工业机器人减速器概述

精密减速器是工业机器人的核心零部件，占整机成本的30%以上。目前，世界75%的精密减速器市场被日本的Harmonica和Nabtesco所占领，其中Nabtesco的RV减速器约占60%的市场份额，Har-monica的谐波减速器约占15%。我国对工业机器人用精密减速器的研究相比国外较晚，技术不成熟，与国外先进技术存在较大差距，形成了精密减速器不能自给自足的局面，严重依赖进口。这严重制约了我国工业机器人的发展，特别是在我国工业机器人逐渐产业化时期，工业机器人精密减速器的关键技术突破显得更加迫切。
　　工业机器人用精密减速器
　　谐波齿轮减速器
　　谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，由波发生器、柔轮和刚轮组成，依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，并靠柔轮与刚轮啮合来传递运动和动力，如下图所示。
　　
　　谐波减速器
　　谐波传动具有运动精度高，传动比大、质量小、体积小、较小的传动惯量等优点。最重要的是能在密闭空间传递运动，这一点是其他任何机械传动无法实现的。其缺点为在谐波齿轮传动中柔轮每转发生两次椭圆变形，极易引起材料的疲劳损坏，损耗功率大。同时，其引起的扭转变形角达到20’～30’甚至更大。受轴承间隙等影响可能引起3’～6’的回程误差，不具有自锁功能。
　　谐波减速器是20世纪50年代伴随着空间科学技术的发展，基于在弹性薄壳弹性变形理论，应用金属挠性和弹性力学原理发展起来的一种全新传动形式。由美国发明家C Walt MUSSER首先提出，经日本引入后发展实用化。目前，谐波传动已广泛应用于航天航空、机器人、精密加工设备、雷达设备、医疗设备等领域。我国从20世纪60年代就开始谐波方面的研制工作，但到目前为止国内谐波齿轮的专业生产厂家仍然 很少。国外的生产厂家有日本的 HarmonicDrive；国内主要生产厂家有北京中技克美、北京谐波传动所 、苏州绿的等。
　　摆线针轮行星减速器
　　摆线针轮行星减速器是一种应用行星式传动原理，采用摆线针齿啮合的新颖传动装置。摆线针轮减速器全部传动装置可分为三部分： 输入部分、减速部分、输出部分。在输入轴上装有一个错位 180°的双偏心套，在偏心套上装有两个称为转臂的滚柱轴承，形成H机构、两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的滚道，并由摆线轮与针齿轮上一组环形排列的针齿相啮合，以组成齿差为一齿的内啮合减速机构（为了减小摩擦，在速比小的减速机中，针齿上带有针齿套）。
　　摆线针轮行星传动是行星轮采用变幅外摆线的一种少齿差行星齿轮传动，属于K－H－V行星齿轮传动，摆线针轮行星传动的特点是单级传动比为6～119，一级传动效率达 0.9～0.95，可代替两级普通圆柱齿轮减速器，体积可减少1/2～2/3，质量约减少1/3～1/2，缺点是摆线针轮减速器的机构太复杂制造安装精度要求太高，转臂轴承受力大，影响轴承 寿命和承载能力。摆线针轮行星传动最大传动功率200kW，最高输入转速1800r/min，广泛应用于矿山、化工、起重机械、工程机械等领域。
　　RV减速器
　　RV减速器由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成，如下图所示。
　　
　　RV减速器
　　RV传动是新兴起的一种传动，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且具有体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。
　　RV减速器有较优越的性能：
　　摆线针轮行星减速装置中的传动零件刚度高、接触应力小，零件加工和安装精度易于实现高精度，这就使得摆线针轮传动的效率很高；
