TWI677634B - 具備諧波齒輪裝置的轉動傳達機構 - Google Patents

具備諧波齒輪裝置的轉動傳達機構 Download PDF

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Abstract

透過減速機將馬達(2)的轉動驅動力傳達至負荷側構件(5)的轉動傳達機構(1)，使用諧波齒輪裝置(3)作為減速機，動力傳達系統中諧波齒輪裝置(3)以外之構件的容許負荷扭矩，大於預定的上限負荷扭矩。諧波齒輪裝置(3)的容許負荷扭矩，是由設定成上限負荷扭矩以下的值的棘輪扭矩(ratcheting torque)所規定。諧波齒輪裝置(3)，在過負荷的狀態下產生棘輪效應，作為機械性保險絲發揮作用。無須追加扭矩限制器之類的其他構件，可保護其他的動力傳達構件免於過負荷狀態。

Description

具備諧波齒輪裝置的轉動傳達機構
本發明，關於「透過減速機將從轉動驅動源輸出的轉動驅動力傳達至負荷側構件」的轉動傳達機構，更詳細地說，是關於組入有諧波齒輪裝置作為減速機的轉動傳達機構。
在「由馬達等轉動驅動源所輸出的轉動，透過減速機減速並傳達至負荷側構件」的驅動裝置中，確保對過負荷的安全性是重要的課題。在構成驅動裝置之動力傳達系統的各零件，為了防止作用超出其容許負荷扭矩的過負荷扭矩，而追加了如同扭矩限制器(torque limiter)般，一旦傳遞轉矩超出上限值便形成打滑的零件，防止動力傳達系統之構成零件的破損。在專利文獻1中，提出了一種：在用來傳達來自於馬達之輸出轉動的動力傳達通路，插入扭矩限制器的驅動機構。
另外，採用沒有背隙之定位精確度高的諧波齒輪裝置，作為「使來自於馬達等轉動驅動源的輸出轉動 減速，而傳達至負荷側構件」的減速機。在專利文獻2中，提出了一種：使用諧波齒輪裝置作為減速機的減速機單元。就典型的諧波齒輪裝置而言，如專利文獻3、4所記載，已知有具備杯型之外齒齒輪的杯型諧波齒輪裝置、具備煙囪型之外齒齒輪的煙囪型諧波齒輪裝置、具備圓筒狀之外齒齒輪的平板型諧波齒輪裝置。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2015-55310號公報
[專利文獻2]日本特開2007-321879號公報
[專利文獻3]日本特開2011-144916號公報
[專利文獻4]日本特開2009-156462號公報
在傳統的轉動傳達機構中，配置扭矩限制器之類的零件，防止其他轉動力傳達零件的破損。藉由追加扭矩限制器之類的零件，恐有「轉動傳達系統的質量」、「組裝的誤差」、「尺寸」增加的疑慮。
本發明的課題是提供一種：能利用減速機，來防止該減速機以外之動力傳達系統的構成零件因過負荷而破損的轉動傳達機構。
為了解決上述的課題，本發明，是透過減速機將從轉動驅動源輸出的轉動驅動力傳達至負荷側構件的轉動傳達機構，其特徵為：具備由包含前述減速機的複數個動力傳達構件所構成的動力傳達系統，前述減速機為諧波齒輪裝置，前述諧波齒輪裝置以外之前述動力傳達構件的容許負荷扭矩，大於預定的上限負荷扭矩，前述諧波齒輪裝置的容許負荷扭矩，是由設定成前述上限負荷扭矩以下的值的棘輪扭矩(ratcheting torque)所規定，前述諧波齒輪裝置，作為機械性保險絲(mechanical fuse)發揮作用。
