工業機器人減速器概述

精密減速器是工業機器人的核心零部件，占整機成本的30%以上。目前，世界75%的精密減速器市場被日本的Harmonica和Nabtesco所占領，其中Nabtesco的RV減速器約占60%的市場份額，Har-monica的諧波減速器約占15%。我國對工業機器人用精密減速器的研究相比國外較晚，技術不成熟，與國外先進技術存在較大差距，形成了精密減速器不能自給自足的局面，嚴重依賴進口。這嚴重制約了我國工業機器人的發展，特別是在我國工業機器人逐漸產業化時期，工業機器人精密減速器的關鍵技術突破顯得更加迫切。
　　工業機器人用精密減速器
　　諧波齒輪減速器
　　諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發展起來的一種新型減速器，由波發生器、柔輪和剛輪組成，依靠波發生器使柔輪產生可控彈性變形，并靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞運動和動力，如下圖所示。
　　
　　諧波減速器
　　諧波傳動具有運動精度高，傳動比大、質量小、體積小、較小的傳動慣量等優點。最重要的是能在密閉空間傳遞運動，這一點是其他任何機械傳動無法實現的。其缺點為在諧波齒輪傳動中柔輪每轉發生兩次橢圓變形，極易引起材料的疲勞損壞，損耗功率大。同時，其引起的扭轉變形角達到20’～30’甚至更大。受軸承間隙等影響可能引起3’～6’的回程誤差，不具有自鎖功能。
　　諧波減速器是20世紀50年代伴隨著空間科學技術的發展，基于在彈性薄殼彈性變形理論，應用金屬撓性和彈性力學原理發展起來的一種全新傳動形式。由美國發明家C Walt MUSSER首先提出，經日本引入后發展實用化。目前，諧波傳動已廣泛應用于航天航空、機器人、精密加工設備、雷達設備、醫療設備等領域。我國從20世紀60年代就開始諧波方面的研制工作，但到目前為止國內諧波齒輪的專業生產廠家仍然 很少。國外的生產廠家有日本的 HarmonicDrive；國內主要生產廠家有北京中技克美、北京諧波傳動所 、蘇州綠的等。
　　擺線針輪行星減速器
　　擺線針輪行星減速器是一種應用行星式傳動原理，采用擺線針齒嚙合的新穎傳動裝置。擺線針輪減速器全部傳動裝置可分為三部分： 輸入部分、減速部分、輸出部分。在輸入軸上裝有一個錯位 180°的雙偏心套，在偏心套上裝有兩個稱為轉臂的滾柱軸承，形成H機構、兩個擺線輪的中心孔即為偏心套上轉臂軸承的滾道，并由擺線輪與針齒輪上一組環形排列的針齒相嚙合，以組成齒差為一齒的內嚙合減速機構（為了減小摩擦，在速比小的減速機中，針齒上帶有針齒套）。
　　擺線針輪行星傳動是行星輪采用變幅外擺線的一種少齒差行星齒輪傳動，屬于K－H－V行星齒輪傳動，擺線針輪行星傳動的特點是單級傳動比為6～119，一級傳動效率達 0.9～0.95，可代替兩級普通圓柱齒輪減速器，體積可減少1/2～2/3，質量約減少1/3～1/2，缺點是擺線針輪減速器的機構太復雜制造安裝精度要求太高，轉臂軸承受力大，影響軸承 壽命和承載能力。擺線針輪行星傳動最大傳動功率200kW，最高輸入轉速1800r/min，廣泛應用于礦山、化工、起重機械、工程機械等領域。
　　RV減速器
　　RV減速器由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成，如下圖所示。
　　
　　RV減速器
　　RV傳動是新興起的一種傳動，它是在傳統針擺行星傳動的基礎上發展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且具有體積小、質量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩定、效率高、傳動平穩等一系列優點。
　　RV減速器有較優越的性能：
　　擺線針輪行星減速裝置中的傳動零件剛度高、接觸應力小，零件加工和安裝精度易于實現高精度，這就使得擺線針輪傳動的效率很高；
