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精密傳動(dòng)技術(shù)概況及發(fā)展情況分析
編輯：曹文詔 來源：思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 綠的諧波    2023-03-15

（1）傳動(dòng)技術(shù)概況

傳動(dòng)是一種在距離間傳遞能量并兼實(shí)現(xiàn)某些其他作用的裝置，其主要用途是減速和變速。傳動(dòng)類型包括機(jī)械傳動(dòng)、液體傳動(dòng)、電力傳動(dòng)、磁力傳動(dòng)等，其中機(jī)械傳動(dòng)是利用機(jī)械方式傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括導(dǎo)軌、軸承、減速器、齒輪、鏈輪、脹套、聯(lián)軸器等。

在機(jī)械設(shè)備的組成中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是較為重要的一部分，而與之相關(guān)聯(lián)的機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)更是成為機(jī)械加工制造業(yè)中被長期且重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域。19 世紀(jì)末，電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)獲得廣泛使用，對(duì)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)提出了更高要求，到 20 世紀(jì)初期，機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)有了很大發(fā)展，直齒輪、斜齒輪、錐齒輪和蝸桿傳動(dòng)相繼問世，性能、精度及耐久性方面都有了很大發(fā)展，基本上可以滿足機(jī)械工業(yè)的需要。20世紀(jì) 40 年代后，齒輪幾何學(xué)逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，齒形、嚙合及齒輪之間的展成關(guān)系，可以通過數(shù)學(xué)計(jì)算實(shí)現(xiàn)精確化，這使得機(jī)械傳動(dòng)真正成為一門科學(xué)。

精密傳動(dòng)是傳動(dòng)技術(shù)中傳動(dòng)性能更優(yōu)的裝置，精密機(jī)械代表性的有滾珠絲杠、諧波齒輪、行星輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)等。精密減速器作為精密傳動(dòng)裝置的重要組成部分，按照傳動(dòng)原理劃分，主流的有諧波減速器和 RV 減速器兩類，具有小體積、輕質(zhì)量、高精度等特點(diǎn)。

（2）精密傳動(dòng)減速器概況

減速器是連接動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間機(jī)構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。按照控制精度劃分，減速器可分為一般傳動(dòng)減速器和精密減速器。一般傳動(dòng)減速器控制精度低，可滿足機(jī)械設(shè)備基本的動(dòng)力傳動(dòng)需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長，更加可靠穩(wěn)定，應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等高端領(lǐng)域。精密減速器種類較多，主流的包括諧波減速器、RV 減速器等。

近年來，隨著工業(yè)機(jī)器人、高端數(shù)控機(jī)床等智能制造和高端裝備領(lǐng)域的快速發(fā)展，諧波減速器與 RV 減速器已成為高精密傳動(dòng)領(lǐng)域廣泛使用的精密減速器。由于傳動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)等技術(shù)特點(diǎn)差異，使二者在下游產(chǎn)品及應(yīng)用領(lǐng)域方面各有所側(cè)重、相輔相成，應(yīng)用于不同場景和終端行業(yè)。

鑒于上述技術(shù)與應(yīng)用特點(diǎn)，在輕負(fù)載精密減速器領(lǐng)域內(nèi)，諧波減速器憑借其體積小、傳動(dòng)比高、精密度高等優(yōu)勢(shì)，占據(jù)該領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，同時(shí)，由于諧波減速器在除機(jī)器人以外的精密傳動(dòng)領(lǐng)域亦可廣泛適用，應(yīng)用行業(yè)有不斷拓寬的趨勢(shì)；RV 減速器的傳動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其具有大體積、高負(fù)載能力和高剛度特性的特點(diǎn)，其在重負(fù)載精密減速器領(lǐng)域內(nèi)也具有一定主導(dǎo)地位。

