机器人关节驱动用偏心摆动型减速机 |
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| 申请号 | CN201310554391.7 | 申请日 | 2013-11-08 | 公开(公告)号 | CN104006145A | 公开(公告)日 | 2014-08-27 |
| 申请人 | 住友重机械工业株式会社; | 发明人 | 西部慎一; 光藤荣; 西谷祐一; 石川哲三; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种能够抑制 机器人 的作业精确度下降的同时更有效地缓解发热问题的 机器人关节 驱动用偏心摆动型减速机。本发明的机器人关节驱动用偏心摆动型减速机（G4）驱动机器人关节且具备内 齿轮 （22）、及与该内齿轮具有极少的齿数差且摆动的同时与该内齿轮内 啮合 的 外齿 轮（20），该减速机（G4）中，第1轮架即 输出轴 （34）的转速为50rpm以上，运转率为20%ED以上，空转落入大于1arcmin且3arcmin以下的范围。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种机器人关节驱动用偏心摆动型减速机，其驱动机器人关节且具备内齿轮、及与该内齿轮具有极少的齿数差且摆动的同时与该内齿轮内啮合的外齿轮，所述机器人关节驱动用偏心摆动型减速机的特征在于， |
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| 说明书全文 | 机器人关节驱动用偏心摆动型减速机技术领域背景技术[0003] 专利文献1中公开有用作驱动机器人关节的偏心摆动型减速机。该减速机具有内齿轮、及与该内齿轮具有极少的齿数差（例如1～5左右）且摆动的同时与该内齿轮内啮合的外齿轮。内齿轮或外齿轮中的任一个的自转受到限制，该内齿轮与外齿轮的相对旋转作为输出从另一侧取出，机器人关节被驱动。 [0004] 在偏心摆动型减速机中，已知有将用于使外齿轮摆动的偏心体具备在贯穿外齿轮的轴心位置的偏心体轴上的类型、及将该偏心体具备于在从外齿轮的轴心位置偏移的位置设置有多个的偏心体轴上的类型。 [0005] 偏心摆动型减速机能够由一级就可得到高减速比，因此可作为要求紧凑性的机器人关节驱动用而广泛应用。 [0006] 专利文献1：日本特开2006-263878号公报 [0008] 这些倾向均使减速机在发热方面接近更苛刻的状态，因此，近年来应对驱动机器人关节的减速机的发热的对策逐渐成为较大的问题。 发明内容[0009] 本发明是为了在机器人关节驱动用偏心摆动型减速机中，进一步缓解这种与发热相关的问题而完成的，其课题在于提供一种能够抑制机器人的作业精确度下降的同时更有效地缓解发热问题的机器人关节驱动用偏心摆动型减速机。 [0010] 本发明通过设为如下结构来解决上述目的，即机器人关节驱动用偏心摆动型减速机驱动机器人关节且具备内齿轮、及与该内齿轮具有极少的齿数差且在摆动的同时与该内齿轮内啮合的外齿轮，该减速机中，输出轴的转速为50rpm以上，运转率为20%ED以上，空转落入大于1arcmin且3arcmin以下的范围。 [0011] 发明者们对于机器人关节驱动用偏心摆动型减速机，关于其发热状况与减速机的各种条件的关系进行了详细的试验。 [0012] 其结果，如后面详述，关于为了维持作业精确度（机器人的定位精确度），以往理所当然地抑制成较小的空转，得到如下见解：该空转的缩小与发热的增大根据条件并非一定为简单的“权衡”关系（若空转缩短则发热增大，若空转变大则发热也减小仅仅这种简单的关系并不是始终成立）。 [0013] 本发明是根据该研究结果而完成的，提出了可在抑制机器人的作业精确度的下降的同时，更有效地缓解发热问题的结构。 [0014] 发明效果 [0017] 图2是组装于图1的手腕部分的偏心摆动型减速机的整体图。 [0018] 图3是表示具备图1的手腕部分的工业用机器人的整体概要的示意图。 [0019] 图4是表示空转-无负荷运转转矩的试验结果的一例的曲线图。 [0020] 图5是表示空转-无负荷运转转矩的试验结果的另一例的曲线图。 [0021] 图6是用于说明空转的说明图。 [0022] 图中：R1-工业用机器人，G1～G6-第1～第6减速机，J1～J6-第1～第6关节，11～16-第1～第6臂，17-输入轴（输入侧），20-外齿轮，22-内齿轮，24-外壳，26-偏心体，32-销状部件，34-第1轮架（输出侧）。 具体实施方式[0023] 以下，根据附图对本发明的实施方式的一例进行详细说明。 [0024] 图1是组装有本发明的实施方式的一例所涉及的偏心摆动型减速机的工业用机器人的手腕部分的剖视图，图2是组装于图1的手腕部分的该偏心摆动型减速机的整体图，图3是表示所述工业用机器人的整体概要的示意图。 [0025] 首先，从工业用机器人R1的整体概要开始进行说明。 [0026] 该工业用机器人R1在地面19上具有基座10，从该基座10开始交替连结有第1～第6关节J1～J6与第1～第6臂11～16。第1～第6臂11～16经由第1～第6关节J1～J6被驱动马达及减速机（图3中省略图示）驱动。 [0027] 即，本实施方式的工业用机器人R1的第1臂11能够经由第1关节J1在基座10上以铅垂的轴心CL1为中心自转，负责工业用机器人R1整体围绕轴心CL1回转。第2臂12能够经由第2关节J2并以该第2关节J2作为支点在包含第1臂11的轴心CL1的面内（铅垂面内）摆动，主要负责第6臂16相对于被作业体的前后移动。第3臂13能够经由第3关节J3并以该第3关节J3作为支点在包含第2臂12的轴心CL2的面内（铅垂面内）摆动，主要负责第6臂16的上下移动。 [0028] 另一方面，第4臂14能够经由第4关节J4并以与第3臂13的轴心CL3同轴的轴心CL4为中心进行自转。第5臂15能够经由第5关节J5并以该第5关节J5作为支点在包含第4臂14的轴心CL4的面内摆动。第6臂16能够经由第6关节J6并以与第5臂15的轴心CL5同轴的轴心CL6为中心自转。 [0029] 在第6臂16的前端安装有用于进行预定作业的焊接工具、保持工具、及涂装工具等各种工具18。根据以上结构，安装有工具18的第6臂16具有6个自由度，能够在3维方向上自由移动的同时相对于被作业体以任意的位置及姿势进行接触、吸附或喷涂等作业。 [0030] 一般，到第1～第3臂11～13为止被称作基本3轴，第4～第6臂14～16被称作手腕3轴。构成基本3轴的第1～第3臂11～13主要进行构成手腕3轴的第4～第6臂14～16的空间定位，构成手腕3轴的第4～第6臂14～16更具体地确定第6臂16相对于被作业体的位置和角度。 [0031] 基本3轴（第1～第3臂11～13）需要比手腕3轴（第4～第6臂14～16）更大的驱动转矩。因此，一般组装于基本3轴（第1～第3臂11～13）的第1～第3关节J1～J3的减速机的大小（内齿轮的内径）大于组装于手腕3轴（第4～第6臂14～16）的第4～第6关节J4～J6的减速机的大小。并且，基本3轴更缓慢地移动，因此减速机的输出轴的转速比手腕3轴慢。并且，例如，基本3轴动作1次而停止的情况较多，因此减速机的运转率不会太高，但手腕3轴比基本3轴更频繁地动作的情况较多，因此减速机的运转率较高。 [0032] 在此，减速机的运转率根据各关节的减速机计算。具体而言，是作为运转率的计算对象的减速机的运转时间TJ相对于机器人本身的运转时间TR的比率，以（运转率）=（TJ/TR）×100（%ED）计算。另外，机器人本身的移动时间TR能够定义为机器人的电源开启的时间，或驱动各关节的驱动源（伺服马达）的电源开启的时间。由此，机器人对某一工件进行作业，等待设置下一个工件的待机时间也包含在机器人本身的运转时间TR内。并且，减速机的运转时间TJ能够定义为驱动作为运转率的计算对象的减速机的时间，或驱动该减速机的驱动源（伺服马达）进行旋转的（旋转控制的）时间。该运转率越高，散热时间与发热时间相比越短，因此减速机容易成为过热的状况。 [0033] 图1是图3的工业用机器人R1的手腕（3轴）部分的剖视图，图2是组装于该手腕部分的（实施方式的一例所涉及的）偏心摆动型减速机的整体图。 [0034] 参考图1，如前述，构成手腕的第4～第6臂14～16通过第4～第6关节J4～J6连结。另外，本实施方式中手腕的关节为3个，但不限于此，也可由4以上或2以下的关节构成。这些第4～第6关节J4～J6分别具备有减速机G4～G6。