JP2004299000A - Joint driving device for industrial robot - Google Patents

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JP2004299000A
JP2004299000A JP2003095359A JP2003095359A JP2004299000A JP 2004299000 A JP2004299000 A JP 2004299000A JP 2003095359 A JP2003095359 A JP 2003095359A JP 2003095359 A JP2003095359 A JP 2003095359A JP 2004299000 A JP2004299000 A JP 2004299000A
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Sakae Koto
栄 光藤
Seiji Minegishi
清次 峯岸
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joint driving device for an industrial robot, realizing a high speed reducing ratio with a speed reduction gear easy in manufacturing, preventing the generation of resonance even in a high rotation speed area of a servomotor, and keeping backlash small for a long period. <P>SOLUTION: A speed reducer G1 has two-step speed reducing portions that are a front step speed reducing portion 100 of an internal gearing planetary gear structure, and a rear step speed reducing portion 200 of the internal gearing planetary gear structure. A front step casing 102 and a rear step casing 202 can be divided. The speed reducing ratio of the front step speed reducing portion is made to be not more than 1/20, and the speed reducing ratio of the rear step speed reducing portion is made to be not less than 1/25. Furthermore, the total speed reducing portion achieved by the front step speed reducing portion 100 and the rear step speed reducing portion 200 is made to be 1/150 to 1/400. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ロボットの関節駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、産業用ロボットの関節駆動装置には、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備えた内接噛合遊星歯車構造の減速機が広く利用されている。
【0003】
この減速機は、外歯歯車又は内歯歯車の一方の歯車の自転を拘束した状態でいずれかの歯車を相手側の歯車に対して偏心揺動させ、この偏心揺動の際に自転の拘束されていない側の歯車に発生する当該自転成分を出力として取り出すもので、1段で大きな減速比が得られる。
【0004】
ところで、産業用ロボットの関節駆動装置において従来知られている問題として、減速機が起振源となって発生する「共振現象」がある。減速機の減速構造が内接噛合遊星歯車構造の場合、外歯歯車または内歯歯車が揺動回転することから、この揺動に起因するラジアル荷重が不可避的に発生し、且つその方向が減速機の軸心回りに回転するため、このような共振現象が特に発生し易い。
【0005】
共振現象が発生すると、産業用ロボットのアームの先端位置が定まらなくなり、ロボットの作業性あるいは正確性が著しく低下する。
【0006】
このような共振現象を抑制するための技術として、特許第2561227号公報(特許文献1)において、起振源となりやすい内接噛合遊星歯車構造の減速部の前段に、当該内接噛合遊星歯車構造とは別の構造の「平行軸歯車構造」であって、その減速比が1/2〜1/5である前段減速部を配置した技術が開示されている。
【0007】
また、特開平10−586号公報(特許文献2)においては、さらにサーボモータの高速化に伴って新たに発生するようになった共振に対処するために、複数の固有ねじり振動数毎に場合分けして、各減速部の減速比の最適な範囲等について提案している。
【0008】
これらの技術は、いずれも、起振源となりやすい構造を有する内接噛合遊星歯車構造の減速部に、起振源となりにくい構造を有する平行軸歯車構造の前段減速部を合体させることによって、該内接噛合遊星歯車構造の減速部の揺動回転に起因して発生する共振の周波数をずらすことをその技術のベースとしている。
【0009】
【特許文献1】
特許2561227号公報
【特許文献2】
特開平10−586号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、「平行軸歯車構造」の減速部においては、一段では1/5程度の減速比しか得られないため、近年の産業用ロボットの減速装置に必要な総減速比を得るには、後段減速部を、例えば1/80以上と言うような高減速比とするか、或いは平行軸歯車構造の前段減速部自体を2段にする等の対策を取らねばならない。
【0011】
内接噛合遊星歯車構造の場合、この領域の減速比は、その実現自体は十分可能である。しかし、最も作りやすい減速比の領域は1/30〜1/40程度の範囲であってそれ程高くはない。製造の容易性、あるいは伝達容量の確保、何よりもバックラッシの小さい精密な部品の加工・組み立てという面で、このような高減速比の設定は好ましいとは言えない。
【0012】
一方、平行軸歯車構造の減速部を2段にする対策は、重量及び大きさの増大を招く。
【0013】
又、現実的な問題として、経時変化によるバックラッシの増大という問題が挙げられる。平行軸歯車構造の減速装置は、噛み合い率が低いために、経時的な摩耗が比較的大きい。産業用ロボットの関節駆動用の減速装置は、連続運転されることが多く、一般に稼働時間が長い。経時的な摩耗はバックラッシの増大を誘引し、位置精度の低下を招く原因となり易い。
【0014】
更に、他の現実的な大きな問題として、上記従来技術は、いずれも、平行軸歯車構造の前段減速部と内接噛合遊星歯車構造の後段減速部とが「一体的に融合した」ケーシング構造を有していたため、共振回避という目的を実現するための構造としては、融通性に欠けるという問題があった。
【0015】
即ち、産業用のロボットは、たとえ同一構造のロボットであっても、客先の用途、あるいは設置環境(据付土台の剛性等)によって現実に発生する共振点やその振幅は、様々に異なってくるという問題がある。また、用途や作業内容によってロボットの動きが異なるため、例えば、客先Aにおける作業においては、第1のアームの剛性が高い状態で、第2のアームが回転できたが、客先Bにおける作業では、第1のアームが伸びきった状態の先端で第2のアームが回転する必要があるため、共振が現れ易くなる、というような状況が発生することもある。こうした不確定の要因によって様々に変化する共振の全てに対応して、メーカー側でその都度減速機を準備するのは、その在庫負担が膨大となるだけでなく、結果として納品するのはそのうちの「1台のみ」であるため、他の準備品は「納品コストの上昇」という形でメーカー側の負担となってしまう。この納品コストの上昇は、結果として、減速機一台当たりの製品コストを押し上げる要因ともなる。これは、近年、ロボットによる作業が非常に精密になってきたことに伴い、産業用ロボットの関節駆動装置という分野が抱える新たな一面ともなっている。
【0016】
本発明は、このようなさまざま事情を考慮してなされたものであって、共振現象のメカニズムを抜本的に吟味し直し、低コストで、共振抑制効果が高く、且つより設計及び取り扱いの自由度が高い産業用ロボットの関節駆動装置を提供することをその課題としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、産業用ロボットの関節駆動装置において、モータと、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備えた内接噛合遊星歯車構造の前段減速部と、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備え、前記前段減速部の出力を受けて更に減速する内接噛合遊星歯車構造の後段減速部と、の2段の減速部を有する減速機構部と、を備え、且つ前記前段減速部と前記後段減速部がそれぞれ独立した前段ケーシング及び後段ケーシングに収容され、且つ該前段ケーシング及び後段ケーシングが、互いに分割可能とされた構成により、上記課題を解決したものである。
【0018】
なお、ここで「僅少の歯数差」とは、1〜6程度の歯数差のことを言う。
【0019】