　　行星傳動結構與緊湊的 W 輸出機構組合，使整個擺線針輪減速裝置結構十分緊湊，因此其結構體積小和質量輕；
　　采用一齒差或少齒差傳動，擺線針輪傳動的傳動比大小取決于擺線針輪的齒數，齒數越多，傳動比越大；
　　擺線針輪傳動同時嚙合的齒數要比漸開線外齒傳動同時嚙合的齒數多，因此承載能力較大;
　　擺線輪和針輪的輪齒均淬硬、精磨，比漸開線少齒差傳動中內齒輪的加工性能更好、齒面硬度更高，使用壽命更長。
　　RV減速器因為諸多優點被廣泛應用于工業機器人，機床，醫療檢測設備，衛星接收系統等領域。它較機器人中常用的諧波傳動具有高得多的疲勞強度、剛度和壽命，而且回差精度穩定，不像諧波傳動那樣隨著使用時間增長運動精度就會顯著降低，故世界上許多國家高精度機器人傳動多采用RV減速器，因此，該種RV減速器在先進機器人傳動中有逐漸取代諧波減速器的發展趨勢。
　　80年代中期，日本帝人公司成功研制出RV減速機，并開始小批量生產。1986年，由于產品性能優異，市場使用反饋較好，應用領域也逐漸拓展，帝人公司開始大批量投產。2000年，中國開始對減速機進行 “863”立項攻關，2008年，國際機器人聯合會統計全球工業機器人共約130萬臺，使用RV減速機約200萬臺，2013年，日本納博特斯克公司 （ 前身為帝人公司） 實現年產超30萬臺RV減速機的產量第一。中國仍有超95%的市場份額被國外公司壟斷。近年來，國內部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機的國產化和產業化研究，如南通振康，浙江恒豐泰，重慶大學機械傳動國家重點實驗室，天津減速機廠，秦川發展。
　　精密行星減速器
　　精密行星減速器主要傳動結構為：行星輪，太陽輪，外齒圈。行星減速機因為結構原因，單級減速最小為 3，最大一般不超過10，常見減速比為： 3，4，5，6，8，10，減速機級數一般不超過3，但有部分大減速比定制減速機有4級減速。相對其他減速機，行星減速機具有高剛性、高精度（單級可做到 1’以內）、高傳動效率（單級在97%～98%）、高的扭矩/體積比、終身免維護等特點。因為這些特點，行星減速機多數是安裝在步進電機和伺服電機上，用來降低轉速，提升扭矩，匹配慣量?，F在市場上的主流產品國外的有德國的SEW、德國的 FLENDEＲ、瑞德森、日本 Sumitomo 住友、NORD、AB、ABB；國內的有漢星、四通等。
　　濾波齒輪減速器
　　濾波齒輪傳動是由重慶大學梁錫昌、王家序教授發明的一種結構緊湊、體積相對小、大傳動比的新型精密傳動機構，目前還處于研究階段。濾波齒輪減速器屬于 NN 型少齒差減速器，由偏心減速機構、濾波花鍵機構、三向止推軸承3大部分組成。
　　國內外精密減速器生產企業概況
　　目前全球能夠提供規?；倚阅芸煽康木軠p速器生產企業不算多，全球絕大多數市場份額都被日本企業占據。Nabtesco的RV減速器約占60%的市場份額，Harmonica的諧波減速器約占15% ，還有住友重工 SUMITOMO。尤其在機器人領域的應用比例是壓倒性的。隨著國家對智能制造領域的大力投入，工業機器人核心部件的研究領域取得了一定成效，涌現出了一批快速進步的精密減速器制造企業。如近年來國內部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機的國產化和產業化研究，如南通振康、浙江恒豐泰、重慶大學機械傳動國家重點實驗室、天津減速機廠、秦川機床廠; 在諧波減速機方面，國內已有一些可替代產品，如北京中技克美、北京諧波傳動所、蘇州綠的等。
　　Harmonic Drive Systems Inc．