在第4关节J4上设置有减速机G4，在第5关节J5上设置有减速机G5（仅图示外观），在第6关节J6上设置有减速机G6。 [0035] 手腕的另一减速机G5、G6及图1中未图示的第1～第3关节J1～J3的减速机G1～G3也为细微部分不同，但基本上大致相同的结构。因此，将减速机G4作为代表例进行说明，对其他减速机G1～G3、G5、G6的实际上相同或功能上类似的主要部件附加相同元件符号，省略对每个减速机的重复说明。 [0037] 参考图2，减速机G4为被称作偏心摆动型的减速机。减速机G4的输入轴17与内齿轮22的轴心（=第3臂13、第4臂14的轴心CL3、CL4）同轴配置。在输入轴17上一体形成有3个偏心体26。在偏心体26的外周经由滚子28分别安装有3个外齿轮20。3个外齿轮20的偏心相位差为120度。各外齿轮20与内齿轮22内啮合。内齿轮22与外壳24一体化。外齿轮20的齿数比内齿轮22的齿数仅少一些（设为极少的齿数差）。该例子中齿数差设定为1。 [0038] 减速机G4的外壳24通过连接罩23及螺栓25与第4臂14连结。该实施方式中，内齿轮22包括与该外壳24一体化的内齿轮主体22A、及旋转自如地组装于该内齿轮主体22A且构成内齿轮22的内齿的圆柱状的外销22B。该实施方式中，将内齿（外销22B）的节圆直径（PCD）d1、更具体而言为连结各外销22B的中心（轴心）的圆的直径d1称作内齿轮22的内径。 [0039] 销状部件32及作为滑动促进部件的内辊33贯穿各外齿轮20。1对第1轮架34、第2轮架36在外齿轮20的轴向两侧通过轴承38、40旋转自如地支承于外壳24。销状部件32与第1轮架34一体化，第1轮架34、第2轮架36通过该销状部件32及螺栓42连结。在第1轮架34上通过螺栓44（参考图1）连结有第5臂15。 [0040] 对该减速机G4的动力传递系统的作用进行简单说明。 [0041] 若输入轴17进行旋转，则与该输入轴17一体化的3个偏心体26也进行旋转，3个外齿轮20经由滚子28进行摆动。其结果，发生外齿轮20相对于内齿轮22的啮合位置依次偏移的现象。外齿轮20的齿数比内齿轮22的齿数仅少1个，因此输入轴17每旋转1次，外齿轮20相对于内齿轮22周向相位仅偏移1齿量，相对于该内齿轮22进行相对旋转（自转）。该自转成分经由销状部件32及内辊33传递到第1轮架34、第2轮架36，通过螺栓44与该第1轮架34连结的第5臂15相对于外壳24（第4臂14）进行相对旋转。 [0042] 由此，偏心摆动型减速机G4为在输入轴17每旋转1次时外齿轮20进行摆动的同时传递动力的结构，因此与通常的1对齿轮进行啮合的结构相比容易产生热量。尤其，在偏心体26与外齿轮20之间的滚子28附近和该外齿轮20与销状部件32及内辊33的滑动部分等容易产生热量，该热量有例如在内齿轮22与外齿轮20啮合时齿隙越少越容易产生的趋势。若减速机G4的热量的上升变得过大，则不易形成齿面、滑动面、滚动面的油膜，耐久性明显下降。 [0043] 图4及图5中示出发明者们对于空转与无负荷运转转矩的关系进行试验的结果。图4中示出与内齿轮22的内径d1为95mm以上且250mm以下的减速机相关的试验结果，图 5中示出与内齿轮22的内径d1为50mm以上且小于95mm的减速机相关的试验结果。图4及图5中，横轴为空转，纵轴为无负荷运转转矩。 [0044] 首先，对空转及无负荷运转转矩进行说明。对固定高速轴（输入轴17）且在低速轴（第1轮架34）侧缓慢施加负荷直到额定转矩并卸载为止的负荷与低速轴的位移（扭转角）进行测定，示出其关系而可得到图6所示的刚性磁滞曲线。并且，将额定转矩的±3%点处的扭转角的情况称作空转。 [0045] 另一方面，无负荷运转转矩是指为了使减速机G4以无负荷的状态旋转所需要的输入轴侧的转矩。具体而言，固定外壳24，第1轮架34在游离状态下由马达等使输入轴17旋转，测定此时的输入轴17的转矩，从而得到无负荷运转转矩。无负荷运转转矩为通过减速机G4内的摩擦产生的转矩，因此能够作为与减速机G4的“发热量”相当的概念来掌握。 [0046] 在进行具体的试验时，准备多个减速机，组装于各减速机的外齿轮20设为齿面的外径各存在数μm的差异。并且，对于各减速机测定空转及无负荷运转转矩，标绘的图为图4及图5。另外，本试验中，使用减速比为41的减速机。