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盟英科技 慢一點,諧波減速機更有力

堅持到底的競爭力 深耕工業基礎技術 - 系列文章18
2019-12-10
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盟英科技 慢一點,諧波減速機更有力
(圖說: 盟英科技正利用關鍵的諧波減速機,為機械產業提供最有力的支持,協助智慧製造與應用的實現)
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運用在地研發的技術,因應全球產業的需求,盟英科技正利用關鍵的諧波減速機,為機械產業提供最有力的支持,協助智慧製造與應用的實現。

工業4.0帶起的生產智慧化浪潮,使得全球製造業莫不朝智慧機械、自動化設備、機器人等科技運用方向發展,並結合資通訊技術,達成智慧製造的境界;簡單的說,就是經由各種軟硬體整合,實踐智慧製造的創新應用。

譬如,在工業用機器人中,馬達、控制器、驅動器、感測器缺一不可,還需要搭配適當軟體來控制,讓其生產製造過程更有效率、品質更好,因此連帶著驅動智慧製造的需求和產值連年成長。

對臺灣來說,不論是生產製造的技術、資訊科技的創新應用,向來是產業優勢;可是在聚集多種軟硬體的機械設備當中,充滿著許多專業特殊的機構或零組件,譬如高精密的「諧波減速機」,就是機械傳動的重要零組件,卻也是臺灣工業較為缺乏的技術能力。

由於諧波減速器影響產業發展甚鉅,所以技術自主及國產化更顯重要,唯有如此,臺灣才能掌握關鍵技術,並在產業供應鏈中立於不敗之地。

而2018年10月正式成立的盟英科技公司,就是直指「諧波減速機」的技術及產品而創辦,以期能成為高精密減速機的專業製造者。盟英科技公司製造的高精密「諧波減速機」,就是機械傳動的重要零組件,補足臺灣工業較為缺乏的技術能力。圖說:盟英科技公司製造的高精密「諧波減速機」,就是機械傳動的重要零組件,補足臺灣工業較為缺乏的技術能力。(圖說:盟英科技公司製造的高精密「諧波減速機」,就是機械傳動的重要零組件,補足臺灣工業較為缺乏的技術能力。)

諧波減速機結構簡單、效用極大

所謂的諧波減速機,是一種靠波產生器,使柔性齒輪產生可控彈性變形,並與剛性齒輪相齧合來傳遞力量的減速結構。

目前,用於機械設備或機器人的減速機,可分為體積較大、適合荷重大或固定位置使用的擺線式減速機(Cycloid Drive),又稱為RV減速機(Rotary Vector Reducers,即轉動向量減速機)。

另一種則是體積較小、重量較輕的「諧波減速機」(Harmonic Drive),適合用於荷重較小或需要移動的機械設備;譬如:機器手臂的關節部位,或是協作機器人、服務型機器人、SCARA(水平多關節機器人)等,在機構空間有限、無法承受太大重量,就必須採用諧波減速機。

從結構來看,諧波減速機是由三個組件組裝而成。首先是固定於機器設備上、帶有內齒圈的剛輪。其次是帶有外齒圈、材料具有彈性的柔輪(或稱為柔杯)。而與馬達連接、由軸承和橢圓凸輪組成的是波產生器。

當柔輪套入波產生器後,就會同樣形成橢圓形,在馬達啟動旋轉時,帶動柔輪的外齒與剛輪的內齒不斷地旋轉嚙合,也就是透過馬達輸入動力,並從另一面的柔輪輸出。不過,當馬達在運轉時,是需要經由高轉速來產生扭力,才能帶動機構的運轉,尤其在機械手臂這類的機構上,無法裝置過大的馬達,就更需要提高轉速來產生能量。

可是相對在輸出端,也就是機構的實際運轉時,並不需要像馬達般動輒數千轉以上的轉速,反而是要在低轉速時還能維持高扭力,才能讓機械設備在適當的移動速度下,仍可具備足夠的力量來完成舉起重物等工作。

研發過程不易,精密度要求高

諧波減速機的奧妙處,在於內圈柔輪上的齒數要比外圈的剛輪少(通常會少2齒),這也是柔輪需要彈性,並呈現橢圓形的主因。

此外,當馬達帶動波產生器和柔輪旋轉時,與剛輪嚙合的位置會不斷改變。譬如:剛輪有102齒,但柔輪僅有100齒時,馬達帶動波產生器每轉一圈,實際上柔輪反而會後退2齒;換言之,當馬達轉了50圈,柔輪就會反方向轉1圈,此時的減速比就是50(50:1)。這也就是藉由諧波減速機的特殊設計,來達到降低輸出轉速的「減速」目的。

從諧波減速機的運作原理來看,每個部件的精密度都是關鍵,目前技術上都已進入微米(Micrometer)等級,才能避免在正常運轉時出現問題。若齒輪精度不夠,造成接合不好,就容易發生齒輪位移,或是因不正常的磨耗而崩裂,甚至影響機械設備運作的精準度。

在精密度的要求下,各部件製造難度也相對增加,特別是運轉速度快,又持續變形的柔輪,就必須要相當耐用。以目前市售高階諧波減速機,至少都需要七千小時以上的使用壽命。

結合技術與經驗,與工研院互補合作

多年來,許多國內外研發單位投入諧波減速機的研發工作,卻始終無法解決精度與壽命問題。而工研院機械所針對這些問題,譬如:齒型設計、零件組裝、加工方法,以及應用的力矩變化上,進行深入研究,歷經長時間的測試與驗證,才找到關鍵點與技術創新。

