JPH05203009A

JPH05203009A - 減速装置

Info

Publication number: JPH05203009A
Application number: JP4014182A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Fujimoto; 明彦藤元; Hisao Ishii; 久夫石井; Shinya Okamoto; 慎哉岡本; Naoki Sato; 直樹佐藤
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1993-08-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】工具交換機のタレットを駆動するモータの負
担を軽減し、工具交換動作の高速化を達成するために、
小型で、しかも比較的簡易な加工により製作される、減
速比６程度の減速装置を提供する。【構成】２以上の整数倍の減速比を有する減速装置１
０であって、減速比に１を加えた個数の、駆動力を伝達
するボール１５と、ボールと係合し、回転軸から一定距
離偏心した円形のカム溝を有する駆動カム１２と、ボー
ルと係合する減速比の数の凹凸を有する花びら状のカム
溝を備えた従動カム１１と、ボールを半径方向にのみ移
動可能に保持する溝部を、等角度間隔で前記減速比に１
を加えた個数配置した保持器１３とを具備し、保持器を
間に挟んで、その両側に駆動カムと、従動カムとを夫々
のカム溝を備えた面を対向させて、同一軸線回りに回転
可能に連結し、ボールの動作を介して、駆動カムの回転
を減速して従動カムに伝達する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は減速装置に関し、特に自
動工具交換機のタレット駆動部に使用される減速装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来回転を伝達する減速装置としては、
多段歯車機構、ウォームギア、ベベルギア、遊星ギア、
ローラギアカム機構等が周知をなっている。然しながら
前記多段歯車機構は、動力の伝達効率は高いが複数の歯
車軸が必要となり、ウォームギアの場合には高い減速比
が得られるが駆動軸と出力軸とが直交するためにいずれ
も装置が大型になり易いという欠点が存在し、ベベルギ
アを組み合わせた機構や、遊星ギアを利用した機構は高
い減速比を得ることが困難であるという欠点が存在し、
またローラギアカムは、高い減速比を得ることが可能
で、更にバックラッシュの無い高い精度の割り出しが可
能となるが、複数の軸を必要とする他駆動軸に複雑なロ
ーラ溝加工を施す必要があるために高価な装置となると
いう欠点が存在する。

【０００３】これに対して自動工具交換機では工具交換
動作の高速化が要求されるが、上述した従来の減速装置
では、減速装置自体が複雑、大型となりがちであり、所
望の減速比を得て工具交換時間を短縮することは困難で
ある。また工具交換機においては工具は通常タレットと
分離しており、工具交換時に該工具のテーパと主軸のテ
ーパとの密着により工具の主軸への把持動作は高精度に
達成されるために、工具交換時のタレット割り出し動作
には高精度は要求されない。更に、回転力の高い伝達率
は要求されない。従って上述した従来の減速装置はいず
れも、工具交換機のタレット部駆動用の減速装置として
はスペース的、コスト的にも適しておらず、そして過剰
品質であったと言える。

【０００４】このような理由により従来工具交換機のタ
レット部は減速せずに、主軸の回転数を３０ｒｐｍ程度
に落として主軸により直接駆動していた。然しながらこ
の種の工具交換機の動力源として使用される電動モー
タ、典型的にはスピンドルモータは、回転数１５００ｒ
ｐｍ以下の回転領域においてその出力がモータの回転数
に比例、つまりトルクが一定であるという特性を有する
ために、主軸の回転数を３０ｒｐｍ程度に落として使用
すると出力不足を生じ、迅速な工具交換動作を損なうと
いう問題点が存在していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的
は、工具交換機のタレットを駆動するモータの負担を軽
減し、工具交換動作の高速化を達成するために、伝達効
率はそれほど高くなくとも、小型で、しかも比較的簡易
な加工により製作される製作費用の安価な、減速比６程
度の減速装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに本発明では、２以上の整数倍の減速比を有する減速
装置であって、前記減速比に１を加えた個数の、駆動力
を伝達するボールと、前記ボールと係合し、そして回転
軸から一定距離偏心した円形のカム溝を有する駆動カム
と、前記ボールと係合する減速比の数の凹凸を有する花
びら状のカム溝を備えた従動カムと、前記ボールを半径
方向にのみ移動可能に保持する溝部を、等角度間隔で前
記減速比に１を加えた個数配置した保持器とを具備し、
前記保持器を間に挟んで、その両側に前記駆動カムと、
前記従動カムとを夫々のカム溝を備えた面を対向させ
て、同一軸線回りに回転可能に連結し、前記ボールの動
作を介して、前記駆動カムの回転を減速して前記従動カ
ムに伝達する減速装置が提供される。

