【聲明】未經授權引用本公司網站內容，詳情請點擊 ⚠️
(02) 2377-7790

標籤: 諧波減速機

諧波減速機
Harmonic Drive® 諧波減速機 應用場景（EN）

諧波減速機實務筆記｜Harmonic Drive® 原理、應用與選型邏輯

Harmonic Drive® 諧波減速機的應用場景，圖片取自「統合報告書 HDS REPORT 2024」

Harmonic Drive®（諧波減速機）是目前精密傳動領域中，能同時實現高減速比、零背隙與緊湊體積的少數機械元件之一。從工業機器人的每個關節，到半導體設備的精密定位，再到太空探測任務的驅動系統，它的應用已遍及幾乎所有需要高精度旋轉傳動的場合。

然而，正因為它的特性與傳統齒輪箱差距很大，選錯型號或忽略使用限制，往往是機台提早損壞的根本原因。

在幫客戶選諧波減速機的過程中，有幾個問題是幾乎每次都會被問到的：「諧波到底是什麼原理？」、「CSG、CSF 這些系列代號有什麼差別？」、「為什麼我的設備用了一陣子之後開始出現異音？」。很多工程師在初步評估時，往往只看馬達額定出力就急著決定減速機型號，卻忽略了系統整體的動態負載，導致後續機台壽命不如預期。

這篇文章以志城（Harmonic Drive® 原廠台灣授權代理商）的角度出發，整合了原廠型錄與實務選型經驗，涵蓋原理、各系列差異、使用限制、應用場景，以及進入選型計算前需要了解的基本觀念。不論你是正在評估設備規格的機構工程師，或是想搞清楚諧波減速機與行星減速機差在哪裡的讀者，都可以在這篇文章裡找到答案。

 

Harmonic Drive® 諧波減速機的組件結構與運作原理

 

Harmonic Drive® 諧波齒輪傳動機構最初是由美國發明家 C. W. Musser 發明，其獨創了應用金屬彈性變形的傳動方式。它最大的特色在於僅由 3 個基本零件組成：

Harmonic Drive, 諧波減速機, 諧和式減速機, HD 減速機, 零件介紹, 原理介紹
諧波減速機的 3 個基本零件

  • 波產生器 (Wave Generator)：
    • 橢圓形凸輪外圈嵌有薄型滾珠軸承，軸承外輪可產生彈性變形。通常安裝於輸入軸（馬達側）。
  • 彈性齒杯 (Flexspline)：
    • 薄杯狀的金屬彈性體，開口部外圈刻有齒槽。它會受到波產生器撐開，變成橢圓形。
  • 剛性齒輪 (Circular Spline)：
    • 剛體的內齒輪，內部齒數比彈性齒杯多 2 個齒，通常固定於護殼上。

 

Harmonic Drive® 諧波減速機 動作原理
諧波減速機的動作原理

  • 動作原理：
    • 當橢圓形的波產生器旋轉時，彈性齒杯的長軸部位會與剛性齒輪嚙合，短軸部位則完全分離。由於彈性齒杯比剛性齒輪少了 2 個齒，當波產生器順時針旋轉一圈（360度）時，彈性齒杯會朝反方向（逆時針）移動 2 個齒的距離。這個微小的齒數差，正是諧波減速機能在單段同軸內實現高減速比的關鍵。

 

諧波減速機與其它減速機相比的優勢

 

相較於一般的行星減速機或齒輪箱，Harmonic Drive® 在以下幾個面向有明顯優勢：

  • 無背隙 (Zero Backlash)：
    • 齒輪的嚙合沒有背隙，且定位精度極高，是高精密控制機構必要的特性。
  • 高轉矩容量：
    • 一般齒輪只有少數幾齒嚙合，但諧波減速機同時嚙合的齒數高達總齒數的 30%，且在 180 度對稱位置受力，因此能傳達非常大的轉矩。
  • 小型、輕量：
    • 僅由 3 個基本零件組成，易於小型化及輕量化。
  • 單段高減速比：
    • 不需複雜的機構，單段即可達成 1/30～1/320 的高減速比。

 

諧波減速機常見的應用場景

 

