TWI762138B

TWI762138B - 諧波減速機及其分離式齒杯

Info

Publication number: TWI762138B
Application number: TW110100017A
Authority: TW
Inventors: 廖志勇
Original assignee: 東元電機股份有限公司
Priority date: 2021-01-04
Filing date: 2021-01-04
Publication date: 2022-04-21
Also published as: TW202227733A

Abstract

一種分離式齒杯應用於一諧波減速機，並包含一彈性齒環與一剛性齒杯。彈性齒環具有一彈性外齒輪部與一彈性內齒輪部，並受一波產生器驅動而旋轉。剛性齒杯可拆卸地連結彈性齒環，並具有一剛性外齒輪部，剛性外齒輪部嚙合彈性內齒輪部，且剛性齒杯的楊氏係數係大於彈性齒環的楊氏係數。其中，波產生器驅動彈性齒環旋轉時，彈性內齒輪部嚙合剛性外齒輪部而帶動剛性齒杯旋轉，且彈性外齒輪部嚙合於諧波減速機之一剛性齒輪。

Description

諧波減速機及其分離式齒杯

本發明係有關於一種齒杯，尤其是指一種諧波減速機及其分離式齒杯。

工業4.0帶起的生產智慧化浪潮，使得全球製造業不斷往智慧機械、自動化設備、機器人等科技運用方向發展，也開發出許多專業特殊的機構或零組件，例如：常應用於機器人的機械傳動零組件「諧波減速機」。

諧波減速機主要包含三個零組件，一波產生器（wave generator）、一彈性齒杯（flex spline，或稱柔輪）與一剛性齒輪（circular spline）。彈性齒杯會與剛性齒輪嚙合，且彈性齒杯的齒數會小於剛性齒輪的齒數，通常會少2齒，藉以來達到降低輸出轉速的「減速」的功效。也因此彈性齒杯需要具有彈性，且會隨著波產生器的形狀而呈橢圓形。

然而，先前技術的彈性齒杯的材料屬於特定公司的商業機密，故採購成本較高。彈性齒杯在軸向上的變形量不一致，因此，彈性齒杯的齒的高度會沿著軸向而有所變化，也可以視為是3D的齒型，故製程較為精密與複雜。彈性齒杯在波產生器轉動時，會整體產生變形，因此，轉矩損失較大，進而降低效率。此外，雖然材料的使用成本較高，但是因為3D齒型、整體產生變形以及變形量不一致的緣故，先前技術中的彈性齒杯在長時間使用的情況下，還是會發生破裂的情形。因此，先前技術存在改善的空間。

有鑒於在先前技術中，彈性齒杯所存在的採購成本高、製程複雜、轉矩損失大、效率低、使用壽命短等種種問題。本發明之一主要目的係提供分離式齒杯，用以解決先前技術中的至少一個問題。

本發明為解決先前技術之問題，所採用之必要技術手段為提供一種應用於諧波減速機之分離式齒杯，係應用於一諧波減速機，並包含一彈性齒環與一剛性齒杯。彈性齒環連結諧波減速機之一波產生器，具有一彈性外齒輪部與一彈性內齒輪部，並受波產生器驅動而旋轉。剛性齒杯可拆卸地連結彈性齒環，並具有一剛性外齒輪部，剛性外齒輪部係嚙合彈性內齒輪部，且剛性齒杯之楊氏係數係大於彈性齒環之楊氏係數。其中，波產生器驅動彈性齒環旋轉時，彈性內齒輪部嚙合剛性外齒輪部而帶動剛性齒杯旋轉，且彈性外齒輪部嚙合於諧波減速機之一剛性齒輪。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使應用於諧波減速機之分離式齒杯中之彈性齒環之材質，係包含一彈簧鋼。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使應用於諧波減速機之分離式齒杯中之剛性齒杯之材質，係包含一碳鋼。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使應用於諧波減速機之分離式齒杯中之剛性齒杯之材質之含碳量，係介於0.3%至2%。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使應用於諧波減速機之分離式齒杯中之彈性外齒輪部之每一彈性外齒，其高度皆相同。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使應用於諧波減速機之分離式齒杯中之剛性外齒輪部之剛性外齒之齒數，係小於等於彈性內齒輪部之彈性內齒之齒數，且彈性內齒輪部之彈性內齒之齒數係等於彈性外齒輪部之彈性外齒之齒數。

