谐波齿轮减速器发展综述

谐波齿轮减速器发展综述

1. 概述........................................................................................................................... 1

1.1 产生及发展 .................................................................................................... 1 1.2 传动原理 ........................................................................................................ 1 1.3 传动特点 ........................................................................................................ 3 1.4 应用情况 ........................................................................................................ 3 2 研究现状.................................................................................................................... 4

2.1啮合原理的研究 ............................................................................................. 4 2.2 传动齿形的研究 ............................................................................................ 6 2.3 柔轮疲劳强度的研究 .................................................................................... 9 2.4传动精度的研究 ........................................................................................... 11 2.5 结构优化的研究 .......................................................................................... 12 2.6材料及加工工艺性研究 ............................................................................... 12 3 主要公司及产品...................................................................................................... 13

3.1 日本哈默纳科公司（Harmonic Drive Systems Inc.） ................................ 13 3.2 日本电产新宝公司（SHIMPO） ................................................................. 14 3.3 苏州绿的谐波传动科技有限公司 .............................................................. 14 3.4 北京中技克美谐波传动股份有限公司 ...................................................... 15 3.5 北京谐波传动技术研究所 .......................................................................... 16 3.6 浙江来福谐波传动股份有限公司 .............................................................. 17 4 国内产品现状与发展对策...................................................................................... 17

4.1 减速机的市场现状 ...................................................................................... 17 4.2 噪音、寿命与可靠性 .................................................................................. 19 4.3 齿形 .............................................................................................................. 20 4.4 材料与制造工艺 .......................................................................................... 21 4.5 规模化 .......................................................................................................... 22

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1. 概述

1.1 产生及发展

谐波齿轮传动技术是20世纪50年代末随着航天技术发展而发明的一种具有重大突破的新型传动技术，由美国人C. W.马瑟砖1955年提出专利，1960年在纽约展出实物。谐波传动的发展是由军事和尖端技术开始的，以后逐渐扩展到民用和一般机械上。这种传动较一般的齿轮传动具有运动精度高，回差小，传动比大，重量轻，体积小，承载能力大，并能在密闭空间和辐射介质的工况下正常工作等优点，因此美，俄，日等技术先进国家，对这方面地研制工作一直都很重视。如美国就有国家航空管理局路易斯研究中心，空间技术试验室，USM公司，贝尔航空空间公司，麻省理工学院，通用电器公司等几十个大型公司和研究中心都从事过这方面的研究工作。前苏联从60年代初期开始，也大力开展这方面的研制工作，如苏联机械研究所，莫斯科褒曼工业大学，列宁格勒光学精密机械研究所，全苏联减速器研究所等都大力开展谐波传动的研究工作。他们对该领域进行了较系统，较深入的基础理论和试验研究，在谐波传动的类型，结构，应用等方面有较大的发展。日本长谷齿轮株式会社等有关企业在谐波齿轮传动的研制和标准化、系列化等方面作出了很大贡献。西欧一些国家除了在卫星，机器人，数控机床等领域采用谐波齿轮传动外，对谐波传动的基础理论也开始进行系统的研究。谐波齿轮传动技术1970年引入日本，随之诞生了日本第一家整体运动控制的领军企业-日本Harmonic Drive SystemsInc.(简称HDSI)。目前日本HDSI公司是国际领先的谐波减速器公司，其生产的Harmonic Drive谐波减速器，具有轻量、小型、传动效率高、减速范围广、精度高等特点，被广泛应用于各种传动系统中。

谐波传动技术于1961年由上海纺织科学研究院的孙伟工程师介绍入我国。此后，我国也积极引进并研究发展该项技术，1983年成立了谐波传动研究室，1984年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定，1993年制定了GB/T14118-1993谐波传动减速器标准，并在理论研究、试制和应用方面取得较大成绩，成为掌握该项技术的国家之一。到目前为止，我国己有北京谐波传动技术研究所、北京中技克美有限责任公司、燕山大学、郑州机械研究所、北方精密机械研究所、贵州群建齿轮有限公司等单位从事这方面的研究和生产，为我国谐波传动技术的研究和推广应用开展了深入的研究和试验工作。

1.2 传动原理

谐波传动减速器英文名称：harmonic gear drive，主要由波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮三个基本构件组成，如图1-1所示。波发生器是一个凸轮部件，其两端与柔轮1的内壁相互

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压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。

图1-1 谐波齿轮减速器组成

当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器相反方向的缓慢旋转，如图1-2所示。

图1-2 谐波齿轮啮合简图

在传动过程中，波发生器转一周，柔轮上某点变形的循环次数称为波数，以 n 表示。常用的是双波和三波两种。双波传动的柔轮应力较小，结构比较简单，易于获得大的传动比。故为目前应用最广的一种。

谐波传动减速器柔轮和刚轮的齿距相同，但齿数不等，通常采用刚轮与柔轮齿数差等于波数，即：

Z2－Z1=n （1-1）

式中： Z2、Z1——分别为刚轮与柔轮的齿数。 其传动比为：

刚轮固定柔轮输出

2

（1-2）

柔轮固定刚轮输出

反。由此可看出，谐波减速器可获得很大的传动比。

（1-3）

双波传动中，Z2－Z1=2，柔轮齿数很多。上式负号表示柔轮的转向与波发生器的转向相

1.3 传动特点

主要优点：

（1）传动速比大。单级谐波齿轮传动速比范围为70~320，在某些装置中可达到1000，多级传动速比可达30000以上。它不仅可用于减速，也可用于增速的场合。

（2）承载能力高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30%以上，而且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间是面接触。 （3）传动精度高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用，故传动精度高。在齿轮精度等级相同的情况下，传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右。同时可采用微量改变波发生器的半径来增加柔轮的变形使齿隙很小，甚至能做到无侧隙啮合，故谐波齿轮减速机传动空程小，适用于反向转动。 （4）传动效率高、运动平稳。由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，因此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑移速度仍是极低（故为普通渐开线齿轮传动的1%），所以，轮齿磨损小，效率高（可达69%~96%）。又由于啮入和啮出时，齿轮的两侧都参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。

（5）结构简单、零件数少、安装方便。仅有三个基本构件，且输入与输出轴同轴线，所以结构简单，安装方便。

（6）体积小、重量轻。与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波齿轮减速机的体积可减小2/3，重量可减轻1/2。

主要缺点：

（1）柔轮周期性变形，工作情况恶劣，从而易于疲劳损坏。

（2）柔轮和波发生器的制造难度较大，需要专门设备，给单件生产和维修造成了困难。 （3）传动比的下限值高，齿数不能太少，当波发生器为主动时，传动比一般不能小于35。

（4）起动力矩大。

1.4 应用情况

由于谐波齿轮传动具有许多独特的优点，近几十年来，谐波齿轮传动技术和传动装置已被广泛应用于空间技术，雷达通讯，能源，机床，仪器仪表，机器人，汽车，造船，纺织，

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冶金，常规武器，精密光学设备，印刷包装机械以及医疗机械等领域。国内外的应用实践证明，无论是作为高灵敏度随动系统的精密谐波传动，还是作为传递大转矩的动力谐波传动，都表现出了良好的性能；作为空间传动装置和用于操作高温，操作高压管路以及在有原子辐射或其它有害介质下提供的工作的机构，更显示出了其它一些机构难以比拟的优越性。

谐波齿轮一般都是小模数齿轮，谐波齿轮一般都具有小体积和超小体积传动装置的特征。谐波齿轮传动在机器人领域的应用最多，在该领域的应用数量超过总量的60%。减速器是工业机器人的三大核心零部件之一，谐波减速器则是当前主要的两种工业减速器之一，因为体积小、重量轻、扭矩大、安装紧凑、传动速比大、传动精度高等特性，被广泛应用于工业自动化领域。

