全面解析机器人三大减速机技术（二）

行星减速器生产流程

谐波减速器生产流程

技术特点

1、行星减速器行业

行星齿轮传动机构主要由行星齿轮、行星架和太阳轮构成的行星齿轮传动机构。行星齿轮传动结构是传动效率最高的齿轮传动结构。精密行星减速器工作时，通常是等原动机驱动太阳轮旋转，太阳轮与行星轮的啮合驱动行星轮产生自转；同时，由于行星轮另外一侧与减速器壳体内壁上的内齿圈啮合，最终行星轮在自转驱动下将沿着与太阳轮旋转相同方向在环形内齿圈上滚动，形成围绕太阳轮旋转的“公转”运动。行星轮通过公转驱动行星架旋转，行星架与输出轴联接，带动输出轴输出扭矩。通常，每台精密行星减速器都会有多个行星轮，它们会在输入轴和太阳轮旋转驱动下，同时围绕太阳轮旋转，共同输出动力，带动负载运动。太阳轮和齿圈存在齿数差，从而达到减速目的。

由于结构原因，单级行星减速器减速比一般不小于3，最大一般不超过10，常见减速比为3、4、5、6、7、8、9、10；行星减速器一般不超过3级。

根据《微用齿轮减速器通用技术条件》（GB/T11281—2009），一般传动用减速器空载空程小于等于3°即为精密类减速器，伺服（精密控制）用减速器，传动精度小于等于15′即为精密类减速器。在行星减速器行业中，德国的斯德博、威腾斯坦等企业在传动精度、保持的使用寿命、产品一致性等方面具备领先优势。国际领先的单级精密行星减速器的精度可在1′以内，保持高精度的稳定使用寿命达到2万小时，且产品一致性较高。国内行星减速器企业已具备生产全型号产品的能力，正在向高精度、轻量化、高功率密度、模块化、集成化、化方向发展。

级数：行星齿轮的套数。由于一套行星齿轮无法满足较大的传动比，有时需要2套或者3套来满足拥护较大的传动比的要求。由于增加了行星齿轮的数量，所以2级或3级减速机的长度会有所增加，效率会有所下降。

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。

 

回程间隙：将输出端固定，输入端顺时针和逆时针方向旋转，使输入端产生额定扭矩+-2%扭矩时，减速机输入端有一个微小的角位移，此角位移就是回程间隙。单位是“分”，就是一度的六十分之一，也有人称之为背隙。

为使各零件的加工精度提高，采用了齿隙去除机构，实现了规格值3分以内的齿隙。齿隙去除机构是将内齿轮及行星齿轮分别配置成上下两段，并将内齿轮朝圆周方向拧动。因此，上段的内齿轮与行星齿轮去除了CW方向的齿隙，而下段的内齿轮与行星齿轮则去除了CCW方向的齿隙。

将薄壁弹性齿轮技术运用到行星齿轮减速机内齿轮的行星齿轮减速装置。因此，利用内齿轮的弹性变形，在没有调整机构的情况下实现了小齿隙。
行星齿轮减速机是太阳齿轮与行星齿轮、行星齿轮与内齿轮都同时相互啮合的构造。因此，如果只用零件的尺寸精度减少齿隙，则会受到尺寸误差的影响而干扰啮合部分，可能导致旋转转矩不均匀或产生噪音。为解决此类问题，开发了缓和啮合部分干扰的功能及兼备足够强度的“薄壁弹性内齿轮”，诞生了划时代性构造的行星齿轮减速机，在减速机的使用寿命范围内几乎没有齿隙变化。

RV减速器

RV减速器，简称旋转矢量（RotaryVector）减速器，包括前级的行星齿轮减速器，与后级的摆线针轮减速器，应用场景主要为、机床、医疗设备、卫星接收系统等。

构造及工作过程

RV减速器通常包含两级减速装置，

具体图示如下：

(一)第一级减速装置为行星齿轮减速器，由输入齿轮和行星轮组成。其运动原理如下：

第一，输入齿轮与电机相连，在电机的旋转作用下，输入齿轮随之同步旋转，输入齿轮与电机的转速保持一致；第二，输入齿轮转动带动2-3个行星轮同时转动，由于行星轮的齿数较多、形状较大，因此行星轮的转动速度慢于输入齿轮，实现第一级减速，一级减速比为行星轮与输入齿轮的齿数之比；