発明者は、共振現象のメカニズムを確認するために、さまざまな構造のさまざまな減速比の減速装置を試作し、共振試験を行った。その結果、内接噛合遊星歯車構造の1段型の減速装置の共振性能と、その前段にプリ減速部を設けた2段型の減速装置の共振性能とに、ある所定の相関関係を確認することができた。本発明は、この試験結果を踏まえ、更により現実的かつ合理的な発想を添加することによってなされたものである。
【0020】
本発明では、前段減速部(プリ減速部)の構造として、従来、最も共振が発生しやすいと考えられてきた内接噛合遊星歯車構造の減速部そのものを敢えて採用している。これは、上記試験により、「前段減速部の構造として、内接噛合遊星歯車構造を採用しても、充分共振の抑制効果が得られる」という結果が得られたことに基づいている。
【0021】
この作用は、本発明の重要なベースとなるものであるため、後に試験結果等の説明と共に詳述する。
【0022】
前段減速部を内接噛合遊星歯車構造のものとした結果、当該前段減速部の減速比を(1段の平行軸歯車構造の減速部では達成困難であった)1/6以上に設定するのが極めて容易になり、共振周波数をサーボモータの実用回転速度よりも高い周波数に移行させるのが容易となった。そのため、サーボモータの更なる高速化に伴って新たに発生すると予想される共振の問題に対しても余裕を持って対処できる(後述)。
【0023】
更には、噛み合い率が高く、経時的な摩耗が少ない内接噛合遊星歯車構造を採用できたことから、経時的なバックラッシの増大という問題も回避できるようになる。
【0024】
本発明では、その上で、前段減速部と後段減速部とをそれぞれ独立した前段ケーシング及び後段ケーシングに収容し、且つ該前段ケーシング及び後段ケーシングを互いに分割できるようにした。
【0025】
これにより、客先の用途、あるいは要求仕様や作業内容によって変化するロボットの腕の有効長さや、モータの回転速度、あるいは設置条件の違い等によって、固有ねじり振動数やその振幅等が異なってきたとしても、その現実に発生する共振を効果的に抑制し得る最適な組み合わせの駆動装置を容易に得ることができ、在庫負担も軽減できるようになる。
【0026】
なお、この作用は、前記モータも独立したモータケーシングに収容され、且つ、前記前段減速部を収容する前段ケーシングと該モータを収容するモータケーシングも分割可能とされていると、例えば、前段減速部のみを交換できるようにもなるため、一層有効な形で得られる。即ち、この構成により、高精度な加工・組み立てが要求され、したがって高コストとなりやすい後段減速部については、例えば一種類のみの設計(或いは在庫)とし、これにさまざまな容量あるいは減速比のモータや前段減速部を連結することにより、結果として低コストで多くの共振対応バリエーションを有する関節駆動装置を得ることができるようになる。
【0027】
また、前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結孔の位置が前記産業用ロボットの被取り付け部材の取り付け孔の位置と一致しており、前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結、及び、該前段ケーシング及び前記後段ケーシングの被取り付け部材への取り付けが、同一の取り付けボルトによって行われる構成とされていると、各減速部等の交換、取り付けが更に容易となる。
【0028】
なお、前記前段減速部の減速比を1/20以下(分母が小さい)、前記後段減速部の減速比を1/25以上(分母が大きい)、且つ、前記前段減速部と前記後段減速部とで達成される総減速比が、1/150以上、1/500以下の範囲にそれぞれ設定するのが好ましい。
【0029】
この結果、近年の高回転速度のサーボモータに対しても、十分対応できる高い総減速比を維持しながら、且つ、後段減速部については、内接噛合遊星歯車構造の減速部として最も製造し易い減速比、特に、1/30〜1/40程度の減速比とすることができるようになる。後段減速部の製造精度は、産業用ロボットの関節駆動装置の最終性能の良否の決定に直接影響するため、この後段減速部を製造し易い減速比で製造できるというメリットは、現実的には極めて大きい。
【0030】
なお、前記前段減速部の外歯歯車と内歯歯車との歯数差を2以上に設定するようにすると、特に減速比1/20以下の前段減速部を容易に製造することができ、バックラッシを小さく維持したままの前段減速部を低コストで実現できる。
【0031】
更に、前記後段減速部のバックラッシが、前記前段減速部のバックラッシより、対応する減速比に相当する値よりも小さく設定された構成とした場合、とりわけ1/10以下とした場合には、効率的に減速機全体の精度の高い関節駆動装置を得ることができる。
【0032】
詳細は後述する。
【0033】
なお、本発明の構成の一部である、「内接噛合遊星歯車構造の減速部の前段に、内接噛合遊星歯車構造の減速部を配置した構成」を、結果として有している従来例が実公昭57−16714号に開示されている。
【0034】
しかしながら、この従来例は、前段減速部と後段減速部とが混然として一体化されており、後段減速部において発生する共振の共振点を、「前段減速部を付設することによって、実用領域外にずらす」という思想に立脚したものではない。現に、共振現象については、何ら考察しておらず、減速比についても、当該減速部を2段にしたことにより、1/2000以上の高減速比が実現できることに言及しているに過ぎない。更に、両減速部は、完全に一体・融合しており、現場での融通性などの本発明の持つ大きな利点は得られていない。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態の例を詳細に説明する。
【0036】
図1は、本発明の実施形態に係る産業用ロボットの関節装置の駆動部分(減速機)を示す断面図、図2、図3はそれぞれ図1のII−II線、III−III線に沿う断面図、図4は本発明の実施形態に係る産業用ロボットの関節駆動装置の例を示す断面図である。
【0037】
この減速機G1はモータ(サーボモータ)Mと連結され、図4に示されるような態様で、産業用ロボット10の第1アーム12に対して第2アーム14を回転させるために取り付けられる。
【0038】
減速機G1は、内接噛合遊星歯車構造の前段減速部100及び該前段減速部100の出力を受ける後段減速部200を備える。
【0039】
以下、前段減速部100、後段減速部200の順により詳細に説明する。
【0040】
図1において、前段減速部100は独立した前段ケーシング102内に収容されている。前段ケーシング102は、本体ケーシング104、及びその軸方向両側に連結された第1、第2サイドカバー106、108からなる。前段減側部100の入力軸110の一端には連結部112が一体的に延在されている。該連結部112には挿入穴114が形成されており、該挿入穴114にモータMのモータ軸30が挿入・連結される。
【0041】
入力軸110は一対の軸受120、122を介して前段ケーシング102の第1サイドカバー106及び後述する前段出力軸170(=後段入力軸210)のフランジ体172によって支持されている。この一対の軸受120、122の間には偏心体124が組み込まれている。偏心体124の外周にはころ軸受126、128を介して2枚の外歯歯車130、132が揺動回転可能に装着されている。外歯歯車130、132は前段ケーシング102のケーシング本体104と一体化された内歯歯車140に内接噛合している。内歯歯車140の内歯はローラ状のピン(外ピン)142によって形成されている。
【0042】
2枚の外歯歯車130、132にはそれぞれ内ピン孔150、152が貫通形成され、内ピン160が挿入されている。内ピン160にはパイプ状の内ローラ162が回転自在に装着されている。内ピン160は前段出力軸170と一体的に形成されたフランジ体172に固定され、該フランジ体172から片持状態で支持されている。
【0043】
前段出力軸170は、そのまま後段減速部200の後段入力軸210となっている。
【0044】
後段減速部200も、独立した後段ケーシング202内に収容されている。
【0045】
後段入力軸210は一対のテーパーローラベアリング222、220を介して後述する第1、第2に出力フランジ266、268によって支持されると共に、フランジ体172の部分については、ボールベアリング190を介して前段ケーシング102の第2サイドカバー108によっても支持されている。該一対のテーパーローラベアリング220、222の間には偏心体224が組み込まれている。偏心体224の外周にはころ軸受228、226を介して2枚の外歯歯車230、232が装着されている。外歯歯車230、232は後段ケーシング202と一体化された内歯歯車240に内接噛合している。内歯歯車240の内歯はローラ状のピン(外ピン)242によって形成されている。
【0046】
2枚の外歯歯車232、230にはそれぞれ内ピン孔250、252が貫通形成され、高精度な偏心内ピン260が挿入されている。この偏心内ピン260は、前段減速部100の内ピン160と異なり、その外周にころ軸受262、263を介して内ピン孔250、252の全内周と摺動可能な(偏心量に対応する)偏心突起部264、265を備え、内ピン孔250、252の内周との間に偏心量相当の空間を有しない。
【0047】
この偏心内ピン260は、外歯歯車232、230の両サイドに配置された円板状の一対の第1、第2出力フランジ266、268にテーパーローラベアリング270、272を介して両持ち支持されている。
【0048】
第1、第2出力フランジ266、268は、それぞれテーパーローラベアリング274、276を介して後段ケーシング202に回転可能に支持されている。
【0049】
後段入力軸210、偏心内ピン260及び第1、第2出力フランジ266、268がテーパーローラベアリング220、222、270、272、274、276によって支持されているのは、本実施形態に係る減速機が産業用ロボット10の第1アーム12と第2アーム14の関節駆動の用途に用いられるものであるため、該第1、第2アーム12、14のいずれか側からスラスト方向の荷重が入力される可能性があるためである。
【0050】
