KR20210155225A

KR20210155225A - 마찰 파동 감속기

Info

Publication number: KR20210155225A
Application number: KR1020200072464A
Authority: KR
Inventors: 주상완
Original assignee: 씨앤엠로보틱스 주식회사
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-22
Also published as: KR102345641B1

Abstract

본 발명은 주로 산업용 로봇의 관절에 사용되는 종래의 파동 치차 장치에서 구동원리를 변경한 마찰 파동 감속기에 관한 것으로서, 최외곽에 원추가압면을 갖는 웨이브 제너레이터(Wave generator)와; 내측에 상기 웨이브 제너레이터가 수용되어 상기 원추가압면이 밀착하여 내접하는 원추마찰관을 갖는 무치(Toothless)형 플렉스 스플라인(Flex spline)과; 내측에 상기 무치형 플렉스 스플라인이 수용되어 서로 축대칭을 이루는 복수의 지점에서 상기 원추마찰관이 내접하는 내접원추마찰면을 가짐으로써 상기 무치형 플렉스 스플라인과 내접마찰차(Internal friction wheel)를 이루는 무치(Toothless)형 서큘러 스플라인(Circular spline); 및 상기 웨이브 제너레이터를 축방향으로 잡아당김으로써 상기 원추마찰관과 상기 내접원주마찰면 간의 마찰력을 발생시키기 위한 인장수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 종래의 파동 치차 장치가 갖는 단점들을 극복하여 상대적으로 생산성이 높음은 물론 회전정밀도가 높고 진동 및 소음 발생이 없는 감속기를 제공할 수 있다.

Description

마찰 파동 감속기{TRACTIONAL STRAIN WAVE REDUCER}

본 발명은 주로 산업용 로봇의 관절에 사용되는 감속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 파동 치차 장치에서 구동원리를 변경한 마찰 파동 감속기에 관한 것이다.

일반적으로, 산업용 로봇, 공작기계, 반도체공정 등과 같이 동작의 정밀도가 요구되는 분야에 적용되는 감속기로는 파동 치차 장치(Strain wave gearing), RV감속기, 유성치차 감속기 등이 있다.

그중에서도, 소위 하모닉 드라이브(Harmonic Drive^TM)라고도 불리는 파동 치차 장치는 1:30~1:320의 높은 감속비를 고정밀도로 구현하면서도 간단한 구조를 가짐으로써 소형화, 경량화에 유리하여 산업용 로봇 분야에서는 널리 채택되어 사용되어 오고 있다.

종래의 파동 치차 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 웨이브 제너레이터(Wave generator, 11), 플렉스 스플라인(Flex spline, 12), 서큘러 스플라인(Circular spline, 13)을 핵심구성요소로 하며, 도 2에 도시된 바와 같이 모터축과 일체로 회전하는 타원형의 웨이브 제너레이터(11)가 회전함에 따라 이를 에워싼 탄성체인 플렉스 스플라인(12)이 회전하는 웨이브 제너레이터(11)의 모양에 맞추어 변형을 일으킨다. 그리고, 플렉스 스플라인(12)은 외측에 치합된 서큘러 스플라인(13)과 일정한 잇수차를 갖고 있어서, 웨이브 제너레이터(11)의 단위회전 시 플렉스 스플라인(12)은 상기 잇수차만큼의 각도로 역방향으로 회전하는(a -> b -> c -> d) 감속비가 구현된다.

그러나, 이러한 원리의 파동 치차 장치(10)는 상기한 바와 같은 장점들에도 불구하고 플렉스 스플라인(12)에 치형을 형성하기 위한 설계 및 정밀가공이 이루어져야 하는 관계로 제작이 어렵고 원가 또한 높아진다는 문제가 있었다.

또한, 상기 치형의 형성으로 치면간의 마찰에 따른 마모가 생기거나 치형의 가공오차 내지 형상오차가 존재하는 경우에는 회전정밀도가 떨어지고 진동 및 소음이 발생한다는 문제가 있었다.

또한, 상기 치형의 형성은 필연적으로 백래쉬(Backlash)를 가지므로 회전유격을 가진다는 문제가 있었다.

[선행기술문헌]

공개특허공보 제2018-0127794호(공개일자: 2018.11.30.)

공개특허공보 제2017-0139191호(공개일자: 2017.12.19.)

