全面解析機器人三大減速機技術(shù)（一）

精密減速器行業(yè)屬于多學科領(lǐng)域交叉的行業(yè)，其發(fā)展涉及到金屬材料、熱處理、小模數(shù)齒輪硬齒面加工、集成及檢測等諸多技術(shù)。精密減速器的技術(shù)特點要求生產(chǎn)廠商擁有長期的技術(shù)積累，掌握核心技術(shù)，具備較強的產(chǎn)品設計和研究開發(fā)能力。

隨著工業(yè)4.0、機械自動工業(yè)化的普及，機器人運用更加普及，機器人驅(qū)動部件廣泛用到減速機，減速機在機器人驅(qū)動中起到了關(guān)鍵作用，機器人減速機屬于精密減速機，在工業(yè)機器人、機械手臂中廣泛采用諧波減速器、RV減速機運用在機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動中；小型服務機器人、教育機器人采用的行星減速機、齒輪減速機等微型減速機，運用在不同行業(yè)、領(lǐng)域的機器人減速機特點也不一樣。工業(yè)機器人、機械手臂用減速機特點：

（1）、諧波減速機產(chǎn)品特點：減速比高、齒隙小、精度高、零部件少、安裝簡便、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩容量高、良好、噪音??；承載能力高諧波驅(qū)動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他驅(qū)動形式高。

（2）、RV減速機產(chǎn)品特點：RV減速機也稱為RV減速器，主要結(jié)構(gòu)由擺線針輪和行星支架組成以其體積小，抗沖擊力強，扭矩大，定位精度高，振動小，減速比大等特點。扭轉(zhuǎn)剛度大，輸出機構(gòu)即為兩端支承的行星架，用行星架左端的剛性大圓盤輸出，大圓盤與工作機構(gòu)用螺栓聯(lián)結(jié)，其扭轉(zhuǎn)剛度遠大于一般擺線針輪行星減速器的輸出機構(gòu)。在額定轉(zhuǎn)矩下，彈性回差??；小型服務機器人、教育機器人減速機特點：

（1）、行星減速機產(chǎn)品特點：行星減速機屬于精密減速機、驅(qū)動間隙精度可以做到1弧分，同時具備體積小、重量輕，承載能力高，使用壽命長、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低、輸出扭矩大，速比大、良好、性能安全的特點。兼具功率分流、多齒嚙合獨用的特性。廣泛運用在機器人驅(qū)動、自動工業(yè)化設備

（2）、齒輪減速機產(chǎn)品特點：齒輪減速機也稱為齒輪減速器，齒輪箱中的驅(qū)動齒輪均采用數(shù)控磨齒工藝，精度高，接觸性好，驅(qū)動率高、單級大于96.5%，雙級大于93%，三級大于90%，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，體積小，重量輕，使用壽命長，承載能力高等特點。在機器人、工業(yè)4.0、工業(yè)自動化設備廣泛運用。

不同的領(lǐng)域、行業(yè)機器人，對鎖采用的減速機、減速器的技術(shù)參數(shù)、性能特點也不一樣。

1、減速器簡介

（1）減速器概述

機械設備一般由動力、傳動與執(zhí)行三大系統(tǒng)構(gòu)成，多數(shù)機械設備的傳動方式為齒輪傳動，齒輪傳動具有精密、高效、安全、可靠、性價比優(yōu)越等特點。由于多數(shù)機械設備不適宜用原動機直接驅(qū)動，因此需要通過減速器來降低轉(zhuǎn)速、增加扭矩。

減速器又稱減速機，在原動機和工作機或執(zhí)行機構(gòu)之間起降低轉(zhuǎn)速和增加扭矩的作用，主要應用在機械傳動領(lǐng)域。通常減速器把電動機、內(nèi)燃機等高速運轉(zhuǎn)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，并傳遞更大的扭矩，以實現(xiàn)原動機和執(zhí)行機構(gòu)之間的傳動。

（2）減速器的分類

減速器的種類繁多，按照使用場景劃分，減速器分為一般傳動用減速器和伺服（精密控制）用減速器；按照精度劃分，分為一般傳動減速器和精密減速器；按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星減速器；按照傳動級數(shù)不同可分為單級和多級減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐、圓柱齒輪減速器；按照傳動的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式減速器。各類常見減速器結(jié)構(gòu)及主要特點如下：