ここで、図4を参照して、各部材の連結態様等について説明する。
【0051】
後段減速部200の第1、第2出力フランジ266、268はキャリヤピン280によって強固に固定されている。第1出力フランジ266とキャリヤピン280の固定は、ボルト282によって行われる。一方、第2出力フランジ268とキャリヤピン280の固定は、第2アーム14を貫通して挿入・螺合されるボルト286によって行われる。
【0052】
モータMのケーシング32と前段減速部100の第1サイドカバー106はインロー50を介してボルト52によって連結・分離可能とされている。また、前段減速部100の第2サイドカバー108と後段減速部200の後段ケーシング202も、インロー54を介してボルト55によって連結・分割可能とされている。更に、この第2サイドカバー108及び後段ケーシング202の当該ボルト位置P1が産業用ロボット10の第1アーム12の取り付け孔位置P2と一致しており、第2サイドカバー108及び後段ケーシング202の連結、更にこれらのカバー108及びケーシング202の第1アーム12への取り付けが、ボルト55によって同時に行われる構成とされている。
【0053】
なお、前段減速部100の外径は前記後段減速部200の外径より小さく設定され、これによって確保される空間S1に、エンコーダ(図示略)等の付属品が収容可能とされている。
【0054】
図2から明らかなように、前段減速部100の外歯歯車130、132の歯数は「12」、内歯歯車140の歯数は「14」、歯数差は「2」であり、減速比は、2/12=1/6である。また、図3から明らかなように、後段減速部200の外歯歯車230、232の歯数は「78」、内歯歯車240の歯数(外ピン242の数)は「80」、歯数差は「2」であり、減速比は、2/78=1/39である。
【0055】
なお、後段減速部200は、バックラッシの管理を含め、精密に制作する必要があるため、最も製造しやすい減速比1/30〜1/40の付近、より具体的には1/25以上、1/50以下の範囲に設定する。一方、前段減速部100の減速比は、1/16以下に設定する。
【0056】
また、バックラッシは、この実施形態では、後段減速部200のバックラッシA2が、前段減速部100のバックラッシA1より、対応する減速比に相当する値の1/10程度となるように小さく設定されている。
【0057】
なお、ここで、「バックラッシ」とは、当該減速部の入力軸を止めた状態で、出力軸が動く(回転する)範囲のことであり、単位は「度」又は「分」である。
【0058】
一般に、同一レベルの製造管理の下で減速部を製造した場合、減速比が高くなるに従ってバックラッシは小さくなる傾向にある。例えば、減速比1/39の後段減速部200のバックラッシA2は、加工精度が同等であれば、減速比1/6の前段減速部100のバックラッシA1の1/2〜1/3程度に小さくなる。これが、この減速比の組み合わせにおける「対応する減速比に相当する値」である。本実施形態では、後段バックラッシA2を、この相当値の更に1/10程度にまで、意図的に小さくしたバックラッシとする。すなわち、結果として、後段バックラッシA2は、前段バックラッシA1の1/20〜1/30となるようにする。
【0059】
なお、こうした減速比等の影響(相当値のばらつく範囲)は、最大でも1/8程度である。これを考慮して、即ち、後段バックラッシA2は、同等の加工精度の管理下で製造した場合、減速比や、枠番等の如何に関わらず、前段バックラッシA1の1/8以下にはならないことを考慮して、意図的に、これを明確に超える前段バックラッシA1の1/10以下(より好ましくは1/12以下)のレベルに維持できれば、相応の効果が得られる。
【0060】
バックラッシを小さくするための製造技術自体については、公知のバックラッシ低減手法を採用できる。例えば、最も単純には、寸法の僅かに異なる外歯歯車を何種類か用意しておき、実際に組み込んで該外歯歯車と内歯歯車との組におけるバックラッシの発生状態及び回転の円滑性を確認しながら、最適な外歯歯車を選択するという方法であってもよい。
【0061】
次に、この実施形態に係る減速機G1の作用を説明する。
【0062】
モータMの回転によって前段減速部100の入力軸110が回転すると、該入力軸110と一体化された偏心体124も回転する。偏心体124が回転すると、外歯歯車130、132は入力軸110の周りで揺動回転を行おうとするが、内歯歯車140によってその自転が抑制されるため、外歯歯車130、132はこの内歯歯車140に内接しながら殆ど揺動のみを行うことになる。しかしながら、外歯歯車130、132の歯数は12、内歯歯車140の歯数は14に設定されているため、入力軸110の一回転毎に外歯歯車130、132は内歯歯車140に対してその歯数差「2」だけずれる(自転する)ことになる。これは、入力軸110の一回転が外歯歯車130、132の−2/12の回転、即ち、減速比−1/6の回転に減速されたことを意味する。なお、マイナスの符号は、外歯歯車130、132の回転方向が入力軸110の回転方向と逆になることを示している。この外歯歯車130、132の回転は内ピン孔150、152及び内ローラ162の隙間によってその揺動成分が吸収され、自転成分のみが内ピン160を介して前段出力軸170(後段入力軸210)へと伝達される。
【0063】
後段減速部200においても、前段減速部100と全く同様の減速作用が行われる。即ち、後段入力軸210の一回転毎に外歯歯車230、232は内歯歯車240に対してその歯数差「2」だけずれる(自転する)。但し、後段減速部200の外歯歯車230、232の歯数は78、内歯歯車240の歯数は80に設定されているため、結局、後段入力軸210の1回転は外歯歯車の−2/78の回転、即ち、減速比−1/39の回転に減速されることになる。なお、回転方向は、前段減速部100において一度逆転方向となるが、後段減速部200において再び逆転するため、結局、後段減速部200の外歯歯車230、232は、モータMの回転と同一方向に回転することになる。
【0064】
外歯歯車230、232の回転は偏心内ピン260の偏心突起部264、265の存在によってその揺動成分が吸収され、自転成分のみが該偏心内ピン260を介して外歯歯車232、230の両サイドに配置された第1、第2出力フランジ266、268に伝達される。第1、第2出力フランジ266、268はキャリヤピン280を介して強固に連結されているため、両出力フランジ266、268は一体的に回転し、その回転を相手機械である産業用ロボット10の第2アーム14にボルト286及び第2アーム14と出力フランジ268とを連結するボルト(図示略)を介して伝達する(図4参照)。
【0065】
この結果として前段減速部100との掛け合わせで(−1/6)x(−1/39)=1/234の減速比に相当する減速が実現される。
【0066】
ここで、共振解消に関する具体的な作用の説明に入る前に、本発明創案の基礎となった共振試験について簡単に説明する。図5に試験装置の概略を示す。
【0067】
試験装置Tは、サーボモータSM、前段減速部PG、後段減速部MGの間をカップリングC1、C2で連結したものである。後段減速部MGの出力側にはフライホイールFWが接続され、該フライホイールFWの外周端に圧電型のピックアップPUが組み込まれている。ピックアップPUは、フライホイールFWの中心から半径rの位置におけるフライホイールFWの変位(mm)と加速度(m/s)を検出する。後段減速部MGは前述の後段減速部200と同様の構成を有する。減速比は1/39である。測定範囲は、25〜2000rpm、回転速度のサンプリング幅は、25rpm、フライホイールFWのイナーシャは、20kgf・m・sec、測定位置(半径r)は、850mmである。この構成において、前段減速部PGとして前述の前段減速部100を含む種々の構成及び減速比の減速装置を組み込み振動試験を行った。
【0068】
図6、図7に試験結果を示す。図6は、前述の減速比1/6の前段減速部100が組み合わされたとき(No.1)、減速比1/5の平行軸歯車構造の減速部が組み合わされたとき(No.2)、及び前段減速部無しのとき(No.0)のそれぞれの加速度−モータ回転速度特性を示している。また、図7は、同、変位−モータ回転速度特性を示している。
【0069】
No.0のグラフから明らかなように、後段減速部200のみのとき、即ち、前段減速部100が連結されていないときには、500rpm及び250rpmの付近にそれぞれ1次共振及び2次共振のピークが認められる。これに対し、減速比1/5の平行軸歯車構造の減速部が組み合わされたとき(No.2)は、このピークがいずれもほぼ消滅し、代わりに1300rpm付近に新たな共振が発生している。2次共振周波数(250rpm)の約5倍の回転速度と理解できる。
【0070】
一方、減速比1/6の前段減速部100が組み合わされたとき(No.1)も、やはりオリジナルの1次共振及び2次共振のピークが消滅し、代わりに1500rpm付近に新たな共振が発生している。2次共振周波数(250rpm)の約6倍の回転速度と理解できる。
【0071】
これらの結果から、従来の平行軸歯車構造の前段減速部を有する装置にあっては、実用回転速度が1000rpm程度までであったときには、確かにピークは殆ど生じておらず、共振解消の効果があったと認められる。しかしながら前述したように、実用回転速度が1500rpmを超えるような領域にまで高まると、確かに新たな共振が発生していることがこの試験結果からも確認できる。
【0072】
試験は多くの種類の内接噛合遊星歯車構造の前段減速部、及びその他のさまざまな種類の前段減速部について実施されたが、その結果、前段減速部の構成は、主として振動(共振)の振幅あるいはその裾の幅の大きさには影響を及ぼすものの、共振周波数に関するグラフの定性的傾向についてはあまり影響を及ぼさないことも確認された。より具体的には、新たな共振は、前段減速部の具体的構造に関わらず、ほとんどの試験において、後段減速部のみとしたときに発生する共振周波数に対して、減速比の分母の整数倍(前段減速部の減速比1/5ならば5倍)で発生することが確認された。
