工业机器人精密减速器：从传统传动到自补偿回程间隙技术

大家好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。今天，我想谈谈工业机器人用精密减速器。

什么是精密减速器？

根据常用的行业分类，精密减速器通常具有低传动误差和低回程间隙的特点，其精度要求通常达到角分级或更高。

回程间隙是影响定位性能的关键因素之一。啮合齿轮之间的间隙会导致输入轴和输出轴之间出现空行程，直接影响定位精度、重复精度和运动控制性能。

根据主要传动机制，精密减速器通常可分为四大类。

精密摆线减速器

RV 减速器和摆线针轮减速器是代表性产品。它们具有较高的负载能力和良好的抗冲击载荷能力，但结构相对复杂，制造成本可能较高。

谐波减速器

谐波传动依靠柔轮的弹性变形传递运动和扭矩。该结构具有高减速比、紧凑尺寸和高传动精度，但其扭转刚度和负载能力可能低于某些刚性传动结构，因此在重载工况下的应用选型尤为重要。

精密行星减速器

行星传动具有高效率、高扭矩密度和相对刚性的传动结构。然而，与专用精密传动技术相比，传统行星结构通常在单级减速比和回程间隙方面存在局限。

为什么工业机器人对精密减速器提出了更高要求？

工业机器人应用已发展为高度专业化的细分领域。不同的负载等级、工艺、运动轨迹和关节配置，对传动精度、扭矩能力、刚度和使用寿命提出不同要求。

因此，合适的精密减速器不仅因不同类型的工业机器人而异，同一台机器人不同关节所需的减速器也可能不同。

负载低于 10 kg 的六轴机器人

对于轻型六轴机器人，通常优先考虑紧凑尺寸和精度。

所有六个关节均可采用谐波减速器，尤其适用于机器人需要高减速比、紧凑传动结构和精确运动控制的场合。

谐波传动具备尺寸紧凑、重量轻、减速比高和精度高等特点，适用于在受限机械空间内运行的轻型机器人。

负载为 10–50 kg 的六轴机器人

中等负载六轴机器人通常用于汽车零部件搬运、金属加工及其他需要在负载能力、运动精度和稳定性之间取得平衡的工业作业。

这类机器人可根据不同关节的要求组合使用谐波减速器和 RV 减速器。

例如，在对紧凑尺寸、高减速比和精确运动要求较高的腕部和末端执行器关节中，可采用谐波传动；而在需要更高刚度和负载能力的高负载关节中，可采用 RV 传动。

负载高于 50 kg 的六轴机器人

重载六轴机器人需要在严苛运行条件下保持高负载能力和稳定精度。

RV 减速器广泛应用于高负载机器人关节，因为其传动结构具有高刚度，并可承受较大的径向和轴向载荷。

当重载机器人用于物料搬运、焊接、机加工及其他涉及大型工件的作业时，这些特性尤为重要。

负载低于 20 kg 的 SCARA 机器人

SCARA 机器人对定位精度和重复精度的要求尤其高。

因此，其旋转关节需要具备良好精度和动态响应的传动系统。旋转关节可采用谐波传动，而垂直 Z 轴机构可采用行星传动、皮带传动或其他适用的直线运动结构。

并联机器人和 Delta 机器人

并联机器人和 Delta 机器人具有高速和高结构刚度的特点，其关节传动要求在很大程度上受机器人结构和运动轨迹的影响。

许多并联机器人在基座关节中采用减速比较低的行星齿轮箱，以支持高速运动并保持较低的反射惯量。

根据设计不同，基座关节也可采用摆线传动或谐波传动。

对于附加轴或机械臂末端机构，通常采用行星齿轮箱。但在高精度装配应用中，也可为末端关节选用谐波减速器，以提升定位性能。

为什么传统行星减速器面临精度挑战？

在众多精密制造应用中，谐波传动和 RV 传动系统历来在工业机器人领域占据重要地位。

传统行星减速器虽然具有高效率、高刚度和高扭矩密度，但在实现与专用谐波或 RV 传动系统同等的精度和紧凑集成方面，历来面临挑战。

高端精密行星齿轮箱仍可实现极低回程间隙，适用于严苛应用。部分精密行星产品可实现低于 60 角秒的回程间隙，为需要高定位精度的应用提供替代方案。

