KR101128076B1 - 하모닉 드라이브의 웨이브 제너레이터 플러그 - Google Patents

하모닉 드라이브의 웨이브 제너레이터 플러그 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플렉 스플라인의 이와 서큘러 스플라인의 이의 물림량은 웨이브 제너레이터 내부에 설치되는 타원 형상의 플러그의 형상에 의해 결정된다는 점을 착안하여, 웨이브 제너레이터 내부에 설치되는 플러그의 형상을 변경하여, 플렉 스플라인과 서큘러 스플라인의 이가 완전하게 맞물리는 영역을 크게 하고, 하모닉 드라이브의 효율 개선과 수명연장을 달성하기 위한 것으로, 서큘러 스플라인, 서큘러 스플라인 내부에 삽입되는 플렉 스플라인, 플렉 스플라인 내부에 삽입되는 웨이브 제너레이터 및 웨이브 제너레이터 내부에 내장되는 플러그를 포함하는 하모닉 드라이브에 있어서, 상기 플러그는 장축 위치에서부터 상기 플렉 스플라인의 피치원이 상기 서큘러 스플라인의 피치원과 동일한 반경을 가지게 하는 원호를 가지며, 상기 플러그의 원호의 말단부에서 상기 플러그의 단축의 정점까지는 반경이 점진적으로 감소하는 곡선을 가지는 하모닉 드라이브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

하모닉 드라이브의 웨이브 제너레이터 플러그{WAVE GENERATOR PLUG IN HARMONIC DRIVE}
본 발명은 하모닉 드라이브에 대한 것으로, 보다 상세하게는 하모닉 드라이브의 웨이브 제너레이터의 플러그의 외곽 형상에 대한 것이다.
하모닉 드라이브는 산업용 로봇, NC 공작기계, 반도체 제조장치 등에 널리 사용되는 것으로, 소형 경량이면서도, 전달 토크가 크고, 고 감속비를 얻을 수 있으며, 벡래쉬가 극히 적고, 각도 전달 정도와 회전 정도가 우수한 것을 특징으로 한다.
도 1 에는 종래의 하모닉 드라이브가 개시되어 있다.
종래의 하모닉 드라이브(10)는 웨이브 제너레이터(40)와 플렉 스플라인(20), 서큘러 스플라인(30)으로 구성된다. 상기 웨이브 제너레이터(40)는 내부에 플러그를 포함하고 있으며, 플러그는 타원 형상을 가지고, 구동계의 입력축과 연결되어 회전운동을 전달함과 동시에, 웨이브 제너레이터(40)의 플러그(50, 캠 플레이트라고도 불림)의 형상에 의해 얇은 컵 형태의 플렉 스플라인(20)을 탄성 변형시켜 플렉 스플라인(20)이 반대 방향으로 감속 회전운동을 일으키게 하는 역할을 한다.
서큘러 스플라인(30)은 강체로 이루어진 링 형상으로, 그 내주에는 플렉 스플라인(20)의 이와 맞물리는 치형이 성형되어 있으며, 일반적으로 케이싱(도시되어 있지 않음)에 고정된다. 보통, 서큘러 스플라인(30)의 내부에 형성된 이의 수는 플렉 스플라인(20)의 잇수에 비하여 많다.
하모닉 드라이브(10)의 작동에 대하여, 간단히 설명하며, 구동계의 입력축으로부터 회전력에 의해 웨이브 제너레이터(40)가 회전하며, 플렉 스플라인(20)은 플러그(50)의 형상과 동일하게, 즉, 타원형상으로 변하여, 타원의 장축부분(L1)에서 서큘러 스플라인(30)과 맞물리는 이의 위치가 순차적으로 이동한다. 웨이브 제너레이터(40)가 완전히 일회전 하면, 플렉 스플라인(20)은 잇수의 차이만큼 반대방향으로 회전하게 되고, 이러한 반대 방향의 회전으로 인하여, 감속이 이루어진다. 보통 플렉 스플라인(20)과 서큘러 스플라인(30)의 잇수의 차이는 2n(n은 양의 정수)으로 한다.
