KR102399888B1 - 판형 조화 감속기 - Google Patents

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박재흥
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Abstract

본 발명은, 판형 조화 감속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설계가 보다 간단하고 제조 단가가 절감되며 박형 구조를 가질 수 있는 판형 조화 감속기에 관한 것이다.

Description

판형 조화 감속기{PLATE HARMONIC REDUCER}
본 발명은, 판형 조화 감속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설계가 보다 간단하고 제조 단가가 절감되며 박형 구조를 가질 수 있는 판형 조화 감속기에 관한 것이다.
로봇의 제어 및 작동에 사용되는 감속기로서, RV 감속기, 유성 기어와 함께 조화 감속기(harmonic reducer)가 사용되고 있다.
도 1, 2 는 기존의 조화 감속기의 구조를 나타낸 도면이다. 도 1, 2 를 참조하여 기존의 조화 감속기의 원리를 설명하면 이하와 같다.
기존의 조화 감속기는, 샤프트와 베어링을 제외하면 세 가지 주요 부품으로 구성된다. 즉, 최 외측의 서큘러 스플라인 부재(10), 가운데의 플렉스 스플라인 부재(20), 및 중심부의 웨이브 제네레이터 부재(30)이다. 플렉스 스플라인 부재(20)는, 예컨대 탄성 금속, 탄성 강체 등과 같이 변형 가능한 재질로 구성된다.
서큘러 스플라인 부재(10)의 내측에는 제1 치차부(12)가 구비되며, 플렉스 스플라인 부재(20)의 외측에는 제2 치차부(22)가 구비된다.
제1 치차부(12)와 제2 치차부(22)는 서로 일정 수의 치차수를 가지며, 제1 치차부(12)의 치차수와 제2 치차부(22)의 치차수는 서로 차이를 갖는다.
웨이브 제네레이터 부재(30)는 소정의 입력단에 연결되며, 플렉스 스플라인 부재(20)는 소정의 출력단에 연결된다. 아울러, 서큘러 스플라인 부재(10)는 소정의 하우징에 연결될 수 있다.
웨이브 제네레이터 부재(30)에 입력 동력(T1)이 입력되면, 웨이브 제네레이터 부재(30)가 화살표 R1 과 같이 회전할 수 있다. 제1 치차부(12)와 제2 치차부(22)는 치합 부분(C1, C2)에서 서로 치합된다. 따라서, 웨이브 제네레이터 부재(30)가 회전하면, 제1 치차부(12)와 제2 치차부(22) 사이의 치차수 차이로 인해서, 플렉스 스플라인 부재(20)가 화살표 R2 와 같이 회전하며 출력단에 출력 동력(T2)을 출력한다.
이때, 제1 치차부(12)와 제2 치차부(22) 사이의 치차수 차이로 인해서, 출력단의 회전 각속도는 입력단의 회전 각속도에 비해서 일정한 비율의 감속비로 감속된다.
이와 같은 조화 감속기는, 고감속비, 회전정밀도, Zero backlash, 소형 및 경량화 등의 장점을 가지고 있기 때문에 폭넓게 사용되고 있다.
그러나 타원형의 웨이브 제네레이터 부재(30)의 프로파일 설계가 어렵고, 제조 공정이 복잡한 단점이 있다. 또한, 로봇 관절부는 경량화되고 부피가 작을수록 제어가 용이하며, 우수한 토크 효율이나 저소음 등 추구해야 할 해결 과제가 많은데, 종래의 조화 감속기는 이러한 해결 과제를 충분히 해결해 주지 못하는 실정이다. 아울러, 종래의 조화 감속기는, 입력단의 회전 방향과 출력단의 회전 방향이 서로 반대이다.
또한, 기존의 조화 감속기는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 플렉스 스플라인 부재(20)가 컵 형태로서, 비교적 큰 상하 폭(T)을 갖는다. 따라서, 박형의 조화 감속기 설계가 어려운 문제가 있다.
따라서, 상기 문제를 해결할 수 있는 조화 감속기의 개발이 필요하다.
공개특허 제10-2018-0061530호
본 발명은 전술한 종래기술의 기술적 한계를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하여 설계가 보다 간단하고 제조 단가가 절감될 수 있는 판형 조화 감속기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 판형 조화 감속기는, 제1 중심축과 소정의 반경을 갖는 원반 형태의 서큘러 스플라인 부재; 제2 중심축과 소정의 반경을 갖는 원반 형태로 구성되며 탄성 재질로 구성되는 플렉스 스플라인 부재; 및 제3 중심축을 갖는 웨이브 제네레이터 부재;를 포함하고,
상기 플렉스 스플라인 부재는 상기 서큘러 스플라인 부재 상에 위치하며, 상기 웨이브 제네레이터 부재는 상기 플렉스 스플라인 부재 상에 위치하고, 상기 제1 중심축과 제2 중심축, 및 제3 중심축은 서로 동일 선상에 위치하고,
상기 서큘러 스플라인 부재는 제1 치차부를 포함하고, 상기 제1 치차부는 상기 서큘러 스플라인 부재의 상면에 형성되며 상기 서큘러 스플라인 부재의 외측 둘레를 따라서 형성되고,
상기 플렉스 스플라인 부재는 제2 치차부를 포함하고, 상기 제2 치차부는 상기 플렉스 스플라인 부재의 하면에 형성되며 상기 플렉스 스플라인 부재의 외측 둘레를 따라서 형성되며,
상기 제1 치차부와 상기 제2 치차부는 상하 방향으로 겹쳐지게 위치하고,
상기 웨이브 제네레이터 부재는, 상기 플렉스 스플라인 부재의 적어도 일 부분을 가압하여, 상기 제1 치차부의 적어도 일 부분과 상기 제2 치차부의 적어도 일 부분이 서로 치합되도록 하며,
상기 웨이브 제네레이터 부재가 상기 제3 중심축을 중심으로 하여 회전하면 상기 제1 치차부와 상기 제2 치차부가 서로 치합되는 부분이 가변하며, 상기 제1 치차부의 치차수와 상기 제2 치차부의 치차수는 서로 상이하다.
