產業技術評析

一、工業機器人用減速機市場分析
 

2017年全球新裝置38萬台工業機器人。汽車業繼續引領全球對工業機器人的需求，2017年該產業新裝置機器人約12.5萬台，成長21%。區域方面，亞洲是最大的市場，2017年中國安裝了約13.8萬台工業機器人，其後依次是韓國約4萬台，日本約3.8萬台。中國2017年新裝置了13.8萬台機器人，超過全年全球總銷量三分之一，與2016年相比增長58%。中國大陸和其他亞洲國家利用工業機器人進行產業自動化的步調不斷加速，也直接帶動了機器人減速機的市場成長。
 

在已量產的伺服馬達產品的輸出規格無法符合機械手臂的需求時，減速機就是改變伺服馬達的出力(輸出扭力的比例修正)、轉速(旋轉速度的比例修正)、運動方向(90度轉向)、可控精度(利用減速比放大或縮小旋轉角度)的裝置。減速機對於工業機器人的性能影響甚大，尤其是在高精度要求的機械手臂當中，它主要提供三個性能，(1)增大扭矩：減速機能在機械手臂整體空間大小有限的情形下，將馬達出力的扭矩增倍。(2)增加解析度：有效地把負載所能移動的最小位移變得更小，增加解析精度。(3)增強馬達承受負載慣量的能力：馬達與負載間恰當的慣量比值可增強系統的性能及穩定性，並使得動力損耗達到最小。理論上，任何產生接觸的運動都會產生能量損耗，所以馬達加裝減速機之後，輸出效率都會有若干程度的衰減，而且經過多級的減速或較大減速比的減速後，馬達輸出功率的損耗都會逐漸的增加。理想上，減速機的傳動效率是100%，但是實際上其配合齒輪運動時會有磨擦的損失、潤滑油的熱損失、軸承運轉本身的磨擦損失。此外，對於非製造業的機器人，例如復健用的服務型機器人和行動輔助外骨骼機器人，對於減速機的需求也逐漸擴大。
 

二、工業機器人減速機全球領導廠商
 

高精度工業機器人中的減速機，主要有二種類型(1)擺線式(針輪)減速機；(2)諧波式減速機。擺線式減速機代表廠商為日本Nabtesco的RV減速機(Rotor Vector)，諧波減速機的代表廠商為日本Harmonic Drive System公司。目前全球多軸工業用機械手臂裏的減速機，日本Nabtesco公司的RV減速機和Harmonic Drive System公司的產品就佔了6成。
 

資料來源：日本富士經濟、ITIS研究團隊 (2018年/8月)
 

資料來源：日本富士經濟、ITIS研究團隊 (2018年/8月)
 

目前全球已超過500萬組由日本Nabtesco公司製造的精密減速機及伺服傳動裝置產品，全球市占率超過60%。RV精密減速機多應用在工業機器人的手臂關節上，以完成精密的動作程序，同時其也有支撐機器人力量強度的功能，其高剛性及高減速比的特性目前被普遍的應用在六軸垂直關節機器人的前三軸。另外在自動化設備的使用上，該公司強調它的精密減速機具有<1arcmin(精度單位，弧分/分鐘，俗稱背隙1分以下）的高精度、高效率(80%以上)、高剛性、體積小、質量輕、減速比的範圍大（30~300）以及壽命長(7000小時)等特點。應用領域除了工業機器人外，尚可用在半導體生產設備、精密器械、工具機(刀庫、刀塔、CNC車床、綜合切削加工機)、精密雷達驅動控制設備、太陽能設備等要求空間小，減速比大的精密傳動裝置上；這些應用領域貢獻了這家公司每年2000億日元的營收。
 

RV減速機自從於1986問世以來，已廣泛的應用在重負荷型及高精度要求的機器人產品上，目前主流的高精度擺線式減速機還有日本的住友重機械工業公司。日本，歐洲和美國的工業機器人製造商已全面啟動中國生產，從成本的角度來看，主要的日本減速機製造商也開始在中國進行本地生產。
 

積極投資機器人精密馬達的日本電產(Nidec)旗下公司Nidec-Shimpo，與中國大陸蘇州綠的諧波(Leaderdrive)、浙江來福，投入諧波式減速機的製造。在RV減速機的專利到期後，中國大陸本土廠商也極力發展，如瀋陽新松、南通振康、上海機電、浙江恆豐泰，重慶大學機械傳動國家重點實驗室、天津減速機廠、秦川機床廠等。
 

目前全世界可以製造出諧波式齒輪的廠商，較受信賴的是日本Harmonic Drive System公司， Harmonic Drive System公司是一家以生產小型高精度減速機著名製造商，其減速機主要應用在小荷重的工業機器人上，在工業機器人市場應用占比約近80%，其減速機名為Harmonic Drive；AccuDrive為其專利名稱。Harmonic Drive的優點為傳動比大、嚙合的齒數多、傳動精度高、效率高、可在真空中運動，重量輕、轉運平順。在六軸垂直關節機器人應用中主要為輕負載的腕關節部位或者是小型機器人，其應用金屬彈性力學的理論，由波產生器(Wave Generator)、柔輪(Flex Spline)、剛輪(Circular Spline)三個基本零組件構成。
 

