JP7702282B2 - 歯車形状設計装置、歯車形状設計方法、及び歯車形状設計プログラム - Google Patents

Description

本発明は、歯車形状設計装置、歯車形状設計方法、及び歯車形状設計プログラム歯車形状設計装置に関する。

従来、動力の伝達機構として多用されている歯車の形状について様々な研究がなされている。歯車の形状を設計するにあたり、現在は、運動方程式をモデル化することによる機構解析、有限要素法による数値解析を用いたＦＥＭ解析、専用ソフトによる歯面剛性の動的評価の高速・高精度化のシミュレーション等の手法を単独で又は組み合わせて最適な歯車形状を算出する努力が続けられている（例えば非特許文献１）。

「平歯車の歯のかみあい剛性に及ぼす歯車加工精度及び歯面修正の影響」李樹庭（日本機械学会２０１２年度年次大会講演論文，２０１２年，Ｎｏ．１２－１）

しかしながら、未だに、操作者の意図に即して最適な歯車の形状を自動的に設計する技術は確立されておらず、実際はシミュレーションを用いて可変値を様々な値に設定しトライアンドエラーを繰り返すことで歯車の設計を行っている。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、歯車の自動設計を行うことができる歯車形状設計装置、歯車形状設計方法、及び歯車形状設計プログラム歯車形状設計装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の或る態様は、歯車の材料に関する情報及び歯車を実装する際に歯車と噛み合う他の歯車に関する周辺情報を含む仕様情報、及び歯車の形状情報のうちの一部を取得する情報取得部と、情報取得部が取得した仕様情報及び形状情報に基づいて、歯車の性能を示す所定の性能指数を満たす歯車の形状情報であって、情報取得部で取得した歯車の形状情報以外の形状情報の少なくとも一部を算出する算出部とを備える。

本発明の実施形態による歯車形状設計装置のブロック図である。 歯車形状設計装置による一連の動作を示すフロー図である。 歯車形状設計装置の制御用プログラムのブロック図である。

以下、本発明の実施形態について詳述する。実施形態では、歯車形状設計装置により、オープンループ型６軸ロボットアームの減速機構に用いられる平歯歯車を設計することを例に挙げ詳細な説明を行う。また近年、ロボットアームを用いた作業工程の増加に伴い、人間とロボットアームとが近い距離で作業を行う機会が増えている。この場合、ロボットアームで用いられる平歯歯車の駆動時の騒音、特に出力が大きい肩回転、又は肩旋回を行う減速機構の２つの平歯歯車同士（例えば、クランク側のスパーギアとモータ側のインプットギア）の噛み合い時の騒音が問題になることが多い。したがって実施形態では、スパーギアの騒音に着目し騒音を低減するために最適な歯車の形状を算出する例について詳述する。

歯車形状設計装置の概要を説明する。歯車形状設計装置は、操作者が歯車の形状に関する要求情報を入力することで、所望の性能を有する最適な歯車の形状に関する情報を出力する。つまり操作者が現段階で歯車が満たしていなければならないと決定した形状の条件（一部の情報）のみを歯車形状設計装置に入力すれば、歯車形状設計装置が残りの歯車の形状に関する情報を出力する。

この際、歯車形状設計装置から出力される情報に基づいて製造される歯車は、所定の性能指数を満たすものである。性能指数とは歯車の性能を示す数値である。歯車の性能としては、上述した騒音の他に、歯車の振動、効率、伝達精度等が挙げられる。歯車駆動時の騒音を減らすためには歯車駆動時のかみ合い剛性変動を少なくしたり、歯車駆動時のかみ合い伝達誤差を少なくしたりすることが考えられる。これを加味して歯車形状設計装置は、かみ合い剛性変動又はかみ合い伝達誤差の一方又は両方が、所望の値より少なくなるできる形状情報を出力する。性能指数は、操作者が歯車形状設計装置に入力する値であっても良いし、予め決定されて歯車形状設計装置に記憶されていてもよい。

