减速机技术成熟 本土产品具优势

hero2006

减速机是一种动力传达的机构，在许多应用上不需要太高的速度及需要较高转矩的地方都用的到它，例如电梯、输送带、卷扬机、搅拌机等。随着工业的发展及工厂的自动化，使减速机的需求量日益成长。
       减速机减速的方法很多，包括齿轮式，运用齿轮、蜗轮传动，游星齿轮或伞齿轮，其它还有透过皮带轮、炼条，或是圆柱、滚珠减速的机械式减速机。但一般最常见的是以齿轮来减速，所以减速机有人又称为「齿轮箱」。
( H; Q' b" |& I/ f, f) q0 t# \       通常齿轮箱是一些齿轮的组合，其本身并无动力，所以还需要透过驱动组件来传动它。所谓驱动组件，可以是电动机（马达）、蒸汽机、引擎、风力、水力等。
       使用减速机最大的目的包括动力传递，或是获得某一速度，以及获得较大扭矩。业者表示，减速机是一项十分普遍的产品，减速最主要的功用在弥补马达因为功率损耗影响效能，是一个扭矩提升的角色。台湾生产减速机的大小厂众多，产品单价十分便宜。依产品设计原理，减速机主要可分成：摆线型减速机、谐波齿轮减速机、行星式齿轮减速机，以及蜗杆蜗轮减速机四类。
2 o! U" o7 W  Z2 w7 [
协助伺服马达提升扭矩

# C, F' P: t/ S" ?, J: H; q       谈到减速机，就得先从伺服马达开始谈起。伺服马达的技术发展，从高扭矩密度乃至于高功率密度，使转速的提升高过3000rpm，由于转速的提升，使得伺服马达的功率密度大幅提升。这意谓着伺服马达是否需要搭配减速机，其决定因素主要是从应用的需求上及成本的考虑来审视。
5 _( Q3 x3 q& W9 j6 u       然则，到底什么样的应用需求必须搭配减速机？根据了解，必须对负载做移动并要求精密定位时便有此需要。一般像是航空、卫星、医疗、军事科技、晶圆设备、机器人等自动化设备。他们的共同特征在于将负载移动所需的扭矩往往远超过伺服马达本身的扭矩容量。而透过减速机来做伺服马达输出扭矩的提升，便可有效解决这个问题。
! S: ~5 p% v  }; F       输出扭矩提升的方式，可能采用直接增大伺服马达的输出扭矩方式，但这种方式不但必须使用昂贵的磁性材料，马达还要有更强壮的结构，扭矩的增大正比于控制电流的增大，此时采用比较大的驱动器，功率电子组件和相关机电设备规格的增大，又会使控制系统的成本大幅增加。
, @& H% b& F1 r  D+ @% |/ i       理论上，提升伺服马达的功率也是输出扭矩提升的方式，可藉由增加伺服马达两倍的速度来使得伺服系统的功率密度提升两倍，而且不需要增加驱动器等控制系统组件的规格，也就是不需要增加额外的成本。而这就需透过减速机的搭配来达到「减速并提升扭矩」的目的了。所以说，高功率伺服马达的发展是必须搭配应用减速机，而非将其省略不用。
8 w1 R  K* W& R; A, }
节省成本好处多

) Z0 s# {# G/ M# d9 s  R       据了解，负载惯量的不当匹配，是伺服控制不稳定的最大原因之一。对于大的负载惯量，可以利用减速比的平方反比来调配最佳的等效负载惯量，以获得最佳的控制响应。所以从这个角度来看，减速机为伺服应用的控制响应的最佳匹配。
% B4 D9 ^! H* J" i       此外，减速机还可有效解决马达低速控制特性的衰减。由于伺服马达的控制性会由于速度的降低，导致产生某程度上的衰减，尤其在对于低转速下的讯号撷取和电流控制的稳定性上，特别容易看出。因此，采用减速机能使马达具有较高转速。
       从成本观点，假设0.4KW的AC伺服马达搭配驱动器，需耗费一单位设备成本，以5KW的AC伺服马达搭配驱动器必须耗费15单位成本，但是若采用0.4KW伺服马达与驱动器，搭配一组减速机就能够达到前述耗费15个单位成本才能完成的事，在操作成本上节省50%以上。
7 B1 {; P! w) y8 l( I8 P8 ~# j$ R因此使用者依其加工需求不同，决定选用的齿轮减速机产品。一般而言，在机台运转上有低速、高扭矩的需求，绝大部分采用齿轮减速机，而在高速、低扭矩的机台上则较少采用齿轮减速机。
* g( A0 ?5 F: ~
) B: q8 s8 [+ |# M; [) Y# N谐波减速机国内少见
7 d9 D) i/ m; ?& c- _2 J
. O4 P, |. `, T9 {& V- Q       谐波齿轮减速机，其基本结构由刚性内齿环、挠性外齿环、谐波发生器所组成。工作原理以谐波发生器为输入构件，刚性内齿环为固定构件，挠性外齿环为输出构建。其中挠性外齿环材料特殊、内外壁且薄，是此类减速机的技术核心，目前台湾尚无可制造谐波齿轮减速机业者，渐伸线所生产的SPB系列「少齿差行星式减速机」，机械输出特性介于谐波齿轮与摆线针输之间，同样可做到「零背隙」，为业界最接近谐波齿轮减速机之产品。
       谐波减速机的特点，在于他的传动精度高，传动背隙值低。减速比高且范围大，单及传动的减速比为50～500。此外，传动效率较蜗轮蜗杆减速机高，随减速比不同，单级传动的效率为65～80％。由于属挠性传动，扭转刚性值最低，挠性外齿环的工作寿命较短，而且减速机容易发热产生温升，所以容许输入转速不高，只能达到2,000rpm，是其最大缺点。
       业者表示，谐波式齿轮减速机由于是偏心挠性驱动，动平衡特性不佳，容易产生输出速度的不连续涟漪（Velocity Ripple），影响控制响应特性。

