CN117751252A - 波动齿轮装置以及致动器 - Google Patents

Abstract

波动齿轮装置(1)具备：对波动发生器(4)与外齿齿轮(3)之间产生的推力进行检测的检测机构(5)。检测机构(5)具备：应变仪式或压电式的载荷计(50)；以及将推力从波动发生器(4)传递至载荷计(50)的传递机构(60)。从马达轴(6)侧向波动发生器(4)仅传递旋转力而不传递轴向力。利用载荷计(50)、传递机构(60)而能够获得能组装于外齿齿轮(3)的内侧的小型且紧凑的检测机构(5)。组装有检测机构(5)的波动齿轮装置(1)能够利用运转中的推力信息而进行与监测到的推力相应的运转控制。

Description

波动齿轮装置以及致动器

技术领域

本发明涉及一种具备推力的检测机构的波动齿轮装置以及致动器。

背景技术

关于波动齿轮装置，在减速时，朝向减速旋转输出侧的方向的推力作用于波动发生器，在加速时，相反方向的推力作用于波动发生器。

着眼于这一点，本发明的发明人在专利文献1中提出了如下方法：能够大幅降低保持为使得杯型或礼帽型的波动齿轮装置中的作为输入侧旋转部件的波动发生器不会因负载侧扭矩而旋转所需的输入侧保持扭矩。关于该方法，在呈杯形或礼帽形的具备挠性的外齿齿轮的波动齿轮装置中，利用在减速时及加速时作用于波动发生器的推力的方向的差异而使得输入侧保持扭矩降低。

另一方面，作为波动齿轮装置而已知称为薄饼型或扁平型的波动齿轮装置。该形式的波动齿轮装置具备：2个内齿齿轮；呈圆筒形的挠性的外齿齿轮，其同轴地配置于上述2个内齿齿轮的内侧；以及波动发生器，其同轴地装配于该外齿齿轮的内侧。一个内齿齿轮为齿数与外齿齿轮不同的固定侧(静止侧)齿轮，另一个内齿齿轮为齿数与外齿齿轮相同而一体旋转的输出侧(驱动侧)齿轮。在减速运转中，如果从马达等向波动发生器输入高速旋转，则波动发生器的旋转与固定侧的内齿齿轮和外齿齿轮的齿数差相应地大幅减速，由此使得外齿齿轮进行减速旋转。减速旋转从与外齿齿轮一体旋转的输出侧的内齿齿轮向负载侧输出。相反，在加速运转中，来自输出侧的内齿齿轮的输入旋转在外齿齿轮与固定侧的内齿齿轮之间大幅加速，由此从波动发生器输出高速旋转。

关于薄饼型或扁平型的波动齿轮装置的外齿齿轮，由于在减速运转、加速运转中产生的推力而引起外齿齿轮在轴线的方向(推力方向)上移动的称为步行(walking)的现象。为了将外齿齿轮的轴线方向上的移动限制在允许的可动范围而配置对外齿齿轮的移动进行限制的限制部件。例如，关于专利文献2所记载的挠曲啮合式齿轮装置(波动齿轮装置)，在外齿齿轮的两侧配置限制部件而对外齿齿轮的轴线方向的移动进行限制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007－231996号公报

专利文献2：日本特开2019－105314号公报

发明内容

这样，关于波动齿轮装置，虽然会产生在减速运转时和加速运转时产生的推力，但是，不具有对推力进行检测的小型且能够内置的检测器。如果具有小型且能够内置的监测器，则能够利用与运转中的推力相关的信息而进行与检测出的推力相应的运转控制。

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种具备小型且能够内置的推力的检测机构的波动齿轮装置、以及具备该波动齿轮装置的致动器。

本发明的波动齿轮装置具备：刚性的内齿齿轮；挠性的外齿齿轮，其同轴地配置于所述内齿齿轮的内侧；波动发生器，其同轴地配置于所述外齿齿轮的内侧、且使得所述外齿齿轮挠曲成非圆形而使之与所述内齿齿轮在局部啮合；以及检测机构，其对所述波动发生器与所述外齿齿轮之间产生的推力进行检测，