在本發明中，著眼於「諧波齒輪裝置的其中一個故障模式中，存在著過負荷時的棘輪效應(跳齒)」，而形成：當過負荷時，於最初令棘輪效應發生於諧波齒輪裝置。發生了棘輪效應的諧波齒輪裝置，變得無法繼續使用，藉由使該諧波齒輪裝置作為所謂的「機械性保險絲」發揮作用，可防止構成動力傳達系統的其他零件因過負荷而破損。
諧波齒輪裝置，一般而言具有：剛性的內齒齒輪；和配置於其內側之可撓性的外齒齒輪；及嵌合於其 內側之橢圓形輪廓的諧波產生器。由諧波產生器將外齒齒輪撓曲成橢圓形，而局部地咬合(嚙合)於內齒齒輪。當諧波產生器譬如被馬達所轉動驅動，而使諧波產生器轉動時，兩齒輪的嚙合位置便朝周方向移動，對應於兩齒輪之齒數差(通常是2齒的齒數差)，在兩齒之間產生相對轉動。
使外齒齒輪朝半徑方向撓曲，而局部地咬合(嚙合)於內齒齒輪。由剛性的齒輪彼此咬合所形成的一般減速機，相較於譬如行星齒輪減速機中內齒齒輪與行星齒輪之間的咬合，諧波齒輪裝置，在兩齒輪之間，同時咬合的齒數較多。因此，不會損及作為減速機的機能地調整兩齒輪的咬合狀態，使兩齒輪間的棘輪扭矩小於其他動力傳達構件的容許傳遞轉矩，能使諧波齒輪裝置作為機械性保險絲發揮作用。
舉例來說，前述諧波齒輪裝置之剛性的內齒齒輪及可撓性的外齒齒輪的雙方或者其中一方的齒之中，將圓周方向中之一部分的齒的齒深，相較於獲得「作為該諧波齒輪裝置的棘輪扭矩，且大於前述上限負荷扭矩」的值的場合，預先設定為較短的齒深。如此一來，可於兩齒輪之齒深較短的部分咬合時，發生棘輪效應。據此，能在不損及諧波齒輪裝置整體之機能的狀態下，使該諧波齒輪裝置作為機械性保險絲發揮作用，而避免動力傳達系統的其他零件成為過負荷狀態。
取而代之的是，將前述諧波齒輪裝置之剛性 的內齒齒輪連結固定於該諧波齒輪裝置之固定側構件的緊固力，相較於獲得「作為該諧波齒輪裝置的棘輪扭矩，且大於前述上限負荷扭矩」的值的場合，亦可針對前述內齒齒輪之圓周方向中的一部分，設定成較小的緊固力。如此一來，該部分的前述內齒齒輪與前述外齒齒輪的咬合剛性，較該部分以外之其他部分的咬合剛性更低。據此，能在兩齒輪於該部分咬合時產生棘輪效應，能在不損及諧波齒輪裝置整體之機能的狀態下，使該諧波齒輪裝置作為機械性保險絲發揮作用，而避免動力傳達系統的其他零件成為過負荷狀態。
前述諧波齒輪裝置之剛性的內齒齒輪及可撓性的外齒齒輪的雙方或者其中一方的齒之中，相較於獲得「該諧波齒輪裝置的棘輪扭矩大於前述上限負荷扭矩」的值的場合，也能視場合而設定成較短的齒深。
此外，將前述諧波齒輪裝置之可撓性的外齒齒輪朝半徑方向彎折而咬合(嚙合)於剛性的內齒齒輪時，前述外齒齒輪朝半徑方向的撓曲量，相較於獲得「作為前述諧波齒輪裝置的棘輪扭矩，且大於前述上限負荷扭矩」的值的場合，預先設定成較少的撓曲量的這點，也能視場合而定。
1‧‧‧轉動傳達機構
2‧‧‧馬達
2a‧‧‧輸出軸
3‧‧‧杯型諧波齒輪裝置
4‧‧‧聯結器(coupling)
5‧‧‧負荷側構件
6‧‧‧動力傳達機構
11‧‧‧裝置外殼
12‧‧‧內齒齒輪
12a‧‧‧內齒