并且，也可不是使用多个减速机，而是准备1个减速机和齿面的外径不同的多个外齿轮20，依次更换外齿轮而进行试验。 [0047] 如图4所示，内齿轮22的内径d1为95mm以上且250mm以下的减速机时，可发现在空转为1arcmin以下的区域内，随着空转缩短而无负荷运转转矩变大这种相关关系。另一方面，在空转大于1arcmin的区域内，与空转的长短无关，无负荷运转转矩落入大致恒定的幅度内。即，空转的长短与无负荷运转转矩之间没有相关性。从以上的内容来看，在空转为1arcmin以下的区域内，随着空转缩短而发热量增大，但在空转大于1arcmin的区域内，与空转的长短无关而发热量几乎恒定。并且，可知在空转为1.2arcmin以上的区域内，无负荷运转转矩落入的幅度变得更窄，偏差也减小。 [0048] 如图5所示，内齿轮22的内径d1为50mm以上且小于95mm的减速机时，可发现在空转为1.5arcmin以下的区域内，随着空转缩短而无负荷运转转矩变大这种相关关系。另一方面，在空转大于1.5arcmin的区域内，与空转的长短无关，无负荷运转转矩落入大致恒定的幅度内。即，空转的长短与无负荷运转转矩之间没有相关性。从以上的内容来看，在空转为1.5arcmin以下的区域内，随着空转缩短而发热量增大，但在空转大于1.5arcmin的区域内，与空转的长短无关而发热量几乎恒定。并且，可知在空转为1.7arcmin以上的区域内，无负荷运转转矩落入的幅度变得更窄，偏差减小。 [0049] 通常，使用于手腕3轴的减速机中，内齿轮22的内径被设为50mm～250mm左右，与使用于基本3轴的减速机相比内齿轮的内径较小。因此，封入到减速机内的润滑剂的量也较少，散热表面积也较少，因此温度容易上升。然而，以往的机器人中，输出轴的转速即使快也为30～40rpm左右而并不会太快，各减速机的运转率也较低达不到15%ED。因此，发热不会成为太大的问题，重视控制性而较短地（1arcmin以下）设定空转为常识。 [0050] 但是，近年来，要求工业用机器人的作业速度（输出轴的转速）的高速化、及运转率的提高。具体而言，要求输出轴的转速为50rpm以上。在大多情况下，要求60～120rpm左右，但有要求直到200rpm左右。并且，对于运转率，要求达到20%ED以上，最大到60%ED左右。发明者们应对以上要求时，想到减速机的发热会成为较大的问题，着眼于空转与无负荷运转转矩的关系而得到图4及图5所示的试验结果。 [0051] 并且，即使输出轴的转速较快（50rpm以上），运转率较高（20%ED以上）时，可发现在内齿轮22的内径d1为95mm以上且250mm以下的减速机中能够通过将空转设为大于1arcmin，更优选设为1.2arcmin以上来抑制发热。并且，根据发明者们的验证，若将空转设为3arcmin以下，则定位精确度也不会产生较大的不良情况。 [0052] 并且，即使输出轴的转速较快（50rpm以上），运转率较高（20%ED以上）时，也可发现在内齿轮22的内径d1为小于95mm的减速机中能够通过将空转设为大于1.5arcmin，更优选设为1.7arcmin以上来抑制发热。此时也同样，若将空转设为3arcmin以下，则定位精确度也不会产生较大不良情况。 [0053] 如上，本发明中，通过将以往尽量较小地（1arcmin以下）设定作为常识的空转敢于设定成较大（大于1arcmin）（即通过与以往逆向设计），输出轴的转速加快，运转率变高，而且还确保所需的定位精确度的同时抑制了发热。 [0054] 上述实施方式中，示出了贯穿外齿轮的轴心位置的偏心体轴上具备用于使外齿轮摆动的偏心体的类型的偏心摆动型减速机，但作为偏心摆动型减速机，还已知有在从外齿轮的轴心位置偏移的位置上设置多个的偏心体轴上具备偏心体的类型的减速机，确认到具有相同的定性的趋势。由此，本发明也能够适用于该类型的偏心摆动型减速机中，得到相应的效果。 [0055] 并且，本实施方式中，举出使用于工业用机器人的手腕轴的关节的减速机的例子进行了说明。使用于手腕轴的关节的减速机对将空转设为较长时的定位精确度的影响比使用于基本3轴的关节的减速机小，因此尤其适用于本发明，但本发明也能够适用于在基本3轴的关节中使用的减速机。 |
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