　　日本的Harmonic Drive Systems Inc.已經壟斷了國際市場，是目前諧波傳動行業的絕對領跑者。聽上去像一個行業品類，其實Harmonic Drive是Harmonic Drive Systems Inc.的商標。1960年美國USM公司首次將諧波傳動減速器成功投入運用，后來長谷川齒輪株式會社（Hasegawa Gear Works，Ltd. ）獲得了USM的生產許可。1970年10月，長谷川與USM各出資50% ，在東京成立了Harmonic Drive Systems Inc.，漢譯哈默納科。哈默納科是整體運動控制的領軍企業，其生產的Harmonic Drive組合型諧波減速機，具有輕量小型、無齒輪間隙、高轉矩容量等特點，被廣泛應用于工業機器人、仿人機器人、半導體液晶生產裝置、光伏設備、光學儀器、精密機床等各種尖端領域。
　　Nabtesco
　　Nabtesco（納博特斯克） 是2003年9月成立的，看似一個00后公司，實際上它是由帝人精機（TeijinSeiki，1944 年成立）和納博克（Nabco，1956年生產了日本第一個自動門）這兩家日本公司強強合并組成。作為運動控制系統和零部件的生產商，這兩家公司都在其特定的業務領域，掌握了高端核心技術，控制了很高的市場份額，所以Nabtesco一成立，就位居同行業在日本乃至全世界的首位，世界上大多數機器人制造商均從Nabtesco的專利RV減速機獲益并帶來成功。作為世界上最大的精密擺線針輪減速機制造商，Nabtesco生產高性能減速機、中空軸減速機以及單軸伺服執行器和控制器。其生產的精密設備具有高扭矩、高剛性和高耐過載沖擊荷載能力的同時，兼有高精密和非常低的回程間隙。
　　住友SUMITOMO
　　日本住友SUMITOMO是擁有400多年歷史的世界500強之一的住友集團旗下的建設機械廠家，在世界范圍享有盛譽。住友產品在1967年憑借自身技術開發研制了第一臺液壓挖掘機之后，目前世界各地到處活躍著住友液壓挖掘機的身影。住友重機械工業株式會社Sumitomo Drive Technologies住友重機械在日本便開始了電動機和減速機的自行制造生產。住友減速機包含各種型號減速機，如住友大型斜齒輪減速箱，住友行星齒輪減速機，住友斜齒輪減速機，住友蝸輪蝸桿減速機等。減速比大，效率高，一級傳動減速比為9～87，雙級傳動減速比為121～5133，多級混合可達數萬，且針齒嚙合系套式滾動摩擦，嚙合表面無相對滑動，故一級減速效率達94% 。1995年10月，由住友重機械工業株式會社和住友商事株式會社共同出資在中國天津成立住友重機械減速機（中國）有限公司，并在2001年成立上海分公司作為其產品在中國的銷售總部，同時在上海的松江設有維修中心。
　　上海機電
　　上海機電股份有限公司是一家引領中國機電裝備制造企業快速發展的大型上市公司，是其母公司中國最大的裝備制造業集團，香港上市公司——上海電氣集團股份有限公司的重要產業支柱之一，承擔著機電一體化板塊的發展重任。2013年5月，上海機電以現金增資入股納博傳動51% 股權，共同合作機器人項目，開發精密減速機。
　　秦川發展
　　秦川機床集團有限公司（原名秦川機床廠），1965年從上海內遷至陜西寶雞，1995年8月經國家經貿委和陜西省人民政府聯合批復，以國家100家現代企業制度試點企業之一的秦川機床廠為主體組建國有獨資公司———秦川機床集團有限公司，現為國家大一型重點骨干企業。公司經營業務包括金屬切削機床、塑料加工機械、液壓系統、液壓件、汽車零部件、功能部件、精密齒輪 （ 箱） 、機床配件、數控系統、儀器儀表、木工機械及制品。2013年7月，秦川發展計劃投資1.94億元進行9萬套（一期）工業機器人關節減速器技術改造項目建設。二期項目將視一期進展情況適時投入。
　　綠的諧波
　　蘇州綠的諧波傳動科技有限公司作為一家從事精密諧波傳動裝置的研發、設計和生產的專業化公司，主要生產與研發機器人諧波齒輪減速器，具有高可靠性、高精度、大扭矩、大速比、小體積等特性，廣泛應用于機器人、精密機械驅動控制等領域，特別是在對減速機有高精度、低轉速、大扭矩等特殊要求的工業機器人行業盡顯技術優勢。綠的諧波是《機器人用諧波齒輪減速器》國家標準主要起草方。綠的諧波減速器在精度、使用壽命上有很大的優勢，這兩點上的優勢在國內行業中還很突出，同時在保持高精度的情況下，綠的諧波的產品價格優勢也非常明顯。另外，綠的諧波在諧波傳動領域已擁有12項國家發明專利和19項國家實用新型專利。