【０００７】

【実施例】先ず図１を参照して自動工具交換機１の概略
と、本発明による減速装置１０の同工具交換機１への適
用例を説明する。本発明による減速装置１０を、工具を
保持するタレット部内に組み込んだ工具交換機１は、主
軸頭２の側面に配置されたカム面５と、従動ローラ９
と、バネ手段を組み込んだ引き込み手段８とを具備し、
前記主軸頭２を長手方向に前後に移動させることによ
り、工具７を保持するタレット部全体を支点６を中心に
揺動させ、工具の把持動作と共に、減速装置１０のベベ
ルギア１４と、主軸のベベルギア３との係合、及びその
解除を行うように成っている。そして前記減速装置１０
は、該減速装置のベベルギア１４と、該工具交換機１の
主軸のベベルギア３との協働により、該工具交換機１の
主軸の回転を減速してタレット部を回転させ、工具７の
割り出しを行うように成っている。図１は既に工具の把
持動作を完了した状態を図示しており、この状態の後に
前記両ベベルギア３、１４の係合動作をなし、次いで主
軸を回転させ、前記両ベベルギア３、１４の協働により
前記タレット部を回転させて、選択すべき工具７の割り
出し動作を行う。このことからから工具交換機１の工具
交換のためには、タレット部の揺動が必要となるので、
上述した工具交換機１の工具交換動作の高速化を図るた
めには、減速装置の小型、軽量化が必要なことが理解さ
れる。

【０００８】次いで図２を参照すると、本発明による減
速装置１０は、玉軸受等の軸受手段１６を介して保持器
１３を間に挟んで、その両側に前記駆動側カム１２と、
従動側カム１１を同一軸線の回りに回転自在に連結する
ように構成されている。更に図３をも参照すると前記従
動側カム１１にはカム溝１７が、前記駆動側カム１２に
はカム溝２０が、そして前記保持器１３に溝部１８が夫
々具備されており、前記各溝部１８には駆動力を伝達す
るための鋼製のボール１５が１個づつ保持され（図１参
照）ており、該各ボール１５が前記カム溝１７、２０に
係合するように構成されている。そして以下に説明する
ような該ボール１５の動作により駆動側カム１２の回転
を該ボール１５を介して減速し、前記従動側カム１１に
伝達するように成っている。

【０００９】図３（ｃ）に図示するように前記駆動カム
１２は、外周部に前記工具交換機１の主軸のベベルギア
３と係合するベベルギア１４を具備した略円形の部材で
あって、その内部に前記駆動力を伝達するためのボール
１５と係合するカム溝２０を備えている。該カム溝２０
は、図３（ｃ）に図示するように半径ｒの円形の溝であ
って、前記駆動カム１２の中心軸から半径方向に偏心量
Ｑだけ偏心して配置されている。回転軸回りの回転角θ
に関する前記カム溝２０の曲線の方程式については詳細
に後述する。前記保持器１３は、図３（ｂ）を参照する
と中心部に該保持器１３が回転しなように、前記工具交
換機１のタレット部に固定するための手段（図２参照）
を備えた円柱状の突起部１９を有する略円形の部材であ
って、該保持器１３の半径方向に沿って長手方向に延設
された長円形の溝部１８を、減速比をｎ（ｎ＝２，３，
４．．）としてｎ＋１個配等角度間隔を置いて置されて
いる。図３（ｂ）は本発明の１つの実施例として、減速
比ｎ＝６の場合について示してある。前記長円形の溝部
１８の軸線に沿った長手方向の長さは、前記駆動カム１
２の偏心した円形のカム溝２０の偏心量Ｑの２倍、２Ｑ
以上と成っている。そして前記ボール１５は前記各溝部
１８内に１個づつ保持され、前記駆動カム１２の動作に
対して前記ボール１５の動作は、該溝部１８により半径
方向に拘束されるようになっている。つまり、前記溝部
１８の長手方向の長さが２Ｑ以上であり、前記ボール１
５は、前記駆動カム１２が１周する間に該溝部１８内に
て半径方向に１往復することとなる。これに対して前記
従動カム１１は、図３（ａ）に図示するように、前記ボ
ール１５と係合する半径方向に減速比ｎと同じ個数の凹
凸を有した花びら、或いはヒトデ状の溝部１７を備えた
略円形の部材である。同様に図３（ａ）は減速比が６の
場合を示している。該カム溝１７の曲線の中心角φに関
する方程式については詳細に後述する。