（3）諧波傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展情況

諧波傳動(dòng)是五十年代中期隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在薄殼彈性變形理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動(dòng)技術(shù)理論。諧波傳動(dòng)原理由前蘇聯(lián)工程師于 1947年首次提出來；1953 年，美國的 C.W.Musser 教授針對(duì)空間應(yīng)用的需求發(fā)明制造了第一臺(tái)諧波齒輪減速機(jī)。諧波傳動(dòng)有回差小、運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)比大、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，所以在過去幾十年間各發(fā)達(dá)工業(yè)國家都集中了一批研究力量進(jìn)行這類新型傳動(dòng)裝置的研制，諧波減速器產(chǎn)品的理論基礎(chǔ)即建立在諧波傳動(dòng)技術(shù)之上。根據(jù) GB/T30819-2014《機(jī)器人用諧波齒輪減速器》定義，諧波齒輪減速器是一種靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形波，通過其與剛輪的相互作用，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的傳動(dòng)裝置，其構(gòu)造主要由帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）、帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）、波發(fā)生器三個(gè)基本構(gòu)件組成。

諧波傳動(dòng)技術(shù)突破了機(jī)械傳動(dòng)采用剛性構(gòu)件的模式，使用了一個(gè)柔性構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)，其工作原理通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出形式，當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪齒輪插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，成為完全嚙合狀態(tài)；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形并產(chǎn)生了錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動(dòng)傳遞。

注：諧波減速器中波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪向相反方向轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒的角度。

公司通過多年技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)積累，在傳統(tǒng)諧波傳動(dòng)的理論基礎(chǔ)上提出了基于曲面幾何映射的非共軛諧波嚙合齒形設(shè)計(jì)方法，發(fā)明了全新的“P 型齒”結(jié)構(gòu)，與國外主流齒形技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)了差異化，并大幅提升了諧波減速器的輸出效率和承載扭矩。公司減速器齒廓修形工藝、軸承優(yōu)化方法和等效壽命測試技術(shù)，構(gòu)建了精密諧波減速器設(shè)計(jì)、制造與性能測試的技術(shù)體系。

（4）機(jī)電一體化發(fā)展情況

機(jī)電一體化是指機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等技術(shù)有機(jī)結(jié)合的綜合性技術(shù)?，F(xiàn)代科技的發(fā)展使得機(jī)械與電子的融合越來越緊密，光、機(jī)、電、液一體化的趨勢(shì)越來越明顯，機(jī)電一體化技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)機(jī)械工業(yè)高效、自動(dòng)化和柔性化的關(guān)鍵所在，以數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等為代表的典型機(jī)電耦合產(chǎn)品得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在機(jī)電一體化、模塊化成為行業(yè)發(fā)展重要趨勢(shì)的背景下，國內(nèi)外領(lǐng)跑企業(yè)紛紛開發(fā)一體化模塊。國際諧波減速器廠商提出“整體運(yùn)動(dòng)控制”，將諧波減速器與電機(jī)、傳感器等組合，提供高附加值模塊化產(chǎn)品，由此成功打開半導(dǎo)體、光學(xué)、測量等下游市場；國際機(jī)器人廠商通過液壓控制技術(shù)發(fā)展大大提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能。發(fā)行人也適時(shí)研發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品，融合集成諧波減速器、超扁平力矩電機(jī)、EtherCAT 總線型驅(qū)動(dòng)器、編碼器、制動(dòng)器、智能傳感器等于一體，研發(fā)液壓控制產(chǎn)品，適應(yīng)精密傳動(dòng)裝置的未來市場需求。

隨著工業(yè)生產(chǎn)向著高精密度、人機(jī)協(xié)作、移動(dòng)靈活等方向發(fā)展，機(jī)電一體化作為可以貼合上述發(fā)展趨勢(shì)的工業(yè)技術(shù)，在精密傳動(dòng)裝置領(lǐng)域的技術(shù)路線中也得以越來越廣泛發(fā)展，其典型應(yīng)用場景如下：