（二）曲柄轴前后端分别与行星轮和摆线轮相连，在行星轮旋转后，曲柄轴以相同的转速旋转；

（三）第二级减速装置为摆线针轮减速器，主要由滚动轴承、摆线轮、针轮组成，其运动原理如下：

第一，如上图所示，曲柄轴上含有偏心部，偏心部外嵌滚针轴承，与滚动轴承相连接，在曲柄轴的偏心运动下，摆线轮在滚动轴承的作用下随之运动；

第二，某的RV减速器通常采用“2-3个偏心部+摆线轮”的设计，摆线轮间存在一定相位差，2个摆线轮相位差为180度，3个摆线轮相位差为120度，用于抵消运动过程中的径向跳动，提升精度的同时，提高安全系数和抗冲击强度；

第三，在外壳内侧仅比摆线轮多一个齿的针轮，以与摆线轮同等的齿距排列。曲柄轴旋转一圈，摆线轮与针轮接触的同时,做一次偏心运动（曲柄运动），在针轮保持固定的结果上，沿着与曲柄轴的旋转方向相反的方向，摆线轮旋转一个齿轮距离，因此摆线轮旋转速度慢于曲柄轴的偏心部，实现第二级减速。

RV与谐波减速器对比

RV减速器可承受的扭矩较大、结构刚性好，但精度要低于谐波减速器。因此在机器人的应用中，RV减速器一般用在重负载的位置，如机座、大臂、肩部等，而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部，其中协作机器人的六轴均为谐波减速器。

行星减速机优点：

（1）、传动速比大。行星减速机的齿轮啮合传动有多组，齿轮组数量较多，传动速比相应增大。

（2）、承载能力高。这是因为减速机有许多齿同时啮合齿轮传动，齿条使用的材料强度很高。经过精密加工，有效提高了行星减速器的整体承载能力。

（3）、传动精度高。齿轮间啮合精度较高，可小于1弧分。相对于其他类型的减速机来说，它属于高精度减速机。

（4）、效率高，动作平稳。

由于齿轮减速机中的每组齿轮在减速时只咬合单齿面，因此在传递扭矩相等的情况下，齿面应力要求更大。因此，挡位设计时必须采用较大的模数及厚度。齿轮模数越大，齿轮间的挠曲公差值就会越大，形成的齿轮间隙就越高，各减速比之间积累的侧隙就会增大。而精密的行星减速机组合特有的多点均匀紧配合结构和外齿圈圆弧结构，使外齿圈与行星齿轮结合紧密，具有较高的齿轮间的紧密配合度。除了提高减速机的效率，设计本身还可以实现高精度定位。

（5）、行星减速机有三个基本组成部分：结构简单，零件少，安装方便，输入输出轴同轴，所以结构简单，安装方便。

（6）、精密行星减速器体积小、重量轻、外形轻盈。

这些特点让设计变得更有价值。在传统的齿轮减速装置中，多组大小齿轮通过偏置交错传动来降低转速。减速比是由两个齿轮的个数倍数产生的，大小齿轮之间拉开一定距离。因此的容纳空间巨大。尤其是在高转速比组合的情况下，需要两个以上的减速齿轮箱进行组合连接。结构强度相对减弱，变速箱长度加长，造成体积特别大，重量也特别大。行星减速机的结构可以根据所需的段数重复连接，也可以单独完成多段组合。

（7）、行星减速机能将动轮传动传递到有限空间的优势，是其他现有传动装置所不能比拟的。

（8）、高扭矩及抗冲击能力。传统的齿轮仅靠两个齿轮之间的少数接触面的挤压来驱动，所有的载荷都集中在少数接触面上，所以齿轮之间很容易产生摩擦，出现断裂。行星减速机在齿轮接触面上有6个较大面积的360度均匀载荷，行星减速机的多个齿面共同均匀地承受瞬时冲击载荷，使行星减速机承受扭力更大的冲击，不会因载荷过大而使主体和轴承部件发生损坏或开裂。