【００１０】次いで該減速装置１０の動作原理を説明す
る。上述のように前記駆動カム１２はそのカム溝２０に
おいて、前記保持器１３の溝部１８内に保持されたボー
ル１５と係合しながら１周する間に、前記ボール１５を
前記従動カム１１のカム溝１７と係合、圧接させつつ、
前記溝部１８内で半径方向に１往復させるように動作す
る。このボール１５の前記溝部１８内での動作は、前記
従動カム１１のカム溝１７においては、例えば頂点から
頂点というような前記カム溝１７を表す中心角φに関し
て丁度１周期、つまり花びら状の凹凸がｎ個備えられて
いることから中心角φに関して２π／ｎだけ移動するこ
ととなる。従って減速比６の本実施例では該従動カム１
１は、前記駆動カム１２が１回転する間に１／６回転す
ることとなり、１／６の減速が得られることとなる。

【００１１】図４を参照してすると、前記駆動カム１２
の中心角θに関する前記カム溝２０の曲線を表す方程
式、つまり前記駆動カム１２の回転角θに関する前記ボ
ール１５の半径方向の位置Ｒ１との関係は、円形のカム
溝２０の中心Ｏ′から半径Ｒ１に垂線Ｏ′Ｍを下ろして
半径Ｒ１を２分割して考えると、Ｒ１＝Ｑｃｏｓθ＋ｒｃｏｓ（ｓｉｎ^-1（Ｑｓｉｎθ）／ｒ） … （１）であることが理解される。これに対して前記従動カム１
１のカム溝１７は、このボール１５の半径方向の移動を
該従動カム１１の中心角φについて減速比分の１、つま
り１／ｎに圧縮した形状となるため、従動カム溝１１の
中心角φに関する前記カム溝１７の曲線を表す方程式、
つまり前記従動カム１１の回転角φに関する前記ボール
１５の半径方向の位置Ｒ２との関係は、Ｒ２＝Ｑｃｏｓｎφ＋ｒｃｏｓ（ｓｉｎ^-1（Ｑｓｉｎｎφ）／ｒ） … （２）となる。式（１）、（２）より前記駆動カム１２の回転
角θに対し、前記従動カム１１の回転角φが、 θ＝ｎφ … （３）の場合常に、Ｒ１＝Ｒ２ … （４）となり、ボール１５の半径方向の位置が一致することと
なる。

【００１２】次に図５を参照してボール１５の半径方向
の位置が常に一致する点がｎ＋１個所存在することを説
明する。図５は前記駆動カム１２と、保持器１３と、従
動カム１１とを組み合わせた状態を略示する図である。
前記カム溝２０、１７は一点鎖線で示してある。図５に
おいて現在、前記駆動カム１２がある角度位置θにおい
て（この位置をＮで表示する）、ボール１５の半径方向
の位置が一致している、つまりＲ１＝Ｒ２であるとす
る。このときの前記従動カム１１の回転角度をφとす
る。次いで前記駆動カム１２をβだけ前進させた角度位
置θ＋βにおいて（この位置をＮ＋１で表示する）、再
びボール１５の半径方向の位置が一致したとする。この
とき図５から理解されるように前記従動カム１１は、前
記駆動カム１２の回転方向とは反対の方向に回転するた
めに、前記従動カム１１の角度位置はφ−βにより表さ
れる。ここで角度項が一致するする必要があるため式
（３）より、 θ＋β＝ｎｘ（φ−β） … （５）すなわち、 θ−ｎφ＝−（ｎ＋１）β … （６）となる。ここで、θを一般角θ＝θ±２ｍπ（但しｍ＝
０、１、２、３、．．）で表し、式（６）に式（３）を
代入すると、 β＝±２ｍπ／（ｎ＋１） … （７）となり、半径方向の位置が常に一致する点が減速比ｎに
対してｎ＋１個所存在することがわかる。

