減速機技術成熟 本土產品具優勢

減速機是一種動力傳達的機構，在許多應用上不需要太高的速度及需要較高轉矩的地方都用的到它，例如電梯、輸送帶、卷揚機、攪拌機等。隨著工業的發展及工廠的自動化，使減速機的需求量日益成長。

    減速機減速的方法很多，包括齒輪式，運用齒輪、蝸輪傳動，游星齒輪或傘齒輪，其它還有透過皮帶輪、煉條，或是圓柱、滾珠減速的機械式減速機。但一般最常見的是以齒輪來減速，所以減速機有人又稱為「齒輪箱」。

    通常齒輪箱是一些齒輪的組合，其本身并無動力，所以還需要透過驅動組件來傳動它。所謂驅動組件，可以是電動機（馬達）、蒸汽機、引擎、風力、水力等。

    使用減速機大的目的包括動力傳遞，或是獲得某一速度，以及獲得較大扭矩。業者表示，減速機是一項十分普遍的產品，減速最主要的功用在彌補馬達因為功率損耗影響效能，是一個扭矩提升的角色。臺灣生產減速機的大小廠眾多，產品單價十分便宜。依產品設計原理，減速機主要可分成：擺線型減速機、諧波齒輪減速機、行星式齒輪減速機，以及蝸桿蝸輪減速機四類。

    協助伺服馬達提升扭矩

    談到減速機，就得先從伺服馬達開始談起。伺服馬達的技術發展，從高扭矩密度乃至于高功率密度，使轉速的提升高過3000rpm，由于轉速的提升，使得伺服馬達的功率密度大幅提升。這意謂著伺服馬達是否需要搭配減速機，其決定因素主要是從應用的需求上及成本的考慮來審視。

    然則，到底什么樣的應用需求必須搭配減速機？根據了解，必須對負載做移動并要求精密定位時便有此需要。一般像是航空、衛星、醫療、軍事科技、晶圓設備、機器人等自動化設備。他們的共同特征在于將負載移動所需的扭矩往往遠超過伺服馬達本身的扭矩容量。而透過減速機來做伺服馬達輸出扭矩的提升，便可有效解決這個問題。

    輸出扭矩提升的方式，可能采用直接增大伺服馬達的輸出扭矩方式，但這種方式不但必須使用昂貴的磁性材料，馬達還要有更強壯的結構，扭矩的增大正比于控制電流的增大，此時采用比較大的驅動器，功率電子組件和相關機電設備規格的增大，又會使控制系統的成本大幅增加。

    理論上，提升伺服馬達的功率也是輸出扭矩提升的方式，可藉由增加伺服馬達兩倍的速度來使得伺服系統的功率密度提升兩倍，而且不需要增加驅動器等控制系統組件的規格，也就是不需要增加額外的成本。而這就需透過減速機的搭配來達到「減速并提升扭矩」的目的了。所以說，高功率伺服馬達的發展是必須搭配應用減速機，而非將其省略不用。

    節省成本好處多

    據了解，負載慣量的不當匹配，是伺服控制不穩定的大原因之一。對于大的負載慣量，可以利用減速比的平方反比來調配最佳的等效負載慣量，以獲得最佳的控制響應。所以從這個角度來看，減速機為伺服應用的控制響應的最佳匹配。

    此外，減速機還可有效解決馬達低速控制特性的衰減。由于伺服馬達的控制性會由于速度的降低，導致產生某程度上的衰減，尤其在對于低轉速下的訊號擷取和電流控制的穩定性上，特別容易看出。因此，采用減速機能使馬達具有較高轉速。

    從成本觀點，假設0.4KW的AC伺服馬達搭配驅動器，需耗費一單位設備成本，以5KW的AC伺服馬達搭配驅動器必須耗費15單位成本，但是若采用0.4KW伺服馬達與驅動器，搭配一組減速機就能夠達到前述耗費15個單位成本才能完成的事，在操作成本上節省50%以上。

    因此使用者依其加工需求不同，決定選用的齒輪減速機產品。一般而言，在機臺運轉上有低速、高扭矩的需求，絕大部分采用齒輪減速機，而在高速、低扭矩的機臺上則較少采用齒輪減速機。