이러한 하모닉 드라이브(10)에 대하여, 플렉 스플라인(20)의 이와 서큘러 스플라인(30)의 이가 맞물리는 영역이 클수록 전달 가능한 회전 토크의 크기가 커지고, 플렉 스플라인(20)의 이에 가해지는 하중이 분산되어 하모닉 드라이브(10)의 수명이 늘어날 수 있다.
이에, 종래의 기술(미국 특허공개번호 2007/0180947A1, 2007/0266819A1)에서는 이의 물림량을 높이기 위하여, 플러그(50)의 크기를 부분적으로 크게 하거나, 작게 하여, 웨이브 제너레이터(40)가 회전하여 플렉 스플라인(20)의 이가 서큘러 스플라인(30)에 맞물려 들어가거나 나올 때 서로 맞물리는 영역이 커지게 하는 기술 등이 발명되어 왔다.
하지만, 종래의 기술은 플러그(50)의 타원의 형상 그 자체에는 변화가 없이, 그 플러그의 크기만을 미세하게 변형하여, 플렉 스플라인(20)의 이와 서큘러 스플라인(30)의 이가 맞물리는 영역을 커지게 하는 것이며, 플러그(50) 자체의 형상이 타원 형상이어서, 도 2 에서 도시된 바와 같이, 플렉 스플라인(20)의 이와 서큘러 스플라인(30)의 이가 맞물릴 수 있는 영역 자체에 한계를 가질 수 밖에 없다.
본 발명은 플렉 스플라인의 이와 서큘러 스플라인의 이의 물림량은 웨이브 제너레이터 내부에 설치되는 플러그의 형상에 의해 결정된다는 점을 착안하여, 웨이브 제너레이터 내부에 설치되는 플러그의 형상을 변경하여, 플렉 스플라인과 서큘러 스플라인의 이가 완전하게 맞물리는 영역을 크게 하여, 하모닉 드라이브의 효율 개선과 수명연장을 달성하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 서큘러 스플라인, 서큘러 스플라인 내부에 삽입되는 플렉 스플라인, 플렉 스플라인 내부에 삽입되는 웨이브 제너레이터 및 웨이브 제너레이터 내부에 내장되는 플러그를 포함하는 하모닉 드라이브에 있어서, 상기 플러그는 플렉 스플라인의 피치원이 상기 서큘러 스플라인의 피치원과 동일한 반경을 가지게 하는 원호와, 상기 플러그의 원호의 말단부에서 상기 플러그의 단축까지 반경이 점진적으로 감소하는 곡선을 가지는 하모닉 드라이브를 제공한다.
여기서, 상기 반경이 점진적으로 감소하는 곡선은 복수의 곡선으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 하모닉 드라이브에서 상기 반경이 점진적으로 감소하는 곡선은 플러그의 반경 (r) 은 r=r0-δ+(2δ/θ1)×θ (여기서, r0 : 플러그의 기초원의 반경, δ: 플렉 스플라인의 최대 변형량, θ1: 플러그 단축의 정점과 원호의 말단부 사이의 각도, θ: 단축의 정점으로부터 플러그의 반경이 이루는 각도) 를 따를 수 있다.
또, 본 발명의 원호는 플렉 스플라인의 이가 서큘러 스플라인의 이 2개 완벽하게 맞물리는 각보다 크게 형성되며, 플렉 스플라인이 탄성 변형할 수 있는 각까지 형성될 수 있다.
본 발명의 구성을 통하여, 본 발명은 플렉 스플라인과 서큘러 스플라인의 이가 완전하게 맞물리는 영역을 크게 하여, 회전 전달 토크의 증대 및 이에 걸리는 하중의 분산이 가능하므로, 하모닉 드라이브의 효율 개선과 수명연장을 달성하는 것이 가능하다.
또, 원호의 말단부와 단축의 정점 사이의 반경이 r=r0-δ+(2δ/θ1)×θ 을 따름으로서, 회전 전달 토크 및 이에 걸리는 하중의 분산이 효율적으로 가능하다.
도 1 은 종래의 하모닉 드라이브를 보이는 도면이다.
도 2 는 종래의 하모닉 드라이브의 서큘러 스플라인의 원호와, 플러그의 형상에 따른 플렉 스플라인의 원호를 보이는 개략도이다.