随着军事装备的现代化，谐波齿轮更加广泛的应用于航空，航天，航泊潜艇，宇宙飞船，导弹导引头，导航控制，光电火控系统，单兵作战系统等军事装备中，如在战机的脱机和惯导系统中，在卫星和航天飞船的天线和太阳能帆板展开驱动机构中都得到应用。

2 研究现状

自谐波传动问世以来，由于其具有的特殊性能可以满足空间技术、海洋工程以及机器人技术等所需要的高精度大传动比以及封闭空间这些苟刻要求，许多来自世界各地的卓越科研人才都深入地研究了此新型技术。特别地，谐波传动技术包含了十分复杂的数学理论，这一点吸引了许多国内外的数学专家和优秀的学者。事实上，在美国、日本以及前苏联等世界数一数二的发达工业国家，谐波传动理论设计和实际加工技术都达到了世界一流水平。1961年上海纺织科学研究院的孙伟工程师第一次将谐波传动技术介绍到我国国内，在这以后我国十分重视并努力地发展了谐波传动技术，并在很多领域进行了实际应用和研究，例如在我国的“神州号”飞船中得到了很好的应用。

谐波齿轮传动因其自身固有的特性而产生十分复杂和广泛的问题，目前谐波传动领域的相关研究主要集中在啮合原理、齿形曲线、柔轮疲劳强度、材料及加工工艺等方面。

2.1啮合原理的研究

对谐波齿轮传动啮合原理的深入研究是探讨如何提高啮合性能和探索齿轮加工新工艺的基础。早期对啮合原理的研究是建立在经验和试验的基础上，在研究谐波齿轮传动模型中没有考虑到柔轮薄壁的空间弹性变形会让柔轮齿圈中轮齿对称轴线发生一定程序的偏转，而只是简单将柔轮发生的径向位移作为其空间变形。最早根据如下两点而提出的直线齿廓：使轮齿实现面接触以提高其承载能力和满足定传动比要求。19年以后，国内外众多学者都对谐波齿轮传动的啮合理论进行了深入地研究以便谐波传动啮合理论可以得到较好地发展和改善。

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目前为止，具有一定代表性的研究方法主要有如下六种：

（1）图解分析法：在已知啮合齿对的其中一个齿廓以后，结合柔轮中性层原始曲线的变形函数，利用啮合过程的几何关系，采用常见的图解或者极坐标仿射原理来求解出另一齿廓；

（2）瞬心线法：以柔轮齿相对刚轮齿做共轭运动而形成的动定瞬心线来研究齿廓的运动，其优点是具有明确的几何特性和清晰的概念，但是他们只对平面问题进行分析并且没有柔轮空间弹性变形关系。K. Kondo和 J.Takada提出了利用定动瞬心线间的纯滚动来分析谐波传动中两种轮齿间的啮合运动，但是他们并没有考虑到齿间接触状态而只是应用了摩擦运动模型来分析。

（3）基于包络理论的解析法：将柔轮的弹性变形转化为共轭运动的一个组成部分，结合包络理论对共轭齿廓进行求解。为了能求解出共轭齿形，它需要将柔轮薄壁的输出端和轮齿间的啮合端运动关系非常精确地表示出来，但同时也可以得到相对精确的结果。特别地，在研究柔轮弹性变形对共轭运动影响时该方法比较实用。

（4）等速曲线法：定义传动比为刚、柔轮的等速曲线长度比，将啮合齿对的啮合过程看作柔轮轮齿和刚轮轮齿分别沿着各自的等速曲线以相等的速度运动，从而建立共轭方程，得到共轭齿形；

（5）幂级数法：沿用了研究锥齿轮啮合时的近似方法，将柔轮在空间上的变形问题转化为平面问题来解决，将齿廓曲线和共轭条件相应地用级数形式来进行表示和研究；

（6）数字仿真法：数字仿真法因为计算机快速发展现在已经非常地普及，特别地在采用前面几种方法并能取得有效的解析解以后，利用该方法就非常便捷。张青和等人釆用数字仿真法对谐波传动的轮齿啮合过程进行了研究，但是采用这种方法得到的结果是否满足实际情况，很大程度上受到使用者所建立模型的合理性以及是否满足实际要求等因素的影响。

上述的谐波齿轮传动啮合理论研究中的问题基本上可归结为两类:1）已知两轮齿形曲线的任一个，按已知的运动规律求预期共轭的齿形，实质是在考虑柔轮弹性变形的条件下，用古典的包络理论，求共轭齿形，由于谐波齿轮传动的共轭齿形一般不能用初等数学方法描述，故只能获得数值解。考虑到制造和检验方面的要求，用工艺上易于实现的齿形曲线取代共轭齿形，而又不至导致过大的误差，用数值逼近的方法来解决。2）给定两轮齿形曲线，按已知的运动规律求柔轮的变形曲线，称为谐波传动理论中的求逆问题。往往是给定一对工艺上易于实现的共轭齿形，反求柔轮的变形曲线。

实际设计中常常在给定柔轮变形曲线(柔轮在发生器作用下端面中性层的变形曲线)及两轮齿形的情况下，按已知的运动规律，对谐波齿轮传动的啮合参数和传动性能进行直接分析。由直接法确定的啮合参数虽然不能保证两轮齿形的严格共辘，但在工程上使用十分方便，对于一般应用也足够精确，因为此时可以采用工艺上易于获得的齿形，这种方法在相当程度上解决谐波齿轮传动的平面啮合问题，因而在工程设计中被广泛采用。

无论上述谐波传动啮合理论的那一类问题，哪一种研究方法，它们大都建立以下的基本

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假设条件：（1）柔轮轮齿在工作时刚度足够大，仅齿槽中部产生变形；（2）柔轮共轭发生弹性变形时，其各截面中性线长度不变；（3）没有考虑柔轮沿轴向的不同变形，将柔轮的径向啮合理论视为平面问题。这些假设在一定程序上简化柔轮复杂的变形问题，方便了谐波齿轮传动的研究，对于普通的谐波齿轮传动的精度足够。但是，对于高精度要求的谐波传动，在负载状态下的柔轮的畸变和空间性是不容忽视的。因此，只有正确分析谐波齿轮传动的运动学，找到精确的运动规律，才有可能求解出符合实际要求的齿轮共扼齿廓形状。

2.2 传动齿形的研究

（1）直线齿形

谐波齿轮传动创始人C.W.Musser所提出的谐波齿轮传动齿形为直线，他只考虑了柔轮中性层的径向位移从而没有注意到柔轮薄壁发生空间弹性变形时会伴随着出现周向位移和转角位移，因此他提出可以采用直线齿廓来实现谐波传动中的啮合过程。继他以后研究的学者在经过自己的分析和实验后证明了的简化是不合理的，同时采用图解法分析并提出以采用渐幵线廊来满足和实现柔轮与刚轮之间的啮合。

