JP2015209931A - 波動歯車装置及びロボットアーム - Google Patents
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Abstract
【課題】可撓性外歯歯車の円筒部の内周面と軸受の外輪の外周面との隙間を減少させて、可撓性外歯歯車の変形を低減させ、可撓性外歯歯車に接続される出力軸のねじり剛性を向上させる。
【解決手段】波動発生器は、外周が非円形状に形成された楕円形カム9と、楕円形カム9の外周面によって、非円形に撓められている環状の軸受4と、を有する。軸受4は、半径方向X及び回転軸線L0に対して傾斜する傾斜方向に弾性変形可能な環状の外輪5を有する。外輪5の外周面40は、平滑面42と、平滑面42に連なる湾曲面41と、を有する。噛み合い領域を生じさせる円筒部23の内周面26と外輪5の外周面40との接触領域は、円筒部23の内周面26と湾曲面41とが線接触する第1領域と、第1領域の周方向の両側に位置し、円筒部23の内周面26と平滑面42とが面接触する第2領域とで構成されている。
【選択図】図4
【解決手段】波動発生器は、外周が非円形状に形成された楕円形カム9と、楕円形カム9の外周面によって、非円形に撓められている環状の軸受4と、を有する。軸受4は、半径方向X及び回転軸線L0に対して傾斜する傾斜方向に弾性変形可能な環状の外輪5を有する。外輪5の外周面40は、平滑面42と、平滑面42に連なる湾曲面41と、を有する。噛み合い領域を生じさせる円筒部23の内周面26と外輪5の外周面40との接触領域は、円筒部23の内周面26と湾曲面41とが線接触する第1領域と、第1領域の周方向の両側に位置し、円筒部23の内周面26と平滑面42とが面接触する第2領域とで構成されている。
【選択図】図4
Description
本発明は、剛性内歯歯車、可撓性外歯歯車及び波動発生器を備えた波動歯車装置、及び波動歯車装置を備えたロボットアームに関する。
近年、減速機として、比較的少ない部品点数でありながらバックラッシュレスで高減速比を得ることができる波動歯車装置が普及しつつある。波動歯車装置は、剛性内歯歯車と、剛性内歯歯車の内歯よりも歯数の少ない外歯を有する可撓性外歯歯車と、可撓性外歯歯車の内周面に接触する波動発生器とを備えている。
波動発生器は、非円形状の剛性体と、この剛性体の非円形外周面によって、非円形に撓められている環状の可撓性軸受とで構成されている。可撓性軸受は、半径方向に撓むことができる環状の可撓性の外輪及び内輪を有する深溝軸受である。
可撓性外歯歯車は、軸方向の一方側が開放されて開口部が形成されていると共に、他方側は縮径又は拡径されてダイヤフラム部が形成されている。可撓性外歯歯車が波動発生器によって非円形に撓められると、非円形の長軸を含む回転軸に沿う断面における形状は、ダイヤフラム部側から開口部側にかけて漸増して撓む。このような3次元的な撓み方は、コーニングと呼ばれている。波動歯車装置では、減速比が低いほど、この可撓性外歯歯車のコーニングの角度は大きくなる。
波動歯車装置では、可撓性外歯歯車に一体に接続された出力軸が受けたトルクは、可撓性外歯歯車の外歯が受け止めるが、さらにそのトルクは可撓性外歯歯車の外歯にて、剛性内歯歯車の内歯との噛み合い領域において、周方向の力と半径方向の力に分解される。そのうち、周方向の力は、可撓性外歯歯車の外歯に噛み合う剛性内歯歯車の内歯が受け止め、半径方向の力は可撓性外歯歯車の内周面に接触する波動発生器の軸受の外輪が力を受け止めている。
可撓性外歯歯車が非円形に撓む際には、可撓性外歯歯車と軸受の外輪とは密着した状態であるが、軸受の外輪は、コーニングした可撓性外歯歯車に倣うことなく回転軸線に対して傾斜しない。そのため、回転軸に沿う断面を見ると、可撓性外歯歯車と軸受の外輪の両側角部で接触する。これにより、軸受の外輪の両側角部と、それに接触する可撓性外歯歯車の内周面に応力が集中し、フレッチング摩耗が発生して隙間が増大し、ついには振動の原因となっていた。
これを解決するために、軸受の外輪の形状を改良した波動歯車装置が提案されている(特許文献1参照)。特許文献1の波動歯車装置では、軸受の外輪は軸線方向の外周面断面が軸受の半径方向外側に向かって凸になるように円弧状に形成されている。この形状により、軸受の外輪とそれに接触する可撓性外歯歯車の内周面の接触面圧が低下するとともに、軸受の外輪と可撓性外歯歯車の内周面との間に潤滑剤を侵入させ易くなり、フレッチング摩耗を低減させることができる。