所述检测机构具备：载荷计，其配置于轴线的方向上的固定位置；以及传递机构，其将所述推力传递至所述载荷计，

所述波动发生器具备旋转轴部，该旋转轴部与马达轴等外部的旋转轴连结成以能够在所述轴线的方向上相对移动的状态一体旋转，

所述传递机构与所述波动发生器的所述旋转轴部连结成能够相对旋转的状态且在所述轴线的方向上不相对移动。

关于本发明的波动齿轮装置，从外部向该波动发生器的旋转轴部仅传递旋转力而不传递轴向力。对波动发生器的旋转轴部作用有作为轴向力的与外齿齿轮之间产生的推力。经由与旋转轴部连结的传递机构而向载荷计施加推力，利用载荷计对推力进行检测。作为载荷计可以使用应变仪式、压电式的载荷计。

发明效果

根据本发明，利用载荷计及传递机构而能够获得能组装于外齿齿轮的内侧的小型且紧凑的检测机构。关于组装有该检测机构的波动齿轮装置、以及具备该波动齿轮和马达的致动器，能够利用运转中的推力信息而进行与监测到的推力相应的运转控制。

附图说明

图1A是表示应用了本发明的杯型的波动齿轮装置的一例的概要结构图。

图1B是表示波动齿轮装置的外齿齿轮相对于内齿齿轮的啮合状态的说明图。

图2A是表示连结机构的一例的说明图。

图2B是表示连结机构的另一例的说明图。

图2C是表示花键式的连结机构的一例的说明图。

图2D是表示花键式的连结机构的一例的说明图。

图2E是表示花键式的连结机构的一例的说明图。

图3是表示图1A的波动齿轮装置的检测机构的改变例的半纵剖视图。

图4是表示致动器的一例的说明图。

图5是表示应用了本发明的礼帽型的波动齿轮装置的例子的说明图。

图6是表示应用了本发明的薄饼型的波动齿轮装置的例子的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图对应用了本发明的波动齿轮装置的实施方式进行说明。以下所述的实施方式是本发明的一例，并不意图将本发明限定于实施方式。

(整体结构)

参照图1A及图1B进行说明，应用了本发明的杯型的波动齿轮装置1具备：刚性的内齿齿轮2；呈杯形的挠性的外齿齿轮3，其同轴地配置于该内齿齿轮2的内侧；波动发生器4，其同轴地装配于该外齿齿轮3的内侧；以及检测机构5，其组装于外齿齿轮3的内侧。检测机构5为用于对在外齿齿轮3与波动发生器4之间产生的推力进行检测的机构。检测机构5的检测结果通过有线或无线的方式供给至驱动控制装置20。驱动控制装置20以计算机为中心而构成，并且具备：基于检测结果而对波动齿轮装置1的运转状态进行判别的运转状态判别部20a；以及对波动齿轮装置1的运转状态进行控制的运转控制部20b等。

在本例中，内齿齿轮2为固定侧部件，波动发生器4为与马达轴6同轴地连结且被输入高速旋转的输入侧部件。外齿齿轮3为与圆盘状的输出轴7同轴地连结且输出减速旋转的输出侧部件。

内齿齿轮2一体形成于圆筒状的装置壳体8。装置壳体8的轴线1a方向的一侧(输入侧)的端面同轴地安装有圆盘状的端板9。马达轴6穿过端板9的中心开口部而延伸。马达轴6借助轴承而由端板9支承为旋转自如，并与波动发生器4同轴地连结。与外齿齿轮3连结的输出轴7借助交叉滚子轴承10而以旋转自如的状态支承于装置壳体8的轴线1a方向的相反侧(输出侧)的端面。

外齿齿轮3具备：圆筒状主体部31，其能够在半径方向上挠曲；外齿32，其形成于该圆筒状主体部31的开口端侧的外周面部分；隔膜33，其从圆筒状主体部31的开口端的相反侧的端部向半径方向的内侧延伸；以及呈圆环形的刚性的凸台34，其与隔膜33的内周缘连结。外齿齿轮3同轴地装配于内齿齿轮2的内侧，外齿32从半径方向的内侧与内齿齿轮2的内齿21对置。凸台34夹设于圆环形的按压部件11与输出轴7之间，上述三个部件利用多个紧固螺栓而紧固固定。

