産業用ロボットや重負荷設備がデュアルディスクRV減速機を好む理由とは？

多くのエンジニアが、RV減速機を初めて目にした際に同じ疑問を抱きます。1枚のサイクロイドディスクだけで減速を実現できるのであれば、なぜ産業用ロボットで使用されるRV減速機のほとんどは、2枚のサイクロイドディスクを用いて設計されているのでしょうか。

2枚目のディスクを追加すると、部品数の増加、組立の複雑化、製造コストの上昇につながります。では、その理由は何でしょうか。

答えは一言でまとめられます。2枚目のディスクは主に減速のためにあるのではなく、精度、安定性、荷重分散、および耐用年数を向上させるためにあります。

本記事では、当社のRV減速機アセンブリモデルとモーションシミュレーションを用いて、なぜ2ディスク構成が産業用ロボット、工作機械、回転テーブル、その他の高負荷・高精度伝動システムにおける主流の構造となっているのかを説明します。

注：本記事の数値データおよび画像はシミュレーション計算に基づくものであり、参考用としてのみ提供されています。

RV減速機はどのように作動するのか？

RV減速機、すなわちサイクロイドピンホイール減速機は、比較的短い伝動チェーンを備えています。

入力軸が偏心機構を駆動します。偏心機構はサイクロイドディスクを支持し、ディスクはピンハウジング内部のピンと噛み合います。生じた運動は、出力ピン機構を通じて出力側へ伝達されます。

以下は、40本のピンを備えたピンハウジング、クランクシャフト、偏心軸受、2枚のサイクロイドディスク、および出力ディスクを含む、当社のNXアセンブリモデルの分解図です。モデル内の各部品は、伝動システムの設計パラメータから直接生成されています。

減速原理は簡単にまとめることができます。

ピンハウジングには40本のピンがあり、サイクロイドディスクには39個の歯があります。クランクシャフトが1回転する間に、サイクロイドディスクは1歯分だけ後方へ移動します。したがって、クランクシャフトが39回転すると、出力は1回転します。

i = 39

モーションシミュレーションにより、この伝動プロセスをより直感的に理解できます。

1ディスクRV減速機にはどのような問題があるのか？

問題1：ラジアル荷重の不均衡

サイクロイドディスクは偏心運動します。その偏心質量は中心の周りを回転し、噛み合い荷重も特定の扇形領域に集中します。

当社の数値レバー法による計算では、40本のピンのうち19本が基本的な荷重支持条件を満たし、解析条件下では実際に約15本のピンに荷重がかかります。

計算の結果、荷重の約90%が90°の扇形領域内にある11本のピンに集中し、荷重分布係数は次のようになります。

Kγ = 1.71

1ディスク構成では、この集中荷重領域が偏心質量とともに回転します。

その結果、振動、騒音、および軸受荷重が増加します。

高負荷設備および産業用ロボットの関節では、減速機が高トルクかつ頻繁な加減速の条件下で繰り返し作動する必要があるため、これらの影響はより重要になります。

2ディスクRV減速機の利点

2ディスクRV減速機では、2枚の同一のサイクロイドディスクを伝動系内に軸方向に配置します。

ディスクAは+eの偏心量で作動し、ディスクBは−eの偏心量で作動します。そのため、クランクシャフト上の2つの偏心部は180°離れて配置されます。

ただし、同一の2枚のディスクを180°離して取り付けるだけでは不十分です。

ディスクBは、特定の位相角だけ回転させる必要があります。

Δφ = −180° / zc = −180° / 39 = −4.615°

この詳細は、CADモデリングおよび組立時に特に重要です。

エンジニアが最初のサイクロイドディスクを単純に複製し、位相差をゼロにして2枚のディスクを取り付けた場合、ピン穴は正しく整列せず、意図したバックラッシ低減効果を得ることはできません。

以下の比較の左側は、ピン穴が明らかにずれている誤った0°位相配置を示しています。右側は、正しい−4.615°の位相配置を示しています。

利点1：慣性力の相殺

ディスクAは+eで作動し、ディスクBは−eで作動します。

そのため、偏心質量は互いに反対方向へ移動し、それらの一次慣性力を大幅に相殺できます。

これにより振動が低減され、RV減速機のより滑らかな運転に役立ちます。

産業用ロボットの関節にとって、これは2ディスク構造がもたらす最も直接的な利点の一つです。

振動の低減は、軸受やその他の伝動部品にかかる動的荷重の低減にもつながります。

利点2：予圧によりバックラッシを低減できる

2ディスク構造がバックラッシを低減できる理由を理解するには、まずバックラッシがどこで発生するかを理解する必要があります。

当社のモデルでは、5つの主要な誤差要因をレバーに基づく計算により出力角へ換算しました。

例示した公差条件下では、出力ピン穴のすきまは計算上の総バックラッシの約48%を占め、他の4つの要因の寄与を合わせたものとほぼ同等でした。

サイクロイド歯形自体が占める割合は、全体のおよそ4分の1にすぎませんでした。

これは、バックラッシの大部分が単にサイクロイド歯形に起因するのではなく、すきまの連鎖に由来することを意味します。

2枚のサイクロイドディスク間の位相差は、このすきまの一部を補償する方法を提供します。

位相を調整することで、一方のディスクをすきまの片側に当接させ、もう一方のディスクを反対側に接触させることができます。

この原理は、予圧を与えたダブルナットボールねじのバックラッシ防止機構に似ています。

ただし、見落とされがちな重要な設計上の許容範囲があります。

当社の計算では、組立位相の許容範囲はおよそ次のようになります。

ε* = 79″

位相誤差がこの範囲内に収まる場合、バックラッシ低減効果は有効に維持されます。

位相誤差が許容範囲を超えると、2枚のディスクが互いに対抗し始め、部分的にかじりを起こす可能性があります。バックラッシは引き続き低下する場合がありますが、同時に摩擦と温度上昇も発生します。