일 실시예에 의하면, 상기 웨이브 제네레이터 부재는 소정의 입력단과 연결되어 회전 가능하고, 상기 플렉스 스플라인 부재는 소정의 출력단과 연결되며, 상기 출력단의 회전 속도는 상기 입력단의 회전 속도에 비해 소정의 감속비를 가지며 감속된다.
일 실시예에 의하면, 상기 웨이브 제네레이터 부재는, 수평 방향으로 연장되는 바 형태로 구성되며, 상기 제3 중심축을 중심으로 하여, 상기 웨이브 제네레이터 부재의 일 단부와, 반대 방향 타 단부에는 하방향으로 돌출되는 프레싱 돌부가 구비되고, 상기 프레싱 돌부는 상기 플렉스 스플라인 부재의 제2 치차부 위에 위치하여, 상기 제1 치차부와 상기 제2 치차부는, 상기 프레싱 돌부 아래에 위치하는 부분이 서로 치합된다.
일 실시예에 의하면, 센터 샤프트;를 더 포함하고, 상기 센터 샤프트는 상기 플렉스 스플라인 부재의 상기 제2 중심축에 연결되어, 상기 플렉스 스플라인 부재와 상기 센터 샤프트가 일체로 회전한다.
일 실시예에 의하면, 상기 서큘러 스플라인 부재는 중심에 상하로 관통된 제1 관통공을 갖고, 상기 센터 샤프트는 상기 제1 관통공을 관통하여 하방향으로 연장된다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 관통공 내에는, 상기 센터 샤프트가 상하로 관통되는 제1 베어링 부재가 배치된다.
일 실시예에 의하면, 상기 웨이브 제네레이터 부재는 중심에 상하로 관통된 제3 관통공을 갖고, 상기 센터 샤프트는 상기 제3 관통공을 관통하여 상방향으로 연장된다.
일 실시예에 의하면, 상기 제3 관통공 내에는, 상기 센터 샤프트가 상하로 관통되는 제2 베어링 부재가 배치된다.
일 실시예에 의하면, 상기 서큘러 스플라인 부재는, 상면에 상기 제1 중심축을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제1 경사면을 갖는다.
일 실시예에 의하면, 상기 플렉스 스플라인 부재는, 하면에 상기 제2 중심축을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제2-1 경사면을 갖는다.
일 실시예에 의하면, 상기 서큘러 스플라인 부재는, 상면에 상기 제1 중심축을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제1 경사면을 갖고, 상기 플렉스 스플라인 부재는, 하면에 상기 제2 중심축을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제2-1 경사면을 가지며, 상기 제1 경사면과 상기 제2-1 경사면의 경사각은 서로 상이하다.
일 실시예에 의하면, 상기 플렉스 스플라인 부재는, 상면에 상기 제2 중심축을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제2-2 경사면을 갖는다.
일 실시예에 의하면, 상기 웨이브 제네레이터 부재는, 수평 방향으로 연장되는 바 형태로 구성되며, 상기 웨이브 제네레이터 부재의 일 단과 타 단에는 각각 프레싱 롤러가 구비되고, 상기 프레싱 롤러는, 상기 플렉스 스플라인 부재의 제2 치차부 위에 위치하여, 상기 제1 치차부와 상기 제2 치차부는, 상기 프레싱 롤러 아래에 위치하는 부분이 서로 치합된다.
종래 기술에 의한 조화 감속기의 경우, 중심부에 타원 형태의 웨이브 제네레이터 부재가 위치하였다. 이러한 구조는, 조화 감속기의 서큘러 스플라인 부재의 내부를 모두 채우는 형태가 된다. 따라서, 웨이브 제네레이터가 큰 부피와 무게를 갖게 된다. 또한, 타원의 프로파일 설계가 쉽지 않은 문제점도 있다. 또한, 종래 기술에 의한 조화 감속기의 타원형 웨이브 제네레이터 부재는, 탄성 변형을 위한 플렉스 스플라인 부재 뿐만 아니라, 볼 베어링에 대해서도 지속적으로 변형이 가해지는 구조이다. 따라서, 베어링의 수명과 정밀도가 악화될 수 있다. 아울러, 컵형의 플렉스 스플라인 부재가 필요하여 박형의 조화 감속기를 제공하는 데 한계가 있었다.
본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기는, 종래 기술의 판형 조화 감속기가 갖는 타원 형태의 웨이브 제네레이터 부재를 제거하였으므로, 경량화와 소형화를 달성할 수 있다. 또한, 프로파일 설계도 기존의 조화 감속기에 비해 용이하다. 아울러, 베어링의 수명과 정밀도가 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 컵형의 플렉스 스플라인 부재를 제거하고 판형(plate)의 플렉스 스플라인 부재를 사용하였으므로, 얇은 두께의 판형 조화 감속기를 제공할 수 있다.