（2）渐开线齿形

最初提出用渐开线取代直线齿廓是基于两方面的考虑，第一当齿数很多时，渐开线齿形已接近直线齿形，而且以渐开线齿形取代直线齿形所产生的误差，对传动性能不会有本质的影响；第二渐开线齿形在工艺上易于加工。随着谐波齿轮传动运动学和啮合理论的逐步完善，渐开线齿形参数的研究也比较完善。渐开线齿形角主要有28.6°、30°和20°三种。28.6°齿形角是美国的Musser根据柔轮变形实验提出的，并用于双波谐波齿轮传动。采用28.6°齿形角不会产生齿廓重迭干涉，但必须使用专门的非标准的谐波齿轮刀具进行加工。30°齿形角是根据渐开线花键齿形角为30°而提出的，日本采用30°齿形角。采用30°齿形角也不会产生齿廓重迭干涉，但波发生器的径向载荷会增大，使传递转矩下降。20°齿形角由前苏联提出。采用20°齿形角的优点是可以沿用现行的各种标准的齿轮刀具进行加工，但极易产生齿廓重迭干涉，为此，须采用短齿和正变位来修正。渐开线齿在空载状态下同时参与啮合的轮齿只是有限的几对。在传递名义力矩时，同时啮合的齿对数虽然可以大大增加，但大多数齿均处于边缘啮合状态，这种边缘接触不利于齿间油膜的形成。为了改善轮齿接触状态，并且考虑柔轮变形的空间性、对渐开线齿廓进行合理的修形。为了解决渐开线齿形的齿顶干涉和边缘啮合的状态，Maiti教授提出波发生器凸轮形状采用两段圆弧两段椭圆弧的曲线，在长轴啮合弧段采用圆弧，在脱开啮合段采用椭圆曲线与圆弧相切的，圆弧的曲率中心与刚轮中心的距离为刚轮与柔轮的齿数差乘二分之一模数。这种方法使谐波齿轮传动渐开线齿廓啮合实现了理论啮合共扼，解决了齿顶干涉和边缘啮合的问题。但是，作者没有考虑到虽然波发生器的一段为圆弧，但对应柔轮中性线并非圆弧。

因此，从20世纪60年代开始，渐幵线齿廓在谐波传动领域得到了广泛的应用和发展，

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欧美等各发达国家普遍釆用渐开线齿形，这是因为在柔轮的齿数足够多的前提下，渐开线齿廓曲线基本可以等价为直线形式，更重要的是渐开线齿廓在实际加工工艺上具有相当明显的优势。所以在20世纪90年代以前，渐开线齿廓和修形的渐开线齿廓在谐波齿轮研究领域中得到了广泛的应用和推广，但是渐开线齿廓存在自身的缺点，如齿根部易疲劳断裂；轮齿接触应力大，啮合区间小；重载传动时尖点啮合柔轮易发生畸变，难以实现高刚度，并会引起啮合齿廓干涉或滑齿，影响整体承载能力等。这些缺点使得渐开线齿形无法满足伺服传动机构的设计要求，因此，齿形的研究逐渐成为谐波齿轮传动领域的热点。

目前，国内常采用的谐波减速器齿形仍为渐开线齿形，一般柔轮采用齿形角28°36'，刚轮采用齿形角29°12'，通过柔轮的变形来补偿齿形角的角度差。这种齿形比较方便加工，并且在使用的过程中不容易产生啮合干涉。然而当齿数过多、过小的时候，渐开线齿形就非常接近直线，这对于传动是非常不利的，尤其在载荷较大时，容易发生齿顶的干涉和齿根的应力集中现象。针对这些弊端，在不改变压力角的前提下，把参与啮合传动的接近齿顶部分齿廓用大曲率的圆弧代替，相应的齿根部分也用一段圆弧代替。

（3）圆弧齿形

20世纪70年代，E.Г.ГHH3sypr和B.H.Pomarnhx等人提出谐波齿轮传动采用圆弧齿形，如图2-1所示，柔轮齿形具有公切线式双圆弧齿廓，刚轮齿形由单圆弧齿廓与直线齿廓组合而成。圆弧齿形谐波齿轮传动中刚轮的凸圆弧齿廓与柔轮的凹圆弧齿廓相啮合，使得当量曲率半径有所增大，接触强度得到了提高。文献针对采用该齿形的谐波齿轮传动的运动特性进行了分析，通过工作过程中的同时啮合齿对数、理论啮合弧长以及啮合侧隙，从理论上论证了该齿形提高了谐波齿轮的传动精度以及柔轮的疲劳强度，具备良好的工作性能。但是该齿形存在的缺点是刚、柔轮齿廓并非严格共轭，致使轮齿啮合接触面积小，制造时需要的刀具数量多。

图2-1 前苏联提出的圆弧齿形

圆弧齿形由于具有较宽的齿槽从而相对渐开线齿廓在工作时产生应力集中的情况就比较少，与此同时因柔轮变形所产生的柔性补偿会形成有效的楔形侧隙，从而在啮合过程中比较容易形成油膜。其缺点是加工时只能使用特制的刀具导致制造成本较高从而不能得到广泛的应用。

由于日，美等国对于谐波齿轮传动设计和技术资料实行保密，因此无法获得有关圆弧谐波齿轮传动的详细资料。目前，我国的技术研究人员正致力于谐波齿轮传动啮合刚度，承载能力和传动寿命的圆弧齿廓谐波齿轮传动技术的研究，并且已经获得了前期理论研究成果。

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在我国，辛洪兵、陈晓霞、曾世强等人是较早开始对谐波齿轮传动采用圆弧齿廓的啮合特性进行研究的。辛洪兵指出由于圆弧齿轮无法通过变位加工，因此需在合理确定波发生器形式和柔轮径向变形系数的前提下进行圆弧齿形谐波传动的设计。基于此理论，辛洪兵设计了采用椭圆凸轮波发生器的双圆弧谐波齿轮传动，完成了双圆弧谐波齿轮滚齿刀、双圆弧谐波齿轮插齿刀和双圆弧谐波齿轮传动样机的制造加工。在此基础上，通过理论分析和实验证明了双圆弧齿廓“双共轭”的啮合优点对于柔轮强度、传动精度和扭转刚度有着明显的提高和改善。陈晓霞深入分析了啮合参数对双圆弧齿廓谐波传动的共轭区间、啮合侧隙的影响，通过啮合仿真对圆弧半径、压力角等齿形参数进行优化。

（4）S齿形

日本学者S.Ishikawa在19年提出了“S齿形”，如图2-2所示。这种齿形的核心技术是映射基准曲线，事实上它是柔轮齿顶上一点在参与共轭的过程中相对刚轮而形成的固有的运动轨迹曲线。这种新提出的齿形改善了传统齿形只有在负载情况下产生附加变形才能实现连续接触这一缺点，即使是空载也能实现连续的啮合运动，从而使啮合性能得到了提高，承载得到了较均匀的分布。研究数据表明，与渐开线齿相比S齿形在工作屮同时能参与齿合的总齿数明显得到了大幅增涨，与此同时柔轮的抗疲劳强度也有一定程度的提高，因为齿根圆角加大了，但扭转刚度也不可避免的有一定程度的增加。

图2-2 日本提出的Ｓ形齿形

1995年，Ishikawa和Yoshihide Kiyosa.wa在S齿形的基础上进行了改进。因为考虑到了柔轮薄壁变形的空间特性，这就使柔轮在波发生器长轴处的变形沿轴向线性缩小，所以他们改进以后的柔轮齿形是由直线和两段圆弧相连接而组成的，学术界将其称作双圆弧齿形。综合分析后发现它的工艺性比较好，而且可以近似地在啮合区连续接触，不需象渐开线齿形那样一定要在受载状态才能连续接触，且轮齿间的啮合侧隙分布比较均匀，因此可以提高传动精度。此后，又有许多学者针对＂S齿形＂，对消除干涉、增加啮入深度等方面做出了探讨，为该齿形的发展作了进一步的完善。

S齿形相比于传统齿形，在啮合特性、额定载荷等方面得到了改善和提高，它的出现是谐波齿轮传动啮合齿廓研究方面的一个重大突破。但是其不足之处在于发明者没有对运动规律进行彻底地分析，在求解齿形曲线时，用研究齿条的方法来研究两齿轮的啮合特性，使得这种齿形的应用受到了。虽然S齿形在理论基础上显得有些欠缺，需要应用专用刀具进