しかしながら、特許文献1に記載された波動歯車装置では、軸受の外輪と可撓性外歯歯車の内周面とが周方向の全領域で線接触となっていた。そのため、可撓性外歯歯車の内周面と軸受の外輪との間では、回転軸線に垂直な断面を見ると隙間が存在するので、可撓性外歯歯車の外歯付近が変形して、可撓性外歯歯車に接続された出力軸のねじり剛性が低下する問題があった。
本発明は、可撓性外歯歯車の円筒部の内周面と軸受の外輪の外周面との隙間を減少させて、可撓性外歯歯車の変形を低減させ、可撓性外歯歯車に接続される出力軸のねじり剛性を向上させることを目的とする。
本発明の波動歯車装置は、内歯を有する円環状の剛性内歯歯車と、前記剛性内歯歯車の内側に配置され、回転軸線の延びる軸方向の一端が開口する開口部となる、可撓性を有する円筒部と、前記円筒部の外周面に形成され、前記内歯に噛合可能な外歯とを有する可撓性外歯歯車と、前記円筒部の内側に配置され、前記円筒部の内周面に接触して、前記円筒部を、前記回転軸線を中心とする半径方向に弾性変形させて、前記外歯を前記内歯に対して噛み合い領域で噛み合わせると共に、前記回転軸線を中心に回転することで噛み合い領域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、外周が非円形状に形成された剛性体と、前記剛性体の外周面によって、非円形に撓められている環状の可撓性軸受と、を有し、前記可撓性軸受は、前記半径方向及び前記回転軸線に対して傾斜する傾斜方向に弾性変形可能な環状の外輪を有し、前記外輪の外周面は、前記回転軸線を含む断面で直線となる直線部分が前記周方向に連続してなる平滑面と、前記断面で前記直線部分に対して前記開口部の側と反対側にて前記直線部分から連続して凸状に湾曲した曲線となる曲線部分が前記周方向に連続してなる湾曲面と、を有し、前記噛み合い領域を生じさせる前記円筒部の内周面と前記外輪の外周面との接触領域は、前記円筒部の内周面と前記湾曲面とが線接触する第1領域と、前記第1領域の前記周方向の両側に位置し、前記円筒部の内周面と前記平滑面とが面接触する第2領域とで構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、第2領域では、可撓性外歯歯車の円筒部の内周面と可撓性軸受の外輪の平滑面とが面接触するので、可撓性外歯歯車の円筒部の内周面と可撓性軸受の外輪の外周面との隙間が減少する。また、可撓性外歯歯車の円筒部の内周面と可撓性軸受の外輪の平滑面とが面接触する第2領域では、可撓性外歯歯車に作用する半径方向の力が外輪において面で受け止められるので、可撓性外歯歯車の外歯付近が変形しにくくなる。これにより、可撓性外歯歯車に接続される出力軸のねじり剛性を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態に係るロボット装置について説明する。図1は、本発明の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に示すように、ロボット装置500は、産業用ロボットであり、ワークWOの組み立て等の作業を行うロボット100と、ロボット100を制御する制御装置200と、制御装置200に接続されたティーチングペンダント300と、を備えている。
ロボット100は、多関節ロボットアーム(以下「ロボットアーム」という)101と、ロボットアーム101の先端に接続されたエンドエフェクタであるロボットハンド102と、を備えている。
ロボットアーム101は、垂直多関節型のロボットアームであり、作業台に固定されるベース部(基端リンク)103と、変位や力を伝達する複数のリンク121〜126と、を有している。ベース部103及び複数のリンク121〜126は、複数の関節J1〜J6で旋回又は回転可能に互いに連結されている。また、ロボットアーム101は、各関節J1〜J6に設けられた、回転軸の回転角度を検出する不図示のエンコーダと、関節を駆動する駆動部110と、を備えている。各関節J1〜J6に配置された駆動部110は、必要なトルクの大きさに合わせて適切な出力のものが用いられる。
ロボットハンド102は、ワークWOを把持する複数の把持爪104と、複数の把持爪104を駆動する駆動部110と、駆動部110の回転角度を検出する不図示のエンコーダと、回転を把持動作に変換する不図示の機構とを有している。この不図示の機構は、カム機構やリンク機構などで必要な把持動作に合わせて設計される。なお、ロボットハンド102に用いる駆動部110に必要なトルクは、ロボットアーム101の関節用と異なるが、基本構成は同じである。また、ロボットハンド102は、把持爪104等に作用する応力(反力)を検出可能な不図示の力覚センサを有している。