【0073】
この実施形態の具体的な作用の説明に戻る。
【0074】
本実施形態では、付設する前段減速部PGとして、内接噛合遊星歯車構造の前段減速部100を採用したため、以下のような利点が得られる。
【0075】
即ち、前段減速部100において、所定の減速比(この実施形態では1/6)を稼げるため、求められる総減速比が高くなっても後段減速部200の減速比として、最も作りやすい減速比の領域である1/50以下の領域、特に1/40以下の領域を容易に選択できる。同時に、(前段減速部の減速比を1/6以上に容易に設定できることから)新たな共振が発生する回転速度を、高くなったサーボモータの実用回転速度領域よりも更に高い領域にまで移すことができ、高速のサーボモータを使用した場合でも、新たな共振が発生するのを防止できる。
【0076】
一方、前段減速部100の減速比は、大きくしても、これを1/20以下に抑えるとよい。これにより、求められる減速比が比較的低くても、後段減速部200の減速比を最も作りやすい減速比の領域である1/25以上の領域、特に1/30以上の領域を容易に選択できる。なお、前段減速比1/20以下の減速比は、外歯歯車と内歯歯車との歯数差が1の設計でも製造自体は可能であるが、上記実施形態のように、例えば、該歯数差を2以上に設定することにより、伝達容量の確保、バックラッシの小さい精密な部品の加工・組み立ての容易性という面で有利な製造が可能となる。
【0077】
更に、この実施形態では前段減速部100、後段減速部200の双方とも内接噛合遊星歯車構造であるため、(平行軸歯車構造の減速部に比べて)噛み合い率が高いために、経時的な摩耗が少ない。そのため良好なバックラッシ特性、即ち高い位置決め精度を長期に亘って得ることができる。
【0078】
また、本実施形態においては、前段減速部100と後段減速部200、及び、前段減速部100とモータMが、それぞれ独立したケーシングに分割可能に収容されているため、モータMと後段減速部200との間の前段減速部100のみを変更可能である。勿論、モータM及び前段減速部100ごとの交換も可能である。そのため、高精度であるが故に高コストとなりやすい後段減速部を1種類のみの設計とし、既に豊富な種類が存在する汎用の内接噛合遊星歯車構造の減速装置を前段減速部として用意し、これをモータと後段減速部との間に組み込むことにより、さまざまな減速比を有するバックラッシの小さな減速機を容易に得ることができ、設計の自由度を増大させることができる。
【0079】
とりわけ、本実施形態においては、前段ケーシング102及び後段ケーシング202の連結孔の位置(ボルト55の位置)P1が前記産業用ロボットの被取り付け部材の取り付け孔の位置(第1アーム12の取り付け孔位置)P2と一致しており、前段ケーシング102及び後段ケーシング202の連結、及び該前段ケーシング102及び後段ケーシング202の被取り付け部材への取り付け(第1アーム12への取り付け)が同一のボルト55により同時に行われる構成とされているため、交換自体も容易である。
【0080】
本実施形態における前段減速部100は、「プレ減速を行う」という減速比調整機能と、「その減速比の選定によって、共振点の移動の程度を変更する」という共振回避機能とがあることから、この交換の容易性は、その何れの面においても大きなメリットとなる。
【0081】
【発明の効果】
本発明によれば、共振回避を低コストで実現でき、且つより設計の自由度が高い産業用ロボットの関節駆動装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る産業用ロボットの関節駆動装置の減速機の主要部分を示す断面図
【図2】図1のII−II線に沿う断面図
【図3】図1のIII−III線に沿う断面図
【図4】上記産業用ロボットの関節駆動装置の全体構成を示す断面図
【図5】産業用ロボットの共振のメカニズムを確認するために用いた試験装置の概略構成図
【図6】上記試験装置にて行った試験結果を示す、加速度−モータ回転速度の特性図
【図7】同じく、変位−モータ回転速度の特性図
【符号の説明】
10…産業用ロボット
12…第1アーム
14…第2アーム
100…前段減速部
102…前段ケーシング
106…第1サイドカバー
108…第2サイドカバー
110…入力軸
124…偏心体
130、132…外歯歯車
140…内歯歯車
160…内ピン
170…前段出力軸
200…後段減速部
202…後段ケーシング
210…後段入力軸
230、232…外歯歯車
240…内歯歯車
260…偏心内ピン
262、264…第1、第2出力フランジ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a joint driving device for an industrial robot.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a reducer having an internally meshing planetary gear structure including an external gear and an internal gear having a small difference in the number of teeth has been widely used as a joint drive device of an industrial robot.
[0003]
In this reduction gear, one of the external gears or the internal gear is eccentrically swung with respect to the other gear in a state where the rotation of one of the gears is restrained, and the rotation is restrained during the eccentric swing. The rotation component generated on the non-driven gear is taken out as an output, and a large reduction ratio can be obtained in one stage.
[0004]
Meanwhile, as a conventionally known problem in the joint driving device of an industrial robot, there is a “resonance phenomenon” generated by a reduction gear as a vibration source. When the reduction gear of the reduction gear is an internally meshing planetary gear structure, the external gear or the internal gear rotates in an oscillating manner, so that a radial load due to this oscillating is inevitably generated, and the direction is reduced. Such a resonance phenomenon is particularly likely to occur because of rotation around the axis of the machine.
[0005]
When the resonance phenomenon occurs, the position of the tip of the arm of the industrial robot cannot be determined, and the workability or accuracy of the robot is significantly reduced.
[0006]
As a technique for suppressing such a resonance phenomenon, in Japanese Patent No. 25626127 (Patent Document 1), the internal meshing planetary gear structure is provided in front of the reduction portion of the internal meshing planetary gear structure that easily becomes a vibration source. A "parallel shaft gear structure" having a structure different from that described above, in which a prior-stage reduction portion having a reduction ratio of 1/2 to 1/5 is disposed.
[0007]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-586 (Patent Document 2), in order to cope with a resonance that newly occurs with the speeding up of the servomotor, a case where a plurality of natural torsional frequencies are used is disclosed. It separately proposes the optimal range of the reduction ratio of each reduction section and the like.