13‧‧‧外齒齒輪
13a、13a(1)、13a(2)‧‧‧外齒
13b‧‧‧輪轂
13c‧‧‧輸出軸
14‧‧‧諧波產生器
21、21A‧‧‧緊固螺栓
31‧‧‧開槽(slotted)
h1、h0‧‧‧齒深
C‧‧‧節圓直徑(pitch diameter)
w、w1、w0‧‧‧撓曲量
L‧‧‧長軸
第1圖：是顯示具備「採用了本發明的杯型諧波齒輪 裝置」作為減速機之轉動傳達機構的其中一例的說明圖。
第2圖：是顯示第1圖的杯型諧波齒輪裝置的概略縱剖面圖及概略前視圖。
第3圖：是顯示「已縮短外齒齒輪之外齒的齒深」時的說明圖。
第4圖：是顯示「已使內齒齒輪之圓周方向的一部分形成低剛性部分」時的說明圖。
第5圖：是顯示「已降低外齒齒輪的撓曲量」時的說明圖。
以下，參考圖面說明採用了本發明之轉動傳達機構的實施形態。
第1圖，是顯示實施形態之轉動傳達機構的說明圖。轉動傳達機構1具備：本身是轉動驅動源的馬達2、對馬達2的輸出轉動予以減速的杯型諧波齒輪裝置3、用來傳達「從杯型諧波齒輪裝置3所輸出之減速轉動」的聯結器4、藉由「透過聯結器4所傳達的減速轉動」而驅動的機械手(robot hand)之類的負荷側構件5。
在圖面中，為了簡單地說明，就構成動力傳達系統6的動力傳達構件而言，僅顯示杯型諧波齒輪裝置3及聯結器4。一般的轉動傳達機構，馬達2與負荷側構件5之間的動力傳動系統，是由數量更多的零件所構成。
在轉動傳達機構1中，杯型諧波齒輪裝置3以外的動力傳達零件，譬如聯結器4、負荷側構件5側之構件的容許負荷扭矩，被設定成大於預定之上限負荷扭矩的值。相對於此，杯型諧波齒輪裝置3的容許負荷扭矩，是由設定成上限負荷扭矩以下的值的棘輪扭矩(ratcheting torque)所規定。
第2圖(a)，是顯示杯型諧波齒輪裝置3的概略縱剖面圖及概略前視圖。杯型諧波齒輪裝置3具備：筒狀的裝置外殼11、同軸地固定於該裝置外殼11之圓環狀的剛性內齒齒輪12、同軸地配置於該內齒齒輪12內側之杯型的外齒齒輪13、嵌合於該外齒齒輪13內側之橢圓形輪廓的諧波產生器14。諧波產生器14，連結於馬達2的輸出軸2a，由馬達2所轉動驅動。
杯型的外齒齒輪13中形成有外齒13a的部分，被諧波產生器14彎折成橢圓形，而位於橢圓形之長軸L兩端部分的外齒13a，嚙合(咬合)於內齒齒輪12的內齒12a。一旦諧波產生器14藉由馬達2而高速轉動，對應於兩齒輪12、13之齒數差的相對轉動，將產生於兩齒輪之間。由於內齒齒輪12被固定於固定側構件，亦即裝置外殼11，故外齒齒輪13轉動，減速轉動便從同軸地連結於其輪轂13b的輸出軸13c輸出，並透過聯結器4而傳達至負荷側構件5(請參考第1圖)。
在此，諧波齒輪裝置3之外齒齒輪13的外齒13a中，位於圓周方向之一部分的齒深，譬如在第3圖 (a)中，位於以一點鎖線A所圍繞之領域內的複數個外齒13a(2)的齒深，相較於前述以外之外齒13a(1)，是形成較短的齒深h1。
第3圖(b)，是顯示標準齒深的外齒13a(1)、及較短齒深h1的外齒13a(2)的說明圖。外齒13a(2)的齒深h1，相較於獲得「該諧波齒輪裝置3的棘輪扭矩大於上限負荷扭矩」的值的場合中的齒深h0，被設定成較短的齒深。舉例來說，外齒13a(2)的齒形是形成：藉由對以虛擬線所表示之齒深h0的外齒13a(1)，施以負值的移位而獲得之較短齒深h1的移位齒形。