ティーチングペンダント300は、制御装置200に接続可能に構成され、制御装置200に接続された際に、ロボットアーム101やロボットハンド102を駆動制御する指令を制御装置200に送信可能に構成されている。
制御装置200は、コンピュータにより構成されている。制御装置200を構成するコンピュータは、例えばCPUと、データを一時的に記憶するRAMと、各部を制御するためのプログラムを記憶するROMと、入出力インタフェース回路とを備えている。制御装置200は、駆動部110の動作に要求される要求電力を、不図示の電源から駆動部110に供給させて、ロボットアーム101やロボットハンド102の位置及び姿勢を制御する。
上述のように構成されたロボット装置500は、入力された設定等に従って、制御装置200がロボットアーム101の各関節J1〜J6の駆動部110を動作させることでロボットハンド102を任意の位置及び姿勢に移動させる。そして、任意の位置及び姿勢で、把持爪104に作用する応力を力覚センサで検出しながら駆動部110の駆動を制御し、ロボットハンド102にワークWOを把持させて、ワークWOの組み立て等の作業を行うことができる。
次に、本実施形態に係る駆動部110について説明する。まず、駆動部110の概略構成について、図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施形態に係る駆動部110を示す、回転軸線L0を含む仮想平面における断面図である。図3は、図2の矢印IIIの方向から見た駆動部110の断面図である。
駆動部110は、電動モータ112と、電動モータ112の回転子(回転軸)の回転を減速して出力する波動歯車装置(波動歯車減速機)111とを有する。電動モータ112は、ACモータやブラシレスDCモータ等のサーボモータ(回転モータ)である。波動歯車装置111は、剛性内歯歯車(サーキュラスプライン)1と、可撓性外歯歯車(フレクスプライン)2と、波動発生器(ウェーブジェネレータ)3と、これらを収容するフレーム15とを有している。
波動発生器3には、入力軸11が固定されており、可撓性外歯歯車2には、出力軸13が固定されている。入力軸11は、電動モータ112の回転子に一体に固定された回転軸である。
フレーム15は、回転軸線L0の延びる軸方向Zに分割可能な第1のフレーム片15A及び第2のフレーム片15Bを有している。これらフレーム片15A,15Bが組み合わされて、フレーム15が構成されている。フレーム15の内部には、入力軸11、波動発生器3、可撓性外歯歯車2、剛性内歯歯車1及び出力軸13等の構成部品が収納されている。
第1のフレーム片15Aには、回転軸線L0を中心に回転自在に入力軸11を保持するベアリング12が設けられている。第2のフレーム片15Bには、回転軸線L0を中心に回転自在に出力軸13を保持するベアリング14が設けられており、出力軸13は外部の関節機構に連結されている。これにより、入力軸11及び出力軸13は、回転軸線L0まわりに回転自在に支持されている。
剛性内歯歯車1は、図2及び図3に示すように、円環状で、第2のフレーム片15Bに固定されている。剛性内歯歯車1は、円環状の本体と、本体の内周面に周方向Yに互いに間隔をあけて形成された複数の内歯16とを有している。可撓性外歯歯車2は、内歯16に噛合可能な、周方向Yに互いに間隔をあけて形成された複数の外歯22を有している。剛性内歯歯車1の内歯16の歯数は、可撓性外歯歯車2の外歯22の歯数より2×n枚(nは正の整数)多くなっている。例えば、剛性内歯歯車1の内歯16の歯数102歯であり、可撓性外歯歯車2の外歯22の歯数は100歯よりも2歯多く設定されている。
可撓性外歯歯車2は、波動発生器3により非円形(長円形や楕円形、以下、これらを総称して「楕円形」)状に弾性変形する。このように楕円形状に弾性変形した可撓性外歯歯車2における外歯22が、剛性内歯歯車1の内歯16に楕円形の長径付近の2箇所の噛合い領域で噛み合うようになっている。
波動発生器3は、可撓性を有する環状(弾性変形していない自由な状態では円環状)の可撓性軸受(以下、「軸受」という)4を有している。また、波動発生器3は、軸受4の内側に配置されると共に、軸方向Zから見て外周(外形)が楕円形状(非円形状)の剛性体である楕円形カム(非円形カム)9を有している。