또한, 종래 기술에 의한 조화 감속기의 플렉스 스플라인 부재는, 원통형으로 구성되므로, 치형상으로 만들어진 금형에 압입하여 회전하면서 치차를 형성하는 단점이 있었다.
반면에, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기의 플렉스 스플라인 부재는 한 스테이션(한 번 찍어서 성형 완료)으로 완성되는 제조상의 장점이 있다. 아울러, 이러한 제조 공정으로 인해, 축 방향 틈새 또는 예압을 통해 성능에 영향을 주는 조립 정밀도를 제어할 수 있다. 따라서, 동일한 성능 기준을 달성하기 위한 요구 기계 가공 정밀도가 상대적으로 낮다. 즉, 타원 형상 가공 공정이 없고 각 부품별 요구 정밀도 또한 상대적으로 낮다. 따라서, 대량 생산시 생산 효율이 월등하며 제조 단가가 절감될 수 있다.
종래 기술에 의한 조화 감속기는, 국소 부위에서 큰 변형을 일으켜야 하는 단점을 갖는다.
반면에, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기는, 탄성 변형을 일으키는 플렉스 스플라인 부재의 면적이 크다. 따라서, 탄성 변형 부위에서의 응력 집중이 덜하기 때문에 토크 효율이 개선되고 금속의 피로 누적이 적어질 수 있다.
또한, 종래 기술에 의한 조화 감속기는, 접촉면을 증가시키면 축 방향으로 길이가 직접적으로 늘어나므로, 시장에서 필요로 하는 요구 조건을 맞추기 어려운 단점을 갖는다. 이는, 기어의 치합 개선을 위한 접촉각, 접촉 면적 등의 변환을 어렵게 한다.
반면에, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기는 원의 테두리에서 중심부로 향하는 방향으로 접촉 면적이 결정되기 때문에, 필요한 요구 조건에 따라서 설계 변경이 용이하다. 따라서, 판형 조화 감속기 설계에 있어서 어려운 핵심 설계 사항 중 하나인 치형 설계 면에서 강점을 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기는, 서큘러 스플라인 부재와 플렉스 스플라인 부재의 치합 과정에서 수직으로 위 아래로 누르는 힘이 수평의 회전 힘으로 전달되는 빗면 효과를 갖도록 설계된다. 따라서, 종래 기술에 의한 조화 감속기에 비하여 치형 설계가 단순해질 수 있다.
도 1, 2 는, 종래 기술에 의한 조화 감속기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3, 4 는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기의 분해 구조를 각각 다른 각도에서 나타낸 도면이며, 도 5 는 도 4 의 단면도를 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기의 서큘러 스플라인 부재 상에 플렉스 스플라인 부재가 놓인 상태를 나타낸 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 의한 판형 조화 감속기의 작동을 나타낸 도면이며, 도 8 은 도 7 의 A 부분의 확대도이다.
도 9, 10 은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기의 분해 구조를 각각 다른 각도에서 나타낸 도면이며, 도 11 은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기의 결합 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 3, 4 는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기(1)의 분해 구조를 각각 다른 각도에서 나타낸 도면이며, 도 5 는 도 4 의 단면도를 나타낸 도면이다.
서큘러 스플라인 부재(100)는, 원반 형태의 부재로 구성된다. 따라서, 서큘러 스플라인 부재(100)는 제1 중심축(C1)과 소정의 반경을 갖는다.
실시예에 의하면, 서큘러 스플라인 부재(100)의 상면에는 제1 중심축(C1)을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제1 경사면(110)이 형성될 수 있다. 제1 경사면(110)은 소정의 경사 각도를 가질 수 있다.
실시예에 의하면, 서큘러 스플라인 부재(100)의 중심에는 상하로 관통된 제1 관통공(130)이 형성될 수 있다. 상기 제1 관통공(130) 내에는 제1 베어링 부재(500)가 투입될 수 있다.
서큘러 스플라인 부재(100)의 상면의 외측 둘레부에는 제1 치차부(120)가 형성된다.
상기 제1 치차부(120)는 상기 서큘러 스플라인 부재(100)의 상면의 외측 둘레를 따라서 형성된다. 상기 제1 치차부(120)는, 상방향으로 돌출된 치차가 서큘러 스플라인 부재(100)의 원주 방향을 따라서 반복적으로 형성되는 구성을 가질 수 있다.
상기 제1 치차부(120)는 소정의 치차수(N1)를 갖는다.
플렉스 스플라인 부재(200)는, 원반 형태의 부재로 구성된다. 따라서, 플렉스 스플라인 부재(200)는 제2 중심축(C2)과 소정의 반경을 갖는다.
플렉스 스플라인 부재(200)는 신축 변형 가능하게(flexible) 형성된다. 즉, 탄성 변형 가능한 재질로 구성될 수 있다. 예컨대, 플렉스 스플라인 부재(200)는, 탄성적인 금속이나 합성수지 재질로 이루어질 수 있다.
실시예에 의하면, 서큘러 스플라인 부재(100)의 하면에는 제2 중심축(C2)을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제2-1 경사면(210)이 형성될 수 있다. 제2-1 경사면(210)은 소정의 경사 각도를 가질 수 있다.