도 3 은 본 발명의 플러그의 형상을 보이는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 하모닉 드라이브의 서큘러 스플라인의 원호와, 플러그의 형상에 따른 플렉 스플라인의 원호를 보이는 개략도이다.
도 5 는 복수의 곡선으로 구성된 본 발명의 플러그의 형상을 보이는 도면이다.
본 발명의 하모닉 드라이브(100)는 플러그(500)의 형상을 제외하고는 종래의 기술, 즉, 도 1 에 도시된 하모닉 드라이브와 그 구성이 동일하다. 즉, 종래의 하모닉 드라이브(10)과 동일하게, 웨이브 제너레이터(40)와 플렉 스플라인(20), 서큘러 스플라인(30)으로 구성되며, 상기 웨이브 제너레이터(40)는 내부에 플러그(500)를 포함하고 있으며, 플러그(500)는 구동계의 입력축과 연결되어 회전운동을 전달함과 동시에, 웨이브 제너레이터(40)에 의해 얇은 컵 형태의 플렉 스플라인(20)을 탄성 변형시켜 플렉 스플라인(20)이 반대 방향으로 감속 회전운동을 일으키게 하는 역할을 한다.
플렉 스플라인(20)과 서큘러 스플라인(30)의 이 형상과 관련하여, 본 발명은 플렉 스플라인(20)과 서큘러 스플라인(30)의 이 형상을 특정한 형상으로 한정될 필요는 없으며, 간섭이 발생하지 않는 종래의 하모니 드라이브의 이 형상이라면 충분하다.
본 발명의 플러그(500)의 형상에 대하여는 도 3 을 참고하여 설명한다. 도 3 에 도시되어 있듯이, 본 발명의 플러그(500)는 장축의 정점 부근의 원호부(504)에서 플렉 스플라인(20)의 피치원이 서큘러 스플라인(30)의 피치원과 동일한 반경을 갖도록 원호로 구성되는 형상을 가지게 된다.
플러그(500)는 장축의 정점이 2개 형성되므로, 플러그(500)의 형상에서 원호부(504)도 플러그(500)의 위와 아래 두 개가 형성된다. 플러그(500)의 원호부(504) 사이에서 플러그(500)의 형상은 곡선부(505)로 형성된다.
플러그(500) 형상의 1/4 을 기준으로, 곡선부(505)가 형성되는 위치는 원호부(505)의 말단부(506)와 플러그(500)의 단축의 정점(507) 사이이다. 플러그의 단축의 정점(507)과 원호부(504)의 말단부(506)이 이루는 각을 θ1 이라고 할 때, 플러그(500)의 원호부(504)는 장축의 정점으로부터 단축의 정점(507)과 이루는 각이 θ1 까지 형성되며, 즉, 단축의 정점(507)과 이루는 각이 θ1 부터 0까지 플러그(500)의 곡선부(505)가 형성되게 된다.
도 3 에서 곡선부(505)의 범위를 의미하는 θ1은 플러그(500)의 1/4원을 기준으로 플렉 스플라인의 이가 서큘러 스플라인의 이 2개와 완벽하게 맞물리는 각과 플렉 스플라인이 탄성 변형하는 각 사이로 규정된다.
만일, 곡선부(505)의 범위가 플렉 스플라인의 이가 서큘러 스플라인의 이 2개와 완벽하게 맞물리는 각보다 큰 경우에, 플렉 스플라인(20)과 서큘러 스플라인(30)이 완전히 결합되는 영역이 작아져서 회전 전달 토크가 감소되며, 또, 이에 걸리는 하중의 분산이 곤란해진다. 만일 곡선부(505)의 범위, θ1이 0에 수렴하게 되면, 플렉 스플라인이 소성 변형하여 하모닉 드라이브는 제 역할을 할 수 없다. 즉, 원호부(504)의 길이가 길어지면, 곡선부(505)의 길이가 짧아지며, 곡선부(505)가 짧아지면, 플러그(500)의 곡선부(505)에서의 반경이 급격하게 변하게 되고, 그에 따라 플렉 스플라인(20)도 변형이 크게 되며, 심한 경우에는 플렉 스플라인(20)이 탄성 변형하지 못하고 소성 변형하게 된다.