波动发生器4具备：中空的旋转轴部42，其具备轴孔41；固定宽度的刚性的波形插塞43，其一体形成于该旋转轴部42的圆形外周面且具备椭圆状外周面；以及波形轴承44，其装配于椭圆状外周面。波形轴承44装配于波形插塞43的椭圆状外周面与外齿齿轮3的圆筒状主体部31的内周面之间，且将波形插塞43以及外齿齿轮3保持为能够相对旋转的状态。另外，利用装配于波形插塞43且挠曲成椭圆状的波形轴承44而使得外齿齿轮3的形成有外齿32的圆筒状主体部31的部分挠曲成椭圆形。位于椭圆形的长轴Lmax的两端部分的外齿32与内齿齿轮2的内齿21啮合。

(用于检测推力的机构)

在此，马达轴6的末端轴部6a沿着轴线1a的方向从输入侧同轴地插入至波动发生器4的旋转轴部42的轴孔41。在旋转轴部42的轴孔内周面与马达轴6的末端轴部6a的外周面之间组装有连结机构12。波动发生器4的旋转轴部42借助连结机构12而以能够在轴线1a的方向上相对滑动且一体旋转的方式安装于马达轴6的末端轴部6a。

图2A是表示连结机构12的说明图。连结机构12为将滚珠12d(滚动体)插入至与轴线1a的方向平行地延伸的滚动体轨道槽12c而构成的滑动引导机构。连结机构12具备:内侧圆筒12a，其装配于马达轴6的外周面；以及外侧圆筒12b，其装配于波动发生器4的旋转轴部42的轴孔41的内周面。在内侧圆筒12a以及外侧圆筒12b分别沿圆周方向以等角度间隔形成有与轴线1a平行地延伸的花键槽(V槽)。在内侧的花键槽与和其对置的外侧的花键槽之间形成有与轴线1a平行地延伸的矩形截面的滚动体轨道槽12c。在本例中，形成有6列的滚动体轨道槽12c。1个或多个滚珠12d(滚动体)插入至各个滚动体轨道槽12c。优选地，滚动体轨道槽12c沿圆周方向设为3列以上。

作为滚动体还可以代替滚珠12d而使用辊子。图2B中示出了使用辊子12e作为滚动体的情况下的连结机构的例子。另外，连结机构12可以是花键式的滑动引导机构。图2C、2D、2E中示出了花键式的连结机构的例子。

此外，连结机构12只要是使波动发生器4的旋转轴部42以能够相对于马达轴6而在轴线1a的方向上相对滑动、且与马达轴6一体旋转的方式与马达轴6连结的机构即可，并不限定于上述各例。

接下来，如图1A所示，检测机构5在外齿齿轮3的圆筒状主体部31的内侧空间组装于隔膜33及凸台34、与波动发生器4之间。检测机构5具备：扁平的圆盘状的载荷计50(测力传感器)，其安装于轴线1a的方向上的固定位置、在本例中为外齿齿轮3的凸台34；以及传递机构60，其将外齿齿轮3与波动发生器4之间产生的推力传递至载荷计50。

载荷计50如公知那样将力、载荷的物理量转换为电信号。作为检测元件而使用应变仪或压电元件。作为载荷计而已知压缩型、拉伸型、拉伸/压缩两用型。在本例中，从相对于载荷的变形较小而能够保持波动发生器4的轴向位置这样的观点出发，作为载荷计50而使用应变仪式或压电式的拉伸压缩型载荷计。连结用的螺纹轴52从载荷计50的波动发生器4侧的端面51的中心向轴线1a的方向突出。