　　行星传动结构与紧凑的 W 输出机构组合，使整个摆线针轮减速装置结构十分紧凑，因此其结构体积小和质量轻；
　　采用一齿差或少齿差传动，摆线针轮传动的传动比大小取决于摆线针轮的齿数，齿数越多，传动比越大；
　　摆线针轮传动同时啮合的齿数要比渐开线外齿传动同时啮合的齿数多，因此承载能力较大;
　　摆线轮和针轮的轮齿均淬硬、精磨，比渐开线少齿差传动中内齿轮的加工性能更好、齿面硬度更高，使用寿命更长。
　　RV减速器因为诸多优点被广泛应用于工业机器人，机床，医疗检测设备，卫星接收系统等领域。它较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著降低，故世界上许多国家高精度机器人传动多采用RV减速器，因此，该种RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。
　　80年代中期，日本帝人公司成功研制出RV减速机，并开始小批量生产。1986年，由于产品性能优异，市场使用反馈较好，应用领域也逐渐拓展，帝人公司开始大批量投产。2000年，中国开始对减速机进行 “863”立项攻关，2008年，国际机器人联合会统计全球工业机器人共约130万台，使用RV减速机约200万台，2013年，日本纳博特斯克公司 （ 前身为帝人公司） 实现年产超30万台RV减速机的产量第一。中国仍有超95%的市场份额被国外公司垄断。近年来，国内部分厂商和院校开始致力高精度摆线针轮减速机的国产化和产业化研究，如南通振康，浙江恒丰泰，重庆大学机械传动国家重点实验室，天津减速机厂，秦川发展。
　　精密行星减速器
　　精密行星减速器主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外齿圈。行星减速机因为结构原因，单级减速最小为 3，最大一般不超过10，常见减速比为： 3，4，5，6，8，10，减速机级数一般不超过3，但有部分大减速比定制减速机有4级减速。相对其他减速机，行星减速机具有高刚性、高精度（单级可做到 1’以内）、高传动效率（单级在97%～98%）、高的扭矩/体积比、终身免维护等特点。因为这些特点，行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。现在市场上的主流产品国外的有德国的SEW、德国的 FLENDEＲ、瑞德森、日本 Sumitomo 住友、NORD、AB、ABB；国内的有汉星、四通等。
　　滤波齿轮减速器
　　滤波齿轮传动是由重庆大学梁锡昌、王家序教授发明的一种结构紧凑、体积相对小、大传动比的新型精密传动机构，目前还处于研究阶段。滤波齿轮减速器属于 NN 型少齿差减速器，由偏心减速机构、滤波花键机构、三向止推轴承3大部分组成。
　　国内外精密减速器生产企业概况
　　目前全球能够提供规模化且性能可靠的精密减速器生产企业不算多，全球绝大多数市场份额都被日本企业占据。Nabtesco的RV减速器约占60%的市场份额，Harmonica的谐波减速器约占15% ，还有住友重工 SUMITOMO。尤其在机器人领域的应用比例是压倒性的。随着国家对智能制造领域的大力投入，工业机器人核心部件的研究领域取得了一定成效，涌现出了一批快速进步的精密减速器制造企业。如近年来国内部分厂商和院校开始致力高精度摆线针轮减速机的国产化和产业化研究，如南通振康、浙江恒丰泰、重庆大学机械传动国家重点实验室、天津减速机厂、秦川机床厂; 在谐波减速机方面，国内已有一些可替代产品，如北京中技克美、北京谐波传动所、苏州绿的等。
　　Harmonic Drive Systems Inc．