以下、実施形態について説明する。図１は、歯車形状設計装置のブロック図である。図１に示すように、歯車形状設計装置１は、入力部２と、情報取得部４と、算出部６と、出力部８と、記憶部１０とを備える。

入力部２は、操作者が各種操作を行うためのインターフェイスである。入力部２は、操作者が操作するコンピュータの入力デバイスによって構成され、操作者が歯車形状設計装置１に情報を入力するために用いられる。歯車形状設計装置１に入力される情報としては、歯車の設計情報がある。歯車の設計情報とは、歯車の形状情報と、歯車の仕様情報とを含む情報である。

歯車の形状情報とは、設計される歯車の全体形状に関する情報、及び個々の歯の形状に関する情報を含む情報である。歯車の全体形状に関する情報は、歯車の直径、及び歯車の種類に関する情報を含む。歯の形状情報は、歯の寸法、及び形状に関する情報を含む。歯の形状情報としては、歯のクラウニング量、及び歯形修整量がある。

歯車の仕様情報とは、歯車の材料に関する情報、及び歯車を実装する際に設計対象となる歯車と噛み合う他の歯車に関する周辺情報を含む情報である。歯車を減速機構の他の歯車等と組み合わせて実装する際には周辺部材との関係で、歯車と駆動シャフトとの結合方法、歯車のモジュール、歯数、及び歯厚を加味するのが重要である。したがって歯車の仕様情報は、歯車と駆動シャフトとの結合方法に関する情報、歯車のモジュールに関する情報、歯数に関する情報、及び歯厚に関する情報を含む。また設計対象の歯車が減速機に用いられるスパーギア（減速機構のインプットギアと噛み合うギア）である場合、スパーギアの数を歯車の仕様情報に含めることができる。また仕様情報に制約情報を含めてもよい。制約情報は、加工上の制約に関する情報、及び構造上の制約に関する情報を含む。加工制約とは、歯車の製造設備に関連する制約であり、歯車を製造する際に利用可能な設備で実現が困難な形状等に関する制約である。構造上の制約は、寸法に関する制約及び耐久性に関する制約を含む。寸法制約とは、歯車を収容する空間の寸法に関する制約である。耐久性の制約は、歯車の機械的強度に関する制約である。周辺情報とは、設計対象となる歯車と噛み合う歯車（単に「相手方の歯車」ということがある）に関する情報である。周辺情報としては、相手方の歯車の歯数、歯厚、モジュール、形状情報がある。

情報取得部４は、入力部２に入力された形状情報及び仕様情報を入力部２から取得して算出部６に供給する。入力部２に性能指数が入力された場合、情報取得部４は性能指数を入力部２から取得する。

算出部６は、情報取得部４から供給された形状情報及び仕様情報に基づいて、形状情報の残りの少なくとも一部（つまり、情報取得部４から供給された形状情報以外の形状情報の少なくとも一部）を算出する。算出部６により算出される形状情報としては、操作者が入力していない形状情報のみ（つまり、残りの形状情報のみ）であってもよいし、入力された形状情報及び残りの形状情報を統合して作成された歯車の設計図（例えば２次元又は３次元ＣＡＤ図面情報）のような歯車全体の形状に関する情報であってもよい。なお、算出部６による形状情報の算出方法については後述する。

出力部８は、算出部６で算出された形状情報を操作者に出力するインターフェイスである。出力部８としては、モニタ等の画像表示手段やプリンタ等の画像形成手段を用いることができる。