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行制造，相对成本提高，但仍是当今谐波传动最先进的技术，并己被欧、美、日谐波传动制造商所采用。日本著名的Harmonic Drive公司生产的CSF、CSD、SHF等型号的谐波齿轮减速器系列正是采用了该齿形，可提高机器人关节的扭转刚度，并已在机器人领域得到了应用。

（5）摆线齿形

日本学者K. Kond介绍了类似摆线针轮行星传动，柔轮齿廓曲线为摆线，刚轮圆周上安放滚针。韩国Kwang Seop Jeong， Dai Gil Lee在介绍了摆线型谐波传动，柔轮齿为摆线，刚轮齿为半圆形。柔轮齿用成形法加工，为了使柔轮在周向具有较大的扭转刚度，而在径向要求有较好的柔度，采用复合材料实现，提高谐波齿轮传动的动态性能开辟了一条新路。

（6）“P”型齿

苏州绿的谐波传动科技有限公司提出了“P”型齿，如图2-3所示，也已在工业机器人领域得到广泛地应用。相比于其它齿形，该齿形的特点是齿高较低，齿宽较大，即使啮合距离不深，啮合区间却较大。除此之外，该齿形的柔轮变形量较小，齿根弧度增大，可避免发生断裂失效，进而提高了柔轮的使用寿命。

图2-3 绿的公司提出的“P”型齿

2.3 柔轮疲劳强度的研究

谐波齿轮传动可能出现多种破坏和失效方式，最常见的是柔轮疲劳断裂。国内外许多专家学者在这方面作了大量研究，内容涉及承载变形、载荷分布、应力和强度分析等。

柔轮为薄壁圆筒，其齿圈部位为正交各向异性的薄壳。负载状态下壳体的应力应变非常复杂，几乎不能通过理论的计算获得精确的结果，目前只能通过实验测得。在谐波齿轮装置中，一般输入端也就是波发生器的转速较高，柔轮在其作用下产生的周期性的弹性变形使得柔轮反复弯曲，处于交变应力作用的状态下，容易产生疲劳损坏，故而谐波齿轮的寿命主要取决于柔轮的寿命。

在柔轮的变形及其应力、应变状态的研究上，目前主要有理式法、实验归纳法和计算机辅助模拟分析法等方法。为了使问题便于分析，其数学模型都需要基于一定的假定条件。理式法是将柔轮简化为光滑的圆柱壳体模型，根据弹性薄壳体的几何非线性理论进行分析并推导应力应变公式进行计算。由于数学模型存在很多假设，因此需要对结果进斤实验数值修正。这方面前苏联学者做了大量深入的研究，比较有代表性的如利用四力作用模型来模拟柔轮的变形形状，并利用这一结果，结合薄壳理论推导出了柔轮的应力分布状况。我国学者在这方面也做了大量工作，如李玉光、尤竹平研究了啮合时齿间载荷分布规律，为进一步

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分析柔轮应力作了准备。乐可锡等通过建立单力圆环叠加计算模型，得出了柔性轴承上载荷分布的一种算法。

实验的方法是研究柔轮的变形规律的一种准确方法，伊万诺夫作了系统的研究，他认为谐波传动属于有预应力的结构，传动装配时，由于波发生器的作用使得柔轮变形，产生了预载。这个预载是按照圆环模型求出圆环的变形，然后对变形力求解。由于间隙和载荷的非单值，求解是近似的。计算简图利用了实验得到的几个结论:1)啮入弧上，柔轮与波发生器的间隙在名义载荷一半情况下就己经消除；2)整个啮出弧上，柔轮与波发生器事实上是相分离的；3)在载荷下，消除啮入弧上间隙的同时，在波发生器长轴的左边形成了定半径弧，弧半径受刚轮半径的，定半径弧的大小随着载荷的增大而增大；4)与定半径弧相对应，啮合工作区将向波发生器长轴的另一边扩展。总的来说，他在研究柔轮的应力、位移时，确定载荷分布，建立计算简图的方法主要是建立在实验基础上，较为符合实际情况，但这种方法受到实验条件的。

若没有实验条件，也可用有限元法对柔轮的变形和应力应变进行分析与验证。用有限元法比理式法更加适合对柔轮的状态进行研究，国内外有很多学者都采用有限元法对柔轮的变形和应力应变进行分析。用有限元法进行研究可降低研巧周期、节省研究成本，近年来随着计算机技术的发展，作为数值分析方法研究领域内重大突破的有限元方法已经成为结构分析的一种非常有效的手段。例如崔博文在对载荷分布不作任何假定的情况下，应用有限元线性规划法计算出柔轮的变形形状，获得了齿间啮合力的分布规律。Han Su Jeon和Se Hoon Oh利用软件对传统钢制柔轮与钢和碳纤维或玻璃纤维制的混合结构柔轮作了比较，发现混合结构柔轮在应力分布、吸震能力和固有频率方面均优于钢制柔轮。付军锋将柔轮齿圈简化为等效圆环，分析了空载时柔轮的应力分布状况，并比较了不同波发生器对应力的影响。

有限元法研究柔轮的位移场分布有以下三个主要问题:1)确定柔轮的载荷分布；2)由于柔轮工作时已经将波发生器装入，波发生器对柔轮产生的影响决定着空载传动的应力和位移，对于负载传动属于预加的力，如何处理这一影响也是计算中的关键问题；3)柔轮的复杂形状和工作状态决定着它在计算时必须进行一定的简化，不适合实际的简化会影响计算精度，如何建立柔轮的计算模型是个要慎重考虑的问题。考虑到尽管柔轮在波发生器作用下的变形有两个对称面，但所受载荷不是轴对称的事实，对整个柔轮建立了模型，采用边界元来模拟波发生器的作用，克服了只采用两个集中力来模拟时所造成的较大误差。

运用有限元分析的最大问题是模型如何简化，目前大部分这方面的文献对谐波齿轮传动作了过多的简化，例如只分析了柔轮而忽略了装配体中刚轮的影响，将柔轮齿简化为等效圆环或者根据对称性只分析1/4各模型等。这些简化造成了结果的不精确。

目前在谐波齿轮传动领域仍然没有统一的柔轮强度计算方法。70年代，一些前苏联的研究人员基于柔轮弯曲疲劳破坏准则或柔轮齿面的磨损失效过程中，提出了众多的强度校核公式，并被应用于谐波齿轮传动装置的试验和研制过程中，这些理论无一例外的证明各自的有效性，对柔轮进行应力分析，找出了危险截面，得出封闭柔轮强度计算公式。其后，国内外

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研究者又采用有限元或边界元法对空载和承载用作下柔轮光滑壳体中的应力分布进行计算，所获得结论与前苏联的一些科学家的研究试验结果是相近的。受柔轮强度的，谐波齿轮传动大的单级传动比下限一般为80左右。为了进一步扩大谐波齿轮传动在工业减速器市场的份额，所要做的工作就是尽量降低谐波齿轮的单级传动比，因此日美等国非常重视谐波齿轮传动的发展问题。到80年代中期，日，美已经研制了单级传动比为50的钢制谐波齿轮传动装置，但是由于柔轮应力的急剧增加，是其承载能力比普通传动比范围内的谐波齿轮传动降低较多。

2.4传动精度的研究

谐波齿轮传动的运动机理和普通齿轮传动不同，它是靠柔轮的变形传递运动。山于它的运动特殊性，目前对谐波齿轮传动系统的传动误差还缺少准确的定义与精确的理式。谐波齿轮传动的多齿啮合传动特点决定了其传动精度高于普通的齿轮传动。而不同于普通齿轮传动的轮齿啮合及运动转换机理是造成谐波齿轮传动误差分析困难的主要原因。俄罗斯学者对谐波齿轮传动精度研究做了较多的研究，S.A.Shuwalov等提出的传动误差估计公式比较符合实际情况，并沿用至今。目前在分析传动误差时，主要是采用当量圆柱齿轮传动来简化谐波齿轮啮合区传动的情况，得到的传动误差估计值及误差频谱分析结果与实际情况基本相符。