したがって、2ディスクRV減速機の受入検査では、バックラッシと無負荷トルクの両方を評価する必要があります。

これらのパラメータの一方だけを見ると、実際の組立品質について誤解を招くおそれがあります。

利点3：荷重分担

2枚のサイクロイドディスクは、並列の荷重伝達経路を形成します。

理想的な理論条件では、各ディスクが伝動荷重の約50%を負担します。

実際の減速機では、製造公差および位相誤差により、荷重が完全に均等に分担されることはありません。

それでも、2ディスク構成は荷重集中を大幅に低減します。

より多くの歯が荷重伝達に関与できるため、接触応力を低減し、摩耗分布を改善できます。

この荷重分担特性は、高トルクかつ長期使用の用途において特に価値があります。

利点4：より高いねじり剛性

2ディスク構成は、追加の並列伝動経路を形成します。

これにより、伝動システムの実効ねじり剛性を高め、荷重時の出力端における角度変位を低減できます。

溶接ロボット、搬送ロボット、産業用回転テーブル、工作機械などの用途では、変動する外部荷重の下でも出力が位置を維持しなければならないため、ねじり剛性が特に重要です。

1ディスクRV減速機と2ディスクRV減速機の比較

サイクロイドディスクを追加すると部品数と組立の複雑さは増しますが、力の釣り合い、荷重分担、バックラッシ制御、およびねじり剛性の向上ももたらします。

2ディスクRV減速機はどこで使用されるのか？

2ディスクRV減速機は、高トルク、高剛性、高精度位置決め、および長期信頼性が求められる用途と広く関連しています。

HONPINE RV減速機は現在、高負荷ロボットアーム、産業用ポジショナ、産業用回転テーブル、および工作機械システムなどの用途で使用されています。

産業用ロボット向けRV減速機

産業用ロボットの関節では、サイクロイドディスク1枚分のコスト削減が最優先されるわけではありません。

以下の組み合わせが求められます。

• 高い位置決め精度

• 高いねじり剛性

• 低バックラッシ

• 高い負荷容量

• 長い耐用年数

• 安定した運転

• 高い信頼性

2ディスクRV構造は製造および組立の複雑さを増加させますが、バックラッシ低減、振動制御、荷重分担、および剛性の面で利点をもたらします。

このため、位相予圧を備えた2枚のサイクロイドディスクを使用するRV減速機は、産業用ロボットの関節に広く使用されています。

1ディスクRV構成は、剛性、振動、長期的な高負荷運転に対する要求が低い教育システム、実験設備、またはコスト重視の用途でより一般的に見られます。

産業用ポジショナ向けRV減速機

産業用ポジショナはロボット関節と重要な共通点を持っています。出力軸が偏心荷重や転倒モーメントにもさらされる一方で、大きな荷重を扱うことが多い点です。

例えば溶接ポジショナは、安定した位置決めを維持しながらワークを回転させる必要があります。

減速機のバックラッシが過大である、またはねじり剛性が不足している場合、加速、減速、方向反転、あるいは溶接プロセスによる外部荷重の際に、出力にわずかな角度変位が発生する可能性があります。

そのため、産業用ポジショナでは以下の項目が重視されます。

• 出力トルク

• ねじり剛性

• バックラッシ

• 許容転倒モーメント

• 高頻度の始動・停止運転

• 長期運転寿命

これらは、2ディスクRV構造が重要な機械的利点を提供できる分野でもあります。

産業用回転テーブル向けRV減速機

高負荷の産業用回転テーブル、ロボット用回転テーブル、溶接テーブル、および精密位置決めテーブルでは、伝動システムに同様の要求が課されます。

単にテーブルを回転させることが要件ではありません。

システムは、大きな荷重を目標位置まで正確に回転させ、動作停止後も安定した位置決めを維持する必要があります。

このため、回転テーブルに使用するRV減速機の重要なパラメータには、以下が含まれます。

• バックラッシ

• ねじり剛性

• アキシアルおよびラジアル負荷容量

• 許容転倒モーメント

• 出力トルク

• 位置決め精度

• 長期運転信頼性

したがって、2ディスクRV減速機は、高荷重と安定した位置決めが求められる回転用途に特に適しています。

なぜ2ディスク構成がRV減速機の主流構造なのか？

RV減速機の減速機能は、サイクロイドピン歯伝動に由来します。

追加されるサイクロイドディスクが、減速比を根本的に生み出しているわけではありません。

その主な価値は、伝動システムの機械的挙動を改善することにあります。

1ディスク構造は、次の基本的な問いに答えます。

この機構は減速を実現できるか？

2ディスク構造は、より高度な問いに答えます。

振動を低減し、荷重を分散し、バックラッシを制御し、剛性を高め、長い耐用年数にわたって信頼性高く運転できるか？

この違いが、2ディスクRV減速機が産業用ロボット、工作機械、高負荷回転テーブル、その他の精密伝動用途で広く使用される理由を説明しています。

したがって、この例における小さな−4.615°の位相差は、単なるCAD組立上の詳細ではありません。これは、2枚のサイクロイドディスクを協調した精密伝動システムへと変える重要な要因の一つです。