行星减速机缺点：

（1）、普通行星齿轮减速装置采用直齿轮。直齿轮的主要缺点是运转过程中会有震动，这是无法避免的。改变设计，制造材料或变形等措施都是避免不了的。同时，渐开线的齿廓沿着整个齿面可能会有一些变化。这就造成了一个规律的无解问题，每颗齿的接触都会发生。所以产生的震动会对齿轮产生很大的负荷，同时也会产生噪音。

（2）、另一个缺点是有时通过两对齿啮合而得到的额外强度，在齿对齿接触的过程中无法被利用。由于应力受制于循环中单个齿的啮合作用，会浪费能量。这一问题有望在今后得到改善。

（3）、另外，行星减速机相对于普通减速机价格会贵一些，一般对精度没有要求的行业，可以选择其他类型的减速机。

2、谐波减速器行业

谐波齿轮减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过其与刚轮的相互作用，实现运动和动力传递的传动装置，其构造主要由带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）、带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）、波发生器三个基本构件组成。

谐波减速器工作时，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式，由电机带动波发生器转动，柔轮作为从动轮，输出转动，带动负载运动。

当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿某一方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入„，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮，沿波发生器相反方向的缓慢旋转。

根据《机器人用谐波齿轮减速器》（GB/T30819-2014）国家标准，谐波减速器的精度等级根据其传动误差分为普通级、精密级和高精密级，具体如下：

在工作时，例如如果挠性花键有200个齿，波形发生器必须旋转100圈，柔轮花键才能前进200个齿，或者柔轮花键只能旋转一圈。这是100：1的比例。在这种情况下，圆弧花键将有202个齿，因为圆弧花键的齿数总是比挠性花键的齿数多两个。

我们可以用下面的公式很容易地计算出减速比。该比率等于挠性花键齿–圆形花键齿除以挠性花键齿。

因此，以挠性花键上的200个齿和圆形花键上的202个齿为例，减速比为-0.01。这是波发生器速度的1/100，减号表示输出方向相反。通过改变齿数，我们可以得到不同的减速比。

精度
谐波减速机与使用一般直齿轮的减速机不同，没有齿隙（小齿互相啮合间隙）。同时，相互啮合的齿数较多，小齿的齿距误差或累积齿距误差的旋转精度的影响被平均分散掉，可发挥高定位精度的特性。此外，谐波减速机的减速比较高，因此，在输出轴施加负载转矩时的扭转，即使与电动机单体及其它减速电动机相比，也会非常小，且具有高刚性。由于刚性较高，因此，即使负载变动大，也可以非常稳定的定位。对要求较高的定位精度及刚性时，请参考以下特性。
角度传动精度
是指从输入脉冲数计算出输出轴的理论旋转角度与实际旋转角度的误差。表示从任意位置测量输出轴旋转1次时误差的最小值与最大值的幅度。

这是无负载条件下的值（减速机部参考值）。但是，实际的用途上必然产生摩擦负载，出现与摩擦负载相应的变位。当摩擦负载一定时，若朝同一方向运行则变位固定，但若从正反两方向运行，则往返间将产生两倍的变位。该变位可通过下面的转矩―扭转特性来推测。
转矩―扭转特性
图表中的转矩―扭转特性是将电动机轴进行固定，然后慢慢朝正反方向向输出轴施加或减少负载（转矩）时的变位（扭转）图。如上所述，向输出轴施加负载时，会因减速机的弹簧常数的关系而产生变位。

该变位在停止时施加外力及在施加了摩擦负载的状态下进行驱动的情况下会发生。该倾斜率可根据负载转矩的大小，使用以下3个区间的弹簧常数算出近似值，或通过计算进行推定。

磁滞损耗
从转矩―扭转特性可以看出，朝正反方向施加转矩到容许转矩后，即使将转矩减少为0，扭转角也不会完全变回0，仍残留有一点扭转。（图B-B’）这就是磁滞损耗，该磁滞损耗设计在2分以内。停止时施加外力、通过惯性驱动施加加减速转矩、驱动中施加摩擦负载等时，即使将负载降为0，在此磁滞损耗作用下，有时仍会残留有稍许扭转。
空转
谐波减速机完全没有齿隙，因此减速机的精度则以空转作为其基准值。空转是减速机输出轴施加容许转矩的约5%的转矩时，所产生变位的合计值。

