精密減速機
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-13
精密減速機的實例教程
而所謂的卡脖子技術體現在中國機器人行業的核心零部件領域，就非被日本壟斷的精密減速機莫屬了。
教育部長江學者、減速器行業知名專家石照耀教授
針對卡脖子技術精密減速機，機器人大講堂特邀北京工業大學教授，教育部長江學者、國際齒輪標準委員會（ISO/TC60）委員、減速器行業知名專家石照耀先生為大講堂觀眾做了一次精彩的分析演講。在他看來中國的精密減速機正處在山坳上，后退不可能，向前險阻重重。為方便大家學習，機器人大講堂將石教授演講內容《山坳上的機器人精密減速器》整理如下（為縮減篇幅，石教授部分演講內容以PPT形式呈現）：
山坳上的機器人精密減速器
今天起了一個比較口語化的題目“山坳上的機器人精密減速器”，因為我認為山坳上比較能準確的描述我國精密減速器的現狀。40億市場份額的關節減速機只占2000多億齒輪行業中很小一部分，本不應該受到過分的關注。但如今機器人行業快速增長，從政府到民間，從投資到企業都關注著減速機，我總結下來有三點原因：
基于這三點原因，中國機器人減速機產業就在山坳上，后退是不可能了，即使向前也是艱難險阻。我們從世界范圍來看待這個話題，同樣機器人精密減速器也處在山坳上。
今天我講三個問題，首先做一個遠眺與近觀，看看山坳上的減速器；再講講我們所面臨的問題與對策；最后討論一下這個行業的創新與發展。
遠眺與近觀
我們先從齒輪行業的大背景下來看精密減速器。齒輪行業在零部件里是最大的行業，有自身的發展規律和技術進展節拍。
展開 全球工業機器人用的精密減速器基本為日本所壟斷，最近幾年，雖然國內也有量產的RV減速器，但卻鮮有國產機器人企業選用，目前中國市場的減速器普遍依賴進口。
▲日本安川機器人揮刀削豌豆
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作為傳統的制造強國，德國、意大利、日本等國家的減速機產品在材料、設計水平、質量控制、精度、功率密度、可靠性和使用壽命等方面處于行業領先地位。
減速器在機械傳動領域是連接動力源和執行機構之間的中間裝置，通常它把電動機、內燃機等高速運轉的動力通過輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的，并傳遞更大的轉矩。
在航空航天、機器人和醫療器械等發展的推動下，結構簡單緊湊、傳遞功率大、噪聲低、傳動平穩的高性能精密減速器需求加大，其中RV減速器和諧波減速器更是精密減速器中重要的兩種減速器。
精密減速機，是一種動力傳達機構，其利用齒輪的速度轉換器，將電機的回轉數減速到所要的回轉數，并得到較大轉矩的裝置。
▲Nabtesco減速機
目前全球能夠提供規模化且性能可靠的精密減速器生產企業不多，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%，Harmonica的諧波減速器約占15%，還有住友重工(SUMITOMO，未查到比例)。尤其在機器人領域的應用比例，是壓倒性的。
▲拆解精密減速機的內部結構
Nabtesco(納博特斯克)是由帝人精機和納博克(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，控制著很大的市場份額。
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。
展開 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甫一成立，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。
Nabtesco有幾個小視頻能很直觀形象地其產品展示在各種工業機器人上的應用。小編扒來其中一個6軸機器人的跟大家分享。（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）
↓↓6軸機器人的關節
(R.M. Hoffman公司發布，58秒)↓↓
↓↓視頻截圖↓↓
↓↓每個關節都要用到不同的減速機產品↓↓
