带你了解工业机器人的关节：精密减速机

前沿导读：

　　现今工业机器人的先进程度让人叹为观止，尤其是那些灵动的5轴6轴机器人，具有如此多的关节，还能够做到运动和指令的精确传输，各部位紧密配合完成复杂的工作，让人不禁好奇它们的传动系统到底是怎样的，关节到底是什么结构的呢？

　　日本安川机器人挥刀削豌豆

　　说起关节，主要是指工业机器人最重要的基础部件，也是运动的核心部件：精密减速机。这是一种精密的动力传达机构，其利用齿轮的速度转换器，将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的装置，从而降低转速，增加转矩。

　　你造么，全球工业机器人的关节用到的精密减速机几乎都是日本造的：日本人说跪，全球机器人没几个能站着。

　　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，在工业用机器人关节上的精密减速器上，纳Nabtesco(纳博特斯克)产品的全球市场占有率达60%，特别在中/重负荷机器人上，其RV减速器市场占有率高达90%。Harmonica（哈默纳科）的谐波减速器约占15%，还有住友重工(SUMITOMO，未查到比例)。

　　下面我们就来看看这几家知名机器人减速器企业

　　1、纳博特斯克

　　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(Teijin Seiki，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甫一成立，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，被广泛应用于卫星、雷达天线、工业机器人、半导体和焊接技术等工业自动化领域。

　　Nabtesco有几个小视频能很直观形象地其产品展示在各种工业机器人上的应用。其中一个6轴机器人的跟大家分享。

　　1944年帝人精机成立伊始，在飞机制造业开展业务，1947年进军纺织机械制造领域，1955年开始制造飞行器零部件，1959年扩展至机床制造业。Nabtesco的RV减速器，前身正是帝人精机的主流产品，70年代开始作为挖掘设备驱动马达的核心部件使用。80年代早期，应世界主要机器人制造商要求，帝人精机改进了RV减速器，使之更加精准可靠，符合机器人制造行业的严格要求。取得了精密摆线针轮RV减速机专利后，于1986年开始批量生产，从此开始为现代工业机器人的关节应用进行配套。

　　拆解开观看内部结构

　　线路能很方便得从减速机中空的部分穿过。这样的设计不仅转矩更大，压缩比更高，接近零侧隙，而且还加载了一组更大的提供更大动量，并免去外部支撑设备的内角支撑轴。这样一来，就进一步节省了成本，简化了最终用户的设计工作。

　　2、哈默纳科

　　日本Harmonic Drive Systems Inc.(简称HDSI)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。阿波罗月球车的电驱动车轮里的波动齿轮就是用哈默纳科的产品哦。

　　为了涵盖谐波减速机所不能做到的低减速比领域，HDSI产品还涉及到精密行星齿轮箱型谐波减速机Harmonic Planetary。独特的内齿圈形变工艺，可以使得行星齿轮与其啮合的更紧、消除背隙，已达到精密级的传动误差。

　　谐波传动减速器（harmonic gear drive）是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合，从头传递运动和动力的齿轮传动系统。谐波传动减速器是由美国人Clarence Walton Musser(1909~ 1998-06-08)在1957年获得发明专利（美国专利号2906143），除此之外，这位曾在美国国防部工作15年的长寿发明家一生有250项重大发明，例如军用无后座力步枪，飞机弹射器，水下爆炸试验仪器等等。

　　听上去象大一个行业品类，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%，在东京都成立了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HarmonicDrive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。

　　2006年1月1日哈默纳科和上面介绍的Nabtesco的美国子公司在马萨诸塞州成立了合资公司Harmonic Drive L.L.C.。

　　为了涵盖谐波减速机所不能做到的低减速比领域，产品还涉及到精密行星齿轮箱型谐波减速机(Harmonic Planetary)。独特的内齿圈形变工艺，可以使得行星齿轮与其啮合的更紧、消除背隙，已达到精密级的传动误差。

　　谐波减速器拆解开观看内部结构

　　三、住友

　　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。

　　反观国内，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。国务院印发的《中国制造2025》提出，“突破机器人本体、减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。”

　　精密减速器国产化已经迫在眉睫，下面一起来看看国外著名机器人减速器的领军企业吧。

　　1、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。

　　2、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。

　　3、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。

　　4、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。

　　5、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。

　　6、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。

　　7、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 ～ 20 000 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。 

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