TWI608180B - 彈性滾柱、針齒擺線減速器和軸承 - Google Patents

Description

彈性滾柱、針齒擺線減速器和軸承

本發明涉及減速器技術領域，尤其涉及一種兼具柔性和強度的彈性滾柱、具有該彈性滾柱的針齒擺線減速器和軸承。

針齒擺線減速器目前已廣泛作為工業機器人的傳動裝置進行應用。尤其以RV型減速器為代表的針齒擺線減速器以其結構緊湊、傳動能力強，成為機器人系統最重要的部件。請參照第一圖所示，RV型針齒擺線減速器主要藉由針齒殼1、針齒2、擺線盤3、偏心軸4等所組成。偏心軸4旋轉帶動擺線盤3，使擺線盤3於針齒2上做擺線運動而推動擺線盤3前進。理論上可以有接近1/3齒數的針齒2同時與擺線盤3配合工作，即，有接近1/3齒數之針齒2可以同時受力承載。而於漸開線型之齒輪系統中一般僅有一到二個齒能同時工作，藉此可知，相比於其他形式之傳動，擺線傳動中，由於工作時有多個針齒參與承載，從而其傳動能力顯示出無可比擬的優越性。

惟，該種多齒同時承載之要求為其加工製造帶來了巨大困難。針齒2與擺線盤3的接觸可能會因加工、磨損及變形等各種原因產生的誤差與理論相差甚遠，故，針齒2和擺線盤3之加工必須十分精確，允許誤差極小，否則多齒同時承載之條件即遭到破壞，減速器將很快失 效，甚至比其他方式還不如；這時出現之情形可從第二圖中看出。

第二圖中示出了針齒2與擺線盤3相接觸的三種不同之情形。由於各種原因引起之偏差使針齒2僅於B處正好與擺線盤3相接觸，以正好地推動擺線盤3前進。而於A處，二者之間的距離過近，針齒2受到強烈壓縮，產生很大變形。儘管針齒2有可能仍能勉強地推動擺線盤3前進，惟，若針齒2所受壓力太大，針齒2可能會被壓碎，或者被很快地磨損，擺線盤3也同樣如此。故，該種情形係不能被允許的。於C處，二者之間距離變得過分大，以至針齒2根本接觸不到擺線盤3，使得針齒2不能推動擺線盤3前進。藉此可得，各種原因引起的接觸誤差可使同時承載的齒數降低，甚至還可使某些齒被“咬死”而破壞。

由於針齒2係一實心圓柱，剛度非常大，真正工作時產生之變形非常小；第二圖所示之接觸變化實際上係非常小的，一般僅為幾微米，肉眼係無法觀察到的，圖上所反映之變化實際上係極度地誇張放大了的。

為保證有更多針齒2同時參與承載，實際生產中往往選用過盈配合，即，使針齒2於受壓狀態下、但又不至於被壓垮之情形下工作，惟，該種工作範圍係非常有限的。因為實心滾柱可不被破壞地壓縮之能力實在太有限。可能也正係因為該種過分嚴格的要求，使得機器人使用之RV型針齒擺線減速器至今仍不能自主滿足要求，主要仍需依靠進口。

為解決該種窘境，目前所採取的措施主要係進一步提高加工精度，全面向進口原裝靠攏。而提高加工精度之主要措施係採購更高級、主要係進口之加工設備。惟，事實證明，單純這樣做並不能完全 地達到目的，而由此帶來之生產成本昂貴，也使人們懷疑將來能不能真正形成商品化，從而達到與國外產品競爭的能力。

有鑒於此，有必要對習知針齒擺線減速器作進一步改進，以解決上述問題。

本發明之目的在於提供一種兼具柔性和強度的彈性滾柱、具有該彈性滾柱的針齒擺線減速器和軸承。

為實現上述目的，本創作關於一種彈性滾柱，其包括空心滾柱以及設置於空心滾柱內側的實心滾柱，所述空心滾柱之內壁面與實心滾柱之外壁面之間設置有供空心滾柱發生彈性形變的浮動間隙，所述浮動間隙內填充有軟膠。

作為本發明之進一步改進，所述空心滾柱之壁厚為空心滾柱外徑的0.12-0.18倍。

作為本發明之進一步改進，於所述實心滾柱位於空心滾柱之軸心位置處時，所述浮動間隙均勻形成於實心滾柱周圍，並且浮動間隙沿空心滾柱徑向的大小為空心滾柱外徑的0.002-0.007倍。

本發明還提供了一種針齒擺線減速器，其包括擺線盤、環繞於擺線盤外側的針齒殼和夾持於擺線盤和針齒殼之間的針齒組件，所述針齒組件包括複數沿針齒殼內側圓周方向均勻分佈的彈性滾柱，所述彈性滾柱如前述設置。