1）工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)

關(guān)節(jié)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行動(dòng)和執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)部位，目前機(jī)器人關(guān)節(jié)面臨的主要問題是裝配成本高、關(guān)節(jié)體積大等。一體化的機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)是將精密減速器、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、傳感器等組成一個(gè)基本的傳動(dòng)單元，可以提高機(jī)器人的靈活性，減少制造時(shí)間和總體成本。通過采用模塊化關(guān)節(jié)，擁有標(biāo)準(zhǔn)化的獨(dú)立工作單元，同時(shí)能夠與各種其他部件和系統(tǒng)接口匹配，以創(chuàng)建復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)?？傮w上，工業(yè)機(jī)器人采用機(jī)電一體化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)已成為行業(yè)重要發(fā)展方向。

2）電液驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)

液壓傳動(dòng)是以液體為工作介質(zhì)，通過驅(qū)動(dòng)裝置將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的液壓能，然后通過管道、液壓控制及調(diào)節(jié)裝置等，借助執(zhí)行裝置，將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。足式機(jī)器人腿部的運(yùn)動(dòng)可以通過液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，通過過濾器、歧管、蓄能器和其他管路系統(tǒng)向機(jī)器人的腿部執(zhí)行器輸送高壓液壓油。液壓系統(tǒng)正在向機(jī)電液一體化和集成化方向發(fā)展。機(jī)電一體化可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的柔性化和智能化，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)出力大、慣性小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

3）機(jī)床數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)

近幾年，隨著我國高端制造業(yè)客戶對(duì)零件加工的精密度要求越來越高，作為工業(yè)母機(jī)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床向高響應(yīng)、高效率、高精度、高剛性方向發(fā)展，其中，數(shù)控加工中心（特別是四軸、五軸機(jī)床）的需求增長迅速，帶動(dòng)了與之相匹配的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)快速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床加工精度很大程度上受數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)承載力及動(dòng)態(tài)特性影響，因而高性能的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)、制造一直是數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的難點(diǎn)問題。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)為復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床的主要功能部件之一，能極大提高數(shù)控機(jī)床的加工效率、加工精度，一定程度上決定了數(shù)控機(jī)床整機(jī)的加工性能和技術(shù)水平。在高端數(shù)控機(jī)床加工中，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)通過提供機(jī)床回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，作為機(jī)床的第四/五軸，起到保障加工質(zhì)量的關(guān)鍵作用。

由于諧波減速器具有精度高、體積小、傳遞扭矩大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，以諧波減速器和伺服電機(jī)為主要組件的諧波轉(zhuǎn)臺(tái)能夠適應(yīng)各種機(jī)床的生產(chǎn)需求，近年逐漸受到關(guān)注。諧波轉(zhuǎn)臺(tái)主要滿足精密模具、新能源、高端裝備、半導(dǎo)體、醫(yī)療器械、3C 等領(lǐng)域的加工需求。

4）移動(dòng)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

移動(dòng)機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)多自由度，其各個(gè)部位的控制均需在關(guān)節(jié)處搭載電機(jī)，故電機(jī)數(shù)量較傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械人有大幅提升。類比工業(yè)機(jī)器人，“電機(jī)+減速器”的集成逐漸成為移動(dòng)機(jī)器人需要大角度旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)（以下簡稱“旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)”）的主要?jiǎng)恿M合。隨著移動(dòng)機(jī)器人部分關(guān)節(jié)因體積、重量等邊界條件限制，需要采用輕量化的技術(shù)路徑，諧波減速器憑借體積小、質(zhì)量小、減速比大、扭矩密度較高、軸向尺寸小等特點(diǎn)以及能在密閉空間、介質(zhì)輻射的工況下正常工作等優(yōu)點(diǎn)，“無框電機(jī)+雙編碼器+力矩傳感器+諧波減速器”這類方案得到越來越多的應(yīng)用。