실시예에 의하면, 서큘러 스플라인 부재(100)의 상면에는 제2 중심축(C2)을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제2-2 경사면(212)이 형성될 수 있다. 제2-2 경사면(212)은 소정의 경사 각도를 가질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제2-1 경사면(210)과 제2-2 경사면(212)의 경사 각도는 동일할 수 있다. 실시예에 따르면, 상기 제2-1 경사면(210)과 제2-2 경사면(212)의 경사 각도가 서로 상이한 것도 가능하다.
아울러, 상기 제1 경사면(110)과 제2-1 경사면(210)의 경사 각도는 동일하거나 상이할 수 있다.
실시예에 의하면, 플렉스 스플라인 부재(200)의 중심에는 상하로 관통된 제2 관통공(230)이 형성될 수 있다. 상기 제2 관통공(230) 내에는 후술하는 센터 샤프트(400)가 연결될 수 있다.
플렉스 스플라인 부재(200)의 하면의 외측 둘레부에는 제2 치차부(220)가 형성된다.
상기 제2 치차부(220)는 상기 플렉스 스플라인 부재(200)의 하면의 외측 둘레를 따라서 형성된다. 상기 제2 치차부(220)는 하방향으로 돌출된 치차가 플렉스 스플라인 부재(200)의 원주 방향을 따라서 반복적으로 형성되는 구성을 가질 수 있다.
상기 제2 치차부(220)는 소정의 치차수(N2)를 갖는다.
웨이브 제네레이터 부재(300)는, 수평 방향으로 소정의 길이를 갖고 연장되는 바(bar) 형태의 부재로 구성될 수 있다. 웨이브 제네레이터 부재(300)의 길이 방향 중심에는 제3 중심축(C3)이 구비될 수 있다.
상기 웨이브 제네레이터 부재(300)의 수평 방향(길이 방향) 일 단과 타 단에는 하방향으로 돌출되는 프레싱 돌부(320)가 구비될 수 있다. 프레싱 돌부(320)는, 다른 부분에 비해서 하방향으로 더 돌출된 부분으로 구성된다.
예컨대, 도면에 도시된 바와 같이, 웨이브 제네레이터 부재(300)의 하면에 제3 경사면(322)이 형성되는 것도 가능하다. 즉, 웨이브 제네레이터 부재(300)의 하면이 웨이브 제네레이터 부재(300)의 제3 중심축(C3)으로부터 외측 단부 방향으로 갈수록 하향하는 경사면으로 구성될 수 있다. 따라서, 상기 웨이브 제네레이터 부재(300)의 외측 단부 부분이 다른 부분보다 하방향으로 돌출되며, 상기 돌출된 부분이 상기 프레싱 돌부(320)를 구성하는 실시 형태를 가질 수 있다.
실시예에 의하면, 웨이브 제네레이터 부재(300)의 길이 방향 중심에는 상하 방향으로 관통된 제3 관통공(310)이 형성될 수 있다. 제3 관통공(310) 내에는 제2 베어링 부재(600)가 구비될 수 있다.
센터 샤프트(400)는 상하 방향으로 연장되는 소정의 샤프트이다. 센터 샤프트(400)는 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 중심축(C2)에 연결되어 상하 방향으로 연장될 수 있다. 따라서, 센터 샤프트(400)는 플렉스 스플라인 부재(200)와 일체로 회전한다.
센터 샤프트(400)에는 플렉스 스플라인 부재(200)에 고정될 수 있는 소정의 고정 수단(410)이 구비될 수 있다.
이하에서는 서큘러 스플라인 부재(100), 플렉스 스플라인 부재(200), 웨이브 제네레이터 부재(300), 및 센터 샤프트(400)의 결합 관계에 대해서 설명한다.
서큘러 스플라인 부재(100) 위에 플렉스 스플라인 부재(200)가 위치하며, 플렉스 스플라인 부재(200) 위에 웨이브 제네레이터 부재(300)가 위치한다.서큘러 스플라인 부재(100)의 제1 치차부(120) 위에, 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 치차부(220)가 위치한다.
도 6 은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기(1)의 서큘러 스플라인 부재(100) 상에 플렉스 스플라인 부재(200)가 놓인 상태를 나타낸 단면도이다.
상기 서큘러 스플라인 부재(100)의 상면과 플렉스 스플라인 부재(200)의 하면 사이에는 간극(S)이 있을 수 있다. 따라서, 상기 서큘러 스플라인 부재(100)와 플렉스 스플라인 부재(200)는 제1 치차부(120)와 제2 치차부(220)외의 다른 부분의 접촉이 최소화될 수 있다.
이때, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 경사면(110)의 경사각 θ1 과 제2-1 경사면(210)의 경사각 θ2는 상이할 수 있다.
일 예로, 도 6 과 같이, 상기 제1 경사면(110)과 제2-1 경사면(210)의 경사 각도가 상이한 경우에 대해서 설명하면 이하와 같다.
서큘러 스플라인 부재(100) 상에 플렉스 스플라인 부재(200)가 놓였을 때, 제1 중심축(C1)과 제2 중심축(C2)이 서로 동일 선상에 위치한다. 상기 제1 경사면(110)의 경사각 θ1 이 제2-1 경사면(210)의 경사각 θ2 보다 클 경우에는, 상기 간극(S)은 중심축(C1, C2)에서 반경 방향 외측으로 갈수록 더 커질 수 있다. 이와 같이, 제1 경사면(110)과 제2-1 경사면(210)의 경사 각도가 상이한 경우, 서큘러 스플라인 부재(100)와 플렉스 스플라인 부재(200) 사이의 접촉 마찰이 최소화되며, 설계가 더욱 간단해질 수 있다.