특허등록 제2033409호(등록일자: 2019.10.11.)

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 파동 치차 장치의 구동원리를 변경함으로써 상기와 같이 종래의 파동 치차 장치가 갖는 단점들을 극복하여 상대적으로 생산성이 높음은 물론 회전정밀도가 높고 진동 및 소음 발생이 없는 마찰 파동 감속기를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 최외곽에 원추가압면을 갖는 웨이브 제너레이터(Wave generator)와; 내측에 상기 웨이브 제너레이터가 수용되어 상기 원추가압면이 밀착하여 내접하는 원추마찰관을 갖는 무치(Toothless)형 플렉스 스플라인(Flex spline)과; 내측에 상기 무치형 플렉스 스플라인이 수용되어 서로 축대칭을 이루는 복수의 지점에서 상기 원추마찰관이 내접하는 내접원추마찰면을 가짐으로써 상기 무치형 플렉스 스플라인과 내접마찰차(Internal friction wheel)를 이루는 무치(Toothless)형 서큘러 스플라인(Circular spline); 및 상기 웨이브 제너레이터를 축방향으로 잡아당김으로써 상기 원추마찰관과 상기 내접원주마찰면 간의 마찰력을 발생시키기 위한 인장수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 파동 감속기를 제공한다.

여기서, 상기 인장수단은 상기 웨이브 제너레이터로부터 축방향으로 연장되어 상기 플렉스 스플라인의 중심을 통과하는 연장샤프트와, 상기 연장샤프트를 상기 플렉스 스플라인에 대하여 회전가능하게 지지하는 베어링 및 상기 연장샤프트에 결합하여 상기 베어링에 밀착됨으로써 축방향으로 지지되는 플러그를 포함할 수도 있다.

이때, 상기 플러그의 내주면과 상기 연장샤프트의 외주면 간에는 서로 나사결합이 이루어짐으로써 이를 통해 상기 플러그의 상기 웨이브 제너레이터에 대한 인장력을 조절할 수 있도록 구성할 수도 있다.

한편, 상기 웨이브 제너레이터는 캠(Cam)과, 상기 캠의 외주면에 결합하는 앵귤러 컨택트(Angular contact) 타입의 플렉시블 베어링(Flexible bearing)을 포함하며, 상기 원추가압면은 상기 플렉시블 베어링의 외륜(Outer race)의 외주면으로 이루어질 수도 있다.

이때, 상기 플렉시블 베어링의 내륜(Innter race)은 상기 캠의 외주면으로 이루어짐으로써 상기 캠의 일부를 이루도록 할 수도 있다.

그리고, 상기 플렉시블 베어링은 볼 베어링(Ball bearing) 또는 롤러 베어링(Roller bearing)일 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 마찰 파동 감속기에 의하면 기존의 플렉스 스플라인과 서큘러 스플라인 간의 치합구조를 면대면 접촉의 마찰결합 구조로 전환함으로써 치형의 설계나 정밀가공이 불필요하다는 이점이 있고, 결과적으로 기존 하모닉 드라이브에 비해 상대적으로 제작공수가 적게 들어 생산성이 높다. 특히, 웨이브 제너레이터의 타원반경이나 외곽 형상치수가 정확하지 않더라도 축방향으로 설치되는 위치를 조절함으로써 내외 원추면 간의 마찰접촉을 달성할 수 있으므로 가공정밀도의 부담이 적다.

또한, 기존의 치형으로 인한 소형화의 한계를 극복하여 초소형 및 초경량의 감속기를 제공할 수 있다. 물론, 치형이 형성되지 않으므로 내마모성 및 내구성 또한 더 좋아진다.

나아가, 높은 면압에 의한 상대적 미끄럼이 없는 정격용량의 범위 내에서는 회전정밀도가 대단히 높으며 백래쉬가 전혀 없다. 또한, 치형의 가공오차나 형상오차 등이 아예 존재하지 않으므로 고속회전에서도 진동이나 소음이 거의 발생하지 않는다. 또한, 기존의 치합구조에서 필수적이었던 고가의 윤활유가 불필요하다.