[0008]
All of these technologies combine the former reduction unit of a parallel shaft gear structure having a structure that is less likely to be a vibration source with the reduction unit of an internally meshing planetary gear structure having a structure that easily becomes a vibration source. The technology bases on shifting the frequency of resonance generated due to the oscillating rotation of the reduction portion of the internal meshing planetary gear structure.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 25661227
[Patent Document 2]
JP-A-10-586
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, in the reduction unit of the “parallel shaft gear structure”, only one-fifth reduction ratio can be obtained in one stage, so in order to obtain the total reduction ratio required for the reduction gear of the recent industrial robot, It is necessary to take measures such as setting the rear reduction section to a high reduction ratio such as 1/80 or more, or setting the front reduction section itself of the parallel shaft gear structure to two stages.
[0011]
In the case of the internally meshing planetary gear structure, the reduction ratio in this region can be realized by itself. However, the range of the reduction ratio that is easiest to make is in the range of about 1/30 to 1/40, which is not so high. It is not preferable to set such a high reduction ratio in terms of easiness of manufacture, securing of transmission capacity, and, above all, processing and assembling of precision parts with small backlash.
[0012]
On the other hand, measures to reduce the speed of the parallel shaft gear structure to two are increased in weight and size.
[0013]
Further, as a practical problem, there is a problem that backlash increases due to a change with time. The reduction gear having the parallel shaft gear structure has relatively large wear over time due to a low engagement ratio. A reduction gear for driving a joint of an industrial robot is often operated continuously, and generally has a long operation time. Abrasion over time induces an increase in backlash and tends to cause a decrease in positional accuracy.
[0014]
Further, as another practical and serious problem, each of the above-mentioned prior arts has a casing structure in which a front reduction portion of a parallel shaft gear structure and a rear reduction portion of an internally meshing planetary gear structure are "integrally integrated". Therefore, there is a problem that the structure for realizing the purpose of avoiding resonance lacks flexibility.
[0015]
That is, even if the industrial robot is a robot having the same structure, the resonance point actually generated and its amplitude vary depending on the use of the customer or the installation environment (such as the rigidity of the installation base). There is a problem. In addition, since the movement of the robot differs depending on the application and the work content, for example, in the work at the customer A, the second arm could be rotated with the rigidity of the first arm being high. In such a case, since the second arm needs to rotate at the end where the first arm is fully extended, a situation may occur in which resonance tends to appear. To cope with all of the resonances that change variously due to such uncertain factors, preparing the reducer each time on the manufacturer side not only increases the inventory burden, but also results in delivery of the Since there is only one unit, the other preparations are burdened by the manufacturer in the form of "increase in delivery cost". As a result, the increase in the delivery cost also increases the product cost per reduction gear. This has become a new facet in the field of industrial robot joint drive devices in recent years as work by robots has become extremely precise.
[0016]
The present invention has been made in view of such various circumstances, and has reexamined the mechanism of the resonance phenomenon drastically, at a low cost, has a high resonance suppression effect, and has more freedom in design and handling. It is an object of the present invention to provide a joint driving device for an industrial robot with high reliability.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a joint drive device for an industrial robot, comprising: a motor, a front-stage reduction unit of an internally meshing planetary gear structure having an external gear and an internal gear having a small difference in the number of teeth, and a small difference in the number of teeth. A reduction mechanism portion having a two-stage reduction portion of an internal meshing planetary gear structure that further includes an external gear and an internal gear having the following, and further reduces the speed by receiving the output of the previous reduction portion. The above problem is solved by a configuration in which the front-stage reduction unit and the rear-stage reduction unit are provided in independent front-stage casings and rear-stage casings, respectively, and the front-stage casing and the rear-stage casing are separable from each other. is there.
[0018]
Here, the "small difference in the number of teeth" means a difference in the number of teeth of about 1 to 6.
[0019]
In order to confirm the mechanism of the resonance phenomenon, the inventor prototyped reduction gears having various reduction ratios having various structures and performed a resonance test. As a result, a predetermined correlation is confirmed between the resonance performance of the single-stage reduction gear having the internal meshing planetary gear structure and the resonance performance of the two-stage reduction gear having the pre-reduction section at the preceding stage. I was able to. The present invention has been made by adding even more realistic and rational ideas based on the test results.
[0020]
In the present invention, as the structure of the pre-stage reduction unit (pre-reduction unit), the reduction unit itself of the internal meshing planetary gear structure, which is conventionally considered to be most likely to cause resonance, is dared to be employed. This is based on the result that the above test showed that "there is a sufficient effect of suppressing resonance even if an internal meshing planetary gear structure is adopted as the structure of the pre-stage reduction portion".
[0021]
Since this operation is an important base of the present invention, it will be described later in detail along with the explanation of test results and the like.
[0022]
As a result, the reduction ratio of the front reduction unit is set to 1/6 or more (it was difficult to achieve with the reduction unit having the single-stage parallel shaft gear structure). Has become extremely easy, and it has become easy to shift the resonance frequency to a frequency higher than the practical rotation speed of the servomotor. Therefore, it is possible to adequately cope with a resonance problem that is expected to newly occur with the further increase in the speed of the servomotor (described later).
[0023]
Further, since the internal meshing planetary gear structure having a high meshing rate and little wear over time can be employed, the problem of an increase in backlash over time can be avoided.
[0024]
In the present invention, the front-stage reduction unit and the rear-stage reduction unit are accommodated in independent front-stage casings and rear-stage casings, respectively, and the front-stage casing and the rear-stage casing can be divided from each other.
[0025]
As a result, the natural torsional frequency, its amplitude, etc., have changed due to differences in the effective arm length of the robot, the rotational speed of the motor, or the installation conditions that vary depending on the customer's application, or the required specifications and work content. However, it is possible to easily obtain an optimal combination of drive devices capable of effectively suppressing the resonance actually occurring, and to reduce the burden on inventory.
[0026]
This operation is achieved by, for example, providing that the motor is also housed in an independent motor casing, and that the front casing that houses the front speed reducer and the motor casing that houses the motor are also separable. It is also possible to exchange only one of them, so that a more effective form can be obtained. That is, with this configuration, high-precision machining and assembly is required, and therefore, the cost of the latter-stage deceleration portion, which tends to be high, is, for example, only one type of design (or stock). By connecting the front-stage deceleration unit, it is possible to obtain a joint drive device having many resonance-compatible variations at low cost as a result.
[0027]
Further, the position of the connection hole between the front casing and the rear casing matches the position of the mounting hole of the member to be mounted of the industrial robot, and the connection between the front casing and the rear casing, and the front casing and When the rear casing is mounted on the member to be mounted by using the same mounting bolts, replacement and mounting of each deceleration unit and the like are further facilitated.
[0028]
The reduction ratio of the preceding reduction unit is 1/20 or less (the denominator is small), the reduction ratio of the subsequent reduction unit is 1/25 or more (the denominator is large), and the former reduction unit and the latter reduction unit Is preferably set in the range of 1/150 or more and 1/500 or less.
[0029]
As a result, it is easy to manufacture the rear-stage reduction unit as the reduction unit of the internal meshing planetary gear structure while maintaining a high total reduction ratio that can sufficiently cope with the recent high rotation speed servomotor. The speed reduction ratio, in particular, a speed reduction ratio of about 1/30 to 1/40 can be obtained. Since the manufacturing accuracy of the latter reduction unit directly affects the determination of the final performance of the joint drive device of the industrial robot, the merit that this latter reduction unit can be manufactured with a reduction ratio that is easy to manufacture is actually extremely small. large.
[0030]
If the difference in the number of teeth between the external gear and the internal gear in the preceding reduction unit is set to two or more, the former reduction unit with a reduction ratio of 1/20 or less can be easily manufactured. Can be realized at low cost while maintaining a low level.
[0031]
Furthermore, when the backlash of the rear deceleration section is set to be smaller than the backlash of the front deceleration section below the value corresponding to the corresponding reduction ratio, particularly when the backlash is set to 1/10 or less, the efficiency is improved. In addition, it is possible to obtain a highly accurate joint driving device for the entire reduction gear.
[0032]
Details will be described later.
