KR101308737B1 - 일체형 싸이클로이드 감속기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일체형 싸이클로이드 감속기에 관한 것으로, 동력을 입력받는 입력부, 입력된 동력을 감속비 만큼 감속시키는 감속부, 감속된 동력을 출력하는 출력부, 입력부와 감속부 및 출력부가 내장되는 케이스를 포함하는 싸이클로이드 감속기에 있어서; 상기 감속부를 구성하는 판기어와 접촉하면서 치수차만큼 감속시키는 핀기어가 상기 케이스의 내주면에 일체로 형성되고; 상기 핀기어와 출력측 방향으로 간격을 두고 상기 케이스의 내주면에 일체로 요입형성된 베어링홈; 일부는 상기 베어링홈에 삽입되고, 나머지 일부는 출력부의 외주면에 삽입되어 출력부를 회전지지하는 베어링;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 일체형 싸이클로이드 감속기를 제공한다.
본 발명에 따르면, 케이스와 핀기어 및 베어링을 일체화시킴으로써 가공오차와 조립오차를 없애 고정밀 고감속 특성을 확보할 수 있고, 제조비용을 절감할 수 있으며, 감속기 전체 볼륨을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

Description

일체형 싸이클로이드 감속기{UNIBODY TYPE CYCLOID REDUCER}

본 발명은 일체형 싸이클로이드 감속기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로봇의 관절에 적용되어 동작을 원활하게 유도할 뿐만 아니라 구조적으로 단순화되면서도 고감속 고정밀 특성을 구현할 수 있도록 케이스와 핀기어 및 베어링이 일체화된 일체형 싸이클로이드 감속기에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 산업용 로봇에서부터 휴머노이드 로봇에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되는 로봇에는 관절의 유연한 운동을 위하여 감속기능을 갖는 엑츄에이터를 사용하고 있다.

이러한 엑츄에이터에 사용되는 감속기에는 여러 종류가 있는데, 이를 테면 기어식 감속기, 전동볼식 감속기, 하모닉 드라이브 감속기, 싸이클로이드 감속기 등을 들 수 있다.

이때, 기어식 감속기는 가장 많이 사용하고 있는 일반적인 감속기로서 인볼루트 치형(Involute Tooth Form)을 사용하는 감속기를 말하고, 전동볼식 감속기는 에피싸이클로이드 곡선(Epicycloid Curve)과 하이포 싸이클로이드 곡선(Hypocycloid Curve)이 마주보는 형상의 안내홈 내를 볼이 전동(轉動)하여 감속회전을 실행시키도록 한 감속기를 말하며, 하모닉 드라이브 감속기는 타원형으로 된 웨이브 제네레이터 뭉치가 회전하면 타원형으로 쓸려 돌아가는 베어링에 의해 타원운동 부분만 플렉스플라인으로 전달되고 플렉스플라인은 천천히 맨 바깥쪽 링기어를 한칸씩 건너 뛰면서 회전하여 감속을 유도하는 감속기를 말하며, 싸이클로이드 감속기는 보통 핀을 고정하고 유성기어로서 트로코이드 기어(Trochoid Gear)를 편심회전시켜 트로코이드 내에 동일한 각도로 배치되어 있는 핀구멍 및 핀을 통해 트로코이드 기어의 자전만을 실행시켜 감속회전을 얻도록 한 감속기를 말하며, 이들을 기본으로 상호 조합 변형한 감속기들도 존재하고 있다.

이들 중에서 특히, 싸이클로이드 감속기(Cycloid Decelerator)는 다양한 감속비를 구현할 수 있고 고정밀 고감속에 유리하므로 정밀 제어가 필요한 분야에 많이 활용되고 있다.

이와 같은 감속기와 관련된 선행기술로는 등록실용 제0325018호 '인벌류트 기어를 이용한 싸이클로이드 감속기', 공개특허 제2010-0038146호 '로터리 감속기', 공개특허 제2011-0068500호 '다축 싸이클로이드 감속기' 등이 개시되어 있다.