本發明還提供了一種軸承，其包括間隔設置的外軸承環和內軸承環、設置於外軸承環和內軸承環之間且均勻設置的複數滾柱，所述滾 柱如前述彈性滾柱設置。

本發明藉由將彈性滾柱採用空實結合的方式進行製造，即空心滾柱位於外側，實心滾柱填充於空心滾柱內側，並於空心滾柱和實心滾柱之間設置可供空心滾柱發生形變的浮動間隙，由此可藉由浮動間隙提供空心滾柱一定的彈性變形空間，進而於選用過盈配合時能夠實現充分的彈性補償能力，又可藉由內側之實心滾柱提供一定的支撐力，防止空心滾柱因過大的載荷而被壓扁破壞，使得彈性滾柱具有抵抗強大的超載衝擊，強度較高，不會損壞，從而達到可靠的彈性補償目的，並進一步提高本發明彈性滾柱、針齒擺線減速器和軸承的使用壽命；另，結合上述可知，本發明中彈性滾柱的設置，還可降低習知技藝中滾柱、擺線盤和針齒殼的製造精度，方便製造，並且該種結構設置較為簡單，方便製造且成本較低。

100‧‧‧針齒擺線減速器

1‧‧‧曲柄軸

2‧‧‧擺線盤

21‧‧‧穿孔

3‧‧‧軸承

4‧‧‧針齒殼

5‧‧‧針齒組件

6‧‧‧輸出元件

51‧‧‧彈性滾柱

52‧‧‧空心滾柱

53‧‧‧實心滾柱

54‧‧‧浮動間隙

55‧‧‧軟膠

56‧‧‧彈性元件

541‧‧‧第一間隙

542‧‧‧第二間隙

31‧‧‧外軸承環

32‧‧‧內軸承環

33‧‧‧滾柱

第一圖係習知技藝中針齒擺線減速器之剖視示意圖。

第二圖係第一圖中圈出部位之放大圖。

第三圖係本發明針齒擺線減速器第一較佳實施例之剖視示意圖。

第四圖係第三圖中圈出部位之放大圖。

第五圖係第四圖中A處彈性滾柱於空心滾柱被擠壓至貼靠實心滾柱之使用狀態圖。

第六圖係本發明中彈性滾柱之第二較佳實施例的橫向剖視圖。

第七圖係第六圖中彈性滾柱之縱向剖視圖。

第八圖係本發明中彈性滾柱之第三較佳實施例的縱向剖視示意圖。

第九圖係本發明中軸承之剖視示意圖。

請參照第三圖至第七圖所示為本發明中針齒擺線減速器100之較佳實施方式。所述針齒擺線減速器100包括位於中間以連接伺服電動機(未圖示)之輸入軸(未圖示)、一體形成於輸入軸末端的輸入齒輪(未圖示)、嚙合設置於輸入齒輪周圍的行星齒輪(未圖示)、與行星齒輪相固定的曲柄軸1、與曲柄軸1配合設置的擺線盤2、配合設置於曲柄軸1和擺線盤2之間的軸承3、針齒殼4、夾持於擺線盤2和針齒殼4之間的針齒組件5以及與擺線盤2相配合設置的輸出元件6。所述擺線盤2上設置有收容所述曲柄軸1和軸承3的穿孔21。

其中，請參照第三圖和第四圖所示，所述針齒組件5包括複數沿針齒殼4內側圓周方向均勻分佈的彈性滾柱51。作為本發明之第一較佳實施例，所述彈性滾柱51包括空心滾柱52以及設置於空心滾柱52內側的實心滾柱53。所述空心滾柱52之內壁面與實心滾柱53之外壁面之間設置有供空心滾柱52發生彈性形變的浮動間隙54。

第四圖為第三圖中圈出部分之放大圖，為了能夠說明清楚，本圖以及本發明中有關彈性滾柱51之形變部分都係誇大示意地表示出來的。其中，第四圖中B處彈性滾柱51之浮動間隙54為正常狀態，空心滾柱52正常工作；A處空心滾柱52受到擠壓後於浮動間隙54處進行彈性變形。於正常工作狀態下，彈性滾柱51受到一合理的來自針齒殼4和擺線盤2的壓力，無論係A處或B處之空心滾柱52均可以正常地工作。