[0033]
As a result, the prior art having "a structure in which a reduction portion of an internally meshing planetary gear structure is arranged in front of a reduction portion of an internally meshing planetary gear structure", which is a part of the configuration of the present invention, is obtained. Is disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 57-16714.
[0034]
However, in this conventional example, the front-stage deceleration unit and the rear-stage deceleration unit are integrated in a mixed manner, and the resonance point of the resonance generated in the rear-stage deceleration unit is set to “outside the practical range by providing the front-stage deceleration unit. It is not based on the idea of "shifting." Actually, the resonance phenomenon is not considered at all, and the reduction ratio is merely described as being able to realize a high reduction ratio of 1/2000 or more by using two reduction stages. Further, the two reduction gears are completely integrated and fused, and the great advantages of the present invention, such as flexibility in the field, are not obtained.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0036]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a driving part (reduction gear) of a joint device of an industrial robot according to an embodiment of the present invention. FIGS. 2 and 3 are taken along lines II-II and III-III in FIG. 1, respectively. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of a joint driving device for an industrial robot according to an embodiment of the present invention.
[0037]
The speed reducer G1 is connected to a motor (servo motor) M, and is mounted to rotate the second arm 14 with respect to the first arm 12 of the industrial robot 10 in a manner as shown in FIG.
[0038]
The speed reducer G <b> 1 includes a first-stage speed reduction unit 100 having an internal meshing planetary gear structure and a second-stage speed reduction unit 200 that receives an output of the first-stage speed reduction unit 100.
[0039]
Hereinafter, the first-stage reduction unit 100 and the second-stage reduction unit 200 will be described in detail in this order.
[0040]
In FIG. 1, the first-stage reduction unit 100 is housed in an independent first-stage casing 102. The front casing 102 includes a main casing 104 and first and second side covers 106 and 108 connected to both sides in the axial direction. A connecting portion 112 is integrally extended at one end of the input shaft 110 of the front reduced side portion 100. An insertion hole 114 is formed in the connection portion 112, and the motor shaft 30 of the motor M is inserted and connected to the insertion hole 114.
[0041]
The input shaft 110 is supported by a first side cover 106 of the front casing 102 and a flange body 172 of a front output shaft 170 (= the rear input shaft 210) described later via a pair of bearings 120 and 122. An eccentric body 124 is incorporated between the pair of bearings 120 and 122. Two external gears 130 and 132 are mounted on the outer periphery of the eccentric body 124 via roller bearings 126 and 128 so as to be swingably rotatable. The external gears 130 and 132 are internally meshed with an internal gear 140 integrated with the casing main body 104 of the front casing 102. The internal teeth of the internal gear 140 are formed by roller-shaped pins (external pins) 142.
[0042]
Internal pin holes 150 and 152 are formed through the two external gears 130 and 132, respectively, and the internal pin 160 is inserted therein. A pipe-shaped inner roller 162 is rotatably mounted on the inner pin 160. The inner pin 160 is fixed to a flange body 172 formed integrally with the previous output shaft 170, and is supported by the flange body 172 in a cantilever state.
[0043]
The front-stage output shaft 170 is directly used as the rear-stage input shaft 210 of the rear-stage reduction unit 200.
[0044]
The rear speed reducer 200 is also housed in the independent rear casing 202.
[0045]
The rear-stage input shaft 210 is supported by first and second output flanges 266 and 268, which will be described later, via a pair of tapered roller bearings 222 and 220, and a portion of the flange body 172 is connected to a front stage via a ball bearing 190. It is also supported by the second side cover 108 of the casing 102. An eccentric body 224 is incorporated between the pair of tapered roller bearings 220 and 222. Two external gears 230 and 232 are mounted on the outer periphery of the eccentric body 224 via roller bearings 228 and 226. The external gears 230 and 232 are internally meshed with an internal gear 240 integrated with the rear casing 202. The internal teeth of the internal gear 240 are formed by roller-shaped pins (outer pins) 242.
[0046]
Inner pin holes 250, 252 are formed through the two external gears 232, 230, respectively, and a highly accurate eccentric inner pin 260 is inserted therein. The eccentric inner pin 260 is different from the inner pin 160 of the preceding stage reduction portion 100 and is slidable on the entire outer circumference of the inner pin holes 250 and 252 via roller bearings 262 and 263 (corresponding to the eccentric amount). ) Eccentric projections 264 and 265 are provided, and there is no space corresponding to the amount of eccentricity between the inner pin holes 250 and 252.
[0047]
The eccentric inner pin 260 is supported at both ends by tapered roller bearings 270 and 272 on a pair of disk-shaped first and second output flanges 266 and 268 arranged on both sides of the external gears 232 and 230. ing.
[0048]
The first and second output flanges 266 and 268 are rotatably supported by the rear casing 202 via tapered roller bearings 274 and 276, respectively.
[0049]
The latter stage input shaft 210, the eccentric inner pin 260, and the first and second output flanges 266, 268 are supported by tapered roller bearings 220, 222, 270, 272, 274, 276. Is used for the purpose of driving the joints of the first arm 12 and the second arm 14 of the industrial robot 10, so that a load in the thrust direction is input from either of the first and second arms 12 and 14. This is because there is a possibility that
[0050]
Here, the connection mode of each member and the like will be described with reference to FIG.
[0051]
The first and second output flanges 266 and 268 of the rear reduction section 200 are firmly fixed by carrier pins 280. The first output flange 266 and the carrier pin 280 are fixed by bolts 282. On the other hand, the second output flange 268 and the carrier pin 280 are fixed by a bolt 286 inserted and screwed through the second arm 14.
[0052]
The casing 32 of the motor M and the first side cover 106 of the front reduction section 100 can be connected and separated by bolts 52 through spigots 50. Further, the second side cover 108 of the front reduction section 100 and the rear casing 202 of the rear reduction section 200 can also be connected and divided by bolts 55 through the spigot 54. Furthermore, the bolt position P1 of the second side cover 108 and the rear casing 202 matches the mounting hole position P2 of the first arm 12 of the industrial robot 10, and the connection of the second side cover 108 and the rear casing 202 Further, the cover 108 and the casing 202 are attached to the first arm 12 at the same time by the bolt 55.
[0053]
The outer diameter of the front deceleration section 100 is set smaller than the outer diameter of the rear deceleration section 200, and the space S1 secured thereby can accommodate accessories such as an encoder (not shown).
[0054]
As is clear from FIG. 2, the number of teeth of the external gears 130 and 132 of the pre-stage reduction unit 100 is “12”, the number of teeth of the internal gear 140 is “14”, and the difference in the number of teeth is “2”. The ratio is 2/12 = 1/6. As is clear from FIG. 3, the number of teeth of the external gears 230 and 232 of the rear-stage reduction unit 200 is “78”, the number of teeth of the internal gear 240 (the number of the outer pins 242) is “80”, and the number of teeth is The difference is “2”, and the reduction ratio is 2/78 = 1/39.
[0055]
In addition, since it is necessary to manufacture the post-stage deceleration unit 200 precisely including the management of the backlash, the deceleration ratio is in the range of 1/30 to 1/40, which is the easiest to manufacture, more specifically, 1/25 or more, / 50 or less. On the other hand, the speed reduction ratio of the pre-stage reduction unit 100 is set to 1/16 or less.
[0056]
In this embodiment, the backlash is set to be smaller than the backlash A1 of the rear deceleration section 100 to about 1/10 of the value corresponding to the corresponding deceleration ratio, in this embodiment. .
[0057]
Here, “backlash” refers to a range in which the output shaft moves (rotates) with the input shaft of the speed reduction unit stopped, and the unit is “degree” or “minute”.
[0058]
In general, when the reduction section is manufactured under the same level of manufacturing control, the backlash tends to decrease as the reduction ratio increases. For example, the backlash A2 of the latter reduction unit 200 at the reduction ratio of 1/39 is reduced to about 1/2 to 1/3 of the backlash A1 of the former reduction unit 100 having the reduction ratio of 1/6 if the processing accuracy is the same. . This is the “value corresponding to the corresponding reduction ratio” in this combination of reduction ratios. In the present embodiment, the backlash A2 is intentionally reduced to about 1/10 of the equivalent value. That is, as a result, the rear-stage backlash A2 is set to be 1/20 to 1/30 of the front-stage backlash A1.