그런데, 개시된 선행 기술들 뿐만 아니라 당해 분야에 속한 싸이클로이드 감속기의 경우, 대부분 감속기 케이스와 감속기능을 수행하는 핀기어, 그리고 회전을 지지하는 베어링 등이 서로 각기 분리된 상태로 별체로 제작된 후 상호 조립되는 구조를 갖고 있기 때문에 구조가 복잡하고, 가공시 가공오차, 조립시 조립오차를 발생시켜 고속 정밀제어를 저해할 뿐만 아니라 가공비 제조비 등이 비싸며, 감속기 전체의 볼륨을 키우게 되어 소형화에 불리한 단점이 있었다.

예컨대, 도 1은 전형적인 종래 싸이클로이드 감속기의 일 예를 보여 주는데, 예시된 바와 같이, 별도 제작된 케이스(10)의 내주면을 따라 일정간격을 두고 다수의 핀기어(12)를 설치한 후 상기 핀기어(12)와의 내접, 진동마찰을 통해 감속을 유도하도록 편심된 한 쌍의 판기어(14)가 설치되며, 입력측 선단에 별도의 크로스롤러 베어링(Cross Roller Bearing)(16)이 다시 조립되는 구조를 갖추고 있었기 때문에 상술한 문제로부터 자유로울 수 없었고, 또한 소형화를 저해하는 요인이 되기도 했다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 싸이클로이드 감속기의 구조를 단순화시키고 부품간 일체화를 실현하여 감속기 전체의 볼륨을 줄일 수 있어 소형화에 유리하면서 가공오차, 조립오차를 없애 고정밀 고감속 구현이 가능하며 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 일체형 싸이클로이드 감속기를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 동력을 입력받는 입력부, 입력된 동력을 감속비 만큼 감속시키는 감속부, 감속된 동력을 출력하는 출력부, 입력부와 감속부 및 출력부가 내장되는 케이스를 포함하는 싸이클로이드 감속기에 있어서; 상기 감속부를 구성하는 판기어와 접촉하면서 치수차만큼 감속시키는 핀기어가 상기 케이스의 내주면에 일체로 형성되고; 상기 핀기어와 출력측 방향으로 간격을 두고 상기 케이스의 내주면에 일체로 요입형성된 베어링홈; 일부는 상기 베어링홈에 삽입되고, 나머지 일부는 출력부의 외주면에 삽입되어 출력부를 회전지지하는 베어링;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 일체형 싸이클로이드 감속기를 제공한다.

이때, 상기 감속부는 핀기어와 판기어가 접촉되게 배치되어 이루어지는 것으로, 상기 핀기어와 에피트로코이드 치형의 판기어가 접촉되는 형태이거나 혹은 상기 핀기어는 인볼루트 치형의 내접기어이고 상기 판기어는 인볼루트 치형의 외접기어 형태인 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 입력부는 모터축과 직접 축결합되어 구동력을 축형으로 입력받거나 혹은 모터축에 고정된 구동기어와 평기어 형태로 치결합되어 구동력을 입력받거나 혹은 베벨기어 형태로 치결합되어 구동력을 입력받도록 설치된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 케이스와 핀기어 및 베어링을 일체화시킴으로써 가공오차와 조립오차를 없애 고정밀 고감속 특성을 확보할 수 있고, 제조비용을 절감할 수 있으며, 감속기 전체 볼륨을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 싸이클로이드 감속기를 일부 절개하여 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 싸이클로이드 감속기의 일부를 절개하여 보인 예시적인 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 싸이클로이드 감속기의 예시적인 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 싸이클로이드 감속기의 요부를 분해하여 보인 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 싸이클로이드 감속기의 다른 예를 보인 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 싸이클로이드 감속기의 또다른 예를 보인 예시도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 일 실시예에 따른 싸이클로이드 감속기는 에피트로코이드(Epitrochoid) 치형의 내접기어를 사용하는 감속기로서, 구조적 단순화를 위해 핀기어(Pin Gear)가 케이스(Case)에 일체로 구성된 것에 주된 특징을 가진다.

즉, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 싸이클로이드 감속기는 케이스(100)를 포함한다.

이때, 상기 케이스(100)의 내부에는 입력부, 감속부, 출력부가 내장되는데, 입력부는 구동모터로부터 동력을 전달받기 위한 부분이고, 감속부는 핀기어와 판기어가 치결합되어 치수차만큼 감속을 유도하는 부분이며, 출력부는 감속부를 통해 감속된 동력을 출력하는 부분이다.