　　日本的Harmonic Drive Systems Inc.已经垄断了国际市场，是目前谐波传动行业的绝对领跑者。听上去像一个行业品类，其实Harmonic Drive是Harmonic Drive Systems Inc.的商标。1960年美国USM公司首次将谐波传动减速器成功投入运用，后来长谷川齿轮株式会社（Hasegawa Gear Works，Ltd. ）获得了USM的生产许可。1970年10月，长谷川与USM各出资50% ，在东京成立了Harmonic Drive Systems Inc.，汉译哈默纳科。哈默纳科是整体运动控制的领军企业，其生产的Harmonic Drive组合型谐波减速机，具有轻量小型、无齿轮间隙、高转矩容量等特点，被广泛应用于工业机器人、仿人机器人、半导体液晶生产装置、光伏设备、光学仪器、精密机床等各种尖端领域。
　　Nabtesco
　　Nabtesco（纳博特斯克） 是2003年9月成立的，看似一个00后公司，实际上它是由帝人精机（TeijinSeiki，1944 年成立）和纳博克（Nabco，1956年生产了日本第一个自动门）这两家日本公司强强合并组成。作为运动控制系统和零部件的生产商，这两家公司都在其特定的业务领域，掌握了高端核心技术，控制了很高的市场份额，所以Nabtesco一成立，就位居同行业在日本乃至全世界的首位，世界上大多数机器人制造商均从Nabtesco的专利RV减速机获益并带来成功。作为世界上最大的精密摆线针轮减速机制造商，Nabtesco生产高性能减速机、中空轴减速机以及单轴伺服执行器和控制器。其生产的精密设备具有高扭矩、高刚性和高耐过载冲击荷载能力的同时，兼有高精密和非常低的回程间隙。
　　住友SUMITOMO
　　日本住友SUMITOMO是拥有400多年历史的世界500强之一的住友集团旗下的建设机械厂家，在世界范围享有盛誉。住友产品在1967年凭借自身技术开发研制了第一台液压挖掘机之后，目前世界各地到处活跃着住友液压挖掘机的身影。住友重机械工业株式会社Sumitomo Drive Technologies住友重机械在日本便开始了电动机和减速机的自行制造生产。住友减速机包含各种型号减速机，如住友大型斜齿轮减速箱，住友行星齿轮减速机，住友斜齿轮减速机，住友蜗轮蜗杆减速机等。减速比大，效率高，一级传动减速比为9～87，双级传动减速比为121～5133，多级混合可达数万，且针齿啮合系套式滚动摩擦，啮合表面无相对滑动，故一级减速效率达94% 。1995年10月，由住友重机械工业株式会社和住友商事株式会社共同出资在中国天津成立住友重机械减速机（中国）有限公司，并在2001年成立上海分公司作为其产品在中国的销售总部，同时在上海的松江设有维修中心。
　　上海机电
　　上海机电股份有限公司是一家引领中国机电装备制造企业快速发展的大型上市公司，是其母公司中国最大的装备制造业集团，香港上市公司——上海电气集团股份有限公司的重要产业支柱之一，承担着机电一体化板块的发展重任。2013年5月，上海机电以现金增资入股纳博传动51% 股权，共同合作机器人项目，开发精密减速机。
　　秦川发展
　　秦川机床集团有限公司（原名秦川机床厂），1965年从上海内迁至陕西宝鸡，1995年8月经国家经贸委和陕西省人民政府联合批复，以国家100家现代企业制度试点企业之一的秦川机床厂为主体组建国有独资公司———秦川机床集团有限公司，现为国家大一型重点骨干企业。公司经营业务包括金属切削机床、塑料加工机械、液压系统、液压件、汽车零部件、功能部件、精密齿轮 （ 箱） 、机床配件、数控系统、仪器仪表、木工机械及制品。2013年7月，秦川发展计划投资1.94亿元进行9万套（一期）工业机器人关节减速器技术改造项目建设。二期项目将视一期进展情况适时投入。
　　绿的谐波
　　苏州绿的谐波传动科技有限公司作为一家从事精密谐波传动装置的研发、设计和生产的专业化公司，主要生产与研发机器人谐波齿轮减速器，具有高可靠性、高精度、大扭矩、大速比、小体积等特性，广泛应用于机器人、精密机械驱动控制等领域，特别是在对减速机有高精度、低转速、大扭矩等特殊要求的工业机器人行业尽显技术优势。绿的谐波是《机器人用谐波齿轮减速器》国家标准主要起草方。绿的谐波减速器在精度、使用寿命上有很大的优势，这两点上的优势在国内行业中还很突出，同时在保持高精度的情况下，绿的谐波的产品价格优势也非常明显。另外，绿的谐波在谐波传动领域已拥有12项国家发明专利和19项国家实用新型专利。