軸受4は、楕円形カム9の外周に嵌め込まれて、楕円形状に弾性変形している。この軸受4は、可撓性を有する環状の内輪7と、可撓性を有し、内輪7の外周側に配置された環状の外輪5と、内輪7及び外輪5の間に自転及び公転可能に挟持された複数の鋼球6と、リテーナ8とを有する、深溝軸受である深溝玉軸受からなる。リテーナ8は、鋼球6を互いに離隔して保持するように構成されている。軸受4(内輪7及び外輪5)は、楕円形カム9が設けられていない状態(弾性変形していない自由な状態)では真円形状(円環状)になる。そして、軸受4は、楕円形カム9に嵌め込まれることで、内輪7が楕円形状に弾性変形して楕円形カム9に密着し、外輪5も楕円形状に弾性変形する。ここで、外輪5は、可撓性を有している環状の部材であるので、回転軸線L0を中心とする半径方向X及び回転軸線L0に平行な線に対して傾斜する傾斜方向に弾性変形可能である。
楕円形カム9は、軸受4を楕円形カム9に嵌め込む前の軸受4が真円形状のときと比較し、長径が軸受4の内輪7の内径より大きく、短径が内輪7の内径より小さく設定されている。このため、楕円形カム9が内輪7の内周側に配置されることにより、楕円形カム9の長径部分の2箇所で内輪7を外周側に押圧して内輪7を楕円形(非円形)に弾性変形させるようになっている。
また、楕円形カム9の内周面は、入力軸11の先端部にねじ止め等により連結されており、楕円形カム9は、入力軸11と一体に回転軸線L0を中心に回転可能となっている。更に、楕円形カム9が回転することによって楕円形カム9の長径部分が回転軸線L0を中心に回転し、弾性変形した内輪7も楕円形カム9と一体に回転するようになっている。
外輪5は、可撓性外歯歯車2の内周側に嵌合されており、可撓性外歯歯車2と一体に回転するようになっている。内輪7と外輪5とは独立して回転可能であるので、内輪7は楕円形カム9の回転と一体的に回転し、外輪5は内輪7により楕円形(非円形)に撓められる。これにより、波動発生器3は、可撓性外歯歯車2を楕円形(非円形)に撓ませることで、可撓性外歯歯車2の長径部分の2箇所の噛み合い領域で剛性内歯歯車1の内歯16と可撓性外歯歯車2の外歯22とを噛合させるようになっている。
即ち、波動発生器3は、可撓性外歯歯車2の径方向両側の2箇所を外周側に向けて押圧し、可撓性外歯歯車2を楕円形状(非円形状)に弾性変形させることにより、可撓性外歯歯車2の長径部分の外歯22を内歯16に噛合させる。そして、波動発生器3は、回転軸線L0を中心に回転することにより、噛み合い領域(噛み合い位置)を、回転軸線L0を中心とする半径方向Xに対し直交する周方向Yに移動させることで、可撓性外歯歯車2と剛性内歯歯車1とを差動可能になっている。
これにより、可撓性外歯歯車2は、剛性内歯歯車1と可撓性外歯歯車2との歯数差に基づく減速比(=可撓性外歯歯車2の歯数/両歯車の歯数差)で、入力軸11(波動発生器3)の回転速度に対して減速した回転速度で回転する。
図4は、波動歯車装置111を、回転軸線L0及び楕円形カム9の長軸を含む仮想平面で切断したときの断面図である。可撓性外歯歯車2は、図4に示すように、薄肉のカップ状に形成された、可撓性を有する円筒形状の胴体部である円筒部23を有している。円筒部23は、剛性内歯歯車1の内側に配置されている。円筒部23は、回転軸線L0の延びる軸方向Zの一端が開口する開口部27となっている。円筒部23の軸方向Zの他端には、回転軸線L0を中心とする半径方向Xの内側に延びる可撓性を有するダイヤフラム部24が形成されている。また、可撓性外歯歯車2は、円筒部23の外周面28であって、円筒部23の軸方向Zの一端に形成された複数の外歯22を有している。円筒部23は、内歯16の内周側に配置されている。
ダイヤフラム部24には、ダイヤフラム部24より内径側に連続するフランジ部25が形成されており、フランジ部25は、ダイヤフラム部24よりも軸方向Zに厚く形成され、ダイヤフラム部24よりも大きな剛性を有するようになっている。フランジ部25の内周面は出力軸13の先端部がねじ止め固定されている。これにより、出力軸13は、可撓性外歯歯車2と一体回転可能に可撓性外歯歯車2に連結されている。複数の外歯22が円筒部23の開口部27側の外周面28に形成されているので、波動発生器3の長径部分によって円筒部23が楕円形状に撓められることで、円筒部23の長径部分に位置する外歯22が、対向する内歯16に噛合可能になっている。