【００１３】減速比ｎ＝６、前記カム溝２０の偏心量Ｑ
＝１４ｍｍ、同半径ｒ＝７２ｍｍとした場合の、前記従
動カム１１の回転角φに対するカム溝１７上の前記ボー
ル１５の半径方向の位置Ｒ２と、後述する圧力角αの計
算結果を表１に示す。表１ φ（ｄｅｇ）Ｒ２（ｍｍ） α（ｄｅｇ）０．０８６．００９０．０５．０８３．７８５９．６１０．０７７．９７４４．３１５．０７０．６３４０．１２０．０６３．９７４４．３２５．０５９．５３５９．６３０．０５８．００９０．０３５．０５９．５３１２０．４４０．０６３．９７１３５．７４５．０７０．６３１３９．９５０．０７７．９７１３５．７５５．０８３．７８１２０．４６０．０８６．００９０．０同様の方法により設計された減速装置１０の従動カムと
保持器と駆動カムの外形を、減速比４と９の場合につい
て更に図６、７に示す。

【００１４】図８を参照して圧力角について説明する。
図８は前記ボール１５が前記駆動カム１２のカム溝１７
により下方に押され、そして前記従動カム１１のカム溝
１７を接点Ｔにおいて圧接する様子を、前記保持器１３
のボール溝１８の周辺について拡大した図である。図８
において前記ボール１５は、前記従動カム１１のカム溝
１７に対して接点Ｔにおいて前記保持器のボール溝１８
の軸線に平行な圧接力Ｆ１を作用する。ここで接点Ｔに
おける接線が前記ボール溝の軸線となす角を圧力角αと
定義する。このとき図８から理解されるように、前記従
動カム１１には、Ｆ２＝Ｆ１ｓｉｎα／ｃｏｓ（π／２−α） … （８）で表される該従動カム１１の半径に対して垂直な作用力
Ｆ２が作用し、Ｆ２により該従動カム１１は駆動される
こととなる。従って前記圧力角が９０゜の場合には、式
（８）においてα＝９０゜を代入するとＦ２＝０とな
り、前記従動カム１１には駆動力は作用しないことが理
解される。実際上は経験的に、６０゜≦α≦１２０゜ … （９）の範囲では圧力角過大となり実質的に駆動力を充分に発
揮できない。

【００１５】表１に示した圧力角αと、前記従動カム１
１の回転角φとの関係をグラフにして図９に示す。該グ
ラフは回転角φに関して１周期、つまり０゜≦φ≦６０
°について示しており、そして該グラフ上に各ボールの
対応する位置を＃１から＃７で示してある。図９より、
前記従動カム１１のカム溝全周に渡っては３個のボール
が式（９）の範囲に入り、４個のボールが前記従動カム
を駆動していることが理解される。この４つのボールは
式（９）の範囲以外に存在しており、該ボールが、従動
カム１１に駆動力を充分作用することとなり、駆動カム
１２の回転は従動カム１１に伝達される。逆に従動カム
１１側に外力が作用した場合に、ボール１５が半径方向
に移動しようとすることによる、駆動カム１２への回転
トルクは、駆動側のカム溝２０の圧力角が常に約７０゜
以上となることから、前記外力が駆動カム１２側に回転
として伝達されることはない。また前記駆動カム１２の
カム溝２０の偏心量Ｑを大きくすると最小圧力角は小さ
くなるが、偏心量Ｑを大きくし過ぎると前記従動カム１
１のカム溝１７に切り下げ部を生じる。切り下げ部を生
じると、駆動力を伝達するボール１５の移動が連続的に
なされず、それにより該減速装置１０の円滑な動作が損
なわれるので、前記偏心量Ｑは、カム溝１７に切り下げ
部を生じない範囲で可能な限り大きく取ることが望まし
い。