优点

1、传动速比大。

单级谐波齿轮传动速比范围为70~320，在某些装置中可达到1000，多级传动速比可达30000以上。它不仅可用于减速，也可用于增速的场合。

2、承载能力高。

这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30％以上，而且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间是面接触。

3、传动精度高。

这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用，故传动精度高。在齿轮精度等级相同的情况下，传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右。同时可采用微量改变波发生器的半径来增加柔轮的变形使齿隙很小，甚至能做到无侧隙啮合，故谐波齿轮减速机传动空程小，适用于反向转动。

4、传动效率高、运动平稳。

由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，因此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑移速度仍是极低(故为普通渐开线齿轮传动的百分之—)，所以，轮齿磨损小，效率高(可达69%~96％)。又由于啮入和啮出时，齿轮的两侧都参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。

5、结构简单、零件数少、安装方便。

仅有三个基本构件，且输入与输出轴同轴线，所以结构简单，安装方便。

6、体积小、重量轻。

与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波齿轮减速机的体积可减小2／3，重量可减轻1／2。

7、可向密闭空间传递运动。

利用柔轮的柔性特点，轮传动的这一可贵优点是现有其他传动无法比拟的。

缺点

1、柔轮周期性地发生变形，因而产生交变应力，使之易于产生疲劳破坏。

2、转动惯量和起动力矩大，不宜用于小功率的跟踪传动。

3、不能用于传动速比小于35的场合。

4、采用滚子波发生器(自由变形波)的谐波传动，其瞬时传动比不是常数。

5、散热条件差。

应用场合

谐波齿轮减速机在航空、航天、能源、航海、造船、仿生、常用军械、机床、仪表、设备、矿山冶金、交通运输、起重机械、石油化工机械、纺织机械、农业机械以及医疗器械等方面得到日益广泛的应用，特别是在高动态性能的伺服系统中，采用谐波齿轮传动更显示出其优越性。它传递的功率从几十瓦到几十千瓦，但大功率的谐波齿轮传动多用于短期工作场合。

在谐波减速器行业中，日本的哈默纳科、日本新宝等企业技术水平处于行业领先地位。国际领先的谐波减速器传动精度在30"以内，传动效率可达到75%以上，使用寿命在1万小时左右。国内部分企业通过技术攻关、生产工艺的改进，研发出的产品在性能和稳定性等方面已能够达到国际先进水平，打破了国外的技术垄断，对国外品牌进口逐渐形成一定的替代。

行业竞争格局

1、精密行星减速器行业竞争格局

在全球范围内，德国、日本等国家的精密行星减速器产品在材料、设计水平、质量控制、精度、可靠性和使用寿命等方面处于行业领先地位。精密行星减速器国产品牌阵营以公司、纽氏达特、中大力德为主要代表，国外精密行星减速器主要厂家为日本新宝、纽卡特、威腾斯坦等。在精密行星减速器领域，由于其技术含量高，生产工艺复杂，存在较高的进入壁垒，目前市场主要参与者为外资、合资厂商，高端精密行星减速器国产化率很低。以公司为代表的国内精密行星减速器龙头企业，经过多年的技术积累，已开发出与国际先进水平相当的高端精密行星减速器产品，国产品牌阵营市场号召力和品牌影响力与日俱增。根据QYResearch统计的销售金额数据，日本新宝、纽卡特、威腾斯坦是全球精密行星减速器市场的主要供应商。日本新宝、科峰智能及纽氏达特是中国精密行星减速器市场的主要供应商，2022年市场占有率分别为20.4%、11.7%、9.4%。

2、谐波减速器行业竞争格局

全球谐波减速机市场较为集中，哈默纳科一家独大。根据安信证券研究中心发布的报告，2021年全球谐波减速器市场内主要参与者有哈默纳科、日本新宝、绿的谐波等。其中哈默纳科全球市场占有率约82%，绿的谐波占比约7%，其他厂商占比约11%。中国境内谐波减速器的生产企业主要有绿的谐波、来福谐波等。

平均销售价格变动情况

主要原材料平均采购单价及变动情况

编辑：黄飞