盟英科技總經理陳士端,過去曾服務於工研院機械所,並從工研院spin off(衍生)成立新公司,開發齒輪刀具及相關設備,協助臺灣齒輪業者升級轉型。

自原公司轉換跑道後,陳士端便與工研院機械所合作,運用其自主研發的核心技術,建構國內諧波減速機的技術優勢與生產能量,幫助臺灣機械廠商能取得更優質的產品,掌握智慧製造的龐大商機。

談起與工研院機械所的合作,陳士端表示:「機械所多年來累積許多諧波減速機的研發經驗與數據,對於技術提升上有極大助益。」此外,陳士端自己是研發出身,又有技術市場化的實戰經驗,與研究單位並沒有太大的溝通磨合問題,反而能在互補狀況下,提供客戶更完整的解決方案。盟英科技總經理陳士端與工研院機械所合作,運用其自主研發的核心技術,建構國內諧波減速機的技術優勢與生產能量(圖說:盟英科技總經理陳士端與工研院機械所合作,運用其自主研發的核心技術,建構國內諧波減速機的技術優勢與生產能量。 )

掌握自動化設備核心零件,即能掌握商機

為什麼諧波減速器對機械產業來說如此重要?

基本上,諧波減速器是自動化設備或機器人中的必要零組件,從成本來說,減速器占機器人產業的成本構成大約在35%左右。以六軸工業機器人為例,需要六台諧波減速機,如果以每台要價五萬元計算,也就等於占去三十萬元的成本。

因此,對於生產組裝機械設備的廠商而言,如果無法獲得品質佳且價格較低的諧波減速機,在生產製造及銷售經營上就會相當辛苦,甚至還會擴大影響至機械產業的發展與成長。

根據工研院於2018年的調查報告顯示,目前全球高精度工業機器人的減速器,以諧波減速機的市占比來看,2017年日本廠商的全球市占率約為60%,每個月出貨量約有7萬2千台,並在全球需求增加之下,持續擴產中。

反觀,臺灣廠商在諧波減速機的全球市場,不論是技術、產品品質、生產供貨能力,都遠不及日本廠商,若想掌握未來機器人或自動化設備的產業商機,甚至應用在自駕車 、工具機、國防航太等其他產業,就必須慎重考量諧波減速機的成本與來源問題。

這也正是盟英科技選擇投入開發生產諧波減速機的主因-建立自主研發的高階諧波減速機能量,為臺灣廠商及全球市場,提供更具性價比、有競爭力的產品。

以創新技術為基礎,帶動產業升級

對盟英科技來說,研發諧波減速機的優勢,是以工研院機械所的技術為基礎,運用現代化資訊科技,從材料選擇與產品設計開始,就透過電腦精密的模擬分析,找出最具高精度、高強度的設計與製程,同時也建立技術和產品的獨特性。

譬如:柔輪在運轉變形過程中,材料受力與變化狀況;或是不同結構部位的疲勞分析、震動分析等,這些數據與變化,都在工研院機械所與盟英科技的合作下,被詳細地記錄下來並進行分析,不像某些缺少基礎技術支援的業者,只是經由模仿,或以逆向工程解析大廠產品,在技術根基上,自然難以望其項背。

雖然盟英科技成立時間並不長,但其諧波減速機產品已從原先的技術開發與移轉階段,進入到製程驗證與組裝測試,並規劃設置年產能10萬台的諧波減速機工廠,讓臺灣有機會成為未來另一個高階諧波減速機的生產重鎮。

此外,也將透過垂直整合及合作,朝向諧波減速機機電整合、全自動化及客製化等服務目標,提供客戶最完整的解決方案。

陳士端認為,在資源有限之下,臺灣應該以諧波減速機這類的關鍵零組件或設備為主軸,透過基礎技術研發與突破,做為產業提升發展的方向,而非和大國或大廠爭搶紅海市場,這樣才能讓臺灣在全球市場中發揮關鍵力量,並促進產業發展。盟英科技規劃設置年產能10萬台的諧波減速機工廠,讓臺灣有機會成為未來另一個高階諧波減速機的生產重鎮(圖說:盟英科技規劃設置年產能10萬台的諧波減速機工廠,讓臺灣有機會成為未來另一個高階諧波減速機的生產重鎮。)

諧波減速機簡介
定義:是一種靠波產生器使柔性齒輪產生可控彈性變形,並與剛性齒輪相齧合來傳遞力量的減速結構,主要是由剛輪、柔輪和波產生器組成
特色:高精度、高減速比、扭力大、體積小、重量輕、容易組裝、運作安靜
影響:讓生產組裝機器人與精密機械設備的廠商,得以獲得品質佳且價格較低的諧波減速機,降低製造成本,提升市場競爭力
市場成就:運用現代化資訊科技,透過電腦精密的模擬分析,找出最具高精度、高強度的設計與製程,並依此選擇材料、設計產品
研發困境:柔輪在運轉變形過程中,材料受力與變化狀況不一,需要經過精密模擬與分析,找出最適合的材料與產品設計

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