TWI444549B - 諧波齒輪減速機及其波形產生器 - Google Patents

Description

諧波齒輪減速機及其波形產生器

本提案係關於一種減速機及其內部元件，特別是關於諧波齒輪減速機及其波形產生器。

一般於機器手臂機構設計過程中，會考量到馬達的重量限制，以及預設扭力的輸出需求。因此會選用功率較小及低扭力但高轉速輸出的馬達，再搭配適當減速比之諧波齒輪減速機(Harmonic Drive or Wave Gear Drive)來提高輸出扭力以達到輸出需求。諧波齒輪減速機與一般的齒輪傳動結構相比，具有運動精度高、幾乎零背隙、傳動比大、重量輕、體積小、以及承載能力大等優點。因此諧波齒輪應用的層面相當廣泛，除了用在多軸機械手臂關節外，在工具機進給系統、精密儀器的微調機構中也都是相當關鍵的零組件之一。

諧波齒輪減速機的構造，其主要包括一波形產生器(Wave Generator)、一撓性外齒杯(Flexspline)及一剛性內齒環(Circular spline)。當諧波齒輪減速機運轉時，橢圓凸輪因一高速軸輸入而旋轉，並迫使軸承的一外環產生彈性變形，以連動撓性外齒杯彈性變形而與剛性內齒環產生部分囓合。此時，撓性外齒杯開始相對剛性內齒環運動，由於撓性外齒杯與剛性內齒環的齒數相差極少，因此撓性外齒杯即可以低轉速輸出相當的扭力。

然而，由於諧波齒輪減速機係為精度需求相當高的裝置，當加工組裝所造成的誤差量或是因磨耗而產生元件配合的誤差量達到0.01mm時，即會影響到撓性外齒杯與剛性內齒環的囓合效果，例如產生背隙(back lash)，進而造成運轉精度偏差的問題。有鑒於此，如何克服諧波齒輪減速機因加工組裝或運轉磨耗所產生的尺寸誤差，已是目前研究人員所要追求的目標。

本提案在於提供一種諧波齒輪減速機及其波形產生器，藉以克服諧波齒輪減速機因加工組裝或運轉磨耗所產生的尺寸誤差。

本提案所揭露之諧波齒輪減速機，其包含一剛性內齒環、一撓性外齒杯及一波形產生器。撓性外齒杯設置於剛性內齒環內。波形產生器設置於撓性外齒杯內，且波形產生器包含一凸輪、一凸輪外環套及一軸承。凸輪具有一斜錐面，且斜錐面與凸輪的一旋轉軸線夾一銳角。凸輪外環套套設於凸輪，且與斜錐面相接觸。軸承環繞設置於凸輪外環套，且夾設於撓性外齒杯與凸輪外環套之間。其中，凸輪可沿著旋轉軸線而相對凸輪外環套位移，使斜錐面推抵凸輪外環套，令凸輪外環套產生變形，以調整凸輪外環套之外型輪廓。一外力帶動凸輪及凸輪外環套旋轉，並透過軸承而迫使撓性外齒杯彈性變形而部分嚙合於剛性內齒環，並且使剛性內齒環與撓性外齒杯相嚙合之位置沿著一環形路徑移動。

本提案所揭露之用於諧波齒輪減速機的波形產生器，係設置於諧波齒輪減速機的一撓性外齒杯內。波形產生器包含一凸輪、一凸輪外環套及一軸承。凸輪具有一斜錐面，且斜錐面與凸輪的一旋轉軸線夾一銳角。凸輪外環套套設於凸輪，且與斜錐面相接觸。軸承環繞設置於凸輪外環套。其中，凸輪可沿著旋轉軸線而相對凸輪外環套位移，使斜錐面推抵凸輪外環套，令凸輪外環套產生變形，以調整凸輪外環套之外型輪廓。

根據上述本提案所揭露之諧波齒輪減速機及其波形產生器，係藉由凸輪的斜錐面之設計，使得波形產生器的凸輪外環套可透過凸輪的軸向位移而達到調整其外型輪廓的效果，以補償諧波齒輪減速機因加工組裝或運轉磨耗所產生的尺寸誤差之問題。