一旦施加過負荷，在較短齒深h1之外齒13a(2)的部分咬合(嚙合)於內齒12a的狀態中，將產生棘輪效應，能避免其他動力傳達構件陷入過負荷狀態。亦即，在諧波齒輪裝置3中，既能維持其作為減速機的機能，又能使其棘輪扭矩形成上限負荷扭矩以下的值。諧波齒輪裝置3是動力傳達系統中最弱的部分，當過負荷時，最初在諧波齒輪裝置3產生棘輪效應而破損，能避免其他零件因過負荷而破損。
在此，亦可將內齒12a的齒深，在圓周方向的一部分形成較短的齒深，來取代外齒13a。外齒13a及內齒12a的雙方之中，也能將圓周方向中之一部分的外齒、內齒預先形成較短的齒深。
其次，亦可使將「諧波齒輪裝置3的內齒齒 輪12」連接固定於「該諧波齒輪裝置3的固定側構件，亦即裝置外殼11」的緊固力下降。亦即，相較於獲得「作為該諧波齒輪裝置3的棘輪扭矩，且大於前述上限負荷扭矩」的值的場合，亦可設定成較小的值，使兩齒輪的咬合(嚙合)剛性，於其圓周方向中的一部分形成下降，而使棘輪扭矩下降至上限負荷扭矩以下
舉例來說，如第2圖所示，內齒齒輪12，是沿著圓周方向以特定的節距(pitch)，由複數支緊固螺栓21(在第2圖(a)中以一點鎖線表示)連結固定於裝置外殼11。預先使內齒齒輪12之圓周方向中之一部分的緊固螺栓，譬如第2圖(b)所示，3支緊固螺栓21A所產生的緊固力，小於其他緊固螺栓21的緊固力。
其結果，由緊固螺栓21A所連結固定之內齒齒輪12的部分、與外齒齒輪13之間的咬合(嚙合)剛性，變得較內齒齒輪12的其他部分與外齒齒輪13之間的咬合(嚙合)剛性更低。據此，在「由該緊固螺栓21A所連結固定之部分的內齒」咬合(嚙合)於外齒的狀態下，能使棘輪扭矩形成上限負荷扭矩以下。
亦可在內齒齒輪12之圓周方向的一部分，形成「朝向半徑方向的剛性較其他部分更低」的部分，來取代「使緊固力局部地降低」的作法。
舉例來說，如第4圖所示，在由圓周方向之一部分緊固螺栓21所連結固定之內齒齒輪的部分，設置「從該緊固螺栓21的螺栓孔朝向半徑方向外側延伸至外 周面的開槽31」，相較於其他部分，能預先使半徑方向的剛性下降。
如同以上所說明，在本例的轉動傳達機構1中，使用諧波齒輪裝置3作為被配置於其動力傳達系統的減速機，而該諧波齒輪裝置3成為動力傳達系統中最弱的部分。如此一來，可將諧波齒輪裝置作為機械性保險絲使用，無須對動力傳達系統追加扭矩限制器之類的其他構件，可保護動力傳達系統的其他構成零件使其不會陷入過負荷狀態。
此外，諧波齒輪裝置3，不同於「由剛性的齒輪彼此咬合(嚙合)形成的行星齒輪減速機」等，具備能彈性變形的齒輪，齒輪間同時咬合(嚙合)的齒數較多。據此，能在不損及諧波齒輪裝置整體之機能的狀態下，作為機械性保險絲發揮作用。
(其他的實施形態)
上述的諧波齒輪裝置3雖為杯型諧波齒輪裝置、但也能使用煙囪型諧波齒輪裝置、平板型諧波齒輪裝置、以及其他的諧波齒輪裝置，這點是無庸置疑的。
在上述的諧波齒輪裝置3的外齒齒輪13中，有時也能使所有外齒13a的齒深預先形成較短的齒深h1。