[0059]
The effect of such a reduction ratio (a range in which the equivalent value varies) is at most about 1/8. In consideration of this, that is, when the back-stage backlash A2 is manufactured under the control of the same processing accuracy, the back-stage backlash A2 does not become 1/8 or less of the back-stage backlash A1 regardless of the reduction ratio and the frame number. In consideration of the above, if it can be intentionally maintained at a level of 1/10 or less (more preferably, 1/12 or less) of the preceding backlash A1 which clearly exceeds this, a corresponding effect can be obtained.
[0060]
As for the manufacturing technique itself for reducing the backlash, a known backlash reduction method can be adopted. For example, in the simplest case, several types of external gears having slightly different dimensions are prepared, and actually incorporated to determine the state of occurrence of backlash and the smoothness of rotation in the set of the external gear and the internal gear. A method of selecting an optimal external gear while confirming it may be used.
[0061]
Next, the operation of the speed reducer G1 according to this embodiment will be described.
[0062]
When the input shaft 110 of the pre-stage reduction unit 100 is rotated by the rotation of the motor M, the eccentric body 124 integrated with the input shaft 110 also rotates. When the eccentric body 124 rotates, the external gears 130 and 132 try to oscillate around the input shaft 110. However, since the internal gear 140 suppresses the rotation, the external gears 130 and 132 In this case, almost only swinging is performed while being in contact with the internal gear 140. However, since the number of teeth of the external gears 130 and 132 is set to 12 and the number of teeth of the internal gear 140 is set to 14, the external gears 130 and 132 become the internal gear 140 every one rotation of the input shaft 110. On the other hand, it shifts (rotates) by the difference in the number of teeth “2”. This means that one rotation of the input shaft 110 has been reduced to a rotation of −2/12 of the external gears 130 and 132, that is, a rotation of a reduction ratio of −1/6. A minus sign indicates that the rotation direction of the external gears 130 and 132 is opposite to the rotation direction of the input shaft 110. The rotation of the external gears 130, 132 is absorbed by the gap between the inner pin holes 150, 152 and the inner roller 162, and only the rotation component is passed through the inner pin 160 to the output shaft 170 (the input shaft 210). ).
[0063]
In the rear-stage deceleration unit 200, the same deceleration action as in the front-stage deceleration unit 100 is performed. That is, the external gears 230 and 232 are shifted (rotated) by the tooth number difference “2” with respect to the internal gear 240 every one rotation of the rear-stage input shaft 210. However, since the number of teeth of the external gears 230 and 232 of the rear-stage reduction unit 200 is set to 78 and the number of teeth of the internal gear 240 is set to 80, one rotation of the rear-stage input shaft 210 ends up being-of the external gear. The rotation is reduced to a rotation of 2/78, that is, a rotation of a reduction ratio of -1/39. Note that the rotation direction is once reversed in the first-stage reduction unit 100, but is reversed again in the second-stage reduction unit 200. Therefore, the external gears 230 and 232 of the second-stage reduction unit 200 are eventually rotated in the same direction as the rotation of the motor M. Will rotate.
[0064]
The rotation of the external gears 230 and 232 is absorbed by the presence of the eccentric projections 264 and 265 of the eccentric inner pin 260, and only the rotation component of the external gears 232 and 230 is The power is transmitted to the first and second output flanges 266 and 268 arranged on both sides. Since the first and second output flanges 266 and 268 are firmly connected via the carrier pin 280, the two output flanges 266 and 268 rotate integrally, and the rotation of the output flanges 266 and 268 is performed by the industrial robot 10 which is a counterpart machine. Power is transmitted to the second arm 14 via a bolt 286 and a bolt (not shown) connecting the second arm 14 and the output flange 268 (see FIG. 4).
[0065]
As a result, a deceleration corresponding to a reduction ratio of (−1/6) × (−1/39) = 1/234 is realized by multiplication with the preceding-stage reduction unit 100.
[0066]
Here, before describing the specific operation related to resonance cancellation, a resonance test on which the present invention is based will be briefly described. FIG. 5 shows an outline of the test apparatus.
[0067]
In the test apparatus T, the servo motor SM, the front reduction section PG, and the rear reduction section MG are connected by couplings C1 and C2. A flywheel FW is connected to the output side of the latter-stage reduction unit MG, and a piezoelectric pickup PU is built in an outer peripheral end of the flywheel FW. The pickup PU has a displacement (mm) and an acceleration (m / s) of the flywheel FW at a position of a radius r from the center of the flywheel FW. 2 ) Is detected. The latter reduction unit MG has the same configuration as that of the latter reduction unit 200 described above. The reduction ratio is 1/39. The measurement range is 25 to 2000 rpm, the sampling width of the rotation speed is 25 rpm, and the inertia of the flywheel FW is 20 kgf · m · sec. 2 The measurement position (radius r) is 850 mm. In this configuration, various configurations including the above-described pre-stage deceleration unit 100 as the pre-stage deceleration unit PG and reduction gears having reduction ratios were incorporated and vibration tests were performed.
[0068]
6 and 7 show test results. FIG. 6 shows a case where the preceding reduction unit 100 having the reduction ratio of 1/6 is combined (No. 1) and a case where the reduction unit of the parallel shaft gear structure having the reduction ratio of 1/5 is combined (No. 2). , And when there is no preceding-stage deceleration section (No. 0), the respective acceleration-motor rotation speed characteristics are shown. FIG. 7 shows the displacement-motor rotation speed characteristics.
[0069]
No. As is clear from the graph of 0, when only the rear deceleration unit 200 is used, that is, when the front deceleration unit 100 is not connected, peaks of the primary resonance and the secondary resonance are observed at around 500 rpm and 250 rpm, respectively. On the other hand, when the reduction portions of the parallel shaft gear structure having a reduction ratio of 1/5 are combined (No. 2), all of these peaks almost disappear, and instead, a new resonance occurs around 1300 rpm. I have. It can be understood that the rotation speed is about five times the secondary resonance frequency (250 rpm).
[0070]
On the other hand, when the pre-stage reduction unit 100 having a reduction ratio of 1/6 is combined (No. 1), the peaks of the original primary resonance and the secondary resonance also disappear, and a new resonance occurs instead at around 1500 rpm. are doing. It can be understood that the rotation speed is about six times the secondary resonance frequency (250 rpm).
[0071]
From these results, in the case of the conventional apparatus having the preceding stage reduction portion of the parallel shaft gear structure, when the practical rotation speed was up to about 1000 rpm, the peak certainly did not almost occur, and the effect of eliminating the resonance was obtained. It is recognized that there was. However, as described above, it can be confirmed from this test result that a new resonance is certainly generated when the practical rotation speed is increased to a region exceeding 1500 rpm.
[0072]
Tests were performed on the front reduction section of many types of internally meshing planetary gear structures, and various other types of front reduction sections. As a result, the configuration of the front reduction section mainly depends on the amplitude of vibration (resonance). Alternatively, it was confirmed that, although the width of the tail was affected, the qualitative tendency of the graph regarding the resonance frequency was not significantly affected. More specifically, in most tests, the new resonance is an integer multiple of the denominator of the deceleration ratio with respect to the resonance frequency generated when only the rear deceleration unit is used, regardless of the specific structure of the front deceleration unit. (5 times if the reduction ratio of the preceding reduction unit is 1/5).
[0073]
The description returns to the specific operation of this embodiment.
[0074]
In the present embodiment, the following advantages are obtained because the front reduction section 100 having the internal meshing planetary gear structure is adopted as the additional front reduction section PG.