有關本提案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

請參照「第1圖」至「第3圖」，「第1圖」係為根據本提案一實施例之諧波齒輪減速機的結構示意圖，「第2圖」係為根據本提案一實施例之諧波齒輪減速機的結構分解示意圖，「第3圖」係為根據本提案一實施例之波形產生器的部分結構分解示意圖。

本提案所揭露之諧波齒輪減速機10(Harmonic Drive)，其包含一剛性內齒環200(Circular Spline)、一撓性外齒杯300(Flexspline)及一波形產生器100(Wave Generator)。其中，剛性內齒環200係為一環形體，其內側壁面上具有複數個環狀排列的內齒202。撓性外齒杯300設置於剛性內齒環200內。撓性外齒杯300係為一杯形體，其具有相對的一開口部306及一底部308。並且，撓性外齒杯300於其開口部306與底部308之間的表面上設有複數個環狀排列的外齒302，這些外齒302係對應於剛性內齒環200的內齒202。一般而言，外齒302的齒數係少於內齒202的齒數約2-4齒，但不以此為限。並且，在本實施例或其他實施例當中，撓性外齒杯300的底部308可具有一接合結構304，接合結構304可包含多個螺孔，但不以此為限。接合結構304用以使撓性外齒杯300與一輸出軸(未繪示)相接。

此外，波形產生器100經由撓性外齒杯300的開口部306而被套設於撓性外齒杯300內，波形產生器100包含一凸輪110、一凸輪外環套120及一軸承130。其中，凸輪110係為一橢圓凸輪，但不以此為限。凸輪110具有相對的一第一側面111及一第二側面112，以及介於第一側面111及第二側面112之間的一環形的斜錐面113。斜錐面113與凸輪110的一旋轉軸線A夾一銳角θ(如「第3圖」所示)。其中，本實施例之銳角θ的值可為2至5度，但不以此為限，熟悉此項技藝者可根據實際需求調整銳角θ的設計值。此外，凸輪110的第一側面111上更可具有一接合結構115，本實施例之接合結構115可為一貫穿凸輪110的套接孔，但不以此為限。接合結構115用以使凸輪110與一輸入軸(未繪示)相接。

請繼續參照「第2圖」及「第3圖」。本實施例之凸輪外環套120係套設於凸輪110，且與斜錐面113相接觸。其中，凸輪外環套120的材質可採用撓性較佳的材質，如金屬。

軸承130環繞設置於凸輪外環套120，且夾設於撓性外齒杯300與凸輪外環套120之間。其中，本實施例之軸承130可以是滾珠型軸承，但不以此為限。譬如在其他實施例當中，軸承130也可以是滾柱型軸承。

在本實施例或其他實施例當中，凸輪外環套120係可包含一環形側壁122以及一設置於環形側壁122一側的端板124，以使其外型概略為一杯形體。其中，環形側壁122具有相對的一內壁面1221及一外壁面1222，內壁面1221係與斜錐面113相接觸，外壁面1222係與軸承130相接觸。此外，凸輪外環套120的端板124係面向凸輪110的第二側面112。其中，凸輪110可沿著旋轉軸線A而相對凸輪外環套120位移，使斜錐面113推抵凸輪外環套120的環形側壁122，令凸輪外環套120的環形側壁122產生變形，以調整由環形側壁122所構成之凸輪外環套120的外型輪廓。並且，當一外力(譬如輸入軸)帶動凸輪110及凸輪外環套120旋轉時，係透過軸承130而迫使撓性外齒杯300彈性變形而使部分的外齒302嚙合於剛性內齒環200的內齒202。並且，剛性內齒環200之內齒202與撓性外齒杯300之外齒302相嚙合之位置係沿著一環形路徑移動，以使得撓性外齒杯300相對剛性內齒環200以較低的轉速旋轉而達到減速效果。