도 1은 종래의 파동 치차 장치의 주요부 분해사시도,
도 2는 도 1의 파동 치차 장치의 결합상태에서의 동작단계별 평면도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마찰 파동 감속기와 모터의 결합사시도 및 단면도,
도 5 및 도 6은 도 4에서 마찰 파동 감속기를 분리하여 도시한 확대된 사시도 및 단면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 마찰 파동 감속기(100)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 일측면에 결합된 모터(20)의 구동축(21)에 웨이브 제너레이터(110)가 결합하여 일체로 회전하고, 이에 따라 이를 에워싼 탄성체인 플렉스 스플라인(120)이 회전하는 웨이브 제너레이터(110)의 모양에 맞추어 변형을 일으키며(도 2 참조) 그 외측의 서큘러 스플라인(130)에 대하여 일정한 비율로 역방향으로 회전함으로써 출력단(122)의 감속비를 구현한다는 점에서는 종래의 파동 치차 장치(도 1 및 도 2의 10 참조)와 실질적으로 동일하다.

다만, 기존의 플렉스 스플라인(도 1의 12)과 서큘러 스플라인(도 1의 13)이 치합관계인 반면, 본 발명에 따른 플렉스 스플라인(120)과 서큘러 스플라인(130)은 면대면 접촉의 마찰결합 관계라는 점에 핵심적인 차이가 있다.

본 실시예에서는 이와 같은 마찰결합 관계를 구현하기 위해, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 웨이브 제너레이터(110)측 플렉시블 베어링(Flexible bearing, 111)은 그 외륜(Outer race, 112)의 외주면(112a)이 좌측이 높고 우측이 낮은 경사면, 즉 원추가압면으로 이루어져 그 수직되는 방향으로 외측에 밀착된 플렉스 스플라인(120)에 압력을 가하게 된다.

상기 압력은 웨이브 제너레이터(110)의 중심으로부터 축방향으로 연장되는 연장샤프트(114)를 축방향으로 잡아당기는 플러그(160)에 의해 발휘된다. 이를 위해, 베어링(150)이 플렉스 스플라인(120)의 중심부에 형성되는 실린더면(123)에 밀착 삽입되어 내측의 연장샤프트(114)를 회전가능하게 지지한다. 연장샤프트(114)에 결합하는 플러그(160)는 베어링(150)의 내륜에 축방향으로 밀착되는 방식으로 웨어브 제너레이터(110)를 잡아당긴다. 여기서, 베어링(150)은 앵귤러 컨택트(Angular contact) 타입일 수도 있으며, 플렉스 스플라인(120)의 중심부 형상에 따라서는 스러스트 베어링(Thrust bearing)이 채용될 수도 있다.

상기 플렉시블 베어링(111)은 축방향의 힘을 반경방향으로 전달할 수 있는 앵귤러 컨택트 타입인 것이 바람직하며 그 예는 도시된 바와 같으며, 기타 원추형 궤도륜을 가지는 플렉시블 베어링 또는 테이퍼 롤링 베어링도 적용 가능하다.

특히, 본 실시예에서는 캠(113)의 외주면(113a)이 플렉시블 베어링(111)의 내륜(Inner race)의 형상 및 기능을 겸하도록 일체로 형성된다.

플러그(160)가 웨이브 제너레이터(110)를 축방향으로 잡아당기는 힘은 조절가능하도록 구성되며, 본 실시예에서는 상기 플러그(160)의 내주면과 연장샤프트(114)의 외주면 간에 나사결합이 이루어지도록 함으로써 플러그(160)의 회전조절에 따라 웨이브 제너레이터(110)를 잡아당기는 힘(즉, 인장력)이 조절될 수 있도록 한다. 이에 따라 최외곽의 원추가압면(112a)이 플렉스 스플라인(120)에 가하는 압력을 조절할 수 있다.

이때, 플렉시블 베어링(111)은 도시된 바와 같이 볼 베어링(Ball bearing)일 수도 있으나, 상대적으로 강한 힘을 전달하게 될 경우에는 롤러 베어링(Roller bearing)으로 대체될 수도 있다.

플렉스 스플라인(120)은 상기 원추가압면(112a)에 대응하여 좌측이 넓고 우측으로 갈수록 좁아지는 원추마찰관(121)을 갖는다. 이에 따라, 원추가압면(112a)은 원추마찰관(121)에 밀착하여 내접하게 된다. 이 원추마찰관(121)에는 치형이 형성되지 않으므로 이러한 원추마찰관(121)을 갖는 플렉스 스플라인(120)을 "무치(Toothless)형" 플렉스 스플라인이라 부르기로 한다.