[0075]
In other words, in the first-stage reduction unit 100, a predetermined reduction ratio (in this embodiment, 1/6) can be obtained, so that the reduction ratio of the second-stage reduction unit 200 is the easiest reduction ratio even if the required total reduction ratio increases. The area of 1/50 or less, particularly the area of 1/40 or less, can be easily selected. At the same time, the rotational speed at which a new resonance occurs (because the reduction ratio of the pre-stage reduction unit can be easily set to 1/6 or more) is shifted to a higher region than the practical rotational speed region of the increased servomotor. Thus, even when a high-speed servomotor is used, it is possible to prevent new resonance from occurring.
[0076]
On the other hand, even if the reduction ratio of the pre-stage reduction unit 100 is increased, it is preferable to suppress the reduction ratio to 1/20 or less. Thus, even if the required reduction ratio is relatively low, it is possible to easily select a region of 1/25 or more, particularly a region of 1/30 or more, which is the region of the reduction ratio in which the reduction ratio of the rear-stage reduction unit 200 is most easily created. . In addition, the reduction ratio of the former-stage reduction ratio of 1/20 or less can be manufactured by the design in which the difference in the number of teeth between the external gear and the internal gear is 1, but as in the above embodiment, for example, By setting the number difference to be 2 or more, it is possible to perform advantageous production in terms of securing transmission capacity and easiness of processing and assembling precision parts with small backlash.
[0077]
Further, in this embodiment, since both the first-stage reduction unit 100 and the second-stage reduction unit 200 have an internally meshing planetary gear structure, the engagement ratio is high (compared to the reduction unit of the parallel shaft gear structure), Low wear. Therefore, good backlash characteristics, that is, high positioning accuracy can be obtained over a long period of time.
[0078]
Further, in the present embodiment, the front deceleration unit 100 and the rear deceleration unit 200, and the front deceleration unit 100 and the motor M are housed separately in independent casings. Only the pre-stage deceleration section 100 between the steps can be changed. Of course, it is also possible to replace the motor M and the pre-stage reduction unit 100 individually. For this reason, only one type of rear-stage reduction unit, which is likely to be expensive due to its high accuracy, is designed with only one type, and a general-purpose internal-meshed planetary gear structure reduction device, which already has a wide variety of types, is prepared as the front-stage reduction unit. Is installed between the motor and the rear reduction unit, a reduction gear with a small backlash having various reduction ratios can be easily obtained, and the degree of freedom in design can be increased.
[0079]
In particular, in the present embodiment, the position (position of the bolt 55) P1 of the connection hole of the front casing 102 and the rear casing 202 is the position of the mounting hole of the member to be mounted of the industrial robot (the mounting hole position of the first arm 12). ) P2, the connection of the front casing 102 and the rear casing 202 and the attachment of the front casing 102 and the rear casing 202 to the member to be attached (attachment to the first arm 12) are simultaneously performed by the same bolt 55. Since the configuration is performed, the exchange itself is easy.
[0080]
The pre-stage reduction unit 100 in the present embodiment has a reduction ratio adjusting function of “performing pre-deceleration” and a resonance avoidance function of “changing the degree of movement of the resonance point by selecting the reduction ratio”. The easiness of the exchange is a great merit in any of the aspects.
[0081]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, resonance avoidance can be implement | achieved at low cost, and the joint drive device of the industrial robot with a higher degree of freedom of design can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a speed reducer of a joint drive device for an industrial robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II in FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 1;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the joint driving device for the industrial robot.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a test apparatus used for confirming a resonance mechanism of the industrial robot.
FIG. 6 is a characteristic diagram of acceleration-motor rotation speed, showing a test result performed by the above test apparatus.
FIG. 7 is a characteristic diagram of displacement-motor rotation speed.
[Explanation of symbols]
10 ... Industrial robot
12 ... 1st arm
14 ... second arm
100: front deceleration section
102: Front casing
106 ... 1st side cover
108 ... second side cover
110 ... input shaft
124 ... eccentric body
130, 132 ... external gear
140 ... internal gear
160 ... inner pin
170: Output shaft at the previous stage
200: Rear-stage reduction unit
202: Rear casing
210: input shaft at the rear
230, 232 ... external gear
240 ... internal gear
260 ... eccentric inner pin
262, 264: First and second output flanges

Claims (8)

産業用ロボットの関節駆動装置において、
モータと、
僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備えた内接噛合遊星歯車構造の前段減速部と、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備え、前記前段減速部の出力を受けて更に減速する内接噛合遊星歯車構造の後段減速部と、の2段の減速部を有する減速機構部と、を備え、且つ
前記前段減速部と前記後段減速部がそれぞれ独立した前段ケーシング及び後段ケーシングに収容され、且つ該前段ケーシング及び後段ケーシングが、互いに分割可能とされた
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。
In the joint drive of industrial robots,
Motor and
A front reduction unit having an internal meshing planetary gear structure having an external gear and an internal gear having a small difference in the number of teeth, and the external reduction gear having an external gear and an internal gear having a small difference in the number of teeth; And a reduction mechanism portion having a two-stage reduction portion of an internally meshing planetary gear structure that further reduces the speed in response to the output of the output portion, and wherein the front reduction portion and the rear reduction portion are independent of each other. A joint driving device for an industrial robot, wherein the joint driving device is accommodated in a front casing and a rear casing, and the front casing and the rear casing are separable from each other.
請求項1において、更に、
前記モータも独立したモータケーシングに収容され、且つ、前記前段減速部を収容する前段ケーシングと該モータを収容するモータケーシングも分割可能とされている
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。
In claim 1, further,
The joint drive device for an industrial robot, wherein the motor is also housed in an independent motor casing, and the front casing housing the front speed reduction unit and the motor casing housing the motor are also separable.
請求項1または2において、
前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結孔の位置が前記産業用ロボットの被取り付け部材の取り付け孔の位置と一致しており、前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結、及び、該前段ケーシング及び前記後段ケーシングの被取り付け部材への取り付けが、同一の取り付け部材によって行われる構成とされた
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。
In claim 1 or 2,
The position of the connection hole between the front casing and the rear casing matches the position of the mounting hole of the member to be mounted of the industrial robot, and the connection between the front casing and the rear casing, and the connection between the front casing and the rear casing. A joint drive device for an industrial robot, wherein the casing is attached to the attachment member by the same attachment member.
請求項1〜3のいずれかにおいて、
前記前段ケーシングの外周を前記後段ケーシングの外周より小さくすることによって形成された空間に、エンコーダ等の付属品を収容可能とした
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。
In any one of claims 1 to 3,
A joint driving device for an industrial robot, wherein accessories such as an encoder can be accommodated in a space formed by making the outer periphery of the first casing smaller than the outer periphery of the second casing.
請求項1〜4のいずれかにおいて、
前記前段減速部の減速比が1/20以下、
前記後段減速部の減速比が1/25以上、且つ、
前記前段減速部と前記後段減速部とで達成される総減速比が、1/150以上、1/500以下の範囲にそれぞれ設定された
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。
In any one of claims 1 to 4,
The speed reduction ratio of the preceding speed reduction unit is 1/20 or less;
The reduction ratio of the latter reduction unit is 1/25 or more, and
A joint drive device for an industrial robot, wherein a total reduction ratio achieved by the first-stage reduction unit and the second-stage reduction unit is set in a range of 1/150 or more and 1/500 or less.
請求項5において、
前記前段減速部の外歯歯車と内歯歯車との歯数差が2以上に設定されている
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。
In claim 5,
3. The joint drive device for an industrial robot according to claim 1, wherein a difference in the number of teeth between the external gear and the internal gear of the front reduction unit is set to two or more.
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記後段減速部のバックラッシが、前記前段減速部のバックラッシより、対応する減速比に相当する値よりも小さく設定された
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。
In any one of claims 1 to 6,
A joint drive device for an industrial robot, wherein the backlash of the rear speed reducer is set to be smaller than the value of the corresponding speed reduction ratio than the backlash of the front speed reducer.
請求項7において、
前記後段減速部のバックラッシが、前記前段減速部のバックラッシの1/10以下の値に設定されている
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。
In claim 7,
The backlash of the rear deceleration unit is set to a value equal to or less than 1/10 of the backlash of the front deceleration unit.
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