為了使兩齒輪12、13的咬合(嚙合)變淺而降低棘輪扭矩，有時也能降低外齒齒輪13的撓曲量。真 圓狀態之外齒齒輪13的節圓(pitch circle)被彎折成橢圓形之後的形狀，成為被稱作橢圓形的節曲線(pitch curve)。在該場合中，外齒齒輪13的撓曲量w，在長軸L的位置，為節圓直徑C與節曲線的直徑之間的差值。
亦可如第5圖所示，將外齒齒輪13朝半徑方向彎折而咬合(嚙合)於內齒齒輪12時，外齒齒輪13朝半徑方向的撓曲量w1，相較於獲得「作為諧波齒輪裝置3的棘輪扭矩，且大於上限負荷扭矩」的值之場合的撓曲量w0，設定成較少的撓曲量。如此一來，可將棘輪扭矩設定成上限負荷扭矩以下的值。

Claims (3)

  1. 一種轉動傳達機構，是透過減速機將從轉動驅動源輸出的轉動驅動力傳達至負荷側構件的轉動傳達機構，其特徵為：具備由包含前述減速機的複數個動力傳達構件所構成的動力傳達系統，前述減速機為諧波齒輪裝置，前述動力傳達構件中前述諧波齒輪裝置以外之構件的容許負荷扭矩，大於預定的上限負荷扭矩，前述諧波齒輪裝置的容許負荷扭矩，是由設定成前述上限負荷扭矩以下的值的棘輪扭矩所規定，前述諧波齒輪裝置，作為機械性保險絲發揮作用，前述諧波齒輪裝置之剛性的內齒齒輪及可撓性的外齒齒輪的雙方或者其中一方的齒之中，將圓周方向中之一部分的齒的齒深，相較於該諧波齒輪裝置的容許負荷扭矩成為大於前述上限負荷扭矩的值時，設定成更短的齒深，如此一來，前述棘輪扭矩成為前述上限負荷扭矩以下的值。
  2. 一種轉動傳達機構，是透過減速機將從轉動驅動源輸出的轉動驅動力傳達至負荷側構件的轉動傳達機構，其特徵為：具備由包含前述減速機的複數個動力傳達構件所構成的動力傳達系統，前述減速機為諧波齒輪裝置，前述動力傳達構件中前述諧波齒輪裝置以外之構件的容許負荷扭矩，大於預定的上限負荷扭矩，前述諧波齒輪裝置的容許負荷扭矩，是由設定成前述上限負荷扭矩以下的值的棘輪扭矩所規定，前述諧波齒輪裝置，作為機械性保險絲發揮作用，前述諧波齒輪裝置之剛性的內齒齒輪連結固定於該諧波齒輪裝置的固定側構件的緊固力，相較於前述諧波齒輪裝置的容許負荷扭矩成為大於前述上限負荷扭矩的值時，將前述內齒齒輪之圓周方向的一部分設定成較小的緊固力，如此一來，前述棘輪扭矩成為前述上限負荷扭矩以下的值。
  3. 一種轉動傳達機構，是透過減速機將從轉動驅動源輸出的轉動驅動力傳達至負荷側構件的轉動傳達機構，其特徵為：具備由包含前述減速機的複數個動力傳達構件所構成的動力傳達系統，前述減速機為諧波齒輪裝置，前述動力傳達構件中前述諧波齒輪裝置以外之構件的容許負荷扭矩，大於預定的上限負荷扭矩，前述諧波齒輪裝置的容許負荷扭矩，是由設定成前述上限負荷扭矩以下的值的棘輪扭矩所規定，前述諧波齒輪裝置，作為機械性保險絲發揮作用，前述諧波齒輪裝置之剛性的內齒齒輪的圓周方向的一部分，相較於圓周方向的其他部分，是降低了半徑方向之剛性的低剛性部分，該低剛性部分的內齒與外齒齒輪的外齒之間的咬合剛性，是低於該部分以外之其他部分的咬合剛性，如此一來，前述棘輪扭矩成為前述上限負荷扭矩以下的值。
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