여기에서, 입력부는 후술하는 바람직한 실시예와 같은 기어 형태는 물론 구동모터의 동력축이 직접 연결되는 축형도 가능하고, 동력을 90°방향에서 입력할 수 있는 베벨기어 결합 형태도 가능하다.

다만, 본 발명에서는 기어 결합형인 입력기어(200) 형태를 예시적으로 설명한다.

또한, 감속부를 구성하는 판기어는 외주면에 치형이 형성된 원판상의 기어로서, 동일 크기의 한 쌍이 서로 편심되게 접촉 배치된 것이며, 이들 사이에는 핀이 매개되어 핀을 중심으로 양자가 회전유동되면서 핀기어와 맞물려 한 쌍이 다시 회전되면서 동작되도록 구성된 것으로, 감속기능을 위해 상기 핀기어와 접촉되는 판기어의 치형을 에피트로코이드 형태로 형성할 수 있고, 후술하는 바와 같이 인볼루트 치형으로 형성할 수도 있는데 인볼루트 치형의 경우에는 핀기어도 인볼루트 형태를 가져야 하며 이에 관하여는 본 발명의 다른 실시예로 나중에 다시 설명하기로 한다.

즉, 상기 감속부는 도 3에서와 같이, 핀기어(110)와 판기어(300)가 접촉 배치되는 구조로 이루어지되, 이중 판기어(300)는 입력부의 중심축(210)을 기준으로 제1방향으로 일정량 이격된 제1편심축(S1), 중심축(210)을 기준으로 제1방향과 대향되는 방향으로 제1편심축(S1)이 이격된 편심량만큼 이격된 제2편심축(S2), 핀기어(110)와 접촉하면서 치수차만큼 감속을 유발하도록 제1편심축(S1)에 회전가능하게 고정된 제1판기어(302), 제2편심축(S2)에 회전가능하도록 고정된 제2판기어(304)의 조합으로 이루어지는데 이 구조는 당해 분야에서 널리 알려진 사항이므로 더 이상의 설명은 생략한다.

아울러, 출력부는 출력축(510)을 갖는 원형 플랜지 형태의 출력부재(500)로서 원형 플랜지 형태이기 때문에 출력을 위한 접속이 매우 자유롭고 용이한 장점을 가진다.

보다 구체적으로, 도 3,4를 기준으로 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3,4에 도시된 바와 같이, 상기 케이스(100)의 후단에는 입력측인 모터(미도시)가 연결 설치되며, 모터의 회전축은 입력축이 되고, 입력축에 고정된 구동기어(미도시)는 입력기어(200)와 치결합된다.

즉, 상기 구동기어와 입력기어(200)는 평기어 형태로 상호 치결합되어 입력 방향과 출력방향이 나란하게 이루어진다.

아울러, 상기 입력기어(200)에 형성된 중심축(210)에는 판기어(300)가 접속되고, 상기 판기어(300)의 전방에는 베어링, 바람직하기로는 크로스롤러 베어링(400)이 구비되며, 상기 크로스롤러 베어링(400)의 전방에는 출력축(510)을 갖는 출력부재(500)가 구비된다.

이 경우, 설명의 편의상 바람직한 실시예로서, 베어링을 크로스롤러 베어링(400)으로 한정하여 설명하고 있으나 상기 베어링은 크로스롤러 베어링(400)에 국한되는 것은 아니며, 구름 작용을 하는 베어링 구조체이면 모두 사용할 수 있음은 물론이다.

이때, 상기 케이스(100)의 내주면에는 핀기어(110)가 일체로 형성되는데, 상기 핀기어(110)는 기존과 달리 케이스(100) 성형시 케이스(100) 자체에 일체로 성형되도록 구성된다.

다시 말해, 기존에는 케이스(100) 성형 후 도 1 및 선행기술인 공개특허 제2010-0038146호에 나타나 있듯이 롤 형상의 핀을 하나 하나 일일이 케이스(100)에 심어 넣어 고정하는 형태를 취하였다.

따라서, 조립시 조립공차는 물론 별체로 제작해야 하므로 제작시 가공오차가 발생되어 고정밀, 고감속을 요하는 목적에 부합되지 못하고 불량을 초래하는 문제를 야기시켰다.

