産業用ロボット向け精密減速機：従来の伝動から自己補償型バックラッシ技術へ

皆様こんにちは。HONPINEの技術責任者、Theodore Liです。本日は、産業用ロボット向け精密減速機についてお話しします。

精密減速機とは？

一般的な業界分類によると、精密減速機は通常、伝達誤差とバックラッシが小さいことを特徴とし、精度要件は一般に角分レベル以上に達します。

バックラッシは、位置決め性能に影響を与える重要な要因の一つです。かみ合う歯車間のすき間は、入力軸と出力軸の間に不感動作を生じさせ、位置決め精度、繰返し精度、およびモーション制御性能に直接影響します。

主な伝達機構に基づき、精密減速機は一般に4つの主要カテゴリに分類できます。

精密サイクロイド減速機

RV減速機およびサイクロイドピンホイール減速機が代表例です。これらは高い負荷容量と優れた衝撃荷重耐性を備えますが、構造が比較的複雑で、製造コストが高くなる場合があります。

ハーモニック減速機

ハーモニックドライブは、フレックススプラインの弾性変形を利用して運動とトルクを伝達します。この構造は高減速比、コンパクトな寸法、高い伝達精度を実現しますが、ねじり剛性と負荷容量は一部の剛性伝達構造より低くなる場合があり、重荷重条件では用途選定が特に重要です。

精密遊星減速機

遊星伝達は、高効率、高トルク密度、および比較的剛性の高い伝達構造を提供します。ただし、従来の遊星構造は、専用の精密伝達技術と比較すると、単段減速比およびバックラッシにおいて一般に制約があります。

産業用ロボットで精密減速機への要求が高まっている理由

産業用ロボットの用途は、高度に専門化された分野へと発展しています。可搬重量、工程、動作プロファイル、関節構成の違いにより、伝達精度、トルク容量、剛性、耐用年数に対する要件も異なります。

したがって、適切な精密減速機は、異なる種類の産業用ロボット間だけでなく、同一ロボット内の関節ごとにも異なる場合があります。

可搬重量10 kg未満の6軸ロボット

軽量6軸ロボットでは、コンパクトな寸法と精度が優先されることが多くあります。

特に、高減速比と高精度なモーション制御を備えたコンパクトな伝達機構が必要な場合、6つの関節すべてにハーモニック減速機を使用できます。

ハーモニックドライブのコンパクトさ、軽量性、高減速比および精度は、限られた機械的スペース内で動作する軽量ロボットに適しています。

可搬重量10～50 kgの6軸ロボット

中可搬6軸ロボットは、自動車部品のハンドリング、金属加工など、可搬能力、動作精度、安定性のバランスが求められる産業用途で一般的に使用されます。

これらのロボットでは、各関節の要件に応じてハーモニック減速機とRV減速機を組み合わせることができます。

例えば、コンパクトな寸法、高減速比、精密な動作が重要な手首およびエンドエフェクタの関節にはハーモニックドライブを使用でき、より高い剛性と負荷容量が求められる高荷重関節にはRVドライブを使用できます。

可搬重量50 kg超の6軸ロボット

大可搬6軸ロボットには、厳しい運転条件下での高い負荷容量と安定した精度が求められます。

RV減速機は、高剛性を提供し、大きなラジアル荷重およびアキシアル荷重に耐えられる伝達構造を備えているため、高荷重ロボット関節で広く使用されています。

これらの特性は、大可搬ロボットが材料ハンドリング、溶接、機械加工、および大型ワークを扱うその他の作業に使用される場合に特に重要です。

可搬重量20 kg未満のSCARAロボット

SCARAロボットでは、位置決め精度と繰返し精度に対する要求が特に高くなります。

そのため、回転関節には優れた精度と動的応答性を持つ伝達システムが必要です。回転関節にはハーモニックドライブを使用でき、垂直Z軸機構には遊星伝達、ベルト駆動、またはその他の適切な直線運動構造を使用できます。

パラレルロボットおよびデルタロボット

パラレルロボットおよびデルタロボットは高速性と高い構造剛性を特徴とし、その関節伝達要件はロボットの構造および動作プロファイルに大きく影響されます。

多くのパラレルロボットでは、高速動作を支え、低い反射慣性を維持するため、ベース関節に比較的低減速比の遊星ギアボックスが使用されます。

設計に応じて、ベース関節にサイクロイドドライブまたはハーモニックドライブを使用することもあります。

追加軸またはアーム先端機構には、遊星ギアボックスが一般的に使用されます。ただし、高精度組立用途では、位置決め性能を向上させるために、終端関節にハーモニック減速機を選定することもあります。

従来の遊星減速機が精度面で課題に直面する理由

多くの精密製造用途において、ハーモニックおよびRV伝達システムは従来から産業用ロボットで重要な位置を占めてきました。

従来の遊星減速機は、高効率、剛性、トルク密度を備える一方、専用のハーモニックまたはRV伝達システムと同等の精度およびコンパクトな統合を実現する上で、歴史的に課題を抱えてきました。

高級精密遊星ギアボックスは、非常に小さいバックラッシを実現でき、厳しい用途にも適しています。一部の精密遊星製品は60 arcsec未満のバックラッシを実現でき、高い位置決め精度が必要な用途に代替案を提供します。