    諧波減速機國內少見

    諧波齒輪減速機，其基本結構由剛性內齒環、撓性外齒環、諧波發生器所組成。工作原理以諧波發生器為輸入構件，剛性內齒環為固定構件，撓性外齒環為輸出構建。其中撓性外齒環材料特殊、內外壁且薄，是此類減速機的技術核心，目前臺灣尚無可制造諧波齒輪減速機業者，漸伸線所生產的SPB系列「少齒差行星式減速機」，機械輸出特性介于諧波齒輪與擺線針輸之間，同樣可做到「零背隙」，為業界最接近諧波齒輪減速機之產品。

    諧波減速機的特點，在于他的傳動精度高，傳動背隙值低。減速比高且范圍大，單及傳動的減速比為50～500。此外，傳動效率較蝸輪蝸桿減速機高，隨減速比不同，單級傳動的效率為65～80％。由于屬撓性傳動，扭轉剛性值最低，撓性外齒環的工作壽命較短，而且減速機容易發熱產生溫升，所以容許輸入轉速不高，只能達到2,000rpm，是其大缺點。

    業者表示，諧波式齒輪減速機由于是偏心撓性驅動，動平衡特性不佳，容易產生輸出速度的不連續漣漪（Velocity Ripple），影響控制響應特性。

    擺線型 vs 蝸輪蝸桿

    目前世界上制造擺線型減速機，以日本做得較多、較好。擺線型減速機基本結構包含輸入偏心滾柱軸承、行星式擺線齒盤、本體及外側針齒等。擺線型減速機的特點，是可以明顯發現減速比高且范圍大，單級傳動的減速比50～200。傳動效率較蝸輪蝸桿減速機高，隨著減速比的不同，單級傳動的效率為60～70％。他的另一特點，由于是摩擦運動，扭轉剛性值較低。

    這類機器的缺點在于：由于是屬于偏心、摩擦運動，傳動組件容易耗損，工作壽命較短，且機臺容易發熱產生溫升，所以容許輸入轉速不高，也在2,000rpm以下。

    蝸輪蝸桿減速機由輸入蝸桿與輸出蝸輪所構成，其特點是傳遞扭矩高，減速比高且范圍大，單級傳動的減速比為5～100；傳動機構不屬于同軸的輸入與輸出，應用不易，且傳動效率最低，不超過60％。

    業者表示，由于是屬相對滑動摩擦傳動，蝸輪蝸桿減速機扭轉剛性值略低，且傳動組件容易耗損，工作壽命短、且減速機容易產生溫升，所以容許輸入轉速不高（2,000rpm），這都限制了蝸輪蝸桿的使用情形。

    行星式減速機 技術精密

    至于行星式齒輪減速機，基本結構由輸入太陽輪、行星輪、輸出行星臂架，以及固定的內齒環所構成。行星式齒輪減速機的工作原理，動力是由馬達端輸入至太陽輪，而太陽輪將驅動保持于行星臂架上的行星輪，而行星輪除了繞本身軸線自轉外，并驅動行星臂架繞傳動系統的中心，將他轉動。

    行星式齒輪減速機擁有較多優點，像是結構緊湊，可節省50％的體積；同軸的輸入輸出使設計更具彈性；重量輕、高效率、免保養（無須更換潤滑油）、壽命長（無需更換零組件）且經由模塊化設計，使應用更為容易。

    臺灣廣用動力科技股份有限公司總經理林忠運表示，伺服用行星式齒輪減速機還具有高輸入速度、高扭矩密度、高扭轉剛性、低背隙、高效率、溫升低、低噪音、安裝容易等特性。

    在實用上，所有的高性能伺服用齒輪減速機，均選用行星式的機構并非偶然。行星式的齒輪減速機構利用多齒接觸來分散它的負荷，所以在給定的設計空間下具有大的扭矩密度和剛性，而與一般的減速機構相比較，行星式齒輪減速機在高速時的結構動平衡特性較為優異，且易于潤滑。一般而言，只要利用潤滑油脂即可達到充分潤滑的效果，基于上述之負荷均布、結構動平衡優異以及易于潤滑的特性，使得行星式齒輪減速機被一般使用者認定為「最適合使用的伺服應用方案」。臺灣廣用、聚盛工業是目前臺灣生產伺服用行星式齒輪減速機的專業制造廠商。