웨이브 제네레이터 부재(300)의 프레싱 돌부(320)는 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 치차부(220)의 일 부분 위에 위치한다.
센터 샤프트(400)는 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 관통공(230)에 투입되어 결합될 수 있다. 센터 샤프트(400)와 플렉스 스플라인 부재(200)는 일체로 회전할 수 있다.
도면에서는 센터 샤프트(400)가 플렉스 스플라인 부재(200)의 상하 방향으로 동시에 연장되었으나, 이에 반드시 한정하는 것은 아니다. 센터 샤프트(400)는 플렉스 스플라인 부재(200)의 상방향, 또는 하방향, 또는 상하 방향으로 연장될 수 있다.
상기 센터 샤프트(400)가 플렉스 스플라인 부재(200)의 상방향으로 연장되면, 상기 웨이브 제네레이터 부재(300)의 제3 관통공(310) 및 제2 베어링 부재(600)를 관통할 수 있다.
상기 센터 샤프트(400)가 플렉스 스플라인 부재(200)의 하방향으로 연장되면, 상기 서큘러 스플라인 부재(100)의 제1 관통공(130) 및 제1 베어링 부재(500)를 관통할 수 있다.
아울러, 서큘러 스플라인 부재(100)의 제1 중심축(C1), 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 중심축(C2), 및 웨이브 제네레이터 부재(300)의 제3 중심축(C3)은 동일 선상에 위치하여 동축의 구성을 가질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)와 입력단 및 출력단 간의 연결, 웨이브 제네레이터 부재(300)에 의한 제1 치차부(120)와 제2 치차부(220)의 치합 관계에 대해서 설명한다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)의 작동을 나타낸 도면이며, 도 8 은 도 7 의 A 부분의 확대도이다. 단, 도 8 은 명확한 파악을 위해서 다소 과장되게 도시되어 있다.
웨이브 제네레이터 부재(300)는 소정의 입력단과 연결된다. 입력단은 소정의 모터와 같은 회전 동력기와 연결된다. 따라서, 웨이브 제네레이터 부재(300)는 상기 회전 동력기에서 입력되는 입력 동력에 의해서 제3 중심축(C3)을 중심으로 하여 소정의 각속도로 회전할 수 있다.
플렉스 스플라인 부재(200)는 소정의 출력단과 연결된다. 보다 정확하게는, 플렉스 스플라인 부재(200)는 센터 샤프트(400)와 연결되며, 센터 샤프트(400)를 통해 출력단과 연결될 수 있다. 물론, 센터 샤프트(400) 자체가 출력단일 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 센터 샤프트(400)는 플렉스 스플라인 부재(200)의 상방향, 또는 하방향, 또는 상하 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라서, 출력단은 판형 조화 감속기(1)의 위쪽, 또는 아래쪽에 위치할 수 있다.
웨이브 제네레이터 부재(300)의 프레싱 돌부(320)는, 플렉스 스플라인 부재(200)를 눌러 가압하여 플렉스 스플라인 부재(200)의 적어도 일 부분(변형 부분)을 변형시킨다. 상기 변형 부분은, 제2 치차부(220)가 형성된 부분의 일 부분이다. 상기 변형 부분은, 아래에 위치하는 서큘러 스플라인 부재(100)의 제1 치차부(120)와 치합된다.
따라서, 도 7 에 도시된 바와 같이, 제1 치차부(120)와 제2 치차부(220)의 각 부분 중, 프레싱 돌부(320) 아래에 위치하는 부분은 서로 치합되는 치합 부분(C1, C2)이 된다. 또한, 상기 치합 부분에 의해서 동력을 전달할 수 있다.
한편, 상기 치합 부분 외의 다른 부분은, 도 8 에 도시된 바와 같이, 제1 치차부(120)와 제2 치차부(220)가 서로 이격되어, 서로 치합되지 않는 비 치합 부분이 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)에 있어서, 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 치차부(220)는, 웨이브 제네레이터 부재(300)의 프레싱 돌부(320) 아래에 위치하는 부분만이, 탄력적으로, 서큘러 스플라인 부재(100)의 제1 치차부(120)와 부분 치합된다.
이하에서는, 다시 도 7 및 8 을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)의 작동에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
상기 설명한 바와 같이, 웨이브 제네레이터 부재(300)는 소정의 입력단과 연결된다. 입력단은 소정의 모터와 같은 회전 동력기와 연결된다. 따라서, 회전 동력기에서 전달된 입력 동력(T1)에 의해서, 웨이브 제네레이터 부재(300)는 제3 중심축(C3)을 중심으로 하여 화살표 R1 과 같이 소정의 각속도로 회전할 수 있다.
입력단에서 전달되는 회전력에 의해서 상기 웨이브 제네레이터 부재(300)가 상기 제3 중심축(C3)을 중심으로 하여 자전하면, 웨이브 제네레이터 부재(300)의 프레싱 돌부(320)가 제3 중심축(C3)을 중심으로 하여 공전한다.
앞서 설명한 바와 같이, 프레싱 돌부(320)는, 플렉스 스플라인 부재(200)를 가압 변형시켜서 제1 치차부(120)와 제2 치차부(220)의 일 부분(프레싱 돌부(320) 아래 부분)을 치합시키며, 치합 부분(C1, C2)을 발생시킨다.