그러나, 본 발명에서는 케이스(100) 자체에 에피트로코이드 치형을 갖는 판기어(300)와 대응되는 핀기어(110)를 케이스(100) 성형단계에서 함께 성형하여 제조하여 일체화시키기 때문에 가공오차는 물론 조립오차를 없애고, 제조비용도 줄일 수 있게 되는 것이다.

뿐만 아니라, 상기 핀기어(110)와 판기어(300)는 치형이 서로 1개 차이 나도록 가공되는데, 이는 당해 감속기 분야에서 싸이클로이드 감속기인 경우 자명하게 알려져 있는 사항이므로 굳이 구체적으로 설명할 필요는 없으나 간단히 부연하자면 다음과 같다.

즉, 핀기어(110)의 갯수가 판기어(300)의 치형 보다 1개 더 많이 구비되도록 가공되므로 편심회전되는 판기어(300)는 입력회전수 대비 "1/판기어 치형 개수"의 감속비로 감속회전되게 된다.

예컨대, 판기어(300)의 치형이 50개라면 핀기어(110)의 핀수는 51개로 유지되므로 결국 이러한 구조의 감속기에서는 1/50의 감속비를 얻을 수 있게 되는 것이다.

아울러, 상기 케이스(100)의 출력측 내주면 상부, 다시 말해 도 4 및 도 5에서와 같이, 상기 핀기어(110)와 간격을 둔 출력측 내주면 상부에는 요홈 형상의 베어링홈(120)이 가공된다.

이는 기존과 다른 것으로, 기존에는 이 부분이 없고, 케이스(100)의 출력측 외면에 크로스롤러 베어링(400)을 포함한 베어링하우징(미도시)이 직접 별도 고정되는 방식으로 조립설치되었었다.

정리하자면, 크로스롤러 베어링(400)을 설치할 수 있는 베어링하우징, 즉 베어링의 외륜이 상기 케이스(100)와 일체로 형성된 것이라고 볼 수 있으며, 이를 통해 크로스롤러 베어링(400)까지 일체로 구현시킬 수 있어 조립오차나 가공오차를 더욱 더 줄일 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 기존처럼 베어링하우징을 별도 고정할 필요가 없으므로 부수적으로 요구되던 고정볼트도 필요없게 되어 비용도 절감하게 되며, 조립시 민감하고 정밀하게 관리되어야 할 센터링 작업도 필요없게 되어 정밀도가 향상되고, 생산성도 향상되게 되며, 부피와 질량을 줄일 수 있어 경량화, 박형화를 구현할 수 있게 된다.

상기 베어링홈(120)은 케이스(100)의 내주면을 따라 둘레방향으로 요입형성되며, 이 베어링홈(120)에 크로스롤러 베어링(400)의 일부가 삽입 설치된다.

아울러, 크로스롤러 베어링(400)의 나머지 부분은 도면에 구체적으로 도시하지 않았지만 출력부재(500)의 하단면 둘레를 따라 형성된 홈(도면번호 생략)에 삽입된다.

따라서, 상기 출력부재(500)는 상기 크로스롤러 베어링(400)에 의해 원활하게 회전될 수 있도록 지지된다.

그리고, 감속부를 구성하는 상기 판기어(300)는 당해 분야에 널리 알려진 공지된 구조로서, 서로 대향하는 한 쌍의 에피트로코이드 치형을 갖는 원형판이 서로 약간 편심되게 면접 밀착되어 고정되는 형태로 형성되고, 판면에는 둘레방향을 따라 다수의 판공(310)이 형성되어 있어 고정플랜지(320) 상에 돌출된 고정핀(330)이 끼워짐으로써 상호 편심된 상태로 결속되게 되고, 동력을 전달할 수 있게 구성된다.

이때, 상기 판기어(300)를 서로 대향하는 한 쌍으로 형성하고, 편심을 두는 이유는 감속시 발생되는 진동을 상쇄하기 위함이며, 치물림은 2배로 강화된다.

