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重慶林創(chuàng)機(jī)械有限公司是一家專業(yè)減速機(jī)研發(fā)、銷售、制造、服務(wù)為一體的企業(yè)，主營產(chǎn)品有RV系列蝸輪蝸桿減速機(jī)、F系列平行軸斜齒輪減速機(jī)、K系列斜齒輪減速機(jī)、R系列斜齒輪減速機(jī)、S系列斜齒輪減速機(jī)、MB系列無極變速機(jī)、P系列行星減速機(jī)、T型減速機(jī)、X/B系列擺線針輪減速機(jī)等十幾種減速機(jī)產(chǎn)品。

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減速機(jī)一般用于低轉(zhuǎn)速大扭矩的傳動設(shè)備，把電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)或其它高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動力，通過減速機(jī)的輸入軸上的齒數(shù)少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達(dá)到減速的目的，大小齒輪的齒數(shù)之比，就是傳動比。

減速機(jī)是一種相對精密的機(jī)械，使用它的目的是降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩。減速器的種類繁多，型號各異，不同種類有不同的用途。

按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星齒輪減速器；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。

為了便于合理選擇減速機(jī)，故將幾種常見減速機(jī)的類型、特點(diǎn)及應(yīng)用一一列出，供選型時(shí)參考。

1. 單級圓柱齒輪減速機(jī)

單級圓柱齒輪減速機(jī)適用于減速比3~5。輪齒可為直齒、斜齒或人字齒，箱體通常采用鑄鐵鑄造，也可以用鋼板焊接而成。軸承常用滾動軸承，只有重載或特高速時(shí)才用滑動軸承。

2. 雙級圓柱齒輪減速機(jī)

雙級圓柱齒輪減速機(jī)分有展開式、分流式、同軸式三種，適用減速比8~40。

展開式：高速級長尾斜齒，低速級可為直齒或斜齒。由于齒輪相對軸承布置不對稱，要求軸的剛度較大，并使轉(zhuǎn)矩輸入、輸出端遠(yuǎn)離齒輪，以減少因軸的彎曲變形引起載荷沿齒寬分布不均勻。結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用最廣。

分流式：一般采用高速級分流。由于齒輪相對軸承布置對稱，因此齒輪和軸承受力較均勻。為了使軸上總的軸向力較小，兩對齒輪的螺旋線方向應(yīng)相反。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，常用于大功率、變載荷的場所。

同軸式：減速機(jī)的軸向尺寸較大，中間軸較長，剛度較差。當(dāng)兩個(gè)大齒輪浸油深度相近時(shí)，高速級齒輪的承載能力不能充分發(fā)揮。常用于輸入和輸出軸同軸線的場所。

3. 單級錐齒輪減速機(jī)

單級錐齒輪減速機(jī)適用與減速比2~4。傳動比不宜過大，以減小錐齒輪的尺寸，利于加工。僅用于兩軸線垂直相交的傳動中。

4. 圓錐、圓柱齒輪減速機(jī)

圓錐、圓柱齒輪減速機(jī)適用于減速比為8~15。錐齒輪應(yīng)布置在高速級，以減小錐齒輪的尺寸。錐齒輪可為直齒或曲線齒。圓柱齒輪多為斜齒，使其能與錐齒輪的軸向力抵消一部分。

5. 蝸桿減速機(jī)

主要有圓柱蝸桿減速機(jī)，圓弧環(huán)面蝸桿減速機(jī)，錐蝸桿減速機(jī)和蝸桿—齒輪減速機(jī)，其中以圓柱蝸桿減速機(jī)最為常用。

蝸桿減速機(jī)適用于減速比為10~80。結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大，但傳動效率低，適用于小功率、間隙工作的場合。當(dāng)蝸桿圓周速度V≤4~5m/s時(shí)，蝸桿為下置式，潤滑冷卻條件較好；當(dāng)V≥4~5m/s時(shí)，油的攪動損失較大，一般蝸桿為上置式。

6. 行星齒輪減速機(jī)

行星減速機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原因，單級減速最小為3，最大一般不超過10，常見減速比為：3/4/5/6/8/10，減速機(jī)級數(shù)一般不超過3，但有部分大減速比定制減速機(jī)有4級減速。

相對其他減速機(jī)，行星減速機(jī)具有高剛性、高精度(單級可做到1分以內(nèi))、高傳動效率(單級在97%-98%)、高的扭矩、體積比、終身免維護(hù)等特點(diǎn)。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，行星減速機(jī)多數(shù)是安裝在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上，用來降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，匹配慣量。

減速器如何替代電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動

從上面的機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)圖中我們可以看到，在機(jī)器人關(guān)節(jié)處都安裝有電機(jī)和減速機(jī)用來控制關(guān)節(jié)運(yùn)動，那么問題來了

在機(jī)器人系統(tǒng)中，為什么不能直接控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制關(guān)節(jié)運(yùn)動，為何還需要減速器？

要回答這個(gè)問題，首先要明確工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的工況：

1. 工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)需要撐住后端機(jī)構(gòu)由于重力產(chǎn)生的扭矩。

2. 工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速不高。機(jī)器人關(guān)節(jié)角速度很低，可電機(jī)在極低的速度下轉(zhuǎn)動是不平穩(wěn)的，控制不易，需要一個(gè)機(jī)械讓電機(jī)在較合理的轉(zhuǎn)速下運(yùn)動，保證運(yùn)動的平順。

那么使用減速機(jī)的原因有兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是提扭矩，第二點(diǎn)就是提控制分辨率和閉環(huán)精度。