또한, 원추마찰관(121)에 대응하여 외측의 서큘러 스플라인(130)의 내주면에는 좌측이 넓고 우측으로 갈수록 좁아지는 내접원추마찰면(131)을 갖는다. 이 내접원추마찰면(131)에도 치형이 형성되지 않으므로 이러한 내접원추마찰면(131)을 갖는 서큘러 스플라인(130)을 "무치(Toothless)형" 서큘러 스플라인이라 부르기로 한다.

이에 따라, 원추마찰관(121)과 내접원추마찰면(131) 사이에는 웨이브 제너레이터(110)의 캠(113)의 형상에 따라 서로 축대칭을 이루는 2지점 또는 3 이상의 지점에서 서로 접촉(즉, 내접)한다.

결과적으로, 무치형 플렉스 스플라인(120)과 무치형 서큘러 스플라인(130)은 복수의 지점에서 서로 접촉하는 내접마찰차(Internal friction wheel)을 이루며, 서로 간의 원주방향으로의 길이차에 따른 감속비를 구현하게 된다.

한편, 이상에서 설명된 마찰 파동 감속기(100)는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이므로 후술하는 청구범위 내지 그 균등범위에 의해 정의되는 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위는 상기 설명된 바에 한정되지 않는다.

100: 마찰 파동 감속기
110: 웨이브 제너레이터(Wave generator)
111: 플렉시블 베어링(Flexible bearing)
112: 외륜(Outer race)
112a: 원추가압면
113: 캠(Cam)
113a: 외주면
114: 연장샤프트
120: (무치형) 플렉스 스플라인(Flex spline)
121: 원추마찰관
122: 출력단
123: 실린더면
130: 서큘러 스플라인(Circular spline)
131: 내접원추마찰면
150: 베어링
160: 플러그(Plug)

Claims

최외곽에 원추가압면을 갖는 웨이브 제너레이터(Wave generator)와;
내측에 상기 웨이브 제너레이터가 수용되어 상기 원추가압면이 밀착하여 내접하는 원추마찰관을 갖는 무치(Toothless)형 플렉스 스플라인(Flex spline)과;
내측에 상기 무치형 플렉스 스플라인이 수용되어 서로 축대칭을 이루는 복수의 지점에서 상기 원추마찰관이 내접하는 내접원추마찰면을 가짐으로써 상기 무치형 플렉스 스플라인과 내접마찰차(Internal friction wheel)를 이루는 무치(Toothless)형 서큘러 스플라인(Circular spline); 및
상기 웨이브 제너레이터를 축방향으로 잡아당김으로써 상기 원추마찰관과 상기 내접원주마찰면 간의 마찰력을 발생시키기 위한 인장수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 파동 감속기.
제1항에 있어서,
상기 인장수단은
상기 웨이브 제너레이터로부터 축방향으로 연장되어 상기 플렉스 스플라인의 중심을 통과하는 연장샤프트와, 상기 연장샤프트를 상기 플렉스 스플라인에 대하여 회전가능하게 지지하는 베어링 및 상기 연장샤프트에 결합하여 상기 베어링에 밀착됨으로써 축방향으로 지지되는 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 파동 감속기.
제2항에 있어서,
상기 플러그의 내주면과 상기 연장샤프트의 외주면 간에는 서로 나사결합이 이루어짐으로써 이를 통해 상기 플러그의 상기 웨이브 제너레이터에 대한 인장력을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 마찰 파동 감속기.
제1항에 있어서,
상기 웨이브 제너레이터는
캠(Cam)과, 상기 캠의 외주면에 결합하는 앵귤러 컨택트(Angular contact) 타입의 플렉시블 베어링(Flexible bearing)을 포함하며,
상기 원추가압면은
상기 플렉시블 베어링의 외륜(Outer race)의 외주면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 파동 감속기.
제4항에 있어서,
상기 플렉시블 베어링의 내륜(Innter race)은 상기 캠의 외주면으로 이루어짐으로써 상기 캠의 일부를 이루는 것을 특징으로 하는 마찰 파동 감속기.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 플렉시블 베어링은 볼 베어링(Ball bearing)인 것을 특징으로 하는 마찰 파동 감속기.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 플렉시블 베어링은 롤러 베어링(Roller bearing)인 것을 특징으로 하는 마찰 파동 감속기.