接著，將針對如何調整凸輪外環套120之外型輪廓的原理進行說明。請同時參照「第3圖」及「第4圖」，「第4圖」係為根據本提案一實施例之調整波形產生器之外型輪廓的示意圖。

詳細來說，當凸輪外環套120套設於凸輪110時，環形側壁122的內壁面1221係與斜錐面113接觸。由於斜錐面113係為一傾斜面，使得斜錐面113不與內壁面1221平行。因此凸輪外環套120套設於凸輪110時，斜錐面113係與內壁面1221相干涉而迫使環形側壁122彈性變形而向外擴張，進而改變凸輪外環套120的外型輪廓。並且，由於斜錐面113靠近第二側面112的一端與旋轉軸線A的距離D2係小於斜錐面113靠近第一側面111的一端 與旋轉軸線A的距離D1，因此若凸輪110的第二側面112與端板124越靠近(即凸輪110越深入凸輪外環套120內)，則環形側壁122受到斜錐面113的推抵而越往軸承130的方向外擴，使得凸輪外環套120具有較大的外型輪廓。相反地，若凸輪110的第二側面112與端板124之距離越遠，則環形側壁122往軸承130方向外擴的幅度便較小，使得凸輪外環套120具有較小的外型輪廓。

如此一來，藉由調整凸輪外環套120之環形側壁122的外擴幅度，可使得軸承130的外型輪廓透過外壁面1222的推抵而一併地改變，以達到調整整體波形產生器100之外型輪廓的效果。

因此，藉由上述凸輪110的斜錐面113之設計，使得波形產生器100可透過凸輪110相對凸輪外環套120之軸向位移而達到調整外型輪廓的效果，以用來補償諧波齒輪減速機10因加工組裝或運轉磨耗所產生的尺寸誤差之問題。

請繼續參照「第2圖」及「第3圖」。此外，在本實施例或其他實施例當中，凸輪110的第二側面112上更具有一定位柱114，凸輪外環套120的端板124上更具有一定位孔1241。當凸輪外環套120套設於凸輪110時，定位柱114係插設於定位孔1241內，以達到凸輪110與凸輪外環套120之間的定位效果，以確保凸輪110相對凸輪外環套120軸向位移時能夠保持共軸心。

此外，在本實施例或其他實施例當中，凸輪外環套120上更可具有複數道軸向延伸的開槽1224。並且，這些開槽1224彼此間係環繞旋轉軸線A而間隔排列，且這些開槽1224係由環形側壁122遠離端板124的一側朝端板124延伸。如此一來，藉由開槽1224的設置，更可增加凸輪外環套120的撓性。需注意的是，上述開槽1224的開設及延伸方向並非用以限定本提案，在其他實施例當中，凸輪外環套120上更可同時具有由端板124朝環形側壁122延伸的複數道開槽1224’，如「第6圖」所示。

請接著參照「第2圖」並同時搭配「第5圖」，「第5圖」係為第1圖沿著55剖面線的諧波齒輪減速機之剖視圖。

在本實施例或其他實施例當中，波形產生器100更可具有至少一第一軸向調整件141及一第二軸向調整件142，第一軸向調整件141及一第二軸向調整件142係用以調整凸輪110相對凸輪外環套120的軸向位移，以控制凸輪外環套120的外型輪廓。而在本實施例圖示中，係以一對第一軸向調整件141及一對第二軸向調整件142為例，但不以此為限。並且，本實施例之第一軸向調整件141及第二軸向調整件142係可分別為一螺栓，且第一軸向調整件141的長度係小於第二軸向調整件142的長度。

此外，凸輪外環套120的端板124上更可具有至少一貫穿的螺孔1244。更進一步來說，本實施例之螺孔1244的數量係匹配於第一軸向調整件141的數量。其中，第一軸向調整件141鎖附並穿設過螺孔1244，使得第一軸向調整件141的一端係抵靠於凸輪110的第二側面112。工程人員可藉由調整第一軸向調整件141相對螺孔1244的位置(譬如增加第一軸向調整件141穿設出端板124的長度)，使得第一軸向調整件141的一端推抵凸輪110的第二側面112，而使凸輪110的第二側面112朝遠離端板124之方向位移，以縮減凸輪外環套120的外型輪廓。