記憶部１０は、所定の情報を記憶する記憶媒体により構成される。記憶部１０に記憶された情報は、算出部６により読み出される。記憶部１０には、過去に設計した歯車の形状情報と、仕様情報と、性能指数とを関連付けたデータベースが記憶されている。データベースは予め作成され、記憶部１０に記憶される。データベースの構築にあたり、歯車形状設計装置１により設計されたギアを実際に製造し、製造した歯車を使用して性能指数を測定した結果を収集してもよいし、歯車形状設計装置１により設計された歯車でシミュレーションを行って性能指数を測定してもよい。つまりデータベースは、歯車形状設計装置１により設計された歯車のフィードバックデータにより構築されている。データベースには、所望の性能指数を発揮した歯車の情報に加えて所望の性能指数を発揮しなかった、いわば不具合を起こした歯車の情報を含めてもよい。また、歯車形状設計装置１により設計していないギアの性能指数を測定又はシミュレートしてデータベースに含めてもよい。また、外部から情報を取得可能な情報更新部（図示せず）を設け、データベースを逐次アップデートできるようにしてもよい。

次に算出部６についてさらに詳細な説明を行う。算出部６は、情報取得部４で取得した形状情報、仕様情報、及び記憶部１０に記憶されたデータベースに基づいて、残りの形状情報を算出する。この際、算出部６は性能指数（この例では「かみ合い剛性変動」）が所望の値以下となるような形状情報を算出する。算出部６は、記憶部１０に予め記憶された性能指数又は性能指数の閾値を読み出してもよいし、入力部２を介して操作者により入力された性能指数又は性能指数の閾値を情報取得部４で取得してもよい。算出部６は、記憶部１０に記憶されたデータベースを参照し、情報取得部４で取得した形状情報、及び仕様情報を満たす歯車をデータベースから抽出する。さらに算出部６は、抽出された歯車のうちかみ合い剛性変動が所望の値以下となっている歯車を抽出する。算出部６は、抽出された歯車の形状情報を算出結果として出力部８に供給する。この際、算出部６は、かみ合い剛性変動が最も少ない歯車の形状情報のみを出力部８に供給してもよい。また算出部６は、複数の歯車の形状情報を、かみ合い剛性変動が少ない順に並べてリスト化した形状情報を出力部８に供給してもよい。

以下、図２を参照しながら歯車形状設計装置１の作用を説明する。図２は、歯車形状設計装置による一連の動作を示すフロー図である。

操作者により形状情報及び仕様情報が入力部２に入力されると、歯車形状設計装置１は一連の処理を開始する。このとき形状情報として、歯車の全体形状に関する情報のみが入力されたものとする。ステップＳ１において歯車形状設計装置１は、入力された形状情報及び仕様情報を情報取得部４にて取得する。次いでステップＳ２において歯車形状設計装置１は、歯車の形状情報を算出する。この処理は、算出部６が記憶部１０に記憶されたデータベースを参照し、かつ性能指数を参照して残りの形状情報（歯車の全体形状以外の形状情報、つまり歯の形状情報）を算出する。次いでステップＳ３において歯車形状設計装置１は、算出した形状情報を出力する。これにより操作者に、所望の性能指数を満たす形状情報を提供できる。

図３は、歯車形状設計装置の制御用プログラムのブロック図である。制御用プログラムは、所定の記憶媒体に格納されており、歯車形状設計装置により実行されたときに歯車形状設計装置の各部を動作させる指令を含む。

図１及び図３を参照して、歯車形状設計装置の制御用プログラム２０は、入力部２に入力された形状情報及び仕様情報を情報取得部４に取得させる取得指示部２２と、算出部６に形状情報を算出させる算出指示部２４と、出力部８に形状情報を出力させる出力指示部２６とを備える。歯車形状設計装置１により制御用プログラム２０が実行されると、歯車形状設計装置１は図２に示すフローに従って形状情報を算出する。

以上のように実施形態によれば、複数の形状情報のうちの一部を入力することで残りの形状情報を出力できる。出力された形状情報は、所望の性能指数を満足するものである。したがって、最適な歯車を得るために繰り返し解析を行う必要がなくなるか、少なくとも解析を行う回数を大幅に減らせる。