但是，根据供应商和配置不同，高精度可能意味着更高的产品成本和更长的交付周期。

随着工业机器人市场持续扩大，以及机器人制造商需要更快的开发周期和更灵活的供应链，这为新型精密行星传动结构带来了机遇。

HONPINE 的精密行星传动方案

在 HONPINE，我们一直在探索不同的行星传动方案。

通过引入自补偿回程间隙技术，HONPINE 致力于提高行星传动系统的精度、刚度和精度保持能力。

该技术专为工业机器人和机床等应用设计，在这些应用中，长期运行期间保持传动精度尤为重要。

其目标并非仅仅降低初始回程间隙，而是解决精密传动的一个根本挑战：随着机械部件长期磨损，如何保持精度。

自补偿行星执行器可解决哪些技术挑战？

传统精密传动系统面临一个不可避免的问题：机械磨损会逐渐影响传动精度。

在长期运行中，持续的齿轮啮合和反复的负载循环会改变配合部件之间的有效间隙。随着回程间隙增大，空行程可能增加，定位精度也会逐渐下降。

对于工业机器人和机床等设备而言，这种精度损失最终可能影响工艺质量、重复精度和使用寿命。

自补偿回程间隙技术为这一问题提供了不同的解决思路。

磨损过程中的自动回程间隙补偿

不同于传统的被动式回程间隙降低结构，自补偿传动在传动系统内部集成了自适应补偿机构。

随着传动部件发生磨损，该机构可对有效齿轮间隙的变化进行补偿，并维持更稳定的传动关系。

其目的是降低长期运行中传动精度劣化的速度，并延长减速器的有效精度寿命。

这一区别十分重要。

降低初始回程间隙和在整个使用寿命期间保持低回程间隙，是两个不同的工程目标。因此，评估精密传动时，不仅应关注其初始回程间隙指标，还应关注其在长期运行后传动精度的变化。

适用于谐波传动的自补偿回程间隙技术

HONPINE 的自补偿方案并不限于行星传动。

我们还开发了双柔轮自补偿谐波传动结构，旨在长期运行中保持较低的有效回程间隙。

双柔轮自补偿谐波传动

HONPINE 双柔轮谐波传动采用由内柔轮、外柔轮和限位环组成的结构布置。

该结构旨在持续抑制有效回程间隙，并在运行过程中保持稳定的传动性能。

根据 HONPINE 内部产品测试和对比数据，在规定测试条件下，该结构的空行程约可为同类海外谐波减速器的一半。

实际性能取决于具体产品尺寸、测试方法、负载条件和测量系统，因此直接比较时应始终采用等效测试条件。

从初始精度到精度寿命

对于精密传动系统而言，初始精度只是工程考量的一部分。

减速器在出厂时可能具有出色的回程间隙表现，但如果随着传动系统磨损，回程间隙显著增大，则该部件的实际精度寿命可能受到限制。

这正是 HONPINE 的研发重点从初始传动精度延伸至整个运行寿命期间精度保持能力的原因。

对于工业机器人、机床和人形机器人而言，这意味着不仅要评估初始回程间隙和定位性能，还要评估传动特性在反复运动、负载和磨损条件下如何演变。

自补偿回程间隙技术旨在通过主动补偿传动间隙变化，而非仅依赖齿轮系统的初始机械公差，来解决这一长期性能挑战。

结论

精密减速器的发展正在超越对更低初始回程间隙的简单追求。

工业机器人、机床和人形机器人需要兼具精度、刚度、紧凑尺寸、扭矩密度及长期精度保持能力的传动系统。

谐波传动和 RV 传动系统仍是精密机器人领域的重要技术，而传统行星传动则继续在效率、刚度和扭矩密度方面具有优势。

自补偿行星传动和谐波传动的机遇在于，通过引入可在长期运行期间补偿传动间隙变化的机构，弥合这些性能特征之间的差距。

在 HONPINE，我们正围绕这一理念持续开发精密传动技术，包括自补偿行星执行器、双柔轮谐波传动，以及适用于人形机器人的轻量化 PEEK 基谐波传动。

对我们而言，目标并不只是让传动系统在出厂时实现高精度。更重要的问题是，在机器人或机器的整个使用寿命内，能够保持多少这样的精度。