三、國產化減速機產品逐漸問世
 

工業機器人用的減速機發展趨勢為高範圍的減速比、體積變小、高承載力、高效率和長使用壽命。臺灣廠商要能掌握減速機製造的能力才能在工業機器人的產業發展中佔有一席之地，而自主開發的減速機產品其穩定度及可靠度也必須接受市場考驗。國內的減速機製造公司中尚無大量供應給多軸旋轉關節型的機器人應用，主要原因是多軸旋轉關節型機器人屬於高精度機械設備，而行星式減速機的特點是背隙大且精度有限，因而無法應用在精度要求非常高的多關節工業用機器人。

由於垂直型六軸機械手臂的結構型態，齒輪背隙的誤差會累積，所以行星式減速機組合而成的六軸機器人要達成0.1mm以下的定位精度有極高的難度，行星式減速機的製造是臺灣公司的強項，且不論是製造或是從事貿易代理均有多家公司。新一代的多軸工業機器人，位置精度要求逐漸朝精度0.1mm以下發展(瑞士Staubli公司的機械手臂定位精度已普遍達到0.03mm)。

值得注意的是，諧波式型態的減速機在六軸機械手臂中屬於關鍵零組件，臺灣目前正在誕生此類型減速機的製造公司，他們逐漸掌握機器人減速機量產的技術，以滿足穩定精準移動的需求。上銀科技公司投入諧波式減速機的研發，已可達量產的階段，將可望成功降低工業機器人所需的成本，提升產品競爭力。此外還有鼎縊、利茗、晶傑、兆逸、齊富、翔暐、世協等公司已完成開發。

在機械軸承方面已具有能量的公司，例如東培工業公司，其與工研院合作開發的諧波式減速機的，亦受關注。東培公司的諧波式減速機(TD)產品，目前以低於日本Harmonic Drive System 公司40%的售價做為市場競爭的武器。TD減速機應用在12kg以下的機器人，正朝向通過15000小時的測試為目標。據分析，TD的3大優勢為軸承、材料、設計。特別是東培公司本身已掌握多年的軸承技術，加上掌握高端金屬材料的來源，這家公司未來在諧波式減速機的量產問世備受關注。
 

台灣精銳公司(APEX DYNAMICS)的行星式減速機產品早已行銷全球具有國際水準，台達電子使用該公司的行星式減速機為SCARA機器人的零組件。
 

四、產業發展趨勢
 

零組件的完整關係到供應鏈的健全，供應鏈的健全與否直接顯示出這個國家的這個產業是否強盛；想要生產高精度的諧波式減速機並不容易，一方面因為技術投資的資本相對高，另一方面是重要的關鍵材料取得不易、專利多、技術複雜度高、精密度長久維持等問題，再加上必須要大量生產才可降低成本與提升產業能見度。日本是工業用機器人減速機製造的強國，長年下來，除了本國機器人相當的市場支撐外，加上歐美國家主要的機器人製造商都必須仰賴日本的產品，因此早已經達到一定之經濟規模。因此後進的國家例如臺灣、中國大陸在發展此類的關鍵零組件時特別辛苦與困難，日本不斷掌控關鍵零組件來影響其他國家的機器人產業難以與其競爭，及取得較高的利潤來不斷研發與提升競爭力。
 

目前工業機器人領域中所使用的減速機主要分為諧波減速機和擺線針輪減速機兩大類，諧波減速機目前由Harmonic Drive System公司所主導，主要用於六軸多關節機器人中的第4，5，6軸，或是中低荷重的機器人，未來的發展趨勢為嚙合原理的研究、新齒形的研究、柔輪疲勞強度研究。嚙合原理研究是針對柔輪運轉時齒形彈性變形對嚙合時所產生的影響，新齒形的研究是針對共軛理論進行研究，目前日本公司所使用的齒形為切線式雙圓弧齒形；柔輪疲勞強度為提高其承載應力，以因應於高荷重的工業用機械手臂。
 

RV減速機的市場目前由Nabtesco公司所主導，在RV減速機設計中，針齒的數量越多減速比越大，但針齒越多會產生振動問題，因此目前Nabtesco都將針齒數量由80齒減少為40齒以避免振動，並且提高第一級減速機構的減速比可防止共振現象發生，Nabtesco特別在工業機器人領域上開發了體積較小，重量較輕的RV-N減速機，但在工具機的使用仍以傳統的RV-E型較受市場認同。Harmonic Drive System公司和Nabtesco公司互相持股，這兩家的產品發展定位會愈來愈模糊，亦即Nabtesco公司亦會走向發展諧波式減速機。
 

臺灣在工業機器人用的減速機朝向量產、長期穩定使用的目標邁進，它可說是機器人國產化的首要克服課題，這包括了高端金屬材料的來源與加工設備的提升，也包含了熱處理技術、特殊金屬材料的供應及生產加工設備的製程精密度。機械零組件必須導入專業之技術及特殊之加工機械，才可提升其產品之品質、精度與量產。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)