此外，凸輪外環套120的端板124上更可具有至少一貫穿的通孔1243，凸輪110的第二側面112上更可具有至少一螺孔118。更進一步來說，本實施例之通孔1243與螺孔118的數量係匹配於第二軸向調整件142的數量。其中，第二軸向調整件142穿設過通孔1243並鎖附於螺孔118。工程人員可藉由調整第二軸向調整件142相對螺孔118的位置(譬如增加第二軸向調整件142鎖入螺孔118內的長度)，以令凸輪110的第二側面112與凸輪外環套120的端板124相靠近，以增加凸輪外環套120的外型輪廓。

因此，藉由適當地調整第一軸向調整件141相對螺孔1244的位置以及第二軸向調整件142相對螺孔118的位置，可容易地改變凸輪110相對凸輪外環套120的軸向位置，以達到調整整體波形產生器100之外型輪廓的效果。

根據上述實施例之諧波齒輪減速機及其波形產生器，係藉由凸輪的斜錐面之設計，使得波形產生器可透過凸輪相對凸輪外環套軸向位移而達到調整外型輪廓的效果。如此一來，本實施例之波形產生器的結構設計可用來補償諧波齒輪減速機因加工組裝或運轉磨耗所產生的尺寸誤差(如背隙)之問題。

此外，藉由凸輪外環套上的開槽設計，可增加凸輪外環套的撓性，以提升調整波形產生器之整體外型輪廓的效果。

並且，搭配第一軸向調整件以及第二軸向調整件的設置，令工程人員可容易的改變凸輪相對凸輪外環套的軸向位置，以增加波形產生器之實際微調的操作便利性。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．諧波齒輪減速機

100．．．波形產生器

110．．．凸輪

111．．．第一側面

112．．．第二側面

113．．．斜錐面

114．．．定位柱

115．．．接合結構

118．．．螺孔

120．．．凸輪外環套

122．．．環形側壁

1221．．．內壁面

1222．．．外壁面

1224．．．開槽

1224’．．．開槽

124．．．端板

1241．．．定位孔

1243．．．通孔

1244．．．螺孔

130．．．軸承

141．．．第一軸向調整件

142．．．第二軸向調整件

200．．．剛性內齒環

202．．．內齒

300．．．撓性外齒杯

302．．．外齒

304．．．接合結構

306．．．開口部

308．．．底部

第1圖係為根據本提案一實施例之諧波齒輪減速機的結構示意圖。

第2圖係為根據本提案一實施例之諧波齒輪減速機的結構分解示意圖。

第3圖係為根據本提案一實施例之波形產生器的部分結構分解示意圖。

第4圖係為根據本提案一實施例之調整波形產生器之外型輪廓的示意圖。

第5圖係為第1圖沿著55剖面線的諧波齒輪減速機之剖視圖。

第6圖係為根據本提案另一實施例之凸輪外環套的結構示意圖。

10．．．諧波齒輪減速機

100．．．波形產生器

110．．．凸輪

111．．．第一側面

112．．．第二側面

113．．．斜錐面

114．．．定位柱

115．．．接合結構

120．．．凸輪外環套

122．．．環形側壁

1221．．．內壁面

1222．．．外壁面

1224．．．開槽

124．．．端板

1241．．．定位孔

130．．．軸承

141．．．第一軸向調整件

142．．．第二軸向調整件

200．．．剛性內齒環

202．．．內齒

300．．．撓性外齒杯

302．．．外齒

304．．．接合結構

306．．．開口部

308．．．底部

Claims (14)