用于将推力传递至载荷计50的传递机构60同轴地组装于波动发生器4的旋转轴部42的轴孔41。传递机构60以相对旋转自如的状态且不在轴线1a的方向上相对移动的方式安装于旋转轴部42。本例的传递机构60具备：传递用圆盘61；轴承62，其装配于该传递用圆盘61的外周面；以及连结用的螺孔63，其在轴线1a的方向上将传递用圆盘61的中心贯通。轴承62装配于传递用圆盘61的外周面与旋转轴部42的轴孔41的内周面之间。载荷计50的连结用的螺纹轴52拧入固定于传递用圆盘61的连结用的螺孔63，由此使得传递用圆盘61与载荷计50连结。能够通过简单的构造而容易地进行传递机构60的传递用圆盘61与载荷计50在轴线1a的方向上的定位、组装。

图3是波动齿轮装置1的半纵剖视图，示出了检测机构5的另一例。组装于波动齿轮装置1的外齿齿轮3的内侧的检测机构5A的基本结构与上述检测机构5相同，所以，对于对应的部位标注相同的附图标记并省略它们的说明。关于检测机构5a，在载荷计50侧形成有连结用的螺孔52A，在传递机构60的传递用圆盘61侧形成有连结用的螺纹轴63A。

(动作的说明)

关于该结构的波动齿轮装置1，如果利用马达轴6而使得波动发生器4高速旋转，则外齿齿轮3相对于内齿齿轮2的啮合位置在内齿齿轮2的圆周方向上移动。外齿齿轮3的齿数比内齿齿轮2的齿数少2n个(n：正整数)。在本例中，内齿齿轮2固定，所以，外齿齿轮3随着波动发生器4的旋转而减速旋转。外齿齿轮3的减速旋转从与其凸台34连结的输出轴7向未图示的负载侧输出。

马达轴6与波动发生器4的旋转轴部42之间借助连结机构12而连结，由此以能够在轴线1a的方向上相对移动的状态一体旋转。换言之，从外部的马达轴6向波动发生器4仅传递旋转力而不传递轴向力。因而，在外齿齿轮3与波动发生器4之间产生的推力未作用于波动发生器4的插塞一体型的旋转轴部42。波动发生器4的旋转轴部42与载荷计50之间借助传递机构60而连结，由此能够进行相对旋转，但是不在轴线1a的方向上相对移动。换言之，仅传递作为轴向力的推力而不传递旋转力。因而，作用于波动发生器4的推力经由传递机构60而传递至载荷计50，并由载荷计50对推力进行检测。

检测机构5的检测结果通过有线或无线的方式供给至驱动控制装置20。驱动控制装置20的运转状态判别部20a基于检测机构5的检测结果而对推力的产生的有无、推力的方向、推力的大小、推力随时间的变化等进行判别或计算。运转控制部20b基于检测机构5的检测结果或运转状态判别部20a的判别结果而进行波动齿轮装置1的运转控制。

(致动器)

图4是表示使用本例的波动齿轮装置1的致动器(旋转致动器)的一例的说明图。如该图所示，致动器100构成为包括：马达110；波动齿轮装置1，其使得马达输出旋转减速并输出；旋转检测机构120及制动机构130，它们组装于马达110；以及控制装置140。控制装置140具有前面叙述的运转状态判别部20a及运转控制部20b的功能。

控制装置140基于检测出的推力而对马达110及制动机构130的驱动进行控制，对向波动齿轮装置1(波动发生器4)的输入旋转进行控制，由此能够进行波动齿轮装置1的运转控制。

例如，如下对运转状态进行判别而进行波动齿轮装置1的运转控制。

(1)通过推力的方向检测而判别波动齿轮装置1是处于减速运转状态还是处于加速运转状态。在加速运转时，基于制动机构130等的摩擦扭矩而使得效率降低，由此能够降低马达110的保持扭矩。

(2)能够基于推力的产生的有无而对以下状态进行判别。如果波动发生器4及与其连结的马达轴6完全处于锁定状态，则不会产生推力。因而，能够对动作停止时的对象轴的锁定力的过量或不足进行判别。

在多轴机器人等其他轴处于动作中的情况下，当对象轴的波动齿轮装置1的锁定不足时，变为加速运转而产生推力。因而，利用制动机构130等增大动作停止时的对象轴的锁定力，从而能够应对锁定力的不足。