　　南通振康
　　南通振康焊接电机有限公司创始于1993年，是国家高新技术企业，20年来，振康一直专注于机器人核心部件——精密电机和精密减速器的研发和生产，从刚开始的印刷电机，到后来的送丝机和自动化焊接小车，再到现在的RV减速机，南通振康的发展历程，是专注于特种电机与精密减速机的发展历程2010 年研制开发用于工业机器人传动核心部件RV减速装置以及系列交流伺服电机，现已投入批量生产。
　　浙江恒丰泰
　　浙江恒丰泰以减速机、搅拌设备为主导产品，其减速器相关产品有LPB型带有手动搬车装置减速机（ 国家专利产品） 、X系列摆线针轮减速机、LC型两级齿 轮 减 速 机、LPB、LSB 型 平 行 轴 齿 轮 减 速 机、GOJ型硬齿面减速机、LFY型硬齿面减速机、CF型圆锥硬齿面减速机、HR、HK、HF、HS型硬齿面减速机、M型蜗轮减速机、FL型旁入式锥轮减速机、MB型无级变速机。恒丰泰现有专利45项，其中多项技术填补国内空白，达到国际先进，公司高新技术产品被列入国家级重点新产品名单和国家火炬计划。同时，承担的国家 “十二五”863计划重点项目课题———工业机器人高精度高效率减速器于2013年9月5日通过国家科技部验收，从而填补了国内技术的空白，打破了国外企业在该领域的垄断地位。
　　北京中技克美谐波传动有限公司
　　北京中技克美谐波传动有限责任公司成立于1994年12月9日，是国家科技部批准的 “国家谐波传动技术研究推广中心” 和 “谐波传动国家重点工业性试验基地”，是我国第一个专业从事谐波传动技术设计、开发、生产、销售、服务的高新技术实业公司。公司产品主要有以下4个标准系列：XB1单级谐波传动减速器和组件、XB2内啮复波谐波传动减速器和组件、XB3扁平式谐波传动减速器和组件以及XBF相位调节器用谐波传动。目前，公司产品已广泛应用于航天、航空、信息、能源、电子、仪表、石化、印刷、包装、机器人、机械、医疗、军工等领域。
　　北京谐波传动技术研究所
　　北京谐波传动技术研究所成立于1983年，具有长期的关于谐波齿轮传动技术的研发及为用户服务的丰富经验，是从事谐波传动及特种传动技术的研发销售的专业化企业。主要研发销售标准谐波减速器、谐波传动组件及按用户所需设计非标电机套装。公司于1993年编写制定 “谐波传动减速器国家标准”，其代号为GB/T14118-93。从1991年以来为满足印刷、包装机械开发出相位调节器，机床走刀机构用快、慢运动的减速器，力求把新设计、新工艺、新材料用于小速比（i≥40～50）谐波减速器，以满足对机械速度的要求，同时已经研发出速比在i≥100～20000大速比，以满足另一些机械的要求。产品主要系列有XBD短筒系列、XB1单级系列、XB2复波系列以及XB3扁平系列。
　　工业机器人精密减速器技术指标
　　扭转刚度在扭转力矩的作用下，构件抗扭转变形的能力，或额定负载转矩与切向弹性变形转角之比值。
　　启动转矩空载起动时，所需施加的力矩。
　　传动精度在工作状态下，输入轴单向旋转时，输出轴的实际转角与相对理论转角的接近程度。传动精度的高低用传动误差的大小来衡量，传动误差小，精度高，传动误差大，精度低。
　　空程在工作状态下，当输入轴由正向改为反向旋转时，输出轴在转角上的滞后量。
　　背隙将输出端与减速器壳体均固定，在输入端施加±2%额定转矩顺时针和逆时针方向旋转时，减速机输入端有一个微小的角位移，此角位移就是背隙，也称为侧隙。
　　传动误差在工作状态下，当输入轴单向旋转时，输出轴的实际转角与理论转角之差。
　　传动效率传动效率是指输出功率与输入功率的比值。传动效率受到减速比、转速、负载扭矩、温度、润滑条件的影响。