　　南通振康
　　南通振康焊接電機有限公司創始于1993年，是國家高新技術企業，20年來，振康一直專注于機器人核心部件——精密電機和精密減速器的研發和生產，從剛開始的印刷電機，到后來的送絲機和自動化焊接小車，再到現在的RV減速機，南通振康的發展歷程，是專注于特種電機與精密減速機的發展歷程2010 年研制開發用于工業機器人傳動核心部件RV減速裝置以及系列交流伺服電機，現已投入批量生產。
　　浙江恒豐泰
　　浙江恒豐泰以減速機、攪拌設備為主導產品，其減速器相關產品有LPB型帶有手動搬車裝置減速機（ 國家專利產品） 、X系列擺線針輪減速機、LC型兩級齒 輪 減 速 機、LPB、LSB 型 平 行 軸 齒 輪 減 速 機、GOJ型硬齒面減速機、LFY型硬齒面減速機、CF型圓錐硬齒面減速機、HR、HK、HF、HS型硬齒面減速機、M型蝸輪減速機、FL型旁入式錐輪減速機、MB型無級變速機。恒豐泰現有專利45項，其中多項技術填補國內空白，達到國際先進，公司高新技術產品被列入國家級重點新產品名單和國家火炬計劃。同時，承擔的國家 “十二五”863計劃重點項目課題———工業機器人高精度高效率減速器于2013年9月5日通過國家科技部驗收，從而填補了國內技術的空白，打破了國外企業在該領域的壟斷地位。
　　北京中技克美諧波傳動有限公司
　　北京中技克美諧波傳動有限責任公司成立于1994年12月9日，是國家科技部批準的 “國家諧波傳動技術研究推廣中心” 和 “諧波傳動國家重點工業性試驗基地”，是我國第一個專業從事諧波傳動技術設計、開發、生產、銷售、服務的高新技術實業公司。公司產品主要有以下4個標準系列：XB1單級諧波傳動減速器和組件、XB2內嚙復波諧波傳動減速器和組件、XB3扁平式諧波傳動減速器和組件以及XBF相位調節器用諧波傳動。目前，公司產品已廣泛應用于航天、航空、信息、能源、電子、儀表、石化、印刷、包裝、機器人、機械、醫療、軍工等領域。
　　北京諧波傳動技術研究所
　　北京諧波傳動技術研究所成立于1983年，具有長期的關于諧波齒輪傳動技術的研發及為用戶服務的豐富經驗，是從事諧波傳動及特種傳動技術的研發銷售的專業化企業。主要研發銷售標準諧波減速器、諧波傳動組件及按用戶所需設計非標電機套裝。公司于1993年編寫制定 “諧波傳動減速器國家標準”，其代號為GB/T14118-93。從1991年以來為滿足印刷、包裝機械開發出相位調節器，機床走刀機構用快、慢運動的減速器，力求把新設計、新工藝、新材料用于小速比（i≥40～50）諧波減速器，以滿足對機械速度的要求，同時已經研發出速比在i≥100～20000大速比，以滿足另一些機械的要求。產品主要系列有XBD短筒系列、XB1單級系列、XB2復波系列以及XB3扁平系列。
　　工業機器人精密減速器技術指標
　　扭轉剛度在扭轉力矩的作用下，構件抗扭轉變形的能力，或額定負載轉矩與切向彈性變形轉角之比值。
　　啟動轉矩空載起動時，所需施加的力矩。
　　傳動精度在工作狀態下，輸入軸單向旋轉時，輸出軸的實際轉角與相對理論轉角的接近程度。傳動精度的高低用傳動誤差的大小來衡量，傳動誤差小，精度高，傳動誤差大，精度低。
　　空程在工作狀態下，當輸入軸由正向改為反向旋轉時，輸出軸在轉角上的滯后量。
　　背隙將輸出端與減速器殼體均固定，在輸入端施加±2%額定轉矩順時針和逆時針方向旋轉時，減速機輸入端有一個微小的角位移，此角位移就是背隙，也稱為側隙。
　　傳動誤差在工作狀態下，當輸入軸單向旋轉時，輸出軸的實際轉角與理論轉角之差。
　　傳動效率傳動效率是指輸出功率與輸入功率的比值。傳動效率受到減速比、轉速、負載扭矩、溫度、潤滑條件的影響。
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