双旋转驱动装置 |
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| 申请号 | CN201310683698.7 | 申请日 | 2013-12-13 | 公开(公告)号 | CN104607982B | 公开(公告)日 | 2017-12-08 |
| 申请人 | 财团法人工业技术研究院; | 发明人 | 吴进发; 许晋谋; 萧锡鸿; 李秋红; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种双旋转驱动装置，包括：座体； 枢接 该座体以承载 工件 的轴单元、设置于该座体上的第一及第二驱动单元，该第一与第二驱动单元均具有 马 达与 齿轮 组，各该马达分别与各该齿轮组同轴连接，且各该齿轮组均连接该轴单元。本发明通过两马达与两齿轮组的设计，能以较小的马达、较小的体积而产生较大的扭 力 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种双旋转驱动装置，其包含有： |
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| 说明书全文 | 双旋转驱动装置技术领域[0001] 本发明涉及一种可旋转的机械，尤指一种用于配置转体的双旋转驱动装置。 背景技术[0002] 由于今日工具机的计算机数值控制（computer numerical control,CNC）的控制器的运算速度大幅提升，加上计算机辅助设计（computer-aided design,CAD）及计算机辅助制造（computer-aided manufacturing,CAM）的软件技术不断演进，因此使得多轴加工技术蓬勃发展。 [0003] 图1为现有多轴式加工设备8的立体示意图。该加工设备8于一机台80上设置一第一滑轨组81，并于该第一滑轨组81设置一工作台82，该工作台82供设置欲加工件（图略）。该机台80架立有一架体83，并于该架体83上设置一第二滑轨组84，再于该第二滑轨组84上设置一第三滑轨组85，而该第一滑轨组81、第二滑轨组84与该第三滑轨组85三者为相互垂直，而构成一个可以进行X、Y、Z三轴向位移的系统。该第三滑轨组85上设置有一支撑件86，且该支撑件86设置一可旋转的主轴承载头1。 [0004] 现有主轴承载头1包含一叉式轴座10与一轴单元11。该叉式轴座10可相对于该支撑件86进行旋转（如图中的箭头方向C），且其左、右侧10a,10b之间具有容置空间100，以轴接该轴单元11于该容置空间100内。该轴单元11具有一用以夹持刀具9的主轴110及一轴接于该容置空间100内并带动该主轴110的旋转座111，通过该旋转座111于该容置空间100内摇摆（如图中的箭头方向A）以带动该刀具9进行摇摆运动，并配合该叉式轴座10的旋转，即可实现多轴向加工的功能。 [0006] 对于伺服马达搭配减速机构的技术而言，如美国专利US5,257,883、US5,996,329等专利，由于伺服马达输出的扭力值较小，因此其所使用的减速机构必须选用高减速比(数十倍至百倍)的设计，才能将扭力值放大，以符合主轴承载头1的工作所需。另外，现有技术有以蜗轮、蜗杆搭配皮带轮作为减速构件，而蜗轮大部分为铜质材料，易发生磨耗现象，导致齿隙超过容许值。因此，遂有扭矩马达(Torque Motor)直接驱动旋转主轴承载头的发明。 [0007] 对于扭矩马达直接驱动的技术而言，以中国台湾专利公告第I314075号专利(即美国专利US7,293,340)为例，虽然扭矩马达具有较高扭力输出的能力，因而具有低动力耗损与高转速等特性，但若从设计观点来看，当扭矩马达规格需要提高时，体积与成本也会随的增加。 [0008] 此外，若以扭矩马达搭配减速机构的设计，如美国专利US7,470,095号专利，该扭矩马达与该主轴承载头的旋转轴心并非同轴设置，其所能选用的扭矩马达的规格与传动机构的可配置空间受限。又，由于输入与输出并非同轴设计，因此其动态平衡性仍有再加以改进的必要。 [0009] 因此，鉴于上述技术的缺失，本领域的人员遂发展出一种驱动结构的设计，即中国台湾专利公开第201204506号专利，通过扭矩马达（图略）与该行星齿轮式减速机构（图略）以同轴方式设于现有主轴承载头1的叉式轴座10的左侧10a内部（或右侧10b内部），可提升扭矩密度与分散动力负载。 [0010] 然而，现有驱动结构的设计（即中国台湾专利公开第201204506号专利）中，该行星齿轮式减速机构于运作时，因行星齿轮、太阳齿轮及环齿轮之间啮合齿的齿隙，故将影响该轴单元11(如图1所示)的定位精度(Positioning accuracy)与重复精度(repeatability accuracy)。 [0011] 因此，如何克服前述现有技术中的种种缺失，实已成目前亟欲解决的课题。 发明内容[0012] 鉴于上述现有技术的缺失，本发明的主要目的为提供一种双旋转驱动装置，能以较小的马达、较小的体积而产生较大的扭力。 [0013] 本发明的双旋转驱动装置包括：座体；轴单元，其枢接该座体，以承载工件；第一驱动单元，其设置于该座体上，并具有第一马达与第一齿轮组，该第一马达与该第一齿轮组同轴连接，该第一齿轮组则连接至该轴单元；以及第二驱动单元，其设置于该座体上，并具有第二马达与第二齿轮组，该第二马达与该第二齿轮组同轴连接，该第二齿轮组则连接至该轴单元。 [0014] 前述的双旋转驱动装置通过两马达与两齿轮组，能以较小的马达、较小的体积而产生较大的扭力。 [0015] 于一实施例中，前述的双旋转驱动装置可将两驱动单元对称且同轴地设置于该座体的相对两侧，藉此，两驱动单元将从该座体的两侧驱动，使驱动该轴单元的扭力更加平均，且两马达之间可相互协调控制，以消除齿轮之间的传动齿隙。 [0016] 于一实施例中，两齿轮组为行星式齿轮组以作为减速机构，通过两组齿轮组的设计，可设置更多数量的行星齿轮，以更平均地分散动力负载。 [0017] 由上可知，本发明采用两个马达(扭矩马达或伺服马达)分别搭配齿轮组以输出扭力，不仅可以较小规格的马达产生较大扭力，且整体的双旋转驱动装置具有较小的回转直径与较小的外部体积，使得工作机械具有较大的加工（如切削）能力、较大的加工空间与较高的加工灵活性。 [0019] 图1为现有多轴加工机械装置的立体示意图； [0020] 图2为本发明的双旋转驱动装置的立体示意图； [0021] 图3为本发明的双旋转驱动装置的前视剖面示意图； [0022] 图4为本发明的双旋转驱动装置的齿轮组的侧面示意图；以及 [0023] 图5为本发明的双旋转驱动装置的上视示意图。 [0024] 符号说明 [0025] 1 主轴承载头 [0026] 10 叉式轴座 [0027] 10a 左侧 [0028] 10b 右侧 [0029] 100 容置空间 [0030] 11,23 轴单元 [0031] 110,230 主轴 [0032] 111,231 旋转座 [0033] 2 双旋转驱动装置 [0034] 20 座体 [0035] 20a 第一侧 [0036] 20b 第二侧 [0037] 20c 底面 [0038] 20d 顶面 [0039] 200 凹部 [0040] 21 第一驱动单元 [0041] 21a 第一马达 [0042] 21b 第一齿轮组 [0043] 210,220 马达座 [0044] 211,221 马达定子 [0046] 213,223 心轴 [0047] 214,224 轴承 [0048] 215,225 太阳齿轮 [0049] 216,226 行星齿轮 [0050] 216a,226a轴件 [0051] 217,227 环形齿轮 [0052] 218,228 行星架 [0053] 219,229 冷却流道 [0054] 22 第二驱动单元 [0055] 22a 第二马达 [0056] 22b 第二齿轮组 [0057] 24 煞车装置 [0058] 240 煞车盘片 [0060] 26 速度编码器 [0061] 8 加工设备 [0062] 80 机台 [0063] 81 第一滑轨组 [0064] 82 工作台 [0065] 83 架体 [0066] 84 第二滑轨组 [0067] 85 第三滑轨组 [0068] 86 支撑件 [0069] 9 刀具 [0070] A、B、C 箭头方向 [0071] D 回转直径 [0072] H 间隔。 具体实施方式[0074] 须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士的了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如「上」、「顶」、「底」、「左」、「右」及「一」等的用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当也视为本发明可实施的范畴。 [0075] 图2及图3为本发明的双旋转驱动装置2的立体及前视剖视示意图。如图2及图3所示，该双旋转驱动装置2包括：一座体20、一轴单元23、一第一驱动单元21以及一第二驱动单元22。 [0076] 所述的座体20具有相对的第一侧20a（如左侧）与第二侧20b（如右侧），且该座体20的底面20c具有位于该第一侧20a与第二侧20b之间的凹部200，以形成「倒U形」的叉式结构，而该座体20的顶面20d用以固定于立式或卧式工具机的固定式机座或旋转式机座。具体地，该座体20的第一侧20a与第二侧20b均为一中空结构，以供收纳该第一驱动单元21及第二驱动单元22。 [0077] 所述的轴单元23枢接于该座体20的第一侧20a与第二侧20b之间且收纳于该凹部200中，以承载工件，其中，该工件例如为图4所示的刀具9或机器肢体（如机器手臂），但不以此为限。具体地，该轴单元23具有一用以夹持工件的主轴230、及一枢接于该凹部200内并带动该主轴230的旋转座231，该轴单元23与该凹部200顶面之间保持一间隔H，如图3所示，以通过该旋转座231于该凹部200内摇摆（如图2中的箭头方向B）而带动该工件进行摇摆运动。 [0078] 所述的第一驱动单元21设置于该座体20的第一侧20a上，且该第一驱动单元21具有第一马达21a与第一齿轮组21b，该第一马达21a与该第一齿轮组21b同轴连接，而该第一齿轮组21b连接该轴单元23。该第一马达21a较佳为扭矩马达或伺服马达，但不以此为限；且该第一齿轮组21b为齿轮式减速机构，如行星式齿轮组(Planetary Gear Reducer)、摆线齿轮减速机(Cycloidal gear reducer)、摆线针轮减速机(Cycloidal Reducer with Elasticity Pin)、摆线式行星齿轮减速机(Cycloidal Planetary Gear Speed Reducer)、行星摆线针轮减速机(Planetary Cycloidal Pin Gear Reducer)、简谐驱动齿轮减速机(Harmonic Drive Gear Reducer)等齿轮式减速机构。 [0079] 具体地，该第一马达21a具有一固定于该座体20的马达座210、位于该马达座210内缘的一环状马达定子211、枢设于该马达定子211内部的一马达转子212、连接该马达转子212的心轴213，且该心轴213与该马达座210之间由一轴承214连接，以于电磁作用下产生扭矩输出，而由该心轴213驱动该第一齿轮组21b。 [0080] 此外，如图4所示，该第一齿轮组21b包含一太阳齿轮215、多个行星齿轮216、一环形齿轮217及一行星架218，该第一马达21a带动该太阳齿轮215，各该行星齿轮216以等距间隔环绕及啮合于该太阳齿轮215与该环形齿轮217之间，该环形齿轮217与该太阳齿轮215同轴设置而固定于该座体20，又各该行星齿轮216通过轴件216a枢接于该行星架218上，且该行星架218连接该轴单元23。 [0081] 所述的第二驱动单元22设置于该座体20的第二侧20b上，且该第二驱动单元22具有第二马达22a与第二齿轮组22b，该第二马达22a与该第二齿轮组22b同轴连接，而该第二齿轮组22b连接该轴单元23。该第二马达22a较佳为扭矩马达或伺服马达，但不以此为限；且该第二齿轮组22b为齿轮式减速机构，如行星式齿轮组、摆线齿轮减速机、摆线针轮减速机、摆线式行星齿轮减速机、行星摆线针轮减速机、简谐驱动齿轮减速机等齿轮式减速机构。 [0082] 具体地，该第二马达22a具有一固定于该座体20的马达座220、位于该马达座220内缘的一环状马达定子221、枢设于该马达定子221内部的一马达转子222、连接该马达转子222的心轴223，且该心轴223与该马达座220之间由一轴承224连接，以于电磁作用下产生扭矩输出，而由该心轴223驱动该第二齿轮组22b。 [0083] 此外，如图4所示，该第二齿轮组22b包含一太阳齿轮225、多个行星齿轮226、一环形齿轮227及一行星架228，该第二马达22a带动该太阳齿轮225，各该行星齿轮226以等距间隔环绕及啮合于该太阳齿轮225与该环形齿轮227之间，该环形齿轮227与该太阳齿轮225同轴设置而固定于该座体20，又各该行星齿轮226通过轴件226a枢接于该行星架228上，且该行星架228连接该轴单元23。 [0084] 运作时，该第一与第二驱动单元21,22利用上述的设置方式，当该第一与第二马达21a,22a的心轴213,223驱动该太阳齿轮215,225时，各该行星齿轮216,226除了自转外，也产生减速的公转运动，而使该行星架218,228旋转，以带动该轴单元23的旋转座231进行旋转运动（或摇摆运动）。 [0085] 此外，一般蜗轮、蜗杆与齿轮式减速机构，其每一个齿轮只有单齿数的啮合接触点，所有负荷集中于该接触点，较容易产生齿轮的磨损，故其传动效率偏低。