次に実施形態の変形例について説明する。

上述の実施形態において、算出部６は歯車の製造条件に関する製造条件情報を算出してもよい。製造条件情報は、設計した歯車を実際に製造する際の条件に関する情報である。製造条件は、歯車の許容公差、歯車の加工条件、及び歯車の表面処理条件を含む情報である。製造条件は、過去に設計した歯車の形状情報、仕様情報、及び性能指数と共に記憶部１０内のデータベース内に格納されている。算出部６は、算出した形状情報に関連付けられた製造条件情報を形状情報と共に出力部８に供給する。

また、操作者が入力部２に製造条件情報を入力できるようにしてもよい。この場合、情報取得部４は入力部２に入力された製造条件を取得して算出部６に供給する。算出部６は、データベース内から歯車を抽出する際に製造条件を満たす歯車（入力された製造条件と一致する製造条件の歯車）を抽出する。これにより、操作者が指定した製造条件で製造される歯車の形状情報を操作者に提供できる。

また別の変形例として、算出部６を人工知能により実現してもよい。この場合、算出部６は、上述したデータベースを利用して学習済みモデルを構築する。情報取得部４で取得された形状情報及び仕様情報を算出部６に入力すると、算出部６は学習済みモデルを実行して所望の性能指数を満たす形状情報を算出する。

算出部６を人工知能により実現する場合、形状情報、及び仕様情報に含まれる複数の情報を入力部２に入力する際に、操作者が各情報を必須の条件（ｍｕｓｔ条件）又は希望の条件（ｗａｎｔ条件）に分類できるようにしてもよい。例えば、歯のクラウニング量（形状情報）及び歯車の材料（仕様情報）を入力部２に入力する際にこれらの情報をｍｕｓｔ条件として分類し、残りの情報をｗａｎｔ条件として分類する。この場合、算出部６は、ｍｕｓｔ条件を満たし、かつｗａｎｔ条件により重み付けがされた結果を算出する。これにより、性能指数を満足し、かつ少なくともｗａｎｔ条件を満たす歯車の形状情報を出力できる。

また、別の変形例として、算出部６は、ｍｕｓｔ条件から歯車の形状情報（つまり、残りの形状情報）を算出する計算モデルを用いてる構成としてもよい。この場合、算出部６は一つ又は複数の計算モデルを有している。算出部６は、ｍｕｓｔ条件を満たし、かつ所望の性能指数を満足する計算モデルを選択し、選択した計算モデルを実行することで残りの形状情報を算出する。計算モデルを実行するに当たりｗａｎｔ条件を重み付け係数として用いてもよい。

実施形態では、設計情報を形状情報と仕様情報とに分類し、形状情報と仕様情報をさらに細かい情報に分類している。しかしながら形状情報と仕様情報の分類の仕方は実施形態の例に限られるものではなく、設計現場のニーズに応じて分類の仕方を変えてもよく、結果的に歯車形状設計装置を使用する段階で決定されていない設計情報を算出できればよい。

各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする電子素子や機械部品などで実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラムなどによって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

１ 歯車形状設計装置； ２ 入力部； ４ 情報取得部； ６ 算出部； ８ 出力部； １０ 記憶部； ２０ 制御用プログラム； ２２ 取得指示部； ２４ 算出指示部； ２６ 出力指示部

Claims (8)

