值为N的曲线，从第一测试减速器曲线到第二测试减速器曲线减小0.017，就好像位移了两曲线之间距离的1/10，这是因为输出转速与摩擦产生的热量成正比例关系。

在偏心振动型减速器27中，如上所述，从工厂的间歇时间的额定转矩下的输出旋转数(托架38的输出旋转数)需要为28rpm或以上。在额定转矩下的输出旋转数为28rpm的情况下，当值N为0.20时，润滑剂的饱和温度为60℃。根据该事实，在偏心振动型减速器27的值N设定为小于0.20的情况下，填充在偏心振动型减速器27中的润滑剂的温度可以被抑制在60℃以下，即使根据需要从工厂的间歇时间的偏心振动型减速器27的额定转矩下的输出旋转数为28rpm或以上。

因此，润滑剂的润滑功能不会显著下降，曲柄销45偏心部分47与针状滚柱轴承48之间的区域将一直被发挥所需要的润滑功能的润滑剂润滑。结果，可以有效地防止曲柄销45偏心部分47的表面磨耗以及曲柄销45的断裂。尤其是，在值N小于0.17的情况下，润滑剂的温度可以被抑制在60℃以下，即使偏心振动型减速器27的输出转速约为30rpm。但是，在值N小于0.07的情况下，将难以制造偏心振动型减速器27，因为滚销齿29数量变得太少。所以，值N优选大于0.07。

再次参照图1、2、3和4，与偏心振动型减速器27的输出端(托架38)同轴的小齿轮61固定到偏心振动型减速器27的输出端(在该实施例中为托架38)上。另一方面，大齿轮62与偏心振动型减速器27的输出端(托架38)偏离一预定距离，并与小齿轮61相啮合，大齿轮62固定到手24的基体端上。上述小齿轮61和大齿轮62作为一个整体构成后级减速器63。后级减速器如此设置在偏心振动型减速器27的后级的原因是，因为在用于该实施例的工业机器人11中，不需要大于28rpm的输出转速，而是需要大输出转矩。在需要大于28rpm的输出转速的情况下，来自偏心振动型减速器27的输出最好直接传递至旋转部分，从而省略后级减速器63。

通过这样在偏心振动型减速器27的后级提供包括小齿轮61和大齿轮62的后级减速器63，可以低速大转矩地旋转工业机器人11的手24。同时，因为大齿轮62可以设置成偏离偏心振动型减速器27、驱动马达51和前级减速齿轮54，可以容易地在大齿轮62的中心部分和手24的基体端形成用于驱动和控制的电缆、管道等可以通过的大直径通孔65。此外，因为在偏心振动型减速器27中传递的转矩已经达到小值，所以，偏心振动型减速器27被制得紧凑。上述偏心振动型减速器27、驱动马达51、前级减速器54和后级减速器63作为一个整体构成第四关节部分64。通过从该第四关节部分64输出的力，使手24绕大体上水平于第二臂22的第四轴线旋转。

数字67表示大体上圆筒形状的手轴，其可旋转地保持在手24的远端部分上。该手轴67可以绕垂直于手24的旋转轴线的第五轴线旋转。数字68表示第五关节部分，其给予手轴67一减小的驱动力，从而使手轴67绕第五轴线旋转。该第五关节部分68包括：驱动马达69；减速器70，其以减小的速度输出从驱动马达69输出的旋转，其具有大体上与偏心振动型减速器27和前级减速器54相同的结构；小齿轮71，其连接于减速器70的输出端；和大齿轮72，其连接于手轴67，并与小齿轮71相啮合。

数字75是连接于手轴67的驱动马达。该驱动马达75在垂直于手轴67旋转轴线的方向上延伸。减速器76具有大体上与减速器70相同的结构，其附着于驱动马达75。该减速器76减小从驱动马达75输入的旋转驱动力的速度，并传递给工具安装单元77，从而使工具安装单元77绕垂直于手轴67旋转轴线的第六轴线旋转。

工具安装单元77设置有焊接设备、油漆设备等等，这些设备借助于用于驱动和控制的电缆和穿过手轴67的管道驱动和控制。该实施例中的工业机器人11尤其适于作为在车辆生产线上采用的操作机器人、点焊机器人等等。上述驱动马达75、减速器76作为一个整体构成第六关节部分78，第六关节部分78以减小的速度给予工具安装单元77驱动力，从而使工具安装单元77绕第六轴线旋转。这样，工业机器人11的工具安装单元77具有6个自由度，可以在三维方向自由地移动焊接设备等，以将其设置在所需要的位置和所需要的姿势。