本發明為解決先前技術之問題，所採用之必要技術手段為提供一種諧波減速機，包含一轉軸、一波產生器、一分離式齒杯與一剛性齒輪。轉軸受操作地沿一旋轉方向旋轉。波產生器套設於轉軸上，並隨轉軸旋轉。分離式齒杯包含一彈性齒環與一剛性齒杯。彈性齒環連結波產生器，具有一彈性外齒輪部與一彈性內齒輪部，並受波產生器驅動而旋轉。剛性齒杯可拆卸地連結彈性齒環，並具有一剛性外齒輪部，且剛性外齒輪部嚙合彈性內齒輪部。剛性齒輪對應彈性齒環而設置。其中，波產生器驅動彈性齒環旋轉時，彈性內齒輪部嚙合剛性外齒輪部而帶動剛性齒杯旋轉，且彈性外齒輪部嚙合於諧波減速機之一剛性齒輪。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使諧波減速機中之彈性齒環之材質，係包含一彈簧鋼，且剛性齒杯之材質係包含一碳鋼。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使諧波減速機中之彈性外齒輪部之每一彈性外齒，其高度皆相同。

承上所述，本發明所提供之諧波減速機及其分離式齒杯，利用分離式齒杯中的彈性齒環與剛性齒杯，相較於先前技術，本發明的彈性齒環與剛性齒杯可以採用較常見的材料達到降低成本的功效，也因為僅有彈性齒環需要變形，故彈性齒環的彈性外齒可以採用相同的第一高度（2D的齒型），進而達到降低製程難易度與複雜度的功效。另外，因為變形的僅有彈性齒環，故可以減少變形量提升使用壽命，並且降低轉矩損失，進而提升效率。

下面將結合示意圖對本發明的具體實施方式進行更詳細的描述。根據下列描述和申請專利範圍，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

請參閱第一圖至第四圖，其中，第一圖係顯示本發明較佳實施例所提供之諧波減速機及其分離式齒杯之立體圖；第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之諧波減速機及其分離式齒杯之分解圖；第三圖係顯示第二圖之圈B所示之局部放大圖；以及，第四圖係顯示第二圖之圈C所示之局部放大圖。如圖所示，一種諧波減速機100包含一分離式齒杯1、一波產生器2、一轉軸3、一剛性齒輪4與一背板5。

剛性齒輪4連結於背板5。轉軸3沿一軸向DA依序穿設過波產生器2與背板5。分離式齒杯1對應波產生器2與剛性齒輪4而設置，並且會套設於轉軸3。

分離式齒杯1包含一彈性齒環11與一剛性齒杯12。彈性齒環11連結波產生器2，並具有一彈性外齒輪部與一彈性內齒輪部。彈性外齒輪部包含複數個彈性外齒111（在此標示其中一者示意）。彈性內齒輪部包含複數個彈性內齒112（在此標示其中一者示意）。

在本實施例中，彈性齒環11的材質為常見的彈簧鋼。彈簧鋼指的是製造各類彈簧及其他彈性元件的專用合金鋼，一般均在鋼內加入矽、錳、鉻、鉬等合金元素，藉以具備高彈性限界、高疲勞限界、不易產生永久變形及耐衝擊等特性。此外，彈性齒環11的材質也可以是常見的303不鏽鋼（SUS303）或304不鏽鋼（SUS304）。

每個彈性外齒111在軸向DA上都具有一第一高度H1，需說明的是，同一個彈性外齒111的第一高度H1在軸向DA上的不同位置都相同，不同彈性外齒111之間的第一高度H1也相同。因此，相較於先前技術，本發明的彈性外齒111可以視為是2D的齒型，製程較為簡單。同理，每個彈性內齒112在軸向DA上都具有一第二高度H2，也可以視為是2D的齒型。

剛性齒杯12可拆卸地連結彈性齒環11，並具有一剛性外齒輪部。剛性外齒輪部包含複數個剛性外齒121（在此標示其中一者示意）。其中，剛性外齒121彼此之間的高度也相同，也可以視為是2D的齒型。剛性外齒121的齒數會比彈性內齒112的齒數少，而彈性內齒112的齒數會與彈性外齒111的齒數相等。在本實施例中，彈性外齒111的齒數為60，剛性外齒121的齒數為58。順帶一提，剛性齒輪4的內齒41的齒數為62。

在本實施例中，剛性齒杯12的材質也為常見的中碳鋼（S45C），但不以此為限。剛性齒杯12也可以採用軸承鋼（SUJ2）。中碳鋼的含碳量大約介於0.3%至0.6%。而軸承鋼通常屬於高碳鋼，含碳量約介於0.6%至2%。

其中，剛性齒杯12的材質的楊氏係數（Young’s modulus）會大於彈性齒環11的材質的楊氏係數。因此，剛性齒杯12相較於彈性齒環11較不易產生形變。一般來說，剛性齒杯12採用的材質的楊氏係數約介於200至210GPa，彈性齒環11採用的材質的楊氏係數約為193GPa。

最後，請一併參閱第一圖至第六圖，其中，第五圖係顯示第一圖之A─A剖面示意圖；第六圖係顯示第五圖之波產生器旋轉一圈之示意圖。如圖所示，諧波減速機100的轉軸3係受操作地沿一第一旋轉方向D1旋轉。