例如，一個(gè)50:1的諧波減速機(jī)就能輕松將一個(gè)額定100mNm的電機(jī)的額定扭矩提升到5Nm，代價(jià)是：

1.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比直驅(qū)高49倍

本來工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速就不高，一般都是每秒一兩轉(zhuǎn)，額定100mNm的電機(jī)輕松跑6k轉(zhuǎn)/min，白不轉(zhuǎn)那么快。要是嫌轉(zhuǎn)的不夠快?解決辦法就是提電壓，但這要考慮的是軸承和轉(zhuǎn)子是否撐得住。

2.重量提高到原來3倍

舉個(gè)例子，maxon EC45最厚的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為83mNm，重110g；maxon EC90的額定轉(zhuǎn)矩為560mNm，重600g。從這個(gè)兩個(gè)數(shù)據(jù)出發(fā)，可以腦補(bǔ)一下額定5Nm的電機(jī)重量是多少倍。

3.維持相同扭矩時(shí)，發(fā)熱功率是不加減速機(jī)的1/2500

其實(shí)不是說額定100mNm的電機(jī)干不到5Nm，也是可以做到的，只要往死里提電流就好了，但這樣將會造成電機(jī)快速發(fā)燙，撐不了幾秒就得冒煙，就算上了水冷電費(fèi)也會比較多。要想達(dá)到相同扭矩又不想太燙就得換扭矩/發(fā)熱效率高且熱阻小、熱容量大的電機(jī)，但這樣就又回到2所說的問題了。

此外，使用減速機(jī)的好處有：

1.以更低價(jià)格的機(jī)械實(shí)現(xiàn)更高的分辨率

一個(gè)普通5k線的光電碼盤就能實(shí)現(xiàn)1.44mdeg的角度分辨率（當(dāng)然，如果資金太多上正余弦編碼器使勁細(xì)分也可以實(shí)現(xiàn)的）；或者是一個(gè)5相1000步的步進(jìn)電機(jī)可以做到7.2mdeg的分辨率（此處說的就是東方電機(jī)的33步進(jìn)+50:1的諧波）。分辨率高的好處是轉(zhuǎn)速控制可以更精確，由于量化造成的階躍產(chǎn)生的高頻分量變得很小，控制更加平滑。

2. 提高閉環(huán)精度，更好的控制控制環(huán)路

由于有個(gè)50:1的大減速比，減速機(jī)出軸受到擾動傳遞到電機(jī)端就比直驅(qū)縮減了37dB，使得閉環(huán)精度在減速機(jī)出軸顯得更高。同時(shí)轉(zhuǎn)子等效的轉(zhuǎn)動慣量提高到了2500倍，使得控制環(huán)路的滯后環(huán)節(jié)受轉(zhuǎn)子慣量占主導(dǎo)，而轉(zhuǎn)子由于直接受電磁力的驅(qū)動從而沒有由于剛度造成的扭矩滯后，比直驅(qū)要好控。

除了上面技術(shù)性方面的解答，這里還有一個(gè)案例，可來從另一個(gè)角度間接回答此問題。

某客戶一種型號為6150的車床，卡盤為10寸（直徑約250mm）液壓卡盤，為了達(dá)到單邊7mm的切削能力，利用主軸電機(jī)（交流異步電機(jī)）的低速大扭矩（轉(zhuǎn)矩）特性，擬選取一款7.5kw額定轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)的電機(jī)，同時(shí)使用1：2傳動比（減速）的齒輪。

已知傳動比和功率、轉(zhuǎn)矩成正比，即使用1：2的傳動比，7.5kw的電機(jī)達(dá)到了15kw、同時(shí)2倍轉(zhuǎn)矩（注意，此處不是指2倍額定轉(zhuǎn)矩）的特性。如果選擇的是15kw的電機(jī)，價(jià)格就要貴不少，安裝尺寸也要變大；而加工出1：2傳動比的一對齒輪不需要很多錢。

不明白的可查看下面這張異步電機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩特性曲線圖。（注意：和直流電機(jī)不同，異步電機(jī)是可能工作在超過橫轉(zhuǎn)矩區(qū)的。）

除了獲得低速、大扭矩特性，機(jī)器人上用的直流電機(jī)可能也有這方面原因，而所用的減速機(jī)的傳動比可能更大（2級傳動或更高）。

當(dāng)然，使用減速機(jī)并不是完美的，還是有一些缺點(diǎn)，但是，兩相比較之下，還是使用減速機(jī)更為合適。         

使用減速機(jī)之缺點(diǎn)：

1.  如果配置了減速機(jī)而編碼器又裝在電機(jī)端的話，減速機(jī)的制造精度會影響實(shí)際精度；

2.  多級減速機(jī)里的齒隙油膜厚度變化等小誤差經(jīng)過多級放大還是會造成重復(fù)精度的下降；

3.  還有減速機(jī)畢竟有齒輪嚙合或是柔輪變形，有壽命限制；

4.  對多連桿機(jī)構(gòu)齒隙的非線性耦合使得機(jī)器人的絕對精度較差，所以工業(yè)機(jī)器人只談重復(fù)定位精度不談絕對精度，從而使得機(jī)器人很難純粹地進(jìn)行離線編程，提高了部署的難度和成本。

以上就是為什么不能直接控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來控制關(guān)節(jié)運(yùn)動，而是需要使用減速器的原因。雖然現(xiàn)在有直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人，但是由于上述問題，成熟度上還差一些。

總之，工業(yè)機(jī)器人上用減速機(jī)就是用電機(jī)容易達(dá)到的高轉(zhuǎn)速換取電機(jī)不易做到的高扭矩和低質(zhì)量。