(3)负载扭矩、以及外齿齿轮3的内周面与波动发生器4的外圈外周面之间的润滑状态对推力的大小、变动造成较大影响。能够基于推力的大小、变动而获知外齿齿轮3的内周面与波形轴承44的外圈外周面之间的润滑状态的状态。

润滑状态根据波动齿轮装置1的运转姿势、运转状态(单向恒定连续运转、高负载低速运转、正反转时的短循环与较大的加速速率、长期停止时间、润滑剂的种类/状态)而发生变动。能够基于润滑状态而进行寿命预知、诊断。

如果知晓润滑状态恶化，则能够使润滑状态恢复为良好的状态。例如，能够进行负载扭矩的降低、加速速率的降低、适当的转速和运转时间的设定等。

(其他实施方式)

上述例子是将本发明应用于杯型的波动齿轮装置的情况下的例子。本发明也能够应用于礼帽型的波动齿轮装置、薄饼型的波动齿轮装置。

图5是表示组装有检测机构5的礼帽型的波动齿轮装置1A的说明图。礼帽型的波动齿轮装置1A具备刚性的内齿齿轮2A、礼帽形的外齿齿轮3A以及波动发生器4A。礼帽形的外齿齿轮3A具备：圆筒状主体部31A；外齿32A，其形成于该圆筒状主体部31A的外周面；隔膜33A，其从圆筒状主体部31A的一端向半径方向的外侧扩展；以及呈圆环形的刚性的凸台34A，其形成于隔膜33A的外周缘。

在凸台34A以同轴状态固定有圆盘状的输出轴7A。在外齿齿轮3A的圆筒状主体部31A的内侧，沿着轴线1b的方向在输出轴7A与波动发生器4A之间组装有检测机构5。检测机构5具备：载荷计50，其安装于输出轴7A的端面的中心部分；以及传递机构60，其组装于载荷计50与波动发生器4A的旋转轴部42A之间。旋转轴部42A借助连结机构12而与马达轴6连结。

图6是表示组装有检测机构5的薄饼型的波动齿轮装置1B的说明图。薄饼型的波动齿轮装置1B具有：刚性的内齿齿轮2B；挠性的外齿齿轮3B，其同轴地配置于内齿齿轮2B的内侧；波动发生器4B，其同轴地配置于外齿齿轮3B的内侧、且使得外齿齿轮3B挠曲成非圆形而使之与内齿齿轮2B在局部啮合；以及检测机构5，其对在波动发生器4B与外齿齿轮3B之间产生的推力进行检测。

另外，波动齿轮装置1B具备相对于内齿齿轮2B而在轴线1c的方向上排列且同轴地配置的刚性的驱动侧内齿齿轮2C。在驱动侧内齿齿轮2C同轴地固定有圆盘状的输出轴7B。利用波动发生器4B挠曲成非圆形的外齿齿轮3B也与驱动侧内齿齿轮2C在局部啮合。外齿齿轮3B具备能够在半径方向上挠曲的圆筒状主体部，在该圆筒状主体部的外周面形成有外齿。内齿齿轮2B的齿数与外齿齿轮3B的齿数不同，驱动侧内齿齿轮2C的齿数与外齿齿轮3B的齿数相同，以使得驱动侧内齿齿轮2C与外齿齿轮3B一体旋转。

在圆筒形的外齿齿轮3B的内侧、且在输出轴7B与波动发生器4B之间组装有检测机构5。检测机构5具备：载荷计50，其安装于输出轴7B的端面的中心部分；以及传递机构60，其组装于载荷计50与波动发生器4B的旋转轴部42B之间。旋转轴部42B借助连结机构12而与马达轴6连结。

Claims (9)