ところで、可撓性外歯歯車2の円筒部23は、図3に示すように、波動発生器3により楕円形状に弾性変形する。楕円形状に変形した円筒部23の長径部分における回転軸線L0に沿う断面では、図4のように、可撓性外歯歯車2の円筒部23が開口部27に向かって徐々に径が広がり、円筒部23の内周面26が回転軸線L0に平行な線に対して傾斜している。つまり、円筒部23は、コーニングと呼ばれる弾性変形により、内周面26が傾斜する。
ここで、円筒部23の軸方向Zの一端(開口部27)の長径部分において、回転軸線L0に平行な線(水平線)に対する円筒部23の内周面26の傾斜角度、すなわちコーニング角度をθ0とする。可撓性外歯歯車2の円筒部23の軸方向Zの長さをL、可撓性外歯歯車2の円筒部23の軸方向Zの一端が、軸方向Zから見て真円形状から楕円形状に変形した際の円筒部23の一端の変形量をΔdとすると、以下のように定義される。
θ0=tan−1(Δd/L)
θ0=tan−1(Δd/L)
次に、波動発生器3の軸受4の外輪5の構成について詳細に説明する。図5は、軸受4の断面図である。外輪5の外周面40は、平滑面42、湾曲面41、及び湾曲面43で構成されている。
平滑面42は、外輪5が弾性変形していない状態でストレートの円筒面である。湾曲面41は、平滑面42の軸方向Zの一端に接続され、曲率半径R1の凸状の湾曲面41である。湾曲面43は、平滑面42の軸方向Zの他端に接続され、曲率半径R2の凸状の湾曲面43である。
平滑面42は、波動歯車装置111として組み込まれている状態では弾性変形しているため、円筒形状ではないが、回転軸線L0を含む断面で直線となる直線部分を有している。平滑面42は、回転軸線L0を含む仮想平面に沿うどの断面でも(傾斜角度は異なるが)直線状である。したがって、平滑面42は、直線部分が周方向Yに連続してなる面である。
湾曲面41は、回転軸線L0を含む断面で直線部分に対して開口部27の側と反対側にて直線部分から連続して凸状に湾曲した曲線となる曲線部分が周方向Yに連続してなる面である。
同様に、湾曲面43は、回転軸線L0を含む断面で直線部分に対して開口部27の側にて直線部分から連続して凸状に湾曲した曲線となる曲線部分が周方向Yに連続してなる面である。
平滑面42に連なる曲率半径R1の湾曲面41及び曲率半径R2の湾曲面43は、滑らかに繋がっている。
図6は、本発明の実施形態に係る波動歯車装置を示す説明図である。図6(a)は、図2の矢印IIIの方向から見た波動歯車装置111の断面図である。図6(b)は、図6(a)の矢印VIBの方向から見た波動歯車装置111の断面図、図6(c)は、図6(a)の矢印VICの方向から見た波動歯車装置111の断面図である。
図6(a)に示すように、内歯16と外歯22との噛み合い領域RMは2箇所ある。即ち、剛性内歯歯車1の内歯16は、可撓性外歯歯車2の外歯22の楕円形の長径部分である上下2か所を中心として、それぞれ約±30°の噛み合い領域RM,RMで噛み合っている。各噛み合い領域RMに対応して、噛み合い領域RMを生じさせる可撓性外歯歯車2の円筒部23の内周面26と外輪5の外周面40との接触領域RTが2箇所ある。
接触領域RTは、円筒部23の内周面26と外輪5の湾曲面41とが線接触する第1領域RAと、第1領域RAの周方向Yの両側に位置し、円筒部23の内周面26と外輪5の平滑面42とが面接触する第2領域RB,RBとで構成されている。つまり、1つの接触領域RTは、1つの第1領域RAと、2つの第2領域RB,RBとを有している。第2領域RBでは、外輪5が、回転軸線L0に平行な線に対して傾斜するよう弾性変形しており、内周面26と平滑面42とが面接触している。なお、図6(b)は、外輪5と可撓性外歯歯車2の円筒部23の内周面26の接触が面接触の第2領域RBにおける断面図である。図6(c)は、外輪5と可撓性外歯歯車2の円筒部23の内周面26の接触が線接触の第1領域RAにおける断面図である。
以下、外輪5と、可撓性外歯歯車2の円筒部23の内周面26との接触状態について、詳細に説明する。
出力軸13が受けたトルクは、可撓性外歯歯車2のフランジ部25からダイヤフラム部24、円筒部23を伝って、外歯22に伝わる。さらにそのトルクは可撓性外歯歯車2の外歯22にて、剛性内歯歯車1の内歯16との噛み合い領域RMにおいて、周方向Yの力と半径方向Xの力に分解される。
そのうち、周方向Yの力は、可撓性外歯歯車2の外歯22に噛み合う剛性内歯歯車1の内歯16が受け止め、半径方向Xの力は可撓性外歯歯車2の内周面26に接触する波動発生器3の軸受4の外輪5の外周面40が受け止めている。