1. 一種諧波齒輪減速機，包含：一剛性內齒環；一撓性外齒杯，設置於該剛性內齒環內；以及一波形產生器，設置於該撓性外齒杯內，其包含：一凸輪，具有一斜錐面，且該斜錐面與該凸輪的一旋轉軸線夾一銳角；一凸輪外環套，套設於該凸輪，且與該斜錐面相接觸；以及一軸承，環繞設置於該凸輪外環套，且夾設於該撓性外齒杯與該凸輪外環套之間；其中，該凸輪可沿著該旋轉軸線而相對該凸輪外環套位移，使該斜錐面推抵該凸輪外環套，令該凸輪外環套產生變形，以調整該凸輪外環套之外型輪廓，一外力帶動該凸輪及該凸輪外環套旋轉，並透過該軸承而迫使該撓性外齒杯彈性變形而部分嚙合於該剛性內齒環，並且使該剛性內齒環與該撓性外齒杯相嚙合之位置沿著一環形路徑移動。
2. 如請求項1所述之諧波齒輪減速機，其中該凸輪更具有一定位柱，該凸輪外環套更包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該端板具有一定位孔，該凸輪的該斜錐面與該環形側壁相接觸，且該定位柱插設於該定位孔。
3. 如請求項1所述之諧波齒輪減速機，其中該凸輪外環套更包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該凸輪的該斜錐面與該環形側壁相接觸，該端板上具有一貫穿的螺孔，該波形產生器更具有一第一軸向調整件，鎖附並穿設過該螺孔，且該第一軸向調整件的一端抵靠於該凸輪。
4. 如請求項1所述之諧波齒輪減速機，其中該凸輪外環套更包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該凸輪的該斜錐面與該環形側壁相接觸，該端板上具有一通孔，該凸輪具有一螺孔，該波形產生器更具有一第二軸向調整件，該第二軸向調整件穿設過該通孔並鎖附於該螺孔。
5. 如請求項1所述之諧波齒輪減速機，其中該凸輪外環套具有複數道開槽。
6. 如請求項5所述之諧波齒輪減速機，其中該凸輪外環套包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該些開槽係由該環形側壁遠離該端板的一側朝該端板延伸。
7. 如請求項5所述之諧波齒輪減速機，其中該凸輪外環套包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該些開槽係由該端板朝該環形側壁延伸。
8. 一種用於諧波齒輪減速機的波形產生器，設置於該諧波齒輪減速機的一撓性外齒杯內，該波形產生器包含：一凸輪，具有一斜錐面，且該斜錐面與該凸輪的一旋轉軸線夾一銳角；一凸輪外環套，套設於該凸輪，且與該斜錐面相接觸；以及一軸承，環繞設置於該凸輪外環套；其中，該凸輪可沿著該旋轉軸線而相對該凸輪外環套位移，使該斜錐面推抵該凸輪外環套，令該凸輪外環套產生變形，以調整該凸輪外環套之外型輪廓。
9. 如請求項8所述之波形產生器，其中該凸輪更具有一定位柱，該凸輪外環套更包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該端板具有一定位孔，該凸輪的該斜錐面與該環形側壁相接觸，且該定位柱插設於該定位孔。
10. 如請求項8所述之波形產生器，其中該凸輪外環套更包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該凸輪的該斜錐面與該環形側壁相接觸，該端板上具有一貫穿的螺孔，該波形產生器更具有一第一軸向調整件，鎖附並穿設過該螺孔，且該第一軸向調整件的一端並抵靠該凸輪。
11. 如請求項8所述之波形產生器，其中該凸輪外環套更包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該凸輪的該斜錐面與該環形側壁相接觸，該端板上具有一通孔，該凸輪具有一螺孔，該波形產生器更具有一第二軸向調整件，該第二軸向調整件穿設過該通孔並鎖附於該螺孔。
12. 如請求項8所述之波形產生器，其中該凸輪外環套具有複數道開槽。
13. 如請求項12所述之波形產生器，其中該凸輪外環套包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該些開槽係由該環形側壁遠離該端板的一側朝該端板延伸。
14. 如請求項12所述之波形產生器，其中該凸輪外環套包含一環形側壁以及一設置於該環形側壁一側的端板，該些開槽係由該端板朝該環形側壁延伸。