따라서, 상기 제1 치차부(120)와 상기 제2 치차부(220)가 서로 치합되는 치합 부분(C1, C2)이 상기 웨이브 제네레이터의 회전 방향을 따라서 순회하게 된다.
이때, 제1 치차부(120)의 치차수와 제2 치차부(220)의 치차수가 서로 상이하므로, 플렉스 스플라인 부재(200)가 소정의 각속도로 화살표 R2 와 같이 회전하게 된다. 따라서, 출력 동력(T2)이 발생한다.
예를 들어, 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 치차부(220)의 치차수(N2)는 52개이고, 서큘러 스플라인 부재(100)의 제1 치차부(120)의 치차수(N1)는 50개인 경우를 고려하면 아래와 같다.
웨이브 제네레이터 부재(300)가 서큘러 스플라인 부재(100) 상을 1회전을 하는 경우를 고찰한다. 서큘러 스플라인 부재(100)는 상대적으로 고정된 것이므로 웨이브 제네레이터 부재(300)의 프레싱 돌부(320)는 제1 치차부(120)의 치차 50개를 지나서 서큘러 스플라인 부재(100)의 같은 치차 위치에 돌아오게 된다. 그러나, 플렉스 스플라인 부재(200)는 치차 50개를 지나도, 회전이 시작된 같은 치차 위치에 오지 못하게 된다. 이런 불일치를 해소하기 위해 플렉스 스플라인 부재(200), 및 플렉스 스플라인 부재(200)에 연결된 센터 샤프트(400)는 회전축 1 회전마다 플렉스 스플라인 부재(200)의 치차 2개에 해당하는 각도만큼 웨이브 제네레이터의 회전 방향으로 회전하게 된다.
플렉스 스플라인 부재(200)는 센터 샤프트(400)와 결합되어 있고, 센터 샤프트(400)에는 출력단이 연결된다. 결국, 앞서와 같이, 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 치차부(220)의 치차수(N2)는 52개이고, 서큘러 스플라인 부재(100)의 제1 치차부(120)의 치차수(N1)는 50개인 경우에는, 입력단과 연결된 웨이브 제네레이터 부재(300)가 26 회전할 때마다 센터 샤프트(400)의 1회전이 이루어진다. 따라서, 1/26 의 큰 감속비를 가진 회전동력 전달이 이루어진다.
물론, 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 치차부(220)의 치차수와 서큘러 스플라인 부재(100)의 제1 치차부(120)의 치차수를 각각 선택함에 따라서 감속비가 선택될 수 있다. 예컨대, 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 치차부(220)가 102 개의 치차수를 가지고, 서큘러 스플라인 부재(100)의 제1 치차부(120)가 100 개의 치차수를 가지면, 1/50 의 감속비를 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)의 효과에 대해서 설명한다.
종래 기술에 의한 조화 감속기의 경우, 중심부에 타원 형태의 웨이브 제네레이터 부재가 위치하였다. 이러한 구조는, 조화 감속기의 서큘러 스플라인 부재의 내부를 모두 채우는 형태가 된다. 따라서, 웨이브 제네레이터가 큰 부피와 무게를 갖게 된다. 또한, 타원의 프로파일 설계가 쉽지 않은 문제점도 있다. 또한, 종래 기술에 의한 조화 감속기의 타원형 웨이브 제네레이터 부재는, 탄성 변형을 위한 플렉스 스플라인 부재 뿐만 아니라, 볼 베어링에 대해서도 지속적으로 변형이 가해지는 구조이다. 따라서, 베어링의 수명과 정밀도가 악화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)는, 종래 기술의 타원 형태의 웨이브 제네레이터 부재(300)를 제거하였으므로, 경량화와 소형화를 달성할 수 있다. 또한, 프로파일 설계도 기존의 판형 조화 감속기(1)에 비해 용이하다. 아울러, 볼 베어링의 수명과 정밀도가 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 컵형의 플렉스 스플라인 부재를 제거하고 판형(plate)의 플렉스 스플라인 부재(200)를 사용하였으므로, 얇은 두께의 판형 조화 감속기(1)를 제공할 수 있다.
또한, 종래 기술에 의한 조화 감속기의 플렉스 스플라인 부재는, 원통형으로 구성되므로, 치형상으로 만들어진 금형에 압입하여 회전하면서 치차를 형성하는 단점이 있었다.
반면에, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)의 플렉스 스플라인 부재(200)는 한 스테이션(한 번 찍어서 성형 완료)으로 완성되는 제조상의 장점이 있다. 아울러, 이러한 제조 공정으로 인해, 축 방향 틈새 또는 예압을 통해 성능에 영향을 주는 조립 정밀도를 제어할 수 있다. 따라서, 동일한 성능 기준을 달성하기 위한 요구 기계 가공 정밀도가 상대적으로 낮다. 즉, 타원 형상 가공 공정이 없고 각 부품별 요구 정밀도 또한 상대적으로 낮다. 따라서, 대량 생산시 생산 효율이 월등하며 제조 단가가 절감될 수 있다.
종래 기술에 의한 조화 감속기는, 국소 부위에서 큰 변형을 일으켜야 하는 단점을 갖는다.
반면에, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)는, 탄성 변형을 일으키는 플렉스 스플라인 부재(200)의 면적이 크다. 따라서, 탄성 변형 부위에서의 응력 집중이 덜하기 때문에 토크 효율이 개선되고 금속의 피로 누적이 적어질 수 있다.