덧붙여, 상기 출력부재(500)는 상기 판기어(300)의 판면에서 돌출된 결속핀(340)이 삽입될 수 있도록 대응되는 위치에 결속공(520)이 형성되므로 이들의 상호 결합에 의해 감속된 출력이 출력부재(500)로 전달될 수 있게 된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 모터로부터 입력된 회전수가 일체형 싸이클로이드 감속기를 거쳐 소정의 치수차(판기어와 핀기어에 의해 발생되는) 만큼의 감속비로 감속되면서 출력부재(500)를 통해 출력축(510)으로 출력되게 되므로 보다 정밀한 감속제어가 가능하게 된다.

다른 예로, 본 발명에 따른 일체형 싸이클로이드 감속기를 도 6과 같은 형태로 변형시킬 수 있다.

도 6에 도시된 예는 앞서 설명한 예와 달리, 출력을 입력에 대해 90°방향으로 전환하여 전달할 수 있도록 구성된다.

이를 위해, 입력기어(200)를 베벨기어 타입으로 바꾸고, 모터와 연결된 구동기어(G)도 베벨기어 타입으로 바꾸어 서로 90°방향으로 치결합됨으로써 입력을 감속시킨 상태에서 감속된 출력을 입력에 대해 90°방향으로 전환시킬 수 있게 된다.

또다른 예로, 본 발명에 따른 일체형 싸이클로이드 감속기를 구성하는 핀기어와 판기어의 치형을 도 7과 같이 인볼루트 형태로 변형할 수도 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 변형 가능한 예로서 제시된 인볼루트 치형은 전형적인 톱니형 내접식 유성기어군에 속하는 것이므로, 치형 간섭의 문제가 있을 수 있다.

즉, 핀기어(110)는 인볼루트 치형의 내접기어로 이루어지고, 판기어(300)는 인볼루트 치형의 외접기어로 이루어져 상호 접촉 가능한 상태로 배치됨으로서 또다른 형태의 감속부를 구현할 수 있게 된다.

따라서, 판기어(300)의 치형과, 핀기어(110)의 핀 형상을 인볼루트 형태로 변형할 때에는 치형간 간섭이 생기지 않도록 상호 맞물림 깊이, 맞물림 부위의 경사각 등을 정확하게 설정하여야 한다.

다만, 본 발명에서는 이를 구현할 수 있음을 개념적으로 제시한 것이므로 간섭 배제를 위한 구체적인 수치한정에 대해서는 설명하지 않기로 한다.

100 : 케이스 110 : 핀기어
120 : 베어링홈 200 : 입력기어
300 : 판기어 310 : 판공
320 : 고정플랜지 330 : 고정핀
340 : 결속핀 400 : 크로스롤러 베어링
500 : 출력부재 510 : 출력축
520 : 결속공

Claims (3)

1. 동력을 입력받는 입력기어, 입력된 동력을 감속비 만큼 감속시키는 감속부, 감속된 동력을 출력하는 출력부재, 입력기어와 감속부 및 출력부재가 내장되는 케이스를 포함하는 싸이클로이드 감속기에 있어서,
   상기 케이스는,
   내주면으로부터 돌출되어 상기 내주면을 따라 일체로 형성되며, 상기 감속부를 구성하는 에피트로코이드 치형의 판기어와 접촉하면서 치수차만큼 감속시키는 에피트로코이드 치형의 핀기어; 및
   상기 핀기어와 출력측 방향으로 간격을 두고 상기 케이스의 내주면에 일체로 요입형성된 베어링홈을 가지며,
   상기 싸이클로이드 감속기는,
   일부가 상기 베어링홈에 삽입되고 나머지 일부가 상기 출력부재의 외주면에 삽입되어 상기 출력부재를 회전지지하는 베어링; 및
   상기 입력기어로부터 순차적으로 돌출되어 상기 입력기어의 회전중심으로부터 반대 방향으로 각각 편심된 제1 및 제2 편심축을 더 포함하고,
   상기 판기어는 상기 제1 및 제2 편심축 상에 각각 설치되어 상호 편심된 상태에서 고정핀에 의해 결속되며 상기 제1 및 제2 편심축의 회전에 따라 상기 핀기어와 접촉하여 각각 회전하는 제1 및 제2 판기어를 구비하며,
   상기 입력기어는 모터축에 고정된 구동기어와 평기어 형태로 치결합되어 구동력을 입력받거나 혹은 베벨기어 형태로 치결합되어 구동력을 입력받는, 일체형 싸이클로이드 감속기.
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