플렉 스플라인의 이가 서큘러 스플라인의 이 2개가 완벽하게 맞물리는 각 및 플렉 스플라인(20)이 탄성 변형할 수 있는 원호부(504)의 범위는 플렉 스플라인의 크기 및 잇수에 따라서 달라질 수 있다.
또, 곡선부(505)에서 플러그(500)의 형상은 단축에 가까울수록, 즉, 플러그(500)의 단축의 정점(507)과 이루는 각이 감소할수록, 반경(r)은 점진적으로 감소하며, 따라서, 이 영역에서는 플렉 스플라인(20)의 이는 서큘러 스플라인(30)의 이로부터 점진적으로 이탈하게 되며, 단축의 정점(507)에서는 플러그(500) 형상의 반경(r)이 가장 작게 되므로, 플렉 스플라인(20)의 이는 곡선부(505)에서 서큘러 스플라인(30)의 이로부터 완전히 이탈되게 된다.
위에서는 플러그 형상의 1/4을 기준으로 설명하고 있으나, 나머지 부분은 위에서 설명한 플러그 형상의 1/4에 대칭이다. 따라서, 도 3에서 보이듯이, 플러그 형상은 2개의 원호부(504)와 2개의 곡선부(505)를 포함하는 형상이 된다.
다음으로, 플러그의 곡선부(505)의 형상에 대하여 설명한다.
곡선부(505)에서 반경의 크기는 원호의 말단부(506)로부터 단축의 정점(507)까지 점진적으로 감소하며, 곡선부(505)가 단축의 정점과 이루는 각과 반경의 관계를 일차식으로 표현하면, 다음과 같다.
r= r0+aθ+b ... 식 (1)
(여기서, a,b: 임의의 상수, r0: 플러그의 기초원의 반경, r: 플러그 형상의 반경, θ: 단축의 정점(507)로부터 플러그 윤곽 반경 (r) 이 이루는 각)
플러그(500)의 기초원의 반경(r0)보다 δ 만큼 크게 플러그(500)의 원호부(504)의 반경이 결정되어, 플렉 스플라인(20)의 피치원의 원호와 서큘러 스플라인(30)의 피치원의 원호가 동일하게 되며, 단축의 정점(507)에서는 플러그(500)의 기초원의 반경(r0)보다 δ 만큼 작게 플러그(500)의 원호가 결정된다.
따라서, θ=0 일 때, 즉, 단축의 정점(507)에서는 플렉 스플라인의 수축변형량이 가장 클 때의 플러그(500)의 반경(r)은 r0-δ이며, 원호부(504)에서 플러그의 반경(r)은 서큘러 스플라인(30)의 반경과 동일하므로, θ=θ1일 때 플러그의 반경 (r) 은 r0+δ가 된다.
이와 같은 점을 고려하여, 식(1)에서 a 와 b 의 값을 구해보면, θ=0일 때, r=r0-δ이므로, 식(1)에 이 값을 대입하면, b=-δ 가 나오게 되며, θ=θ1일때, r=r0+δ, b=-δ를 다시 식 (1) 에 넣으면, a=2δ/θ1 이 나오게 된다.
따라서, 플러그의 반경(r)이 원호부(504)로부터 단축의 정점(507)까지 선형적으로 변화될 때, 플러그의 반경(r)은 다음과 같은 식을 만족하게 된다.
r=r0-δ+(2δ/θ1)×θ
본 발명에서 종래의 타원형의 플러그(50) 형상과는 달리, 플러그의 반경이 선형으로 변화함으로써, 즉, 곡선부(505)에서 r=r0-δ+(2δ/θ1)θ이므로, 플러그의 형상에 따르는 플렉 스플라인의 이와, 서큘러 스플라인의 이가 간섭 없이 원활하게 빠져나갈 수 있어서, 응력의 집중으로부터 자유로워져서, 전체적인 이의 수명이 연장될 수 있다.