（3）精密減速器簡介

①精密減速器分類

按照使用場景劃分，減速器分為伺服（精密控制）用減速器和一般傳動減速器。精密減速器具備體積小、重量輕、精度高、穩(wěn)定性強等特點，能夠?qū)C械傳動實現(xiàn)精準控制，主要用于機器人、新能源設備、高端機床、電子設備、印刷機械等高端制造領(lǐng)域。一般傳動減速器可以分為通用減速器和專用減速器：通用減速器通常以中小型為主，可廣泛應用于各個行業(yè)，包括蝸輪蝸桿減速器、圓柱齒輪減速器等；專用減速器通常以大型、特大型為主，多為非標、行業(yè)專用產(chǎn)品，包括船用齒輪箱、冶金齒輪箱、風力發(fā)電齒輪箱、工程機械齒輪箱等。

②主要精密減速器特點

根據(jù)原理不同，精密減速器主要分為精密行星減速器、諧波減速器、RV減速器。各類精密減速器結(jié)構(gòu)特點、優(yōu)缺點及應用領(lǐng)域如下：

行星減速器行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

19世紀80年代德國出現(xiàn)第一個行星齒輪傳導裝置的專利。20世紀20年代，首次量產(chǎn)行星齒輪傳動裝置。隨著機械工業(yè)發(fā)展，行星減速器應用越來越廣泛，20世紀50年代，德國首次研發(fā)成功高速大功率行星齒輪減速器，20世紀60年代，意大利、英國、蘇聯(lián)等國家也陸續(xù)研發(fā)出低速重載行星減速器。伴隨工業(yè)自動化的進程，德國、意大利等國又研制出精密行星減速器。我國從20世紀60年代起開始研制應用行星減速器，20世紀70年代首次制訂了NGW型漸開線行星齒輪減速器標準，并生產(chǎn)了多種高速大功率行星減速器。20世紀80年代開始生產(chǎn)低速大轉(zhuǎn)矩的行星減速器。

圖1NGW型單級行星減速器

(太陽輪浮動，＝2.8~4.5，zA＞zC)

圖2NGW型單級行星減速器

(太陽輪浮動，＞4.5，zA＜zC)

圖3NGW型單級行星減速器

(無多余約束的浮動zA＜zC)

圖4NGW型行星齒輪減速器

(彈性油膜浮動與太陽輪浮動均載)

圖5NGW型單級行星減速器

(行星架浮動)

圖6雙排直齒NGW型大規(guī)格行星減速器

(兩排內(nèi)齒輪之間采用彈性桿均載，高速端的端蓋為軸向剖分式)

圖7NGW型高速行星增(減)速器

(太陽輪與內(nèi)齒圈同時浮動)

圖8NGW型二級行星減速器

(高速級太陽輪與行星架同時浮動，低速級太陽輪浮動)

圖9定軸齒輪傳動與NGW型組合的行星減速器

(低速級太陽輪浮動)

圖10NGW型二級行星減速器

(高速級行星架浮動，低速級太陽輪浮動)

圖11法蘭式NGW型二級行星減速器

(高速級行星架浮動，低速級太陽輪浮動；低速軸采用平鍵連接或縮套無鍵連接)

圖12二級NGW型大規(guī)格行星減速器

(高速級太陽輪與行星架浮動，低速級太陽輪浮動)

圖13挖掘機用行走型行星減速器

(二級NGW型傳動與一級平行軸傳動組合；低速級太陽輪浮動，中間級行星架浮動；高速級帶制動器)

圖14挖掘機用回轉(zhuǎn)型行星減速器

(高速級行星架浮動，低速級太陽輪浮動)

圖15NGW型三級行星減速器

(一級：行星架浮動；二級：太陽輪與行星架同時浮動；三級：太陽輪浮動)

圖16NGW型三級大規(guī)格行星減速器

(高速級行星架浮動，中間級太陽輪與行星架同時浮動，低速級太陽輪浮動并采用雙排齒輪，兩排內(nèi)齒輪以彈性桿均載)