在国外，Emel yanov研究了双波传动的谐波减速器，认为谐波齿轮传动误差的主要频率成分是波发生器输入频率的二倍，通过对误差来源进行数学分析，推导并建立了因设计误差、制造加工误差、装配误差引起的静态传动误差的数学模型。Nye和Kraml通过大量实验的观测和总结，把谐波传动的运动误差分为两类:规则的低频误差和不规则的高频误差。Hsia和Ramson从谐波结构的特殊性出发，认为谐波传动误差与其装配误差无关，主要的误差来自于柔轮的变形，尤其和柔轮在径向方向上的变形密切相关，而和法向变形基本无关。

在国内，王爱东分析了谐波传动误差源，并对运动误差和频谱进行分析，研究运动误差“拍频”现象和机理，得出了导致运动误差产生的主要因素是谐波齿轮装置的刚轮、柔轮和波发生器各部件的加工误差和装配误差；波发生器误差是通过影响柔轮径向变形进而导致啮合偏心来影响运动误差的；与普通齿轮传动不同，谐波齿轮传动的运动误差曲线呈现高频特性，频率相差很小的误差分量是出现“拍频”现象的原因。辛洪兵根据谐波齿轮传动的特点，提出了用于计算谐波齿轮传动理论啮合弧长的干涉控制模型，并对该模型下的二齿差和四齿差谐波传动分析得出了在相同加工精度、径向变形量、柔轮壁厚、传动比和分度圆直径条件下，四齿差谐波齿轮传动精度是二齿差传动精度的1.1倍以上的结论。

哈尔滨大学学者在辛洪兵的基础上，研究了考虑非线性因素的传动动态误差，通过拉格朗日方程建立谐波传动动态误差的动力学方程，分析了动态误差的稳定性，给出了误差的近似解析公式，并与数值解进行了对比，验证该近似解析式的正确性。

回差也是影响谐波齿轮传动精度的因素，国内也有针对回差的研究。西北工业大学学者

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认为谐波传动的回差主要表现为柔轮的弹性回差，运用系统弹性力学，推导出弹性回差公式，并通过ANSYS建模仿真进行了验证。

2.5 结构优化的研究

谐波齿轮传动的结构优化研究主要包括啮合参数的优化设计和结构参数的优化。其中，啮合参数的优化以提升共扼啮合区间和减小侧隙为目标；结构参数的优化则是在根据使用环境设计满足性能要求的新的谐波齿轮传动产品。机器人和航空航天领域的迅速发展要求谐波齿轮传动能够体积更小，质量更轻，这就使得谐波齿轮的结构优化研究成为现在的一个研究重点。

有文献以渐开线谐波传动的基本啮合参数为设计变量，获取最小侧隙为设计目标，通过柔轮的附加扭转角对侧隙减小量进行补偿，建立齿侧间隙的数学模型，并采用复合形法对其求解。

研制参数合理的结构、开发谐波齿轮传动新系列产品，也是当前研究热点之一。谐波齿轮传动已经有许多结构形式，适合于不同的场合。结构的多样性主要表现在柔轮和波发生器上。柔轮按其形状大致可分为圆柱形柔轮和钟形柔轮，圆柱形柔轮又可分为杯形柔轮、环形柔轮，其中杯形柔轮按输出方式可细分为整体式和端部采用螺钉与轴联接的方式；环形柔轮可细分为齿啮式联接、径向销联接和牙嵌式联接。其中用得最多的是采用螺钉与轴联接的杯形柔轮和齿啮式输出环形柔轮。

目前美国己开发的长径比约为0.5的CSF系列和0.2的CSD系列己产品化；日本开发的筒形柔轮长径比为0.5~0.8；俄罗斯试验研制的筒形柔轮长径比约为0.52，并已成功开发传动比为85~115的超短形的DP系列，其柔轮在额定载荷作用下可靠地工作500小时以上；国内开发的长径比约为0.710谐波齿轮传动设计较为复杂，常规的方法是在给定传动比、扭矩的情况下，采用类比或者事先选定好参数来获得其它参数，这种方法不易得到最优方案。特别是对关键部件柔轮的设计，参数选择不合理，将影响整个传动装置正常工作。王桥医将结构参数和啮合参数进行综合优化，避免单一参数优化带来的某种缺陷，缩短了结构尺寸，裸高了承载能力和传动效率。也有文献利用混合遗传算法解决了大体积的谐波齿轮在传统设计中的问题，以模数、壁厚、柔轮的长度及齿宽作为设计变量，以柔轮和其圆形样条曲线的体积之和最小作为设计目标，实现啮合参数和结构参数的综合优化。有文献建立了多目标优化模型，将啮合侧隙、啮入深度、柔轮疲劳应力等定义为目标函数，将每一个性能要求用线性加权法的权系数表示，利用可靠性较高的增广乘子法实现多目标的优化。

2.6材料及加工工艺性研究

谐波齿轮传动中零件的加工复杂程度不相同。由于谐波齿轮的模数非常小，波发生器的

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形状也颇为复杂，这就使得其轮齿的加工和波发生器的加工变得非常困难。目前，日、美等国均采用数控机床对波发生器进行加工。由于切齿的劳动量为制造零件总劳动量的70～80％，所以对柔轮和刚轮加工工艺的研究是这一领域的热点。我国学者在滚轧柔轮、刚轮齿形方面做了大量实验研究，以及在焊接柔轮，粘结柔轮及柔轮毛坯热成形方面做了大量地试验研究工作，取得了可喜的成果。新开发出的工艺中，柔轮轮齿有滚轧加工技术，刚轮轮齿有净成形加工方法等。也有学者提出“转化啮合再现法”的加工方法，是将柔轮处于空载装配情况下，在变形的状态下进行范成加工，可以消除干涉，缩短跑和时间等。同时，应对新齿形的特殊要求，也需要有新的加工工艺来保证新设计的齿形能够被加工出来，得以应用。我国燕山大学在滚轧柔轮和刚轮齿形、焊接柔轮、粘接柔轮及柔轮毛坯热强旋成形等方面做了大量的实验研究，取得了较大的进展。

谐波减速器主要零件常用材料：

柔轮： 30CrMnSi、35CrMnSiA、40CrNiMoA 刚轮： 45、40Cr 凸轮或偏心盘： 45

采用新材料来替代传统柔轮材料也是很有潜力的研究方向，如用具有高单位刚度、高比强度与优异阻尼性能的碳纤维环氧复合材料来制造柔轮。这种柔轮有足够的扭矩传递能力，且其抗扭刚度提高50%，在基本固有频率下的衰减能力提高100%。

3 主要公司及产品

3.1 日本哈默纳科公司（Harmonic Drive Systems Inc.）

目前全球只有3家公司可以大批量生产机器人谐波减速器，分别是德国Harmonic Drive AG公司，负责欧洲、中近东、非洲及南美地区的销售；美国的Harmonic Drive L.L.C负责北美地区的销售；全球其余市场由日本的Harmonic Drive Systems Inc.公司负责销售。其中美国哈默纳科已经完全被日本哈默纳科控股，而德国哈默纳科也被日本Harmonic Drive Systems Inc.控股30%。因此，国际主要的工业机器人谐波减速器几乎都掌握在日本Harmonic Drive Systems Inc.公司。其生产的Harmonic Drive谐波减速机，具有轻量小型、无齿轮间隙、高转矩容量等特点。