ただし、サプライヤーおよび構成によっては、高精度化により製品コストが上昇し、リードタイムが長くなる場合があります。

産業用ロボット市場の拡大が続き、ロボットメーカーがより迅速な開発サイクルと柔軟なサプライチェーンを求める中、新たな精密遊星伝達構造にとって機会が生まれています。

HONPINEの精密遊星伝達へのアプローチ

HONPINEでは、遊星伝達に対する異なるアプローチに取り組んでいます。

自己補償バックラッシ技術の導入により、HONPINEは遊星伝達システムの精度、剛性、および精度維持性能の向上を目指しています。

この技術は、長期運転における伝達精度の維持が特に重要な産業用ロボットや工作機械などの用途向けに設計されています。

目的は単に初期バックラッシを低減することではなく、精密伝達の根本的な課題の一つ、すなわち機械部品が経時的に摩耗しても精度を維持することに対応することです。

自己補償型遊星アクチュエータはどのような技術課題に対応できるか？

従来の精密伝達システムには避けられない問題があります。機械的摩耗が伝達精度に徐々に影響する可能性があることです。

長期運転中、継続的な歯車のかみ合いと繰返し荷重サイクルにより、かみ合う部品間の有効すき間が変化する可能性があります。バックラッシが増加すると不感動作も増え、位置決め精度が徐々に低下する可能性があります。

産業用ロボットや工作機械などの設備では、この精度低下が最終的に加工品質、繰返し精度、および耐用年数に影響する可能性があります。

自己補償バックラッシ技術は、この問題に対する異なるアプローチを提供します。

摩耗時の自動バックラッシ補償

従来の受動的なバックラッシ低減構造とは異なり、自己補償型伝達には伝達システム内に適応型補償機構が組み込まれています。

伝達部品が摩耗すると、この機構が有効歯車すき間の変化を補償し、より安定した伝達関係を維持できます。

目的は、長期運転中の伝達精度低下率を抑え、減速機の実効精度寿命を延長することです。

この違いは重要です。

初期バックラッシを低減することと、耐用期間を通じて低バックラッシを維持することは、異なる2つの工学的目標です。したがって精密伝達は、初期バックラッシ仕様だけでなく、長時間運転後に伝達精度がどのように変化するかによっても評価すべきです。

ハーモニックドライブ向け自己補償バックラッシ技術

HONPINEの自己補償アプローチは、遊星伝達に限定されません。

当社は、長期運転にわたって低い有効バックラッシを維持するよう設計された、デュアルフレックススプライン自己補償型ハーモニックドライブ構造も開発しました。

デュアルフレックススプライン自己補償型ハーモニックドライブ

HONPINEのデュアルフレックススプライン・ハーモニックドライブは、内側および外側のフレックススプラインとリミットリングを組み合わせた構造を採用しています。

この構造は、有効バックラッシを継続的に抑制し、運転中に安定した伝達性能を維持するよう設計されています。

HONPINEの社内製品試験および比較データによると、規定の試験条件下で、この構造の不感動作は同等の海外製ハーモニック減速機の約半分となる場合があります。

実際の性能は、製品サイズ、試験方法、負荷条件、および測定システムによって異なるため、直接比較は常に同等の試験条件で行う必要があります。

初期精度から精度寿命へ

精密伝達システムにおいて、初期精度は工学的要素の一部にすぎません。

減速機は新品時には優れたバックラッシ性能を実現できても、伝達機構の摩耗に伴ってバックラッシが大幅に増加する場合、部品の実用的な精度寿命は限られる可能性があります。

このため、HONPINEの開発重点は初期伝達精度から、運転寿命全体にわたる精度維持へと広がっています。

産業用ロボット、工作機械、およびヒューマノイドロボットにとっては、初期バックラッシと位置決め性能だけでなく、繰返し動作、荷重、摩耗の下で伝達特性がどのように変化するかも評価することを意味します。

自己補償バックラッシ技術は、歯車システムの初期機械公差だけに依存するのではなく、伝達すき間の変化を能動的に補償することで、この長期性能上の課題に対応することを目的としています。

結論

精密減速機の開発は、初期バックラッシを単純に低減するという追求を超えて進んでいます。

産業用ロボット、工作機械、およびヒューマノイドロボットには、精度、剛性、コンパクトな寸法、トルク密度、および長期的な精度維持を兼ね備えた伝達システムが必要です。

ハーモニックおよびRV伝達システムは精密ロボット工学において依然として重要な技術であり、従来の遊星伝達も効率、剛性、トルク密度において引き続き優位性を提供します。

自己補償型遊星およびハーモニック伝達の機会は、長期運転中の伝達すき間変化を補償できる機構を導入することで、これらの性能特性間の隔たりに対応することにあります。

HONPINEでは、自己補償型遊星アクチュエータからデュアルフレックススプライン・ハーモニックドライブ、さらにヒューマノイドロボット向けの軽量PEEKベース・ハーモニックドライブまで、このコンセプトに基づく精密伝達技術の開発を継続しています。

当社の目標は、伝達機構が工場から出荷される時点で高精度を達成することだけではありません。より重要な問いは、その精度をロボットまたは機械の耐用期間全体を通じてどこまで維持できるかということです。