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 26 2. 波動歯車装置の成り立ち 1 1955 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 1960 2 1960 USM Harmonic Drive USM 1964 1970 1978 8 RENGA No.178 (2013)
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 202 200/2 100 1 30 320 K-H-V 5 B A 図 5 K-H-V 型遊星歯車 RENGA No.178 (2013) 9
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= 100 100 Ni Nk Np 1 1 1 +) 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)
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 9 1 3 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 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 1 1 1 1 1 0.6 0.6 0.3 許容トルク 1 1 1 1 1.5 1.5 2 1.1 許容トルク / 容積 1 1 1 1 1.5 2.5 3.3 3.7 ねじり剛性 1 3 6 6 13 13 13 10 ベアリング寿命 1 1 1 1 2.3 2.3 3.3 2.3 超扁平化 2.3.1. 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 1500 1000 500 30 IH 10 4 10 5 10 6 10 7 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 負荷トルクねじれ線図 12 W/G F/S F/S 2 1990 2000 2.3.3. 高精度化とユニット化 C/S F/S 1980 1/3 1980 1990 C/S 13 2.3.2. 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
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 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 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)
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 18 2004 NASA 2 19 2 3 6 2010 1 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 1987 9 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 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.84-94 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.178 2013 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.