圖17行星架固定的NW型準行星減速器

(傳動比i＝5~50，兩個行星輪與水平方向成45°，雙聯(lián)行星輪采用彈性脹套連接，加工、裝配方便)

圖18NGWN(Ⅰ)型行星減速器

(內(nèi)齒輪通過浮動，雙聯(lián)齒輪聯(lián)軸器與輸出軸相連，太陽輪不浮動)

圖19NGWN(Ⅱ)型行星減速器

(采用薄壁彈性輸出內(nèi)齒輪，并以齒輪聯(lián)軸器與輸出軸相連，太陽輪不浮動)

近年來，我國機械設備制造業(yè)規(guī)模發(fā)展迅速，已超過日本和美國，機械設備制造業(yè)的發(fā)展帶動了機械傳動領(lǐng)域減速器行業(yè)規(guī)模的不斷擴大。在一般傳動領(lǐng)域，我國減速器及減速電機已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。但在行星減速器領(lǐng)域，由于其技術(shù)含量高，生產(chǎn)工藝復雜，存在較高的進入壁壘，目前市場主要參與者為外資廠商、合資廠商，高端精密行星減速器國產(chǎn)化率很低。根據(jù)QYResearch的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年全球行星減速器銷量為540.15萬臺，銷售金額為12.03億美元，其中中國境內(nèi)銷量為231.91萬臺，銷售金額為5億美元。根據(jù)QYResearch的研究報告，2029年全球行星減速器銷售規(guī)模達22.31億美元，中國市場規(guī)模達11.49億美元。

全球行星減速器的主要市場集中在亞太、歐洲和北美，該三地占全球供應和消費市場的90%以上。根據(jù)QYResearch的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年全球行星減速器市場銷售金額按區(qū)域分布情況如下：

（2）諧波減速器行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀諧波減速器是20世紀40年代伴隨著空間科學技術(shù)的發(fā)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(fā)展起來的一種全新傳動形式。1944年，前蘇聯(lián)首先提出利用機械波控制柔性構(gòu)件的彈性變形來實現(xiàn)運動和力矩的傳遞和轉(zhuǎn)換的一種傳動裝置，并于1947年制造出了世界第一臺采用諧波傳動原理的諧波摩擦傳動器。1955年美國提出了諧波齒輪傳動機構(gòu)的概念設計方案，并于1959年取得專利授權(quán)。由此開始，諧波齒輪傳動技術(shù)迅速在前蘇聯(lián)、美國等工業(yè)發(fā)達國家推廣開來。經(jīng)日本引入后發(fā)展實用化。目前，諧波傳動已廣泛應用于機器人、精密加工設備、航天航空、雷達設備、醫(yī)療設備等領(lǐng)域。

近年來，全球機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，工業(yè)機器人與服務機器人產(chǎn)量不斷增加，使得機器人行業(yè)對于諧波減速器的需求不斷提升。此外，諧波減速器在除機器人以外的精密傳動領(lǐng)域亦可廣泛適用，應用行業(yè)正不斷拓寬至高端數(shù)控機床、半導體制造設備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。根據(jù)東吳證券的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年，全球諧波減速器市場規(guī)模達30.4億元，考慮人形機器人需求，預計到2025年將達到129.1億元。

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(nèi)諧波減速器的專業(yè)生產(chǎn)廠家仍然很少。國外的生產(chǎn)廠家有哈默納科、日本新寶；國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家有綠的諧波、來福諧波等。近年來，隨著機器人等行業(yè)的快速發(fā)展，中國減速器市場規(guī)模已超過20億元，根據(jù)頭豹研究院預計，2025年，中國諧波減速器市場規(guī)模將達到41億元。

下游行業(yè)發(fā)展趨勢

（1）移動機器人行業(yè)

移動機器人是指應用于倉庫、分揀中心、以及運輸途中等場景的，進行貨物轉(zhuǎn)移、搬運等操作的機器人，常見有AGV、AMR及無人叉車等類型。移動機器人在整個智能物流系統(tǒng)中起關(guān)鍵性的作用，主要完成裝卸、搬運、存儲、分揀和運輸?shù)裙ぷ?，廣泛應用于汽車、新能源、3C電子、電商零售、醫(yī)藥醫(yī)療等行業(yè)。精密行星減速器是移動機器人核心零部件，主要與伺服電機、控制器共同組成移動機器人的驅(qū)動單元。