轉軸3沿第一旋轉方向D1旋轉時，會帶動波產生器2一起沿第一旋轉方向D1旋轉。波產生器2的外輪廓呈橢圓狀，彈性齒環11具彈性並連結於波產生器2，故也會一併呈橢圓狀。因此，彈性齒環11的彈性外齒111只有在橢圓的長軸兩頂點處會與剛性齒輪4的內齒41嚙合。而彈性齒環11的彈性內齒112則是在橢圓的短軸兩頂點處會與剛性齒杯12的剛性外齒121嚙合。

需說明的是，圖式標示彈性外齒111、111a、111b，說明書內容中，彈性外齒111a、111b是在需要詳細說明的時候使用；彈性外齒111則表示一個統稱。同理，剛性外齒121、121a、121b亦相同。

在轉軸3準備沿第一旋轉方向D1帶動波產生器2一起旋轉之前，彈性外齒111a、111b與剛性外齒121a、121b的相對位置如第五圖所示。此時，與正上方的剛性齒輪4嚙合的為彈性外齒111a，而剛性外齒121a與剛性外齒121b則會分別對應彈性外齒111a與彈性外齒111b。

當轉軸3沿第一旋轉方向D1帶動波產生器2旋轉一圈後，彈性齒環11會沿一與第一旋轉方向D1相反的第二旋轉方向D2旋轉，剛性齒杯12也會受彈性齒環11帶動而沿第二旋轉方向D2旋轉。此時，與正上方的剛性齒輪4嚙合的變為彈性外齒111b，彈性外齒111a則是沿第二旋轉方向D2移動大約2齒。另外，剛性外齒121b也會沿第二旋轉方向D2旋轉來對應彈性外齒111a，如第六圖所示。

也就是說，實際上，轉軸3與波產生器2沿第一旋轉方向D1旋轉1圈時，彈性齒環11與剛性齒杯12則會沿第二旋轉方向D2反向旋轉，並且每個彈性外齒111會相對剛性齒輪4的內齒41後退2齒，每個剛性外齒121也會相對彈性內齒112（彈性外齒111）而後退2齒。

換句話說，在本實施例中，轉軸3與波產生器2沿第一旋轉方向D1旋轉30圈時，彈性齒環11會沿第二旋轉方向D2反向旋轉1圈，此時，彈性齒環11的彈性外齒111與剛性齒輪4的內齒41所形成的減速比就是30：1。這也就是藉由諧波減速機100的特殊設計，來達到降低輸出轉速的「減速」的目的。

在旋轉的過程中，分離式齒杯1不需要像先前技術中的彈性齒杯要整體變形，只有彈性齒環11需要變形，故相較於先前技術，本發明的彈性齒環11的彈性外齒111可以採用相同的第一高度H1（2D的齒型）。另外，也可以採用楊氏係數較高的材質製作剛性齒杯12以提升分離式齒杯1的結構強度。再者，在旋轉的過程中，本發明僅有彈性齒環11需要變形而剛性齒杯12無須變形，故使用壽命較長，且變形量少，故相較於先前技術本發明的轉舉損失較小，進而效率較高。

本實施例中的諧波減速機100，除了分離式齒杯1外，其餘的零組件與先前技術的操作原理皆相同，屬於所屬技術領域中的公知常識，例如：轉軸3一般受一馬達而驅動，並安裝在諧波減速機100的輸入端、彈性齒環11則是安裝在諧波減速機100的輸出端等，故不多加贅述。

需說明的是，在本實施例中，剛性齒杯12的剛性外齒121的齒數小於彈性內齒112的齒數，其用意在於使剛性外齒121的模數與彈性內齒112的模數相同，使得剛性外齒121與彈性內齒112的嚙合情形較佳。而雖然剛性外齒121的齒數小於彈性內齒112的齒數，有可能達成些許增速的情形，使得最終減速比略低於30：1，例如29：1、28：1，但是仍然能達到減速的功效，且嚙合情形較佳，使得運作更為順暢，也可以提高使用壽命。

在本發明其他實施例中，剛性外齒121的齒數也可以等於彈性內齒112的齒數，例如：彈性內齒112的齒數與剛性外齒121的齒數皆為60。此時，剛性外齒121的模數將會與彈性內齒112的模數相異，雖然可能使得剛性外齒121與彈性內齒112的嚙合情形沒有本實施例的嚙合情形來得佳，但是，剛性外齒121的齒數等於彈性內齒112的齒數，將不會造成增速的情形，因此，最終減速比將會維持在30：1。因為彈性內齒112的齒數與彈性外齒111的齒數會相同，故上述剛性外齒121與彈性內齒112的齒數大小關係可以類推至與彈性外齒111的齒數。