도 4 에는 본 발명에 따른 플렉 스플라인(20)의 이와, 서큘러 스플라인(30)의 이가 맞물리는 모습을 개략적으로 보이고 있다. 도 4 에서 보이듯이, 본 발명은 플러그(500)의 형상이 플렉 스플라인(20)의 피치원이 서큘러 스플라인(20)과 동일한 반경을 가지게 하는 원호부(504)를 포함함으로써, 플렉 스플라인(20)과 서큘러 스플라인(30)의 이가 완전히 맞물리는 영역이 크게 증대되어서, 회전 전달 토크가 대폭 증대될 수 있을 뿐만 아니라, 이에 걸리는 하중도 분산되어, 이 표면의 압력을 작게 하는 효과를 가질 수 있다.
한편, 상기 도 3 및 도 4 에서는 플러그(500)의 1/4에서 원호부(504)와 곡선부(505)가 하나씩 배치되는 플러그(500) 및 그로 인한 플렉 스플라인(20)과 서큘러 스플라인(30)의 형상을 도시하였다. 하지만, 본 발명에서 곡선부(505)는 하나의 곡선이 아닌 복수의 곡선부(515, 525)로 이루어질 수도 있다.
도 5 에서는 곡선부(505)가 두 개의 곡선부, 제 1 곡선부(515)와 제 2 곡선부(525)로 이루어진 플러그(500)의 형상이 도시되어 있다.
위에서 설명한 곡선부(505)가 하나의 곡선으로 이루어진 경우랑 동일하게, 단축의 정점(507)으로부터 플러그(500)의 한 점이 이루는 각을 θ라하며, 이 때의 플러그 반경을 r 이라 한다. 곡선부(505)에서 제 1 곡선부(515)와 제 2 곡선부(525)가 만나는 변곡점을 도면부호 508로 표시하였다.
제 1 곡선부(515)에서 제 1 곡선부(515)가 단축의 정점(507)과 이루는 각(θ)과 반경(r)의 관계를 일차식으로 표현하면, 상기 식 (1)과 유사하게 다음과 같이 나오게 된다.
r=r0+a1θ+b1 ... 식(2)
또, 위에서 말한 바와 같이 단축의 정점(507)에서는 플러그(500)의 기초원의 반경(r0)보다 δ 만큼 작게 플러그(500)의 원호가 결정되므로, θ=0, r=r0-δ를 식 (2)에 대입하면, b1=-δ 가 나오게 된다.
변곡점(508)까지 제 1 곡선부(515)가 형성되므로, 변곡점(508)과 단축의 점점이 이루는 각(θ2)과, 변곡점(508)에서의 반경(r=r0-ε,여기서, -δ<ε<δ) 및 위에서 구한 b1=-δ를 상기 식 (2)에 다시 넣으면, a1=(δ-ε)/θ2 가 나오게 된다.
즉, 제 1 곡선부(515)의 반경 곡선은
r=r0+((δ-ε)/θ2)θ-δ가 된다.
또, 제 2 곡선부의 경우도 반경이 각에 따라 점진적으로 감소하므로 상기 식(1) 및 식(2)와 유사하다.
r=r0+a2θ+b2 ... 식(3)
또한, 도 3에서 설명한 바와 같이, 곡선부(505)가 원호부(504)와 만날 때, 즉, θ=θ1일때, r=r0+δ 이며, 제 1 곡선부(515)와 제 2 곡선부(525)가 만나는 변곡점(508)에서, 즉, θ=θ2 일 때, r=r0-ε이므로, 이 두 경우들을 상기 식(3)에 넣어 연립하면,
a2=(δ+ε)/(θ1-θ2), b2=-a2θ2-ε 이 나오며, 이를 식(3)에 다시 넣으면, 제 2 곡선부(525)에서 반경(r)이 각(θ)과의 관계는 다음과 같다.
r=r0+(δ+ε)/(θ1-θ2)×θ- (δ+ε)/(θ1-θ2)×θ2-ε
위와 같이, 본 발명에서는 종래의 타원형의 플러그(50) 형상과는 달리, 플러그의 반경이 선형으로 변화함으로써, 플러그의 형상에 따르는 플렉 스플라인의 이와, 서큘러 스플라인의 이가 간섭 없이 원활하게 빠져나갈 수 있으며, 또한, 다수의 곡선부로 이루어짐으로써, 응력의 집중으로부터 자유로워져서, 전체적인 이의 수명이 연장될 수 있다.
