メカトロ・ロボットを支える精密減速機「波動歯車装置」

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こうじとこたに
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メカトロロボットを支える精密減速機波動歯車装置清澤芳秀 ( 株式会社ハーモニックドライブシステムズ ) The Precision Speed Reducer Strain Wave Gearing which Supports Mechatronics and Robotics. Yoshihide KIYOSAWA (Harmonic Drive Systems Inc.

1 メカトロロボットを支える精密減速機波動歯車装置清澤芳秀 ( 株式会社ハーモニックドライブシステムズ ) The Precision Speed Reducer Strain Wave Gearing which Supports Mechatronics and Robotics. Yoshihide KIYOSAWA (Harmonic Drive Systems Inc.) In recent years, a new technology named mechatronics, which is a combination of electronics and mechanics, is advancing to make advance motion to machines. Strain wave gearing is one of precision gearing and HarmonicDrive is our brand of strain wave gearing products. It supports motion control technologies by used for not only industrial robots but also many types of mechanical equipments. We describe the history, the principle of mechanism and the process of evolution up to the present, of HarmonicDrive. Furthermore, we introduce how to use for applications and usage examples. 1. はじめに波動歯車装置の成り立ち C.W.Musser Strain Wave Gearing 図 2 月面車図 1 波動歯車装置 ( ハーモニックドライブ ) NASA USM Harmonic Drive USM RENGA No.178 (2013)

2 ABB 1970 USM Harmonic Drive 2.1. 波動歯車装置の機構と減速原理 3 W/G F/S C/S 3 図 3 カップ型波動歯車装置 W/G F/S F/S W/G F/S C/S F/S 2 4 F/S 2 F/S C/S 図 4 組合せ状態 C/S W/G F/S C/S 1 F/S W/G F/S 200 C/S / K-H-V 5 B A 図 5 K-H-V 型遊星歯車 RENGA No.178 (2013) 9

3 K-H-V 6 Zi Zp Ni Nk Np Ni F/S C/S F/S C/S Zc F/S Zf m C/S F/S Zc m Zf m 7 d d= Zc Zf m Np Nk Zi d/2 Zp 図 6 K-H-V 型遊星歯車の減速比算出 1 1 Nk=0 1 Ni=1 Np=Zi/Zp Ni=0 Nk= 1 Np=Zi/Zp 1 i= 1/ Zi/Zp 1 = Zp/ Zi Zp Zi=202 Zp=200 i= Ni Nk Np ) 1 0 Zi/ Zp 0 1 Zi/ Zp 1 K-H-V 2 2 図 7 F/S のたわみ量 i= Zf/ Zc Zf 5 10 F/S F/S F/S F/S 8 F/S F/S F/S d/2 10 RENGA No.178 (2013)

4 a 90% W/G 70 80% 図 8 リング型波動歯車装置 b 2.2. 波動歯車装置の特徴 3 c d 13mm 2.3. 波動歯車装置の進化 CS-2A-GR CSS-2A CSF CSG CSD CS-2 CS-2A CS-2A-R SH-2A-GR SHS-2A SHF SHG SHD 図 9 波動歯車装置の変遷 RENGA No.178 (2013) 11

表 1 波動歯車装置の変遷 CS-2 CS-2A CS-2A-R CS-2A-GR SH-2A-GR CSS / SHS CSF / SHF CSG / SHG CSD / SHD 市場導入年度 1970 1972 1977 1986 1989 1992/1995 1999/2003 2001/2003 改良のポイント F/S 強度 UP

5 表 1 波動歯車装置の変遷 CS-2 CS-2A CS-2A-R CS-2A-GR SH-2A-GR CSS / SHS CSF / SHF CSG / SHG CSD / SHD 市場導入年度 / / /2003 改良のポイント F/S 強度 UP 高精度化入力側低慣性化 F/S 強度 UP 剛性 UP 軸方向長さ短縮 F/S 強度 UP ベアリング寿命 UP F/S 加工法パイプ材プレス材溶接構造鍛造材削り出し F/S 薄肉形状均一肉厚応力緩和直線形状応力緩和曲線形状歯形圧力角 30 インボリュート歯形 IH 歯形容積許容トルク許容トルク / 容積ねじり剛性ベアリング寿命超扁平化疲労強度向上 F/S F/S 1980 F/S F/S 1980 F/S 2 FEM NC 10 F/S 10% IH F/S F/S 30% F/S F/S 2 11 F/S 12 Nm IH F/S 図 11 F/S 歯底疲労強度 11 F/S 2 F/S 図 10 インボリュート歯形と IH 歯形 IH 30 S-N 2 12 RENGA No.178 (2013)

F/S 300 200 100 図 12 10 rad 2 1 1 2 0 100 200 300 Nm

3. 高精度化とユニット化 C/S F/S 1980 1/3 1980 1990 C/S 13 2.