綜上所述，本發明所提供之諧波減速機及其分離式齒杯，利用分離式齒杯中的彈性齒環與剛性齒杯，相較於先前技術，本發明的彈性齒環與剛性齒杯可以採用較常見的材料達到降低成本的功效，也因為僅有彈性齒環需要變形，故彈性齒環的彈性外齒可以採用相同的第一高度（2D的齒型），進而達到降低製程難易度與複雜度的功效。另外，因為變形的僅有彈性齒環，故可以減少變形量提升使用壽命，並且降低轉矩損失，進而提升效率。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

100:諧波減速機 1:分離式齒杯 11:彈性齒環 111,111a,111b:彈性外齒 112:彈性內齒 12:剛性齒杯 121,121a,121b:剛性外齒 2:波產生器 3:轉軸 4:剛性齒輪 41:內齒 5:背板 DA:軸向 D1:第一旋轉方向 D2:第二旋轉方向 H1:第一高度 H2:第二高度

第一圖係顯示本發明較佳實施例所提供之諧波減速機及其分離式齒杯之立體圖；第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之諧波減速機及其分離式齒杯之分解圖；第三圖係顯示第二圖之圈B所示之局部放大圖；第四圖係顯示第二圖之圈C所示之局部放大圖；第五圖係顯示第一圖之A─A剖面示意圖；以及第六圖係顯示第五圖之波產生器旋轉一圈之示意圖。

100:諧波減速機

1:分離式齒杯

11:彈性齒環

111:彈性外齒

112:彈性內齒

12:剛性齒杯

121:剛性外齒

2:波產生器

3:轉軸

4:剛性齒輪

41:內齒

5:背板

DA:軸向

Claims

一種應用於諧波減速機之分離式齒杯，係應用於一諧波減速機，並包含：一彈性齒環，係連結該諧波減速機之一波產生器，具有一彈性外齒輪部與一彈性內齒輪部，並受該波產生器驅動而旋轉；以及一剛性齒杯，係可拆卸地連結該彈性齒環，並具有一剛性外齒輪部，該剛性外齒輪部係嚙合該彈性內齒輪部，該剛性齒杯之楊氏係數係大於該彈性齒環之楊氏係數，該剛性外齒輪部之剛性外齒之齒數係小於等於該彈性內齒輪部之彈性內齒之齒數，且該彈性內齒輪部之彈性內齒之齒數係等於該彈性外齒輪部之彈性外齒之齒數；其中，該波產生器驅動該彈性齒環旋轉時，該彈性內齒輪部嚙合該剛性外齒輪部而帶動該剛性齒杯旋轉，且該彈性外齒輪部係嚙合於該諧波減速機之一剛性齒輪。
如請求項1所述之應用於諧波減速機之分離式齒杯，其中，該彈性齒環之材質係包含一彈簧鋼。
如請求項1所述之應用於諧波減速機之分離式齒杯，其中，該剛性齒杯之材質係包含一碳鋼。
如請求項3所述之應用於諧波減速機之分離式齒杯，其中，該剛性齒杯之材質之含碳量係介於0.3%至2%。
如請求項1所述之應用於諧波減速機之分離式齒杯，其中，該彈性外齒輪部之每一彈性外齒之高度皆相同。
一種諧波減速機，包含：一轉軸，係受操作地沿一旋轉方向旋轉；一波產生器，係套設於該轉軸上，並隨該轉軸旋轉；一分離式齒杯，包含：一彈性齒環，係連結該波產生器，具有一彈性外齒輪部與一彈性內齒輪部，並受該波產生器驅動而旋轉；以及一剛性齒杯，係可拆卸地連結該彈性齒環，並具有一剛性外齒輪部，該剛性外齒輪部係嚙合該彈性內齒輪部，該剛性齒杯之楊氏係數係大於該彈性齒環之楊氏係數，該剛性外齒輪部之剛性外齒之齒數係小於等於該彈性內齒輪部之彈性內齒之齒數，且該彈性內齒輪部之彈性內齒之齒數係等於該彈性外齒輪部之彈性外齒之齒數；以及一剛性齒輪，係對應該彈性齒環而設置；其中，該波產生器驅動該彈性齒環旋轉時，該彈性內齒輪部嚙合該剛性外齒輪部而帶動該剛性齒杯旋轉，且該彈性外齒輪部係嚙合於該諧波減速機之該剛性齒輪。
如請求項6所述之諧波減速機，更包含一背板，該背板係供該剛性齒輪設置與連結。
如請求項6所述之諧波減速機，其中，該彈性齒環之材質係包含一彈簧鋼，且該剛性齒杯之材質係包含一碳鋼。
如請求項6所述之諧波減速機，其中，該彈性外齒輪部之每一彈性外齒之高度皆相同。