可撓性外歯歯車2の円筒部23が楕円形状に撓むので、楕円形の円筒部23の長径部分、即ち第1領域RAにおいて、軸受4の外輪5の外周面40の湾曲面41と、可撓性外歯歯車2の円筒部23の内周面26とが線接触する。
より詳細に説明すると、可撓性外歯歯車2にかかる半径方向Xの力は、可撓性外歯歯車2の内周面26から外輪5の外周面40の湾曲面41に作用し、外輪5は鋼球6との接触点を中心とした左回りのモーメントを受ける。その一方で、外輪5は図4における水平の状態に戻ろうとするため、鋼球6との接触点を中心とする右回りのモーメントを発生する。図4のような楕円形の長径における回転軸断面においては、可撓性外歯歯車2の内周面26から外輪5の外周面40の湾曲面41に作用する左回りのモーメントが、外輪5が水平状態に戻ろうとする右回りのモーメントよりも大きくなる。そのため、可撓性外歯歯車2の内周面26は外輪5の平滑面42とは密着せずに、外輪5の湾曲面41で線接触する。この際、外輪5の平滑面42の回転軸線L0に平行な線に対する傾斜角度θ1は、可撓性外歯歯車2の円筒部23のコーニング角度θ0よりも小さい。
以上、第1領域RAでは、可撓性外歯歯車2のコーニング角度が第2領域RBよりも大きいため、円筒部23の内周面26から外輪5の湾曲面41に作用する左回りのモーメントよりも、外輪5が水平状態に戻ろうとする右回りのモーメントが小さい。そのため、可撓性外歯歯車2の内周面26は、図6(c)に示すように、外輪5の湾曲面41で線接触する。
一方、第2領域RBでは、可撓性外歯歯車2の円筒部23のコーニング角度が第1領域RAよりも小さいため、内周面26から平滑面42に作用する左回りのモーメントと、外輪5が水平状態に戻ろうとする右回りのモーメントとが釣り合っている。そのため、可撓性外歯歯車2の内周面26は、図6(b)に示すように、外輪5の平滑面42に密着して、面接触する。
本実施形態によれば、第2領域RBでは、可撓性外歯歯車2の円筒部23の内周面26と軸受4の外輪5の平滑面42とが面接触するので、可撓性外歯歯車2の円筒部23の内周面26と軸受4の外輪5の外周面40との隙間が減少する。また、可撓性外歯歯車2の円筒部23の内周面26と軸受4の外輪5の平滑面42とが面接触する第2領域RBでは、可撓性外歯歯車2に作用する半径方向Xの力が外輪5において面で受け止められるので、可撓性外歯歯車2の外歯22付近が変形しにくくなる。これにより、可撓性外歯歯車2に接続される出力軸13のねじり剛性を向上させることができる。
また、本実施形態では、第2領域RB,RBの合計の領域は、第1領域RAよりも周方向Yにおいて範囲が広い。つまり、接触領域RTにおける第2領域RBの占める割合が大きいほど、可撓性外歯歯車2(出力軸13)のねじり剛性が大きくなる。よって、より効果的に出力軸13のねじり剛性を向上させることができる。
更に、本実施形態では、各第2領域RBは、第1領域RAよりも周方向Yにおいて範囲が広い。このように、接触領域RTにおける第2領域RBの占める割合が更に大きくなるので、より効果的に出力軸13のねじり剛性を向上させることができる。
ここで、外輪5の軸方向Zの幅をW、曲率半径R1の湾曲面41の軸方向Zの幅をA、平滑面42の軸方向Zの幅をB、曲率半径R2の湾曲面43の軸方向Zの幅をCとした場合、幅Wは、次の式のように定義される。
W=A+B+C
W=A+B+C
また、曲率半径R1の湾曲面41の幅Aと、平滑面42の幅Bとの関係は、次の式のように定義される。
6≦B/A≦19
6≦B/A≦19
以下、上式の根拠について説明する。図8は、本発明の実施形態に係る波動歯車装置の可撓性軸受4、及び比較例の可撓性軸受4Xを示す断面図である。図8(a)は本実施形態の可撓性軸受4、図8(b)は比較例の可撓性軸受4Xを示す。なお、比較例の可撓性軸受4Xは、外輪5X、鋼球6X、内輪7Xからなり、外輪5Xは、外周面40Xを有している。外周面40Xは、平滑面42Xと、その両側の湾曲面41X,43Xとで形成されている。
比較例では、6>B/Aであるが、本実施形態では、6≦B/Aとしている。これにより、外輪5と鋼球6との接触点と、外輪5が可撓性外歯歯車2の内周面26から受ける半径方向Xの力の作用点までの距離B1が比較例よりも長くなる。このため、可撓性外歯歯車2の内周面26から外輪5の外周面40の湾曲面41に作用する左回りのモーメントが比較例よりも大きくなる。一方で、外輪5が水平状態に戻ろうとする右回りのモーメントは比較例と同じである。