而當外界有強大的超載衝擊時，該壓力會極大地增加， 譬如說達到正常值之五倍以上時，可能會使空心滾柱52過分變形；而此時，如第五圖所示，於空心滾柱52被擠壓而壓到直接貼靠實心滾柱53時，可藉由實心滾柱53之有效支撐抵抗強大的超載衝擊，有效地避免空心滾柱52被過分擠壓變形而損壞。即，於外界施加非常強大的衝擊載荷時，只要實心滾柱53能夠支撐得住，空心滾柱52便不會被破壞，整個彈性滾柱51也就可以安全無恙。

優選地，本發明中空心滾柱52和實心滾柱53採用耐磨且具有高強度的軸承鋼或高分子碳纖維材料製成，所述空心滾柱52之壁厚設置為空心滾柱52外徑的0.12-0.18倍，優選為0.13至0.16倍；即外徑大一些之空心滾柱52壁厚可厚一些，外徑較小之空心滾柱52壁厚可薄一些。該種壁厚之設置可使得空心滾柱52本身就具有一定的抗衝擊強度，同時又於受到較大的外力擠壓時，可產生一定的彈性變形進行補償。

進一步地，對於所述浮動間隙54之設置，設置得過大容易導致空心滾柱52過分變形而被破壞，太小又起不到補償的作用。經過大量計算、實驗及測試後設置為，於所述實心滾柱53位於空心滾柱52之軸心位置處時，使所述浮動間隙54均勻形成於實心滾柱53周圍，由此可使得彈性滾柱51轉動工作時，整個圓周上之彈性補償力度相同，並且，使所述浮動間隙54沿空心滾柱52徑向的大小為空心滾柱52外徑的0.002-0.007倍。

請參閱第六圖和第七圖所示，作為本發明彈性滾柱51之第二較佳實施例，為方便安裝，所述浮動間隙54內填充有軟膠55，即藉由軟膠55將空心滾柱52和實心滾柱53進行預先固定，然後再一起裝至擺 線盤2和針齒殼4之間。所述軟膠55之承載力於力學分析上可以忽略不計。另，為使本發明中彈性滾柱51於軸向方向上之壓力分佈更加均勻一些，將所述實心滾柱53之兩端設置得稍微細一些，即，使得實心滾柱53呈腰鼓型。進一步地，所述實心滾柱53沿軸向之長度也設置為略小於空心滾柱52之長度，使得實心滾柱53之兩端均內縮入空心滾柱52內。

請參閱第八圖所示，作為本發明彈性滾柱51之第三較佳實施例，於所述浮動間隙54內進一步設置有彈性元件56。

於該實施例中，所述彈性元件56為套設於實心滾柱53周圍、並採用由圓彈簧鋼絲繞成的彈簧，第八圖中僅將彈簧56部分結構進行剖視示意；當然，所述彈簧也可為由扁帶狀的彈簧絲繞成環狀套於實心滾柱53周圍；另，作為另一種實施例，所述彈性元件56也可為環繞設置於所述實心滾柱53外側的波浪形金屬管。於設置彈性元件56後，因彈性元件56進一步的支撐和彈性作用，所述空心滾柱52之壁厚可相較第一和第二實施例中設置得相對薄一些，該種三層結構之設置可使得本發明彈性滾柱51具有更大的彈性和抗超載能力。

其中，於彈性元件56為彈簧設置時，彈簧未設置為夾持於空心滾柱52和實心滾柱53之間，即，使得空心滾柱52和彈簧56之間、彈簧56和實心滾柱53之間仍存在所述浮動間隙54；從而，所述浮動間隙54包括設置於空心滾柱52與彈簧56之間的第一間隙541和設置於彈簧56與實心滾柱53之間的第二間隙542。於所述實心滾柱53、彈簧56、空心滾柱52的軸線位於同一直線時，所述第一間隙541和第二間隙542沿徑向的大小為空心滾柱52外徑的0.003-0.007倍。藉由該種設置後，使得彈性滾 柱51受到外力衝擊時，可依次受到空心滾柱52、彈簧56和實心滾柱53之支撐，又有空心滾柱52於第一間隙541處之彈性補償、彈簧56本身之彈性補償、彈簧56於第二間隙542之彈性補償，進而使得載荷和補償效果均較好。

於所述彈性元件56為波浪形金屬管時，所述彈性元件56可夾持於空心滾柱52和實心滾柱53之間、或者與空心滾柱52和實心滾柱53之間亦存有浮動間隙54，此時，所述浮動間隙54沿與空心滾柱52內壁面或與實心滾柱53外壁面之間的大小為空心滾柱52外徑的0.003-0.007倍。