1944年帝人精機成立伊始，在飛機制造業開展業務，1947年進軍紡織機械制造領域，1955年開始制造飛行器零部件，1959年擴展至機床制造業。Nabtesco的RV減速器，前身正是帝人精機的主流產品，70年代開始作為挖掘設備驅動馬達的核心部件使用。80年代早期，應世界主要機器人制造商要求，帝人精機改進了RV減速器，使之更加精準可靠，符合機器人制造行業的嚴格要求。取得了精密擺線針輪RV減速機專利后，于1986年開始批量生產，從此開始為現代工業機器人的關節應用進行配套。
展開 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，被廣泛應用于衛星、雷達天線、工業機器人、半導體和焊接技術等工業自動化領域。
日本Harmonic Drive Systems Inc.(簡稱HDSI)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。
▲諧波減速器內部結構
為了涵蓋諧波減速機所不能做到的低減速比領域，HDSI產品還涉及到精密行星齒輪箱型諧波減速機Harmonic Planetary。獨特的內齒圈形變工藝，可以使得行星齒輪與其嚙合的更緊、消除背隙，已達到精密級的傳動誤差。
諧波傳動減速器是一種靠波發生器使柔性齒輪產生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合，從頭傳遞運動和動力的齒輪傳動系統。
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，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。
▲住友減速機
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，針齒嚙合系套式滾動摩擦，嚙合表面無相對滑動，一級減速效率可達94%。
展開 因此，提高和確保工業機器人的精度就需要采用RV減速器或諧波減速器。精密減速器在工業機器人中的另一作用是傳遞更大的扭矩。當負載較大時，一味提高伺服電機的功率是很不劃算的，可以在適宜的速度范圍內通過減速器來提高輸出扭矩。此外，伺服電機在低頻運轉下容易發熱和出現低頻振動，對于長時間和周期性工作的工業機器人這都不利于確保其精確、可靠地運行。
精密減速器的存在使伺服電機在一個合適的速度下運轉，并精確地將轉速降到工業機器人各部位需要的速度，提高機械體剛性的同時輸出更大的力矩。與通用減速器相比，機器人關節減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕和易于控制等特點。大量應用在關節型機器人上的減速器主要有兩類：RV減速器和諧波減速器。
相比于諧波減速器，RV減速器具有更高的剛度和回轉精度。因此在關節型機器人中，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置；而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部；行星減速器一般用在直角坐標機器人上。
減速機的市場現狀
目前應用于機器人領域的減速機主要有兩種，一種是RV減速器，另一種是諧波減速器。在關節型機器人中，由于RV減速器具有更高的剛度和回轉精度，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置，而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部。對于高精度機器人減速器，日本具備絕對領先優勢，目前全球機器人行業75%的精密減速機被日本的Nabtesco和Harmonic Drive兩家壟斷（業界俗稱RV減速機和諧波減速機），包括ABB、FANUC、KUKA等國際主流機器人廠商的減速器均由上述兩家公司提供。其中Harmonic Drive在工業機器人關節領域擁有15%的市場占有率。