よって、6≦B/Aとすることにより、噛み合い領域RMにおいて、外輪5と可撓性外歯歯車2の内周面26との接触が面接触の第2領域RBは、外輪5と可撓性外歯歯車2の内周面26の接触が線接触の第1領域RAよりも周方向Yで範囲が広くなる。
また、外輪5と可撓性外歯歯車2の内周面26との接触が線接触の第1領域RAにおいて、可撓性外歯歯車2の内周面26と軸受4の外輪5とが、互いに塑性変形しないように、外輪5の外周面40に曲率半径R1の湾曲面41を設けている。
外輪5の湾曲面41の曲率半径R1が大きいほど、可撓性外歯歯車2の内周面26との接触応力は小さくなるが、距離B1が短くなるため、第2領域RBが減る。
そこで本実施形態では、外輪5の曲率半径R1の湾曲面41の幅Aは、非円形に変形した可撓性外歯歯車2の円筒部23の長径部分における、可撓性外歯歯車2のコーニング角度θ0、軸受4の外輪5の傾斜角度θ1を用いて、以下のように定義される。
A=R1×sin(θ0―θ1)
A=R1×sin(θ0―θ1)
これにより、可撓性外歯歯車2の内周面26と軸受4の外輪5とが、滑らかに接触することができる、必要最小限の幅になっている。
また、軸受4の外輪5の湾曲面41の曲率半径R1は、以下の式のように定義される。なお、Tは、波動歯車装置111の負荷トルク、即ち、可撓性外歯歯車2にかかる負荷トルクの上限の許容値である。Fは、外輪5にかかるラジアル方向の力である。Eは、可撓性外歯歯車2のヤング率である。σは、可撓性外歯歯車2の降伏応力である。αは、可撓性外歯歯車2の圧力角の角度である。Dは、弾性変形していない状態の円筒部23の内半径である。
F×E/(2×σ×π)≦R1≦B/(6×sin(θ0―θ1))
F=T/(D/2)×tanα
即ち、T/(D/2)×tanα×E/(2×σ×π)≦R1≦B/(6×sin(θ0―θ1))
F×E/(2×σ×π)≦R1≦B/(6×sin(θ0―θ1))
F=T/(D/2)×tanα
即ち、T/(D/2)×tanα×E/(2×σ×π)≦R1≦B/(6×sin(θ0―θ1))
これにより、可撓性外歯歯車2の内周面26と軸受4の外輪5とが、互いに塑性変形しないように、外輪5の外周面の曲率半径R1の最小値を規定している。また、外輪5の湾曲面41の幅Aは、可撓性外歯歯車2の内周面26と外輪5の湾曲面41とが曲率半径R1の領域で、塑性変形せずに滑らかに接触することができる、必要最小限の幅になっている。
以上のことを踏まえて、B/A≦19とすることで、可撓性外歯歯車2の内周面26と外輪5の湾曲面41とが、互いに塑性変形しない最小の曲率半径R1で、かつ滑らかに接触することが可能な最小限の幅Aになる。よって外輪5の平滑面42の幅Bを必要最大限に確保している。そのため、距離B1が比較例よりも長くとって第2領域RBを増やしながらも、可撓性外歯歯車2の内周面26と外輪5とが、互いに塑性変形せずに滑らかに接触して、摩耗を防止することができる。
以上の構成によれば、可撓性外歯歯車2の内周面26を押圧する外輪5の外周面40は平滑面42を有しており、可撓性外歯歯車2の内周面26と外輪5とが面当たりする領域RBが比較例よりも増加する。そのため、可撓性外歯歯車2の内周面26と外輪5の外周面40との隙間が減少する。また、可撓性外歯歯車2の内周面26と外輪5とが面当たりする領域RBでは、可撓性外歯歯車2の半径方向Xの力を外輪5が面で受け止めるため、可撓性外歯歯車2の外歯22付近が変形しにくくなる。これにより、本実施形態によれば、出力軸13側のねじり剛性が高く、かつ減速比が低い波動歯車装置111を実現することができる。
図5に示す波動歯車装置111において外輪5の寸法をR1=3mm、R2=3mmとし、コーニング角度θ0と軸受4の外輪5の傾斜角度θ1の差(θ0−θ1)=5.7°より、A=0.3mm、B=5.6mm、C=0.3mm、B/A=18.6とした。これにより、Aは、可撓性外歯歯車2の内周面26と軸受4の外輪5とが、滑らかに接触することができる、必要最小限の幅になっている。
また、材質をSUJ2、可撓性外歯歯車の材質をSNCMとした。なお、波動歯車装置111の減速比は50:1、負荷トルクの条件の許容値を38Nmとした。このとき、可撓性外歯歯車2の外歯22と剛性内歯歯車1の内歯16との噛み合い領域RMにおいて、外輪5と可撓性外歯歯車2の内周面26の接触が面接触の領域RBと、線接触の領域RAとの比は、1.5対1であった。このときのねじり剛性の測定結果は21,400[Nm/rad]であり、比較例の20,000[Nm/rad]に対して、7%ねじり剛性を向上できることが確認できた。