Harmonic Drive® 諧波減速機 應用場景
諧波減速機的應用場景，圖片取自「統合報告書 HDS REPORT 2024」

  • 工業用機械手臂與協作機器人：
    • 各式機械手臂是 Harmonic Drive® 目前出貨占比最高的應用領域，涵蓋垂直多關節、水平多關節（SCARA 型）、搬運用、射出成形取出等多種機型的關節與手部驅動。協作機器人（Cobot）著重人機協同作業，對減速機的精度、安全性與輕量化要求更為嚴格，同樣是重要的採用場景。兩者共同的核心需求是：在輕量緊湊的機身內，於每個關節實現高精度、高轉矩的旋轉傳動。
  • 人形機器人：
    • 人形機器人（Humanoid Robot）是目前投入最多資源的新興方向，也是長期銷售願景目標的主要驅動力之一。對各手臂關節的旋轉驅動需要同時達到高速、高精度與高轉矩。推薦用於手臂關節的產品包含減速機型的 SHD-2SH 系列，以及整合了馬達與減速機的 FHA-C mini 伺服致動器。部分對傳動效率或低減速比有特殊需求的場合，精密行星減速機 HarmonicPlanetary® HPG 系列也是可評估的替代選項。
  • 手指機器人模組：
    • 有別於機械手臂各關節使用的中型減速機，手指層級的驅動模組對空間限制更為極端，需要在體積極小的機構內達到精確的旋轉控制，研發門檻與機械手臂關節不同，是獨立的應用開發方向。針對手指驅動的推薦產品為純減速機型的 CSF supermini 系列，以及整合馬達的 RSF supermini 伺服致動器，兩者皆為目前可對應指關節空間限制的最小型選項。
  • 半導體製造設備：
    • 光罩生產設備的搬運機構、晶圓搬運設備的旋轉定位軸、以及晶圓加工設備的分度工作台，都需要無背隙、高重複定位精度的旋轉傳動。
  • FPD、PCB 與 SMT 製造設備：
    • 平面顯示器製造設備的各軸定位驅動、PCB 銑頭驅動與工具換刀機構、旋轉平台定位、以及 SMT 電子組裝設備（錫膏印刷機、電子零件分配機）的旋轉軸，都在採用諧波減速機。
  • 工具機 ATC 換刀機構與旋轉工作台：
    • 5軸加工中心機的自動換刀機構（ATC）、刀具庫驅動、以及分度旋轉工作台，是工具機產業中諧波減速機的典型應用位置。CSG-2UK 密封模組型就是針對此類應用設計的產品，說明文件中亦記載：「建議運用在工具機及一般工業機械的工件運送和驅動工具庫等各機構部位。」
  • 無人搬運車（AGV）：
    • 工廠與物流環境中的無人搬運車，用於各軸的旋轉定位驅動。

 

諧波減速機特殊應用場景

 

以下應用場景均需事先與 Harmonic Drive® 原廠評估，標準型錄產品可能無法直接適用，通常需要客製化特殊品對應。如有相關需求，請透過志城提出，以確保需求規格的完整性。

  • 醫療設備：
    • 包含手術機器人的關節驅動、動力輔助服（Power Suit，外骨骼型）的關節機構、以及護理機器人的輔助動作。屬於直接作用或輔助人體的設備，須事先確認使用情境與安全規格。
  • 車載與移動載具：
    • 電動車輛、eVTOL（電動垂直起降飛行器，俗稱「飛行汽車」）及 Lean Mobility 三輪電動載具等均為已知的應用場景，也是新興成長方向之一。
  • 航太與太空探索：
    • Harmonic Drive® 在航太領域有實際搭載紀錄，包含 JAXA 的小行星探測器「隼鳥」與「隼鳥2號」、NASA/JPL 的火星探測車「毅力號」（Perseverance）、以及夏威夷茂納凱亞山的大型光學紅外線望遠鏡「昴」（Subaru Telescope）。
  • 軍事防衛與無人機：
    • 人形機器人在軍事領域的潛在應用包含爆炸物處理與危險環境中的救援任務；無人機（UAV）傳動系統同樣是應用領域之一。

上述所有特殊應用場景，均需事先與 Harmonic Drive® 原廠詳細討論使用情境與安全規範。

 

Harmonic Drive® 諧波減速機各系列型號的差異與選用方向

 