目前，中國是在全球移動機器人市場規(guī)模中最大的國家。一方面，中國的制造業(yè)和物流業(yè)正在快速發(fā)展，需要大量的自動化和智能化解決方案，因此移動機器人在這些領(lǐng)域具有廣泛的應用；另一方面，中國政府也在積極推動機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過政策支持和投資吸引國內(nèi)外企業(yè)進入市場。

（2）新能源設備行業(yè)

①鋰電設備

在鋰電設備領(lǐng)域，精密行星減速器產(chǎn)品廣泛應用于涂布機、卷繞機、分切機、輥壓機等鋰電池生產(chǎn)設備。近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，特別是政府各部門大力支持和推廣新能源汽車發(fā)展的政策不斷出臺，我國新能源汽車產(chǎn)銷量迎來快速增長。

②光伏設備

減速器在光伏設備領(lǐng)域主要用于回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)中。采用回轉(zhuǎn)驅(qū)動為旋轉(zhuǎn)部件的太陽能光伏組件，可根據(jù)一天中太陽不同的位置來對主機的轉(zhuǎn)角及仰角進行精確的調(diào)整。精密行星減速器能有效保證設備的跟蹤精度，并且具有扭矩大、壽命長、防護等級高等特點。

近年來，受光伏技術(shù)進步、規(guī)模經(jīng)濟效應和競爭加劇等因素影響，光伏設備價格下降速度較快，組件全年價格降幅達到40%以上，使得光伏發(fā)電成本在全球多個國家或地區(qū)接近甚至低于常規(guī)能源，推動越來越多地區(qū)光伏市場的增長，美洲、南亞、中東等多個地區(qū)光伏市場開始蓬勃發(fā)展，成為拉動全球光伏市場增長的主力。

（3）機床行業(yè)

機床是制造業(yè)的基本生產(chǎn)設備，也被稱為“工業(yè)母機”。精密行星減速器廣泛應用于金屬切削機床、金屬成形機床、木工機械等細分機床領(lǐng)域。機床的動力源一般來自伺服電機，隨著機床工業(yè)的發(fā)展，電機已朝著高精度、高效率、簡單控制和創(chuàng)新的方向發(fā)展，機械匹配也從傳統(tǒng)的螺桿傳動發(fā)展到精密行星減速器傳動。由于機床本身的加工，負載慣性系統(tǒng)的條件變化很大，有必要安裝精密減速器以增加扭矩，改善負載端的慣性匹配，從而使慣性操作平穩(wěn)。根據(jù)VDW統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，2021年全球金屬加工機床產(chǎn)值達到了709億歐元，同比增長20%，其中，全球金屬切削機床產(chǎn)值為501億歐元，金屬成形機床產(chǎn)值為207億歐元，金屬切削機床與金屬成形機床比例約為70%與30%。2021年我國金屬切削機床產(chǎn)值為218.14億歐元，同比增長28.7%，占全球市場規(guī)模的30.7%。機床行業(yè)增長將有效帶動精密減速器行業(yè)發(fā)展。

（4）工程機械行業(yè)

在工程基建領(lǐng)域，行星減速器產(chǎn)品重點應用于頂管機、盾構(gòu)機、挖掘機等工程施工機械。減速器作為盾構(gòu)主驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具有比強度、比功率極高的特點。減速器也是頂管機的關(guān)鍵零部件之一，行星減速器具有在頂管機械功率合流傳動中布置合理的特點，能滿足頂管機械切削刀盤低速、大轉(zhuǎn)矩的特殊工況要求。隨著我國城市基礎(chǔ)設施建設規(guī)模的持續(xù)增長，新管道的開挖、鋪設與老管道的修復與更換工程日趨廣泛，利用頂管機進行施工，可以最大程度的減少施工對環(huán)境、周圍建筑設施以及交通造成的影響。城市化進程的加快促使我國的地下管廊的需求量也在逐年增加，加之人們對生態(tài)環(huán)境保護意識的提高，頂管技術(shù)將在我國地下管廊的工程施工起到愈來愈重要的地位和作用。

編輯：黃飛