1.一种波动齿轮装置，其特征在于，

所述波动齿轮装置具备：

刚性的内齿齿轮；

挠性的外齿齿轮，其同轴地配置于所述内齿齿轮的内侧；

波动发生器，其同轴地配置于所述外齿齿轮的内侧、且使得所述外齿齿轮挠曲成非圆形而使之与所述内齿齿轮在局部啮合；以及

检测机构，其对所述波动发生器与所述外齿齿轮之间产生的推力进行检测，

所述检测机构具备：载荷计，其配置于装置轴线的方向上的固定位置；以及传递机构，其将所述推力传递至所述载荷计，

所述波动发生器具备旋转轴部，该旋转轴部与外部的旋转轴连结成以能够在所述装置轴线的方向上相对移动的状态一体旋转，

所述传递机构与所述波动发生器的旋转轴部连结成能够相对旋转的状态且在所述装置轴线的方向上不相对移动。

2.根据权利要求1所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述波动发生器具备：

刚性的波形插塞，其具有非圆形外周面；

波形轴承，其装配于所述波形插塞的所述非圆形外周面与所述外齿齿轮之间、且使得所述波形插塞以及所述外齿齿轮形成为能够相对旋转的状态；

所述旋转轴部，其一体形成或固定于所述波形插塞；以及

连结机构，其将所述旋转轴部与外部的旋转轴连结成能够在所述装置轴线的方向上相对移动且一体旋转。

3.根据权利要求2所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述连结机构为花键式的滑动引导机构、或将滚动体插入至与所述装置轴线的方向平行地延伸的轴向轨道槽而构成的滑动引导机构。

4.根据权利要求1所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述外齿齿轮具备：圆筒状主体部，其呈杯形或礼帽形、且能够在半径方向上挠曲；隔膜，其从该圆筒状主体部的一端向半径方向延伸；呈圆盘状或圆环形的刚性的凸台，其形成于该隔膜的内周缘或外周缘；以及外齿，其形成于所述圆筒状主体部的外周面，

所述载荷计安装于所述外齿齿轮的所述凸台、或在该凸台安装的凸台安装部件，且从所述装置轴线的方向与所述波动发生器对置，

所述传递机构配置于所述载荷计与所述旋转轴部之间。

5.根据权利要求1所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述波动齿轮装置具备：相对于所述内齿齿轮而在所述装置轴线的方向上排列且同轴地配置的刚性的驱动侧内齿齿轮，

因所述波动发生器而挠曲成非圆形的所述外齿齿轮与所述驱动侧内齿齿轮在局部啮合，

所述外齿齿轮具备：圆筒状主体部，其能够在半径方向上挠曲；以及外齿，其形成于该圆筒状主体部的外周面，

所述内齿齿轮的齿数与所述外齿齿轮的齿数不同，

所述驱动侧内齿齿轮的齿数与所述外齿齿轮的齿数相同，以使得所述驱动侧内齿齿轮与所述外齿齿轮一体旋转，

所述载荷计安装于所述驱动侧内齿齿轮、或在该驱动侧内齿齿轮安装的安装部件，且从所述装置轴线的方向与所述波动发生器对置，

所述传递机构配置于所述载荷计与所述旋转轴部之间。

6.根据权利要求1所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述波动齿轮装置还具备运转状态判别部，该运转状态判别部基于所述检测机构的检测结果、所述推力的产生的有无、所述推力的方向、所述推力的大小以及所述推力随时间的变化中的至少一个而对所述波动齿轮装置的运转状态进行判别。

7.根据权利要求6所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述波动齿轮装置还具备运转控制部，该运转控制部基于所述检测机构的检测结果或所述运转状态判别部的判别结果而进行所述波动齿轮装置的运转控制。

8.一种致动器，其特征在于，

所述致动器具备：权利要求7所述的波动齿轮装置；以及马达，该马达的马达轴与所述波动发生器的所述旋转轴部连结，

所述运转控制部通过对从所述马达向所述波动齿轮装置的输入旋转进行控制而进行所述波动齿轮装置的所述运转控制。

9.根据权利要求8所述的致动器，其特征在于，

所述致动器还具备制动机构，该制动机构对向所述波动齿轮装置的输入旋转进行控制，

所述运转控制部通过对所述制动机构进行控制而进行所述波动齿轮装置的所述运转控制。