10, 100: 하모닉 드라이브 20: 플렉 스플라인
30: 서큘러 스플라인 40: 웨이브 제너레이터
50, 500: 플러그 504: 원호부
505: 곡선부 506: 말단부
507: 플러그 단축의 정점 508: 변곡점
515: 제 1 곡선부 525: 제 2 곡선부

Claims (5)

  1. 서큘러 스플라인, 서큘러 스플라인 내부에 삽입되는 플렉 스플라인, 플렉 스플라인 내부에 삽입되는 웨이브 제너레이터 및 웨이브 제너레이터 내부에 내장되는 플러그를 포함하는 하모닉 드라이브에 있어서,
    상기 플러그는 상기 플렉 스플라인의 피치원이 상기 서큘러 스플라인의 피치원과 동일한 반경을 가지게 하는 원호와, 상기 플러그의 원호의 말단부에서 상기 플러그의 단축의 정점까지는 반경이 점진적으로 감소하는 곡선을 가지며,
    상기 반경이 감소하는 곡선은 플러그의 반경 (r) 이 아래의 식을 따르는 것을 특징으로 하는 하모닉 드라이브.
    r=r0-δ+(2δ/θ1)×θ (여기서, r0 : 플러그의 기초원의 반경, δ: 플렉 스플라인의 최대 변형량, θ1: 플러그 단축의 정점과 원호의 말단부 사이의 각도, θ: 단축의 정점으로부터 플러그의 반경이 이루는 각도)
  2. 서큘러 스플라인, 서큘러 스플라인 내부에 삽입되는 플렉 스플라인, 플렉 스플라인 내부에 삽입되는 웨이브 제너레이터 및 웨이브 제너레이터 내부에 내장되는 플러그를 포함하는 하모닉 드라이브에 있어서,
    상기 플러그는 상기 플렉 스플라인의 피치원이 상기 서큘러 스플라인의 피치원과 동일한 반경을 가지게 하는 원호와, 상기 플러그의 원호의 말단부에서 상기 플러그의 단축의 정점까지는 반경이 점진적으로 감소하는 곡선을 가지며,
    상기 원호는 플러그의 1/4원 기준으로 플렉 스플라인의 이가 서큘러 스플라인의 이 2개와 완벽하게 맞물리는 각보다 크게 형성되며, 플렉 스플라인이 탄성 변형하는 각까지 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 하모닉 드라이브.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반경이 점진적으로 감소하는 곡선은 복수의 곡선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하모닉 드라이브.
  4. 서큘러 스플라인, 서큘러 스플라인 내부에 삽입되는 플렉 스플라인, 플렉 스플라인 내부에 삽입되는 웨이브 제너레이터 및 웨이브 제너레이터 내부에 내장되는 플러그를 포함하는 하모닉 드라이브에 있어서,
    상기 플러그는 상기 플렉 스플라인의 피치원이 상기 서큘러 스플라인의 피치원과 동일한 반경을 가지게 하는 원호와, 상기 플러그의 원호의 말단부에서 상기 플러그의 단축의 정점까지는 반경이 점진적으로 감소하는 곡선을 가지며,
    상기 반경이 점진적으로 감소하는 곡선은 제 1 곡선부와 제 1 곡선부와 원호사이에 위치하는 제 2 곡선부를 포함하는 복수의 곡선으로 이루어지며,
    제 1 곡선부에서 플러그 반경(r)은 r=r0+((δ-ε)/θ2) θ -δ 를 만족하며,
    제 2 곡선부에서 플러그 반경(r)은 r=r0+(δ+ε)/(θ1-θ2)×θ- (δ+ε)/(θ1-θ2)×θ2-ε 를 만족하는 것을 특징으로 하는 하모닉 드라이브.
    (여기서, r0 : 플러그의 기초원의 반경, δ: 플렉 스플라인의 최대 변형량, ε: 제 1 곡선부와 제 2 곡선부와의 접점에서 플러그의 기초원의 반경의 보정값, (-δ<ε<δ), θ1: 플러그 단축의 정점과 원호의 말단부 사이의 각도, θ2: 제 1 곡선부와 제 2 곡선부와의 접점과 단축의 정점이 이루는 각, θ: 단축의 정점으로부터 플러그의 반경이 이루는 각도)
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