請結合第三圖和第九圖所示，於本發明針齒擺線減速器100之製造中，曲柄軸1和擺線盤2之間的軸承3也係一薄弱環節。所述軸承3通常包括間隔設置的外軸承環31和內軸承環32、設置於外軸承環31和內軸承環32之間且均勻設置的複數滾柱33。習知技藝中，軸承中之滾柱都使用實心無彈性的滾柱，由於加工誤差等原因，如滾柱部分，習知技藝中真正同時參與承載之滾柱數量比較少，且滾柱容易被損壞，軸承中之內外側軸承環也同樣如此。藉此，本實施方式中，所述軸承3之滾柱33也參考前述彈性滾柱51之各種實施例設置為彈性，藉此，該軸承3也可如上述彈性滾柱51部分所講承載率得到有效保證，同時其軸承3之製造精度也可得以降低。另，本發明中之該軸承3也可適用於其他需要設置軸承的產品(未圖示)上。

一般情形下，所述軸承3均設有所述外軸承環31和內軸承環32，以分別形成滾柱33的外滾道和內滾道；而於將軸承3應用於本發明 的針齒擺線減速器100上時，所述外軸承環31和內軸承環32也可直接由擺線盤2和曲柄軸1構成，即擺線盤2上穿孔21之內壁直接形成為所述外滾道，所述曲柄軸1之凸輪外表面形成為內滾道，藉此可使得滾柱33夾持設置於穿孔21內壁和曲柄軸1之凸輪外表面之間，一方面可減少零部件，降低成本，另一方面還可減小誤差的疊加，使得可直接藉由滾柱33呈彈性設置來抵消擺線盤2和曲柄軸1之間或滾柱33本身的製造誤差，並且使得滾柱33承載效果較好。

其中，所述滾柱33之直徑設置為略大於內滾道和外滾道之間的間隙，使得於靜止狀態下，滾柱33都係被壓扁略呈橢圓狀處於預應力狀態，擠於內滾道和外滾道之間，不會有空缺，這樣不會有個別滾柱33因超載而破壞，同時內滾道和外滾道表面也得到了有效保護。

綜合上述可知，本發明藉由將彈性滾柱51、33採用空實結合的方式進行製造，即空心滾柱52位於外側，實心滾柱53填充於空心滾柱52內側，並於空心滾柱52和實心滾柱53之間設置可供空心滾柱52發生形變的浮動間隙54，由此可藉由浮動間隙54提供空心滾柱52一定的彈性變形空間，進而於選用過盈配合時能夠實現充分的彈性補償能力，又可藉由內側的實心滾柱53提供一定的支撐力，防止空心滾柱52因過大載荷而被壓扁破壞，使得彈性滾柱51、33具有抵抗強大的超載衝擊，強度較高，不會損壞，從而達到可靠的彈性補償目的，並進一步提高本發明彈性滾柱51、33、針齒擺線減速器100和軸承3的使用壽命；另，結合上述可知，本發明中彈性滾柱51、33的設置，還可降低現有技術中滾柱、擺線盤和針齒殼的製造精度，方便製造，同時該種結構設置較為簡單， 方便製造且成本較低。

特別需要指出，對於本領域之普通技藝人員來說，在本發明之教導下所作之針對本發明之等效變化，仍應包含在本發明申請專利範圍所主張之範圍中。

2‧‧‧擺線盤

4‧‧‧針齒殼

51‧‧‧彈性滾柱

52‧‧‧空心滾柱

53‧‧‧實心滾柱

54‧‧‧浮動間隙

Claims (5)

1. 一種彈性滾柱，其包括：空心滾柱；實心滾柱，設置於空心滾柱內側；其中，所述空心滾柱之內壁面與實心滾柱之外壁面之間設置有供空心滾柱發生彈性形變的浮動間隙，所述浮動間隙內填充有軟膠。
2. 如申請專利範圍第1項所述之彈性滾柱，其中所述空心滾柱之壁厚為空心滾柱外徑的0.12-0.18倍。
3. 如申請專利範圍第2項所述之彈性滾柱，其中於所述實心滾柱位於空心滾柱之軸心位置處時，所述浮動間隙均勻形成於實心滾柱周圍，並且浮動間隙沿空心滾柱徑向的大小為空心滾柱外徑的0.002-0.007倍。
4. 一種針齒擺線減速器，包括擺線盤、環繞於擺線盤外側的針齒殼和夾持於擺線盤和針齒殼之間的針齒元件，其中，所述針齒組件包括複數沿針齒殼內側圓周方向均勻分佈的彈性滾柱，所述彈性滾柱如申請專利範圍第1至3項中任意一項所述設置。
5. 一種軸承，包括間隔設置的外軸承環和內軸承環、設置於外軸承環和內軸承環之間且均勻設置的複數滾柱，其中，所述滾柱如申請專利範圍第1至3項中任意一項所述之彈性滾柱設置。