摆线型 vs 蜗轮蜗杆
3 h4 m, k: F1 S9 I
% b; G& G* T) s) A$ I; O% r/ Y       目前世界上制造摆线型减速机，以日本做得较多、较好。摆线型减速机基本结构包含输入偏心滚柱轴承、行星式摆线齿盘、本体及外侧针齿等。摆线型减速机的特点，是可以明显发现减速比高且范围大，单级传动的减速比50～200。传动效率较蜗轮蜗杆减速机高，随着减速比的不同，单级传动的效率为60～70％。他的另一特点，由于是摩擦运动，扭转刚性值较低。
& i% m1 Q. v9 [8 a       这类机器的缺点在于：由于是属于偏心、摩擦运动，传动组件容易耗损，工作寿命较短，且机台容易发热产生温升，所以容许输入转速不高，也在2,000rpm以下。
       蜗轮蜗杆减速机由输入蜗杆与输出蜗轮所构成，其特点是传递扭矩高，减速比高且范围大，单级传动的减速比为5～100；传动机构不属于同轴的输入与输出，应用不易，且传动效率最低，不超过60％。
  |. c& ~' k1 C$ s+ v4 |      业者表示，由于是属相对滑动摩擦传动，蜗轮蜗杆减速机扭转刚性值略低，且传动组件容易耗损，工作寿命短、且减速机容易产生温升，所以容许输入转速不高（2,000rpm），这都限制了蜗轮蜗杆的使用情形。
5 p, O* B2 I2 [; \2 W8 F3 A8 c
& c) Y2 X. d5 ~  Z; m. V2 o  ^' |行星式减速机  技术精密
1 a3 p2 ]0 }7 Z8 I- B
9 G' Q9 C6 d: S( c) C% M3 h       至于行星式齿轮减速机，基本结构由输入太阳轮、行星轮、输出行星臂架，以及固定的内齿环所构成。行星式齿轮减速机的工作原理，动力是由马达端输入至太阳轮，而太阳轮将驱动保持于行星臂架上的行星轮，而行星轮除了绕本身轴线自转外，并驱动行星臂架绕传动系统的中心，将他转动。
       行星式齿轮减速机拥有较多优点，像是结构紧凑，可节省50％的体积；同轴的输入输出使设计更具弹性；重量轻、高效率、免保养（无须更换润滑油）、寿命长（无需更换零组件）且经由模块化设计，使应用更为容易。
1 X0 a/ d3 L7 @       台湾广用动力科技股份有限公司总经理林忠运表示，伺服用行星式齿轮减速机还具有高输入速度、高扭矩密度、高扭转刚性、低背隙、高效率、温升低、低噪音、安装容易等特性。
2 \) u, b- j8 q9 V       在实用上，所有的高性能伺服用齿轮减速机，均选用行星式的机构并非偶然。行星式的齿轮减速机构利用多齿接触来分散它的负荷，所以在给定的设计空间下具有最大的扭矩密度和刚性，而与一般的减速机构相比较，行星式齿轮减速机在高速时的结构动平衡特性较为优异，且易于润滑。一般而言，只要利用润滑油脂即可达到充分润滑的效果，基于上述之负荷均布、结构动平衡优异以及易于润滑的特性，使得行星式齿轮减速机被一般使用者认定为「最适合使用的伺服应用方案」。台湾广用、聚盛工业是目前台湾生产伺服用行星式齿轮减速机的专业制造厂商。
3 a- H/ C: m9 b$ P