1. 減速機用の歯車の材料に関する情報及び前記歯車を実装する際に前記歯車と噛み合う他の歯車に関する周辺情報を含む仕様情報と、前記歯車の複数の形状情報のうちの一部と、前記歯車の性能を示す性能指数とを取得する情報取得部と、
   過去に設計した前記歯車の前記形状情報と、前記仕様情報と、前記歯車の性能を示す性能指数とを関連付けたデータベースが記憶された記憶部と、
   前記データベースを参照し、前記情報取得部が取得した前記歯車の一部の前記仕様情報及び前記形状情報を満たしかつ前記性能指数が所定の値以下となる前記歯車を抽出し、当該抽出した歯車の形状情報であって、前記情報取得部で取得した前記歯車の形状情報以外の形状情報の少なくとも一部を算出結果として出力する算出部とを備え、
   前記歯車はスパーギアであり、
   前記仕様情報は、前記スパーギアの数に関する情報を含み、
   前記性能指数は、かみ合い伝達誤差及びかみ合い剛性変動の少なくともいずれか一方である、歯車形状設計装置。
2. 前記情報取得部は、歯車の構造上の制約及び歯車の製造上の制約の少なくとも一方に関する制約情報を取得し、
   前記算出部は、前記制約情報を加味して前記複数の形状情報のうちの残りを算出する、請求項１に記載の歯車形状設計装置。
3. 前記算出部で得られた前記形状情報を出力する出力部を備える、請求項１又は２に記載の歯車形状設計装置。
4. 前記算出部は、前記歯車の製造条件に関する製造条件情報を算出する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の歯車形状設計装置。
5. 前記仕様情報は、前記歯車の駆動シャフトとの結合方法に関する情報、前記歯車の歯の数に関する情報、及び前記歯車のモジュールに関する情報、前記歯の厚さに関する情報の少なくとも１つを含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の歯車形状設計装置。
6. 前記形状情報は、前記歯車の歯のクラウニング量、及び前記歯の歯形修整量の少なくとも一方を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の歯車形状設計装置。
7. 減速機用の歯車の材料に関する情報及び前記歯車を実装する際に前記歯車と噛み合う他の歯車に関する周辺情報を含む仕様情報と、前記歯車の形状情報のうちの一部と、前記歯車の性能を示す性能指数とを取得するステップと、
   過去に設計した前記歯車の前記形状情報と、前記仕様情報と、前記歯車の性能を示す性能指数とを関連付けたデータベースが記憶された記憶部の前記データベースを参照し、取得した前記歯車の一部の前記仕様情報及び前記形状情報を満たしかつ前記性能指数が所定の値以下となる前記歯車を抽出し、当該抽出した歯車の形状情報であって、取得した前記歯車の形状情報以外の形状情報の少なくとも一部を算出結果として出力するステップとを備え、
   前記歯車はスパーギアであり、
   前記仕様情報は、前記スパーギアの数に関する情報を含み、
   前記性能指数は、かみ合い伝達誤差及びかみ合い剛性変動の少なくともいずれか一方である、歯車形状設計方法。
8. 情報取得部、記憶部及び算出部を備える歯車形状設計装置の制御用プログラムであって、
   コンピュータを、
   減速機用の歯車であってスパーギアである前記歯車の材料に関する情報及び前記歯車を実装する際に前記歯車と噛み合う他の歯車に関する周辺情報を含む仕様情報であって前記スパーギアの数に関する情報を含む前記仕様情報と、前記歯車の複数の形状情報のうちの一部と、前記歯車の性能を示す性能指数であってかみ合い伝達誤差及びかみ合い剛性変動の少なくともいずれか一方である前記性能指数とを取得する前記情報取得部に前記仕様情報、前記形状情報及び前記性能指数を取得させる取得指示部と、
   過去に設計した前記歯車の前記形状情報と、前記仕様情報と、前記歯車の性能を示す性能指数とを関連付けたデータベースが記憶された前記記憶部の前記データベースを参照し、前記情報取得部が取得した前記歯車の一部の前記仕様情報及び前記形状情報を満たしかつ前記性能指数が所定の値以下となる前記歯車を抽出し、当該抽出した歯車の形状情報であって、前記情報取得部で取得した前記歯車の形状情報以外の形状情報の少なくとも一部を算出結果として出力する前記算出部に、前記形状情報を算出させる算出指示部、
   として機能させるための制御用プログラム。

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