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匹配行星齒輪減速機與伺服電機轉速需要根據負載特性和應用需求計算減速比。首先確定伺服電機的額定轉速和負載轉矩，然后通過計算所需的輸出轉速，選擇合適的減速器。確保減速比能滿足負載要求，同時避免過速和過載，從而實現高效平穩的傳動。定期評估動態性能，以確保最佳匹配。
行星齒輪減速機匹配伺服電機轉速，主要是通過確定合適的減速比來實現，具體方法如下：
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在行星齒輪減速機非標定制中，把控精度關鍵在于明確設計要求、選用高精度加工設備和材料。首先，制定詳細的技術規范，包括齒輪齒形、間隙和同心度等標準。其次，使用數控機床進行制造，確保加工精度。同時，定期進行質量檢測，使用高精度測量儀器，如三坐標測量機，確保每個部件符合設計要求，以保證最終產品的高精度與性能穩定。
行星齒輪減速機非標定制，需從設計、制造、裝配及檢測全方位把控精度
藤倉自動化微型齒輪減速機在正反轉切換及頻繁方向變換時易產生嚙合沖擊與磨損。通過優化嚙合過程、降低嚙合沖擊、改進潤滑膜穩定性、提升結構剛性與對中，以及采用緩啟動/軟切換控制，可顯著降低沖擊磨損，提升壽命與可靠性。微型齒輪減速機正反轉易致沖擊磨損，可從設計、裝配、運行及維護著手應對。
優化設計
1.齒輪參數：滿足承載前提下，選0.5-2mm較小模數
CVT在不同負載下的轉速匹配依賴輸入功率與扭矩需求、換擋策略、潤滑/熱管理以及控制閉環的精度。通過實時監控、動態調整傳動比與控制參數，可以實現快速、穩定的目標轉速。
要實現無級變速減速機在不同負載下精準匹配轉速，可從以下方面著手：
1.分析負載特性：明確負載類型，若為恒轉矩負載，如皮帶輸送機，減速機需提供穩定轉矩，轉速根據工藝要求調整，可選齒輪減速機等
微型蝸輪減速機在回程間隙過大時會影響定位精度與重復性。通過優化嚙合傳動、緊固與對中、潤滑與熱膨脹補償、以及裝配公差控制，可有效減小回程間隙，提升傳動的重復定位精度與剛性。
微型蝸輪減速機可通過優化裝配調整、提升加工精度、運用補償技術等方法來減小精密傳動回程間隙，具體如下：
1.裝配調整：可使用厚度公差≤0.01mm的可調墊片組，在蝸輪蝸桿減速機殼體與端蓋間分層堆疊
減速機低溫會降低潤滑油黏度、增大機械摩擦與傳動損失，導致扭矩衰減率上升。測試應在目標低溫條件下進行，測量輸出扭矩與輸入扭矩的比值隨溫度的變化，建立溫度-扭矩衰減的經驗關系，并據此設定溫度補償模型與安全裕量。
在低溫環境中，減速機扭矩衰減是一個常見問題，對其進行準確測試并采取有效補償方案至關重要。
1、測試方案
（1）搭建測試環境
減速機軸承拆卸時需避免軸頸拉傷，關鍵在于使用合適的拆卸工具、預先松動緊固件、保護性涂層或緩沖墊、以及對中合理受力。采用專用拉拔頭、均勻增力、控制拉力方向與速度，避免沖擊與滑動摩擦，確保軸頸表面無劃傷、無變形，維持后續裝配和密封性能。
在減速機的維護和檢修過程中，軸承拆卸是常見操作，但稍有不慎就可能導致軸頸拉傷，影響設備性能。以下是避免軸頸拉傷的實操技巧。
在減速機的運行過程中，減速機軸承溫度異常升高通常預示潤滑不足、密封失效、潤滑脂污染、負荷突增或散熱不良等問題。通過設定溫度閾值、溫升率和停機策略，以及結合振動、油溫等多參數監測，可實現早期預警與分級處置，確保傳動系統安全與持續運行。
1、預警閾值設定
預警閾值的設定需要綜合考慮減速機的類型、規格、工作環境以及軸承的材質等因素。一般來說，對于常見的工業減速機
進口減速機在安裝階段需兼顧中外標準差異，涵蓋尺寸公差、螺紋與法蘭連接、潤滑脂等級、密封ESD/IP等級、扭矩與扭力限制、試驗與驗收程序等。通過對比國家/地區標準，制定本地化裝配規范、檢驗點和接頭緊固矩、確保兼容性與長期可靠性。
在安裝進口減速機時，中外標準存在差異，需要采取有效措施進行協調適配，以確保減速機的正常運行。
1.深入研究標準差異
大型齒輪減速機在齒面激光淬火后，表面硬度提升但可能引起熱應力與微觀形變，導致實際嚙合間隙分布改變。為確保齒輪嚙合穩定性、接觸應力分布與壽命，需要對嚙合間隙進行重新評估和必要的再配合。
大型齒輪減速機齒面激光淬火后，常需重配嚙合間隙，原因如下：
一、淬火影響齒面尺寸形狀
1.熱脹變形：激光淬火時，齒面快速熱脹冷縮，雖熱影響區小，但對高精度的大型齒輪