哈默纳科（上海）商贸有限公司成立于2011年1月，是日本Harmonic Drive Systems，Inc.在中国投资设立的全资销售子公司。

主要产品有高转矩型CSG系列谐波减速器、标准型CSF系列谐波减速器、超扁平和高负载容量型CSD系列谐波减速器、高转矩中空轴和输入轴型SHG系列谐波减速器、中空轴和输入轴型SHF系列谐波减速器、超扁平和中空型SHD系列谐波减速器、小型双轴型CSFsupermini

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系列谐波减速器、标准型CSG-GH/CSF-GH谐波减速器系列。

3.2 日本电产新宝公司（SHIMPO）

2003年，日本电产新宝公司在国内成立了日本电产新宝（浙江）有限公司，主要产品有减速器(谐波及RV)、冲床、计测器等。新宝减速器在2015年进入中国市场，2017年其中国市场月均出货量近3000台，RV减速器出货量较少。减速器产品生产主要在日本，国内尚无生产基地。目前其机器人减速器交货周期5个月左右。

新宝谐波减速器产品为日本原装进口，具体的创新技术及创新性没有向公开。从现阶段产品的性能自评及客户反馈来看，新宝谐波减速器处于向日本品牌HD不断追赶之中，比国内竞争对手略好，客户接受程度较高。

经过两年的市场竞争以及对产品性能的改良，同时在与实际客户使用中的配合下，新宝谐波减速器更贴近于客户的实际使用，并接受客户的定制化需求。新宝谐波减速器给客户带来了很多的便利，并实现对机器人运用的有效优化。在成本上，新宝谐波减速器对于HD和绿的竞争建议了良好的价格体系。交货上，新宝减速器正在不断改善产品，工厂也在不断的扩大产能，以满足国内厂家的需求。

目前，新宝谐波减速器的客户主要有钱江机器人、拓斯达、上海图灵，华数机器人、格力等。2018年4月9日，图灵机器人与新宝签订了1万台减速器协议，新宝表示在中国将优先给图灵机器人供货。由此，图灵机器人成为新宝在中国的第一位战略合作伙伴，也是第一家大批量使用新宝谐波减速器的公司。

3.3 苏州绿的谐波传动科技有限公司

国内从事谐波减速器的生产企业非常非常多，现在关于谐波减速器生产的企业有不少于40家。能够批量生产谐波减速器的企业在5家左右。绿的是国内公认的谐波减速器龙头企业，销售量是国内最多的，市场份额也是最高的，之后的几家企业都差不多。

苏州绿的谐波传动科技有限公司从2003年开始从事机器人用精密谐波减速器研发，拥有研发人员30余名，并拥有自己的研发中心，每年用于谐波传动的研发经费超过2000万；在谐波传动领域已拥有40多项国家专利；是GB/T30819-2014《机器人用谐波齿轮减速器》国家标准的主要编制起草方。2009年全新齿形研发成功后，开始着手推进产品的检测、评价。2010年，制造出满足工业机器人使用标准的精密谐波减速器；开始在国内、外多家机构进行检验、测试。2012年，各项测试基本完成，陆续有多家国际机器人生产商开始进行测试；公司尝试将绿的谐波减速器推向市场。2013年，相继推出十四个系列近百种谐波减速器，产品逐渐被市场认可，实现年3000台的产销量。2014年，绿的谐波减速器在3家国外主流机器人制造商的检测中完成了2万小时精度寿命测试。2016年绿的谐波销售精密谐波减速器超过

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6万台，在国内机器人谐波减速器市场的渗透率超过80%，市场占有率超过50%，已拥有较好的品牌知名度和口碑，产品得到国内、外市场的广泛认可。

目前，公司在硬件上已经投入6000多万人民币，其中设备投资5000万，厂房投资1000万。公司现有一支30余人的研发团队，每年投入的研发经费超过600万元。公司的精密谐波减速器目前已进入批量化生产阶段，目前年产能为3万台。根据当前市场需求，正在积极扩充产能。2014年公司出货10000多台。2014年谐波减速机销售收入3500万元。2016年绿的谐波销售精密谐波减速器超过6万台，2017年出货量同比增长近100%，货期近3个月。2017年绿的也开始布局谐波减速器新的生产基地，经过规划新工厂有望达到60万台的产能，加上老工厂20万台的产能，可形成80万台的产能。

绿的谐波减速器，在技术上跳出了传统上以willis定理为基础的渐开线齿轮设计理论，研发出全新的建立在接触摩擦学基础上的基于曲线（曲面）几何映射理论齿形设计理论，设计出非共轭的谐波啮合齿形，可以在大幅提高谐波减速器使用寿命的前提下，提高其扭矩承受能力。其发明的 “P型齿”，通过减小齿高、减小变形、增大齿宽、增大啮合比等措施，极大提高了柔轮寿命，将柔轮平均损耗率从70%下降到30%。运用“P型齿”生产的谐波减速器承载扭矩大幅提升，是国内同类产品二倍以上，极限载荷优于国外知名品牌；体积小，重量轻，体积是国内同类产品1/2以下；超长工作寿命，极限载荷寿命是国外知名品牌的4倍以上。可以获得超稳定的低频输出特性，对于有精密稳定和点位控制要求的焊接机器人具有重要意义。

目前，绿的谐波已经研发出17个系列，近千种谐波减速器产品，可满足6轴串联机器人、协同机器人、SCARA机器人、并联机器人，及摆臂机器人等全系列低负载、轻量型工业机器人的需求。

3.4 北京中技克美谐波传动股份有限公司

早在1961年，我国就已经组建了北京传动研究所对谐波传动进行研究，也取得了一些成就。后来以项目牵头人李克美为首的6名主要研究人员分别出来组建了以北京中技克美谐波传动有限公司、北京谐波传动技术所为代表的谐波传动公司，并先后研制了多种类型的谐波齿轮传动装置。

北京中技克美谐波传动股份有限公司成立于1994年12月9日，注册资金2500万元，位于首都机场西侧北京天竺空港工业区内，占地面积6511.7平方米，是国家科技部批准的“国家谐波传动技术研究推广中心”和 “谐波传动国家重点工业性试验基地”，是我国第一个专业从事谐波传动技术设计、开发、生产、销售、服务的高新技术实业公司。

中技克美于2017年7月挂牌新三板上市，成为第一家登陆资本市场的谐波减速器企业。2017年实现营收2042.76万元，同比增长2.32%；实现归母净利123.57万元。中技克美占有国内民用市场（除机器人产业）较高的市场份额和航天航空市场80%以上的市场份额。其谐

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波减速器的产能可达2万套，其中50%-60%运用于军工领域，此外国外销售占比为30%，主要销往美国、印度、东南亚、欧洲等地区。

中技克美于2015年开始涉足机器人行业，可以针对机器人的精度和需求量身定做减速器产品。随着航空航天领域及工业机器人领域对谐波传动减速器的采购需求不断增加，中技克美正计划扩大生产场地、建设新的生产线，以及提高生产自动化水平。

公司产品主要有以下十个标准系列：XB1单级谐波传动减速器、XB2内啮复波谐波传动减速器、XB3扁平式谐波传动减速器、XB6翻边谐波传动减速器、XBS6翻边谐波传动减速器、XBF相位调节器谐波传动减速器、XBFF相位调节器谐波传动减速器以及工业机器人常用的XBS谐波传动减速器、XBD谐波传动减速器、XBHS中空型谐波传动减速器，年产达五万台套。

3.5 北京谐波传动技术研究所

北京谐波传动技术研究所成立于1983年，具有长期的关于谐波齿轮传动技术的研发及为用户服务的丰富经验，是从事谐波传动及特种传动技术的研发销售的专业化企业。主要研发销售标准谐波减速器、谐波传动组件及按用户所需设计非标电机套装。经多年的研发实践及用户意见使用要求的总结，于1993年编写制定“谐波传动减速器国家标准”，其代号为GB/T14118-93。从1991年以来为满足印刷、包装机械开发出相位调节器，机床走刀机构用快、慢运动的减速器，力求把新设计、新工艺、新材料用于小速比（i>=40-50)谐波减速器，以满足对机械速度的要求，同时已经研发出速比在i>=100-20000大速比，以满足另一些机械的要求。