또한, 종래 기술에 의한 조화 감속기는, 접촉면을 증가시키면 축 방향으로 길이가 직접적으로 늘어나므로, 시장에서 필요로 하는 요구 조건을 맞추기 어려운 단점을 갖는다. 이는, 기어의 치합 개선을 위한 접촉각, 접촉 면적 등의 변환을 어렵게 한다.
반면에, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)는 원의 테두리에서 중심부로 향하는 방향으로 접촉 면적이 결정되기 때문에, 필요한 요구 조건에 따라서 설계 변경이 용이하다. 따라서, 조화 감속기 설계에 있어서 어려운 핵심 설계 사항 중 하나인 치형 설계 면에서 강점을 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)는, 서큘러 스플라인 부재(100)와 플렉스 스플라인 부재(200)의 치합 과정에서 수직으로 위 아래로 누르는 힘이 수평의 회전 힘으로 전달되는 빗면 효과를 갖도록 설계된다. 따라서, 종래 기술에 의한 조화 감속기에 비하여 치형 설계가 단순해질 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, 입력단의 회전 방향과 출력단의 회전 방향을 같은 방향으로 할 수 있다. 또한, 입력단의 입력축과 출력단의 출력축을 같은 직선상에 위치하도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 판형 조화 감속기(1)는, 높은 감속비를 갖고 동일한 회전방향으로 동력 전달이 필요한 곳에 설치하여 사용할 수 있다.
도 9, 10 은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기(2)의 분해 구조를 각각 다른 각도에서 나타낸 도면이며, 도 11 은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기(2)의 결합 도면이다.
제2 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기(2)는, 제1 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기(1)와 대응하여, 서큘러 스플라인 부재(100), 플렉스 스플라인 부재(200), 웨이브 제네레이터 부재(700), 및 센터 샤프트(400)를 포함한다. 여기서, 서큘러 스플라인 부재(100), 플렉스 스플라인 부재(200), 센터 샤프트(400)의 구성은 제1 실시 형태와 동일할 수 있다. 따라서, 중복되는 설명은 설명하며, 제1 실시 형태와 차이가 있는 구성인 웨이브 제네레이터 부재(700)에 관한 설명만을 기술한다.
제2 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기(2)의 웨이브 제네레이터 부재(700)는, 회전 바디(710), 및 프레싱 롤러(720)를 포함할 수 있다.
회전 바디(710)는 수평 방향으로 소정의 길이를 갖고 연장되는 바 형태의 부재로 구성될 수 있다. 회전 바디(710)의 길이 방향 중심에는 제3 중심축(C3)이 구비될 수 있다.
상기 회전 바디(710)의 길이 방향 일 단과 타 단에는, 회전 바디(710)의 길이 방향으로 돌출되는 연결 축(714)이 구비될 수 있다.
프레싱 롤러(720)는 상기 연결 축(714)에 연결된다. 프레싱 롤러(720)는 회전 바디(710)의 길이 방향으로 연장되는 중심 축을 중심으로 하여 회전 가능하다. 프레싱 롤러(720)는, 연결 축(714)에 연결되는 구름 베어링(730)과, 상기 구름 베어링(730)의 외주부에 결합되는 롤러 바디(740)를 포함할 수 있다.
프레싱 롤러(720)의 밑면은, 회전 바디(710)의 밑면보다 하방향으로 돌출되어 있다.
따라서, 제2 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기(2)의 웨이브 제네레이터 부재(700)가 플렉스 스플라인 부재(200) 상에 결합되면, 프레싱 롤러(720)는, 하방향으로 플렉스 스플라인 부재(200)를 가압할 수 있다. 따라서, 프레싱 롤러(720)는, 다른 개념으로는 제3 중심축(C3) 방향으로 압력을 가하며 상기 제3 중심축과 직교하는 방향으로 연장되는 축(radial axis)을 중심으로 회전하는 경방향 롤러(radial roller)일 수 있다.
이에 따라서, 프레싱 롤러(720)가 플렉스 스플라인 부재(200)의 제2 치차부(220) 상에 위치하여 제2 치차부(220)와 제1 치차부(120)를 서로 치합시킬 수 있다. 웨이브 제네레이터 부재(700)가 플렉스 스플라인 부재(200) 상에서 회전하면, 프레싱 롤러(720)는 플렉스 스플라인 부재(200) 상에서 제3 중심축(C3)을 중심으로 하여 굴러서 공전한다.