6 F/S 図 rad Nm 負荷トルクねじれ線図 12 W/G F/S F/S 高精度化とユニット化 C/S F/S / C/S 中空構造と更なるコンパクト化 1986 F/S SH F/S FEM NC 1990 F/S 図 13 ユニット構造 +45deg 45deg 2 4 RENGA No.178 (2013) 13

7 3. 波動歯車装置の使い方と用途事例 F/S 14 c b W/G a F/S W/G 16 2 図 14 波動歯車装置使用範囲 W/G a F/S b W/G c 3.1. 波動歯車装置の用途事例 15 図 15 水平多関節型ロボット ASIMO 図 16 ヒューマノイドロボット 17 60% 14 RENGA No.178 (2013)

8 Courtesy of Halliburton/Sperry Drilling Services Rover image created by Dan Mass, copyrighted to Cornel and provided courtesy NASA/ JPL-Caltech. 図 18 火星探査車 19 13mm 図 17 油田ガス操舵掘削装置と大中空波動歯車装置 NASA 東京大学石川研究室様提供図 19 高速ロボットハンドと世界最小波動歯車装置 3.2. ステッピングモーターのギヤヘッドとしての波動歯車装置 CS-2A- GR 2003 CSF 4 2 RENGA No.178 (2013) 15

ORIENTAL MOTOR 今回 RKⅡに採用いただく CSG シリーズは表 1 と図 9 に示す波動歯車装置の進化にあって現在同じ外径で比較するともっとも負荷容量が大きいものとなっているこのシリーズは CSF シリーズに対し歯形のさらなる改良素材の見直し表面処理の変更等により約 30% のトルクアップが実現した従来

9 ORIENTAL MOTOR 今回 RKⅡに採用いただく CSG シリーズは表 1 と図 9 に示す波動歯車装置の進化にあって現在同じ外径で比較するともっとも負荷容量が大きいものとなっているこのシリーズは CSF シリーズに対し歯形のさらなる改良素材の見直し表面処理の変更等により約 30% のトルクアップが実現した従来採用いただいている CSF シリーズに対し同じ大きさで大きな負荷に耐えられまた信頼性も大きく向上している 4 おわりに米国で発明された波動歯車装置は日本に技術導入された後産業用ロボットに代表される様々なモーションコントロール用途に採用されその厳しい市場要求によって大きな進化をとげた 2000 年以上の歴史を持つ歯車の中にあって発明以来 50 年と若い波動歯車装置は決して完成の域に達しているとは言えない新たな市場要求と日本が得意とする緻密な解析技術優れた加工機械と職人の技能によってまた新たな用途の出現とその市場からの要求に答えていくために波動歯車装置は更なる進化を遂げる可能性を秘めている参考文献 (1) 清澤芳秀先端事例から学ぶ機械工学実践基礎連動型ハイブリッド講座テキスト日本機械学会, 2013, pp 筆者清澤芳秀株式会社ハーモニックドライブシステムズ執行役員最高技術責任者開発技術担当略歴 1980 年慶應義塾大学卒業 1983 年株式会社ハーモニックドライブシステムズ入社 1998 年東北大学大学院工学研究科後期課程修了工学博士日本機械学会フェロー本文冒頭にもありますように当社では 26 年の長きに渡って株式会社ハーモニックドライブシステムズ様の波動歯車装置ハーモニックドライブハーモニックドライブの歴史を採用させていただいています当社の新商品 RKⅡシリーズに新たな波動歯車装置を採用させていただくのを機にとその技術について論文を寄稿していただきました尚この論文は日本機械学会発行の先端事例から学ぶ機械工学 16 RENGA No 実践基礎連動型ハイブリッド講座テキストより加筆修正して頂きました Copyright 2013 ORIENTALMOTOR CO.,LTD.

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AC サーボアクチュエータ RSF supermini シリーズ FHA-C mini シリーズコラボレーション対応機種を追加 AC サーボアクチュエータが三菱電機株式会社製 MELSERVO-J4 SSCNET Ⅲ /H 通信への対応機種を追加しコラボレーション製品が充実しました超小型を特長 AC サーボアクチュエータ FHA-C mini シリーズコラボレーション対応機種を追加 AC サーボアクチュエータが三菱電機株式会社製 MELSERVO-J4 SSCNET Ⅲ /H 通信への対応機種を追加しコラボレーション製品が充実しました超小型を特長とすると小型扁平でコンパクトな形状を特長とする FHA-C mini シリーズへの対応により接続ネットワークの選択肢を更に広げることができます

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