中国国内航天应用的谐波减速器主要来自于北京谐波研究所，该公司研制生产的谐波减速器已经被应用于神舟飞船以及“玉兔”号月球车等多型号空间飞行器。该公司在空间谐波减速器的研制和应用方面处于国内领先地位。

该公司产品代号：

XB1 & XBD系列 减速比:40—315 输出扭矩:2—4000N·m XB2系列 减速比:100—140000 输出扭矩:2—3800N·m XB3系列 减速比:40—315 输出扭矩:2—3500N·m

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3.6 浙江来福谐波传动股份有限公司

浙江来福谐波传动股份有限公司，成立于2013年11月，是一家高精密谐波减速器生产商。公司拥有30000平方米的标准厂房，有自己的研发中心，在谐波传动领域拥有多项国家发明专利和国家实用新型专利。开发生产的精密谐波减速器，具有高可靠性、高精度、高扭矩、高寿命、大速比、小体积等特性，应用于机器人、航空航天设备、数控机床、半导造设备、精密机械驱动控制等领域。

来福谐波于2016年11月获得数千万人民币天使轮融资，投资方为如山投资；2017年9月获得Pre－A轮融资，金额未透露，投资方为如山投资。2018年3月，来福谐波宣布完成近亿人民币A轮融资，由北极光创投领投，如山资本跟投。CEO张杰表示，本轮融资资金将主要用于扩大产能、市场推广等方面。

目前，来福谐波的减速器均价已经降到2000左右一套，与国外品牌相比较有较大优势。2018年，来福谐波的目标是实现50000套以上的发货量，业绩至少翻四倍，达到4000万元左右。

来福公司采用δ齿形谐波减速机，该齿型是根据谐波的啮合特点，运用特殊的数学工具，在双圆弧齿型的基础上，结合国内外其它产品的相关齿型设计而成的，它在原来的产品基础上提高寿命超过30%，转矩容量提升超过30%，运转平稳性和工作介质的工作状况均得到了显著体高。

4 国内产品现状与发展对策

4.1 减速机的市场现状

据调查，2015年中国谐波减速器市场规模10.17亿元，2016年中国谐波减速器市场规模11.90亿元，2017年中国谐波减速器市场规模16.56亿元。2015年中国谐波减速器需求量14.52万台，2016年中国谐波减速器需求量16.05万台，2017年中国谐波减速器需求量20.73万台。

目前应用于机器人领域的减速机主要有两种，一种是RV减速器，另一种是谐波减速器。在关节型机器人中，由于RV减速器具有更高的刚度和回转精度，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置，而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部。对于高精度机器人减速器，日本具备绝对领先优势，目前全球机器人行业75%的精密减速机被日本的Nabtesco和HarmonicDrive两家垄断。其中HarmonicDrive在工业机器人关节领域拥有15%的市场占有率。Harmonic Drive（HD）产品在国内售价往往高达5000元以上，且交货周期长达10个月，极大制约了下游机器人本体厂商生产及服务。因此，国产替代的需求也日益强烈，

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国产机器人企业也在奋力追赶中，涌现出了像绿的谐波、北京中技克美、北京谐波传动、浙江来福谐波等企业，其中，绿的谐波的谐波减速机在国内机器人谐波减速机市场的渗透率超过80%，市场占有率超过50%。另一方面，国内此前也有一些厂商从事谐波减速器的研发，但在产品精度、价格、量产方面一直无法达到工业机器人商用的程度，直到近年来随着国产机器人关键零部件的发展，这种局面才有所改变。目前这个迅猛增长的市场一直处于供不应求阶段。

近年来，国产谐波减速机纷纷涌现出新的品牌，见下表。

目前，国内生产谐波减速机的厂家有40余家，2017年国内减速器出货前十名见下表：

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谐波减速器5强（GGII调研，2017年） NO.1、哈默纳科

哈默纳科成立于1970年，拥有40多年谐波传动研究经验，是全球最大的谐波减速器生产商，和纳博特斯克并称为机器人精密减速器的两大巨头。2011年1月投资成立全资子公司哈默纳科(上海)商贸有限公司。

2017年哈默纳科谐波减速器国内出货量增长近80%，在中国市场的交货期约为4个月。 NO.2、苏州绿的谐波传动科技有限公司

苏州绿的成立于2011年，公司拥有研发人员30余名，在谐波传动领域已拥有多项国家专利，是《机器人用谐波齿轮减速器》国家标准的主要编制起草方。

苏州绿的标准减速器产品有6大系列，共100多个型号。2017年苏州绿的减速器出货量同比增长近100%。绿的拥有价格、货期、售后服务等优势，在中国市场上，苏州绿的谐波减速器已对外资厂商造成一定的压力。

NO.3、日本电产新宝(浙江)有限公司

新宝成立于2003年，主要产品有减速器(谐波及RV)、冲床、计测器等。

新宝减速器在2015年进入中国市场，2017年其中国市场月均出货量近3000台，RV减速器出货量较少。减速器产品生产主要在日本，国内尚无生产基地。目前其机器人减速器交货周期5个月左右。

NO.4、浙江来福谐波传动股份有限公司

来福谐波是一家从事高精密谐波减速器的专业化公司，拥有自主研发中心，在谐波传动领域，拥有多项技术专利。

来福谐波δ齿形谐波减速机具有噪音小、精度高、运转平稳性好等特点，在机器人领域得到广泛应用。2017年营收预计超2000万元，谐波减速器产品出货量近1万台。

NO.5、北京中技克美谐波传动有限责任公司

中技克美从事谐波传动减速器的研发、生产与销售，于2017年7月挂牌新三板上市，成为第一家登陆资本市场的谐波减速器企业。

中技克美有近10个标准系列谐波减速器产品，包括XB1/2/3/6、XBF、XBFF、XBS、XBD、XBHS等，产能近2万台。2016年企业营收2000万元，预计2017年营收有望增长30%。

4.2 噪音、寿命与可靠性

尽管减速器需求强劲，但是由于国内减速器在精度和寿命上跟日本、美国和欧洲等先进国家的产品存在较大的差距，用来福谐波董事长张杰的话来说，Harmonica的产品如果是100分，那么国产产品大概只有60分，刚刚能达到国内客户的需求。但要想取代国外的产品，

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这明显还不够，至少要达到70分、80分。主要有下面两方面的原因。一是精度，虽然性能指标在短期内能达到要求，但由于质量控制和工艺的问题，很容易磨损，时间一长，性能指标就会出现比较大的偏差。二是寿命，曾经有网友表示，试用过国产的减速器产品，但是噪声和发热量明显偏高，这就意味着其中的一些齿轮啮合不良，有超额摩擦磨损，有内部应力，可以预见减速器的机械寿命不会很长。“寿命”掣肘一直是目前国内很多机器人厂家和系统集成商对国产谐波减速器望之却步的技术瓶颈。机器人减速器的寿命主要有两个层面的意义，一个就是将减速器用坏的一个实际寿命，另一个则指的是精度寿命，即谐波减速器连续工作多少个小时后，在精度上会出现误差。国际上对谐波减速器合格的检测标准是工作6000个小时才算合格。

来福：“基本上国产的同类别的谐波减速机在性能上差别不是很大，但是对标哈默纳科的减速机，国产产品在噪音、寿命及温升等方面存在一定差距，需要我们群策群力，静心改善。”