따라서, 상기 프레싱 롤러(720)는, 제1 실시 형태에 의한 판형 조화 감속기(1)의 웨이브 제네레이터 부재(300)의 프레싱 돌부(320)와 실질적으로 동일한 기능을 달성한다. 다만, 프레싱 롤러(720)는 플렉스 스플라인 부재(200) 상을 굴러서 공전하므로, 마찰이 덜 발생할 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10: 서큘러 스플라인 부재
12: 제1 치차부
20: 플렉스 스플라인 부재
22: 제2 치차부
30: 웨이브 제네레이터 부재
100: 서큘러 스플라인 부재
110: 제1 경사면
120: 제1 치차부
130: 제1 관통공
200: 플렉스 스플라인 부재
210: 제2-1 경사면
212: 제2-2 경사면
220: 제2 치차부
230: 제2 관통공
300: 웨이브 제네레이터 부재
310: 제3 관통공
320: 프레싱 돌부
322: 제3 경사면
400: 센터 샤프트
410: 고정 수단
500: 제1 베어링 부재
600: 제2 베어링 부재
700: 웨이브 제네레이터 부재
710: 회전 바디
712: 제3 관통공
714: 연결 축
720: 프레싱 롤러
730: 구름 베어링
740: 롤러 바디

Claims (13)

  1. 제1 중심축과 소정의 반경을 갖는 원반 형태의 서큘러 스플라인 부재;
    제2 중심축과 소정의 반경을 갖는 원반 형태로 구성되며 탄성 재질로 구성되는 플렉스 스플라인 부재; 및
    제3 중심축을 갖는 웨이브 제네레이터 부재;를 포함하고,
    상기 플렉스 스플라인 부재는 상기 서큘러 스플라인 부재 상에 위치하며,
    상기 웨이브 제네레이터 부재는 상기 플렉스 스플라인 부재 상에 위치하고,
    상기 제1 중심축과 제2 중심축, 및 제3 중심축은 서로 동일 선상에 위치하고,
    상기 서큘러 스플라인 부재는 제1 치차부를 포함하고,
    상기 제1 치차부는 상기 서큘러 스플라인 부재의 상면에 형성되며 상기 서큘러 스플라인 부재의 외측 둘레를 따라서 형성되고,
    상기 플렉스 스플라인 부재는 제2 치차부를 포함하고,
    상기 제2 치차부는 상기 플렉스 스플라인 부재의 하면에 형성되며 상기 플렉스 스플라인 부재의 외측 둘레를 따라서 형성되며,
    상기 제1 치차부와 상기 제2 치차부는 상하 방향으로 겹쳐지게 위치하고,
    상기 웨이브 제네레이터 부재는,
    상기 플렉스 스플라인 부재의 적어도 일 부분을 가압하여, 상기 제1 치차부의 적어도 일 부분과 상기 제2 치차부의 적어도 일 부분이 서로 치합되도록 하며,
    상기 웨이브 제네레이터 부재가 상기 제3 중심축을 중심으로 하여 회전하면 상기 제1 치차부와 상기 제2 치차부가 서로 치합되는 부분이 가변하며,
    상기 제1 치차부의 치차수와 상기 제2 치차부의 치차수는 서로 상이하며,
    상기 서큘러 스플라인 부재는,
    상면에 상기 제1 중심축을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제1 경사면을 갖고,
    상기 플렉스 스플라인 부재는,
    하면에 상기 제2 중심축을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제2-1 경사면을 가지며,
    상기 제1 경사면과 상기 제2-1 경사면의 경사각은 서로 상이한 판형 조화 감속기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 웨이브 제네레이터 부재는 소정의 입력단과 연결되어 회전 가능하고,
    상기 플렉스 스플라인 부재는 소정의 출력단과 연결되며,
    상기 출력단의 회전 속도는 상기 입력단의 회전 속도에 비해 소정의 감속비를 가지며 감속되는 판형 조화 감속기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 웨이브 제네레이터 부재는,
    수평 방향으로 연장되는 바 형태로 구성되며,
    상기 제3 중심축을 중심으로 하여, 상기 웨이브 제네레이터 부재의 일 단부와, 반대 방향 타 단부에는 하방향으로 돌출되는 프레싱 돌부가 구비되고,
    상기 프레싱 돌부는 상기 플렉스 스플라인 부재의 제2 치차부 위에 위치하여,
    상기 제1 치차부와 상기 제2 치차부는,
    상기 프레싱 돌부 아래에 위치하는 부분이 서로 치합되는 판형 조화 감속기.
  4. 제1항에 있어서,
    센터 샤프트;를 더 포함하고,
    상기 센터 샤프트는 상기 플렉스 스플라인 부재의 상기 제2 중심축에 연결되어,
    상기 플렉스 스플라인 부재와 상기 센터 샤프트가 일체로 회전하는 판형 조화 감속기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 서큘러 스플라인 부재는 중심에 상하로 관통된 제1 관통공을 갖고,
    상기 센터 샤프트는 상기 제1 관통공을 관통하여 하방향으로 연장되는 판형 조화 감속기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 관통공 내에는,
    상기 센터 샤프트가 상하로 관통되는 제1 베어링 부재가 배치되는 판형 조화 감속기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 웨이브 제네레이터 부재는 중심에 상하로 관통된 제3 관통공을 갖고,
    상기 센터 샤프트는 상기 제3 관통공을 관통하여 상방향으로 연장되는 판형 조화 감속기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 관통공 내에는,
    상기 센터 샤프트가 상하로 관통되는 제2 베어링 부재가 배치되는 판형 조화 감속기.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 플렉스 스플라인 부재는,
    상면에 상기 제2 중심축을 중심으로 하여 반경 방향 외측으로 갈수록 하방향으로 경사진 제2-2 경사면을 갖는 판형 조화 감속기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 웨이브 제네레이터 부재는,
    수평 방향으로 연장되는 바 형태로 구성되며,
    상기 웨이브 제네레이터 부재의 일 단과 타 단에는
    각각 프레싱 롤러가 구비되고,
    상기 프레싱 롤러는, 상기 플렉스 스플라인 부재의 제2 치차부 위에 위치하여,
    상기 제1 치차부와 상기 제2 치차부는,
    상기 프레싱 롤러 아래에 위치하는 부분이 서로 치합되는 판형 조화 감속기.
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