(実施例1)
図5に示す波動歯車装置111において、曲率半径R1の湾曲面41の幅Aと平滑面42の幅Bとの比B/Aと、ねじり剛性との関係を求めた。その結果を、図7に示す。同図に示すように、B/Aが6以上、19以下の範囲で、従来例、比較例に対して、ねじり剛性の向上が確認された。
図5に示す波動歯車装置111において、曲率半径R1の湾曲面41の幅Aと平滑面42の幅Bとの比B/Aと、ねじり剛性との関係を求めた。その結果を、図7に示す。同図に示すように、B/Aが6以上、19以下の範囲で、従来例、比較例に対して、ねじり剛性の向上が確認された。
また、B/Aが19を超える場合、初期のねじり剛性は向上するものの、可撓性外歯歯車2の内周面26と外輪5の湾曲面41とが曲率半径R1の領域で、塑性変形せずに滑らかに接触することができないため、互いに摩耗して、ねじり剛性は徐々に低下する。
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、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
上記実施形態ではカップ型の可撓性外歯歯車について説明したが、シルクハット型の可撓性外歯歯車においても、本発明は適用可能である。
1…剛性内歯歯車、2…可撓性外歯歯車、3…波動発生器、4…軸受(可撓性軸受)、5…外輪、9…楕円形カム(剛性体)、16…内歯、22…外歯、23…円筒部、40…外周面、41…湾曲面、42…平滑面、101…ロボットアーム、110…駆動部、111…波動歯車装置、112…電動モータ
Claims (5)
- 内歯を有する円環状の剛性内歯歯車と、
前記剛性内歯歯車の内側に配置され、回転軸線の延びる軸方向の一端が開口する開口部となる、可撓性を有する円筒部と、前記円筒部の外周面に形成され、前記内歯に噛合可能な外歯とを有する可撓性外歯歯車と、
前記円筒部の内側に配置され、前記円筒部の内周面に接触して、前記円筒部を、前記回転軸線を中心とする半径方向に弾性変形させて、前記外歯を前記内歯に対して噛み合い領域で噛み合わせると共に、前記回転軸線を中心に回転することで噛み合い領域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、
外周が非円形状に形成された剛性体と、
前記剛性体の外周面によって、非円形に撓められている環状の可撓性軸受と、を有し、
前記可撓性軸受は、前記半径方向及び前記回転軸線に対して傾斜する傾斜方向に弾性変形可能な環状の外輪を有し、
前記外輪の外周面は、前記回転軸線を含む断面で直線となる直線部分が前記周方向に連続してなる平滑面と、前記断面で前記直線部分に対して前記開口部の側と反対側にて前記直線部分から連続して凸状に湾曲した曲線となる曲線部分が前記周方向に連続してなる湾曲面と、を有し、
前記噛み合い領域を生じさせる前記円筒部の内周面と前記外輪の外周面との接触領域は、前記円筒部の内周面と前記湾曲面とが線接触する第1領域と、前記第1領域の前記周方向の両側に位置し、前記円筒部の内周面と前記平滑面とが面接触する第2領域とで構成されていることを特徴とする波動歯車装置。 - 前記第2領域は、前記第1領域よりも前記周方向において範囲が広いことを特徴とする請求項1に記載の波動歯車装置。
- 前記湾曲面の前記軸方向の幅をA、前記平滑面の前記軸方向の幅をBとした場合、
6≦B/A≦19
の関係を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の波動歯車装置。 - 前記湾曲面の曲率半径をR1、弾性変形した前記円筒部の内周面の長径部分におけるコーニング角度をθ0、前記長径部分に前記湾曲面が接触するときの前記平滑面の傾斜角度をθ1とした場合、
A=R1×sin(θ0―θ1)
の関係を満たすことを特徴とする請求項3に記載の波動歯車装置。 - 複数のリンクと、前記複数のリンクを互いに連結する複数の関節のうち少なくとも1つの関節に配置され、該関節を駆動する駆動部と、を備え、
前記駆動部は、電動モータと、前記電動モータの回転を減速する請求項1乃至4のいずれか1項に記載の波動歯車装置と、を有することを特徴とするロボットアーム。
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