国产谐波减速机由于对生产工艺、检测工艺、材料选型与配置等方面未能像日本产品一样，历经数十年的研究与测试，因而在满负荷生产时容易产生噪音、漏油、温升过快以及磨损寿命等不达标。

目前，解决这些问题主要在于企业投入更大的研发和生产成本，好在国产企业基本意识到问题的存在，并针对性的解决。如噪音多是齿形问题，漏油则是密封圈问题，而温升是摩擦问题，选配解决。至于寿命，短时间内没有捷径可走，唯有通过千万次的实验和改善。

按照机器人在工厂每天工作16小时来算，国内的谐波减速器精度寿命很难达到2年。因为2年的使用时间1万多的使用时长，谐波减速器多多少少会出现磨损现象。这也是国产减速器厂家一直在努力攻克的问题，攻克谐波减速器的寿命问题，这也是日本harmonic drive公司一直在研究问题。

事实上，虽然国产谐波减速器在性能上也能够满足基本需求，但是目前精度、寿命、可靠性与国外相比较还有较大的差距，其中可靠性问题尤为突出，有部分企业表示，在使用一段时间后，国产谐波减速器的运动稳定性和可靠性表现确实不如国外同类产品，这是不可忽视的“短板”。

谐波减速机性能指标主要为寿命、精度、噪音，寿命主要体现在材料和加工处理上，精度和噪音则体现在齿形和波发生器的结构设计上，但目前国内的生产厂家大多满足不了高端机器人的使用要求，再加上国外企业对谐波减速机的技术保密和误导导致很多国内企业走向了技术误区，花很大的资金和精力的去研究齿形，导致精度提高则噪音非常大，噪音降低则精度提升不了

4.3 齿形

实际上，寿命和噪音很大程度上取决于取决于齿形的设计。

在微型谐波传动领域，哈默纳科于2005年向市场推出了“P”齿形，目前开发出了MHD8

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和MHD10两个系列的产品，外径最小为8mm，采用行星齿轮传动式波发生器，传动比为160、500和1000，质量最小为2.2g，重复精度可达10弧秒。

在谐波齿轮传动中采用双圆弧齿廓，可以有效改善柔轮齿根的应力状况和传动啮合质量，提高承载能力、扭转刚度和柔轮疲劳寿命，并可降低最小传动比。哈默纳科的IH齿形是基于余弦凸轮波发生器开发的双圆弧齿形，由于采用近似方法设计，应用初期出现了齿廓干涉等问题，但是到1990年代初期已经基本完善。目前，哈默纳科的谐波产品有十几个类型，二十多个系列，最小传动比为30，型号中带有字母“S”的，其齿形为双圆弧齿形，产品垄断了主要国际市场。

在齿形的设计上面，绿的谐波跳出了传统以 Willis 定理为基础的渐开线齿轮设计，应用全新的齿形设计理论，设计出非共轭的谐波啮合齿形，可以在大幅提高谐波减速机使用寿命的前提下，提高其输出效率和扭矩承受能力。与国外同类产品齿形比较，全新的谐波啮合齿形“P 型齿”克服了以往谐波啮合齿形的缺点，通过一系列创新性的改进措施，能极大提高柔轮的使用寿命。

而浙江来福谐波谐波减速机采用的是δ齿形，该齿形是根据谐波的啮合传动特点，运用特殊的数学工具，在双圆弧齿形的基础上，结合国内外其它产品的相关齿形设计而成的。它具有接触应力小、寿命长、啮合性能好、噪音低、工作平稳的特点。同时，根据特定的工作要求，可很方便地设计出具有针对性应用的齿形。

4.4 材料与制造工艺

材料和制造工艺是影响谐波减速机性能和寿命的另外一个重要因素，尤其是柔轮的成型工艺，是整个谐波减速器的中技术难点最大的，也是很多企业攥在手上的技术机密；而柔轮和刚轮的材料、材质和热处理是也是减速机需要突破的技术难关。

国外的减速机已经实现了材料轻量化，他们采用的新材料是三种金属材料合金的，很难分析出来。日本哈默纳科谐波减速机在柔轮材料上使用疲劳强度大的特殊钢，与普通的传动装置不同，同时啮合的齿数占总齿数的约30%，而且是面接触，因此使得每个齿轮所承受的压力变小，可获得很高的转矩容量。其超短杯型号CSD和SHD，柔轮长度仅有常规谐波传动柔轮的1/3，既增加传动刚度，又大幅度减轻了谐波减速器重量。此外，哈默纳科采用铝等轻合金材料制造波发生器与减速器壳体等方式，减薄刚轮外缘以及改进连接结构等形式，使整机重量大幅度减轻，其轻量化谐波传动产品系列在航空航天和机器人领域的应用日益广泛。国产减速机用的钢的减速机，即使打孔也不会在重量上有所太大的改变。

不仅仅是材料，外国的减速器厂家把传动效率，负载试验，损耗等等都有详细的试验数据作为研发基础，这个从日本hd公司的样册就可以看出他们的研发实力和技术积累，这个是我们国产减速器厂家需要时间才能积累出来的，不是简简单单投资设备就可以做出来了的。精度、材料、技术上虽然与国外的减速机相比存在差异。

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北京裕智精密机械有限公司队自称根据谐波减速机的原理综合研究，在寿命上通过在钢厂定制特殊材料，再经过最少7道加工处理步骤，完全可以和国外企业抗衡，在精度和噪音上在齿形改进的基础上，重点研究了整体的结构设计，噪音和精度都有很大程度的提高，完全可以替代国外产品进入高端的市场，处于国内领先位置。

谐波减速器研发制造属于典型高精密的制造业，零件精度及结构设计将影响减速器的最高转速、极限负载等参数，而精度提升又十分依赖于生产设备的质量，量产则依赖于生产产线的数量，这些就意味着巨大的前期投入。以生产设备为例，一台国产设备售价大约在20万左右，精度可以做到20微米，瑞士的生产设备精度最高，精度可以达到1微米以内，但售价在千万元以上，提升精度需要付出的代价十分高昂；一般来说，增加一条中等精度的中端产线，投入也要在上千万，且进口设备的采购交付周期普遍在10个月以上，最久的长达15个月。因此，减速器企业扩产需要高额的研发投入和设备投入，所以固定成本就不低。国内谐波减速器的需求量年需求单型号上1000台的客户就已经属于非常有量的客户了。但是日本HD（哈默纳科）公司的大订单都是单型号上万台。所以HD（哈默纳科）公司的成本将会远远低于我们。另外由于国内市场环境导致，未来谐波减速器的竞争将会越来越激烈。

显而易见需要大批量规模化生产需要巨大的设备投资，但是仅仅设备投资是不足以满足谐波的量产需求的，还需要高超的技术工艺辅助。虽然谐波减速器在国内已经经历了数十年的发展，但是对于谐波减速器的量产工艺研发近几年才开始发展。

4.5 规模化

对于国内的核心零部件企业来说，不管是谐波减速器制造企业还是，配套的谐波减速器轴承和其它零部件企业，实现规模化是企业降低生产成本的重要途径。事实上，只有将销量提升，才能实现盈利，“国外的减速机企业产能扩张有限，因此，面对突然增长的市场状况，他们往往心有余而力不足。”一位业内人士指出。对于国产减速器企业来说，设备的前期投入很大，之后如果销量上不去，产品积压，不仅收不回成本，还会因设备闲置而带来更大损失。

谐波减速器的国产化并不意味着我们要生产出和国外一模一样的东西来，我们要尽量接近国际的水平，但是不能完全按照国外的产品来，因为国外的产品不一定就是适合国内的场合应用。事实上，针对中国市场的特殊性，国产谐波减速器企业完全可以创造出更“接地气”的适应性产品。

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