现在将描述实施例1中的工业机器人的操作。

在例如采用如上所述的工业机器人11进行焊接作业的情况下，通过操作第一关节部分13、第二关节部分17、第三关节部分21、第四关节部分64、第五关节部分68和第六关节部分78，基体端臂16、第一臂18、第二臂22、手24、手轴67和工具安装单元77将绕第一、第二、第三、第四、第五和第六轴线旋转，由此安装到工具安装单元77上的焊接设备将移动到工件的焊接接头。取第四关节部分64作为该场合下第一关节部分13、第二关节部分17、第三关节部分21、第四关节部分64、第五关节部分68和第六关节部分78的代表，将在下文描述第四关节部分64的操作。

当驱动马达51运行以使输出轴53旋转时，输出轴53的旋转将通过第二外齿轮58和第一外齿轮55传递至所有曲柄销45，由此曲柄销45沿相同的方向、以相同的速度绕它们自己的中心轴线旋转。在这种场合下，曲柄销45的偏心部分47在副齿轮33的曲轴孔42中偏心地旋转，由此副齿轮33偏心地旋转并振动。因为副齿轮33的外齿34数量比壳体28的滚销齿29数量少一个，所以托架38和小齿轮61将以由副齿轮33的偏心旋转以及振动减小的低速旋转。尔后，小齿轮61的旋转以由大齿轮62减小了的速度传递至作为旋转部分的手24，由此旋转手24。

因为第四关节部分64上的偏心振动型减速器27的值N设定为小于0.20，所以填充在偏心振动型减速器27中的润滑剂的温度可以被抑制在60℃以下，即使偏心振动类型减速齿轮27额定转矩下的输出转速为28rpm或以上。这样，润滑剂的润滑功能不会大大下降，可以有效地防止曲柄销45的偏心部分47的表面磨耗以及曲柄销45的断裂。

此外，在上述实施例中，壳体28固定到作为固定部分的第二臂22上，而减速旋转输出到作为旋转部分的手24。但是，依照本发明，也可以将托架固定到固定部分上，从壳体向旋转部分输出减小速度的旋转。更进一步，虽然在该实施例中偏心振动型减速器27、驱动马达51和前级减速器54设置在第二臂22的外侧，但是，可以将它们结合在第二臂22内部。更进一步，虽然在上述实施例中前级减速器54、偏心振动型减速器27和后级减速器63设置在第二臂22的远端部分上，但是，也可以将它们设置在靠近第三关节部分21的第二臂22的基体端部分上。

工业实用性

本发明可以用于采用偏心振动型减速器的工业机器人工业领域中。

Claims (3)

1.一种工业机器人(11)的摆动部分结构，所述工业机器人设置有固定部分(22)和旋转部分(24)，所述结构包括：

前级减速器(54)，其减小从驱动马达(51)输入的旋转速度，并以减小的速度输出旋转，和

主减速器(27)，其减小从前级减速器(54)输入的旋转速度，并输出旋转至旋转部分(24)，所述主减速器(27)为偏心振动型减速器(27)，其包括：

壳体(28)，该壳体在其内周上设置有若干滚销齿(29)；

副齿轮(33)，该副齿轮容纳在所述壳体(28)中，并具有与所述滚销齿(29)相啮合的外齿(34)；

托架(38)，该托架插入所述壳体(28)内，适于相对于所述壳体(28)旋转；和

多个曲柄销(45)，所述曲柄销由所述托架(38)可旋转地支撑并具有分别插入所述副齿轮(33)中的偏心部分(47)，所述曲柄销(45)与来自所述前级减速器(54)的旋转同步旋转，从而使副齿轮(33)偏心地旋转，

其中所述壳体(28)和所述托架(38)中的任一个被固定到所述固定部分(22)上，减速后的旋转从所述壳体(28)和所述托架(38)中的另一个输出给旋转部分(24)，

所述前级减速器(54)包括外齿轮减速器，所述外齿轮减速器具有：若干第一外齿轮(55)，其设置在所有曲柄销(45)的输入侧端；和第二外齿轮(58)，所述第二外齿轮与所述壳体(28)或所述托架(38)同轴，来自驱动马达(51)的旋转输入到所述第二外齿轮，

其特征在于，

所述外齿轮减速器和所述偏心振动型减速器(27)的总减速比为80到200，

通过该滚销齿(29)中心的圆的直径D在1 50到200mm范围内，并且

所述偏心振动型减速器(27)的减速比M除以所述直径D得到的值N小于0.20。

2.如权利要求1所述的工业机器人(11)的摆动部分结构，其中，所述值N小于0.17。

3.如权利要求1所述的工业机器人(11)的摆动部分结构，其中，与所述壳体(28)或所述托架(38)同轴的小齿轮(61)设置在输入所述减速旋转的壳体(28)或托架(38)的输出端上，与所述小齿轮相啮合的大齿轮(62)设置在所述旋转部分(24)上，由此使包括这些小齿轮和大齿轮(61、62)的后级减速器(33)进一步减小旋转速度。

Images