反观行星齿轮式减速机构内则有多个行星齿轮同时与太阳齿轮及环形齿轮啮合的多个接触点，当传动相同扭力时，行星齿轮式减速机构的每一齿的应力与磨损较低，且行星齿轮式减速机构是同心圆排列的紧凑结构，因此在相同负载时，行星齿轮式减速机构具有体积小、重量轻、传动效率高、动力负载平均、刚性与动平衡性能均佳的特色。而行星齿轮式减速机构的机械能损耗也较低，因此，于本实施例中，该第一与第二齿轮组21b,22b采用行星式齿轮组作为减速机构。 [0086] 另外，该第一马达21a与第二马达22a的运转方向为相同方向或相反方向。于运作时，该第一马达21a与第二马达22a相互协调控制驱动，使第一马达21a对第一齿轮组21b与该轴单元23的输出扭矩，以及第二马达22a对第二齿轮组22b与该轴单元23的输出扭矩永远不会出现同时小于静摩擦力矩的情况，即任何时候至少有一个马达会对其连接的齿轮组与该轴单元23施加一个大于静摩擦力矩的扭矩，在此扭矩的作用下，主动齿轮（如太阳齿轮215,225）与被动齿轮（如行星齿轮216,226及环形齿轮217,227）之间的啮合就没有任何的间隙，而达成消除齿轮组内任何啮合齿齿隙的功效。 [0087] 当两个马达同时分别对其所连接的齿轮组与该轴单元23施加相反方向的扭矩，且两者的合力矩为零时，将使该轴单元23呈现出静止的状态。 [0088] 当两个马达同时分别对其所连接的齿轮组与该轴单元23施加相同方向的扭矩，将可使该轴单元23以第一驱动单元21与第二驱动单元22相加的输出扭矩作功，如增加该轴单元23本身的摇摆(旋转)角加速度、或增加其所承载的刀具的切削能力、或增加其所承载的机械肢体（如机器手臂）的荷重负载等。例如，第一驱动单元21与第二驱动单元22以相同方向输出相等扭矩时，则该轴单元23将可输出两倍于单个驱动单元的扭矩作功或摇摆。 [0089] 本发明的双旋转驱动装置2通过将马达设于该座体20内部的设计，能以较小规格的扭矩马达产生较大扭力，例如于一实施例中：使用两个完全相同的扭矩马达，当单个扭矩马达的最大扭矩为38.2Nm、最高转速为4500rpm，且齿轮式减速机构的减速比为57时，能产生驱动该轴单元23的最大输出扭矩为约2177Nm（即38.2×57×1=2177.4Nm）及摇摆速度约为79rpm（即4500÷57=78.95rpm），而所设计的该双旋转驱动装置2的回转直径D（如图5所示）为697mm。与业界的现有双旋转驱动装置比较，现有双旋转驱动装置使用二个扭矩马达直接驱动轴单元，其单个扭矩马达的最大扭矩为680Nm，能产生驱动该轴单元的最大输出扭矩为约1360Nm（即680Nm×2=1360Nm）及摇摆速度约为60rpm，其双旋转驱动装置的回转直径D为780mm。由此一实施例可知，本创作具有体积小(回转直径小)，以及驱动该轴单元的扭力大、摇摆速度高的优势。 [0090] 此外，本发明的双旋转驱动装置2的整体构造拥有较小的回转直径D（如图5所示）与较小的外部体积，使得工作机械不仅具有较大的加工（如切削）能力，且能具有较大的加工空间与较高的加工灵活性。 [0091] 于一实施例中，该座体20上还设置煞车装置24（含煞车盘片240）、角度编码器25与速度编码器26，如图3所示，以对该轴单元23提供紧密夹持与精密定位、转数控制的作用。具体地，该煞车装置24、角度编码器25与速度编码器26设置依需求分配装设于该座体20的第一侧20a与第二侧20b内部，以有效利用该座体20的中空结构的空间。有关该煞车装置24、角度编码器25与速度编码器26的种类繁多，并无特别限制，故于此不予详述。 [0092] 于一实施例中，该第一马达21a及/或第二马达22a具有冷却流道219,229，如图3所示，以供冷却流体流通，而导出该马达工作时所产生的热。具体地，该冷却流道219,229位于该马达定子211,221外缘与该马达座210,220之间。 [0093] 综上所述，本发明的双旋转驱动装置，通过在叉式结构的双侧以对称方式分别同轴地设置一马达与一齿轮式减速机构，以驱动主轴进行摇摆运动。藉此设计，能使该双旋转驱动装置设置较多数量的齿轮（如行星齿轮），以增加较大的负载面积并平均分散动力负载。 [0094] 此外，两侧的驱动单元由该座体的两侧提供动力至该轴单元以驱动该主轴摇摆，因而能使驱动主轴摇摆的扭力较为平均，且该双旋转驱动装置整体的摇摆刚性与动平衡特性较佳。 [0095] 又，两马达产生的热于该座体的两侧呈现对称式的热变形，因而有利于控制器对于主轴的热变位误差的补偿，以提高加工的精度。 [0096] 另外，可利用两马达之间相互协调控制驱动，以消除行星齿轮与太阳齿轮、环形齿轮之间的传动齿隙。 |
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