【００１６】本発明にによる減速装置は、前記駆動カム
１２の回転を減速して従動カム１１に伝達するために、
前記駆動側のカム溝２０と従動側のカム溝１７との間で
前記ボール１５が転動するので、その周速差による摩擦
は不可避である。然しながらこの問題は、図１０に示す
ようにボール１５の回転中心と前記カム溝１７、２０と
の間の各距離δ２、δ１を、前記各カム溝１７、２０の
経路長の逆数の比に略一致させることにより、かなりの
程度緩和することが可能である。

【００１７】

【発明の効果】本発明により小型、軽量で低コストの工
具交換機のタレット駆動用の減速装置が提供され、工具
交換機の主軸を駆動するモータの回転数を過度に落とす
ことなく、タレットの適切な回転を得ることが可能にな
り、迅速なタレット割り出し動作が達成されると共に、
駆動力不足に対する充分な安全裕度が確保されるように
なった。通常の工具交換機の保持する工具の数が１０個
程度であるのに対して、本発明による減速装置は減速比
が６程度と、比較的高い整数の減速比が得られるため
に、主軸のベベルギアの歯数と該減速装置の駆動カムの
ベベルギアの歯数を適切に選択することにより、主軸を
１回転させて１つの工具を割り出すたことが可能とな
り、タレット割り出し動作後に主軸のキー溝と、工具の
キー溝の位相を一致させるための、主軸のオリエンテー
ション動作が不要となり、工具交換動作をより一層高速
化することが可能となった。更に本発明による減速装置
は、従動カム側に外力が作用してもそれが駆動カム側に
回転として伝達されないために、駆動カム側に簡易な位
置決め手段を備えるだけで、工具交換動作中以外でタレ
ットに外力が作用した場合にタレットが回転することが
無く、装置の安全性が確保されるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による減速装置を組み込んだ工具交換装
置の略示図である。

【図２】本発明による減速装置の略示側面図である。

【図３】本発明による減速装置の従動カム、保持器、駆
動カムの正面図である。

【図４】駆動カムのカム溝の形状を説明するための概略
図である。

【図５】保持器の溝部の必要数を説明するための概略図
である。

【図６】減速比４の場合の、本発明による減速装置の従
動カム、保持器、駆動カムの正面図である。

【図７】減速比９の場合の、本発明による減速装置の従
動カム、保持器、駆動カムの正面図である。

【図８】圧力角を説明するための概略図である。

【図９】減速比６の場合の、圧力角の変化を示すグラフ
である。

【図１０】駆動用ボールの回転中心と、各カムとの接触
点との距離の関係を説明する図である。

【符号の説明】

１０…減速装置１１…従動カム１２…駆動カム１３…保持器１５…ボール１７…カム溝１８…溝部２０…カム溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本慎哉山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580番地ファナック株式会社内 (72)発明者佐藤直樹山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580番地ファナック株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２以上の整数倍の減速比を有する減速装
置であって、該減速装置（１０）は、前記減速比に１を加えた個数の、駆動力を伝達するボー
ル（１５）と、前記ボール（１５）と係合し、そして回転軸から一定距
離偏心した円形のカム溝（２０）を有する駆動カム（１
２）と、前記ボール（１５）と係合する減速比の数の凹凸を有す
る花びら状のカム溝（１７）を備えた従動カム（１１）
と、前記ボール（１５）を半径方向にのみ移動可能に保持す
る溝部（１８）を、等角度間隔で前記減速比に１を加え
た個数配置した保持器（１３）とを具備し、前記保持器（１３）を間に挟んで、その両側に前記駆動
カム（１２）と、前記従動カム（１１）とを夫々のカム
溝（２０、１７）を備えた面を対向させて、同一軸線回
りに回転可能に連結し、前記ボール（１５）の動作を介
して、前記駆動カム（１２）の回転を減速して前記従動
カムに伝達する減速装置。
【請求項２】前記駆動カム（１２）は、略円板状の部
材であって、その外周部にベベルギアを具備し、工具交
換機等の他の機械装置のベベルギアと係合し、以て駆動
力を得るように構成されている請求項１に記載の減速装
置。