Harmonic Drive® 的產品依整合程度，可分為三種類型：元件型（自行設計機殼）、模組型（完整組件，可直接安裝）、以及 Gearhead 型（直接對接伺服馬達，最高整合度）。超小型系列則是針對空間極端受限場合設計的小容量產品線，型式涵蓋元件型與模組型。選型前先確認自己需要哪一種，再依應用需求挑選系列。

元件型（Component Type）

元件型只包含三個基本零件（波產生器、彈性齒杯、剛性齒輪），需要由客戶自行設計機殼、輸出軸支撐與軸承配置。設計自由度高，但對機構工程師的要求也較高。

Harmonic Drive CSD 元件型 Component 減速機 圖示
元件型示意圖，圖片取自型錄

  • CSF 系列（標準型）：
    • Harmonic Drive® 的基本款，體積精巧、無背隙且具備高剛性與優異的定位精度。壽命 7,000 小時。
  • CSG 系列（高轉矩型）：
    • 為了追求更高負載容量與可靠性，轉矩容量較 CSF 提升了 30%。波產生器軸承壽命更從 7,000 小時延長至 10,000 小時。
  • SHF 系列（大口徑中空型）：
    • 採用彈性齒杯向外打開的帽型設計，實現了大口徑中空孔與薄型結構，方便將配線、管路甚至雷射光通過致動器中央。壽命 7,000 小時。
  • SHG 系列（中空高轉矩型）：
    • SHF 的升級版，同樣具備中空大口徑，但轉矩容量比 SHF 提升 30%，壽命同樣達到 10,000 小時。
  • CSD 系列（超薄型）：
    • 厚度僅為 CSF 系列的 1/2，且同樣具備中空結構，適合對安裝空間有嚴格限制的設計。壽命 7,000 小時。

 

模組型（Unit Type）

模組型是將元件型組入護殼內，並在輸出軸端內置精密高剛性交叉滾柱軸承的完整組件，可直接支撐外部負載。相較於元件型，模組型大幅降低設計工時，也能降低總成本，是目前實際採購中非常常見的選擇。

Harmonic Drive CSG 模組型 2UH 2UH-LW Unit 減速機 圖示
模組型示意圖，圖片取自型錄

  • CSG-2UH / CSF-2UH 系列：
    • CSG 與 CSF 的標準模組型，適合一般工業用途。另有輕量化版本（-LW）可選，質量較標準品輕約 30%。
  • SHG-2UH / SHF-2UH 系列：
    • 中空軸的模組型，可讓配線或管路穿過中央，適合需要走線的機械手臂關節。
  • SHG-2UJ / SHF-2UJ 系列（輸入軸型）：
    • SHG/SHF 系列底下的輸入軸型模組，採用輸入軸的連接方式，適合需要以輸入軸直接銜接馬達的應用場合。
  • SHD 系列（超薄型中空模組）：
    • 帽型中空軸模組型中追求最薄尺寸的系列。
    • 簡易模組型（2SH）的軸方向長度比 SHF 縮短約 50%。模組型（2UH）在薄型基礎上再以鋁合金大幅輕量化。
    • 以 SCARA 型機械手臂為代表應用，適合高度受限的設備。
  • CSG-2UK（密封全模組型）：
    • 採用密封結構的全模組，免去客戶設計密封機構的需要，適合工具機等有潤滑脂滲漏顧慮的場合，直接建議用於工具機刀具庫驅動。

 

Gearhead 型（GH，馬達直聯型）

Gearhead 型是整合程度最高的選擇，專為希望直接對接伺服馬達、簡化機構設計工時的工程師設計——即使不熟悉 Harmonic Drive® 的使用者也能輕鬆安裝使用。選用時，客戶提供欲搭配的伺服馬達型號，志城向原廠取得對應安裝圖面，確保與馬達的精確對接。輸出端可依需求選擇法蘭面或輸出軸型式。

Harmonic Drive Gearhead 減速機型 CSG GH CSF GH 減速機 圖示
Gearhead 型示意圖，圖片取自型錄

目前支援各主流品牌伺服馬達，具備優良密封結構與無背隙特性，分為 CSG-GH（高轉矩型，壽命 10,000 小時）與 CSF-GH（標準型，壽命 7,000 小時）兩個系列。

 

超小型系列

超小型系列是 Harmonic Drive® 產品線中專為空間限制最嚴苛的場合設計的小容量產品，以「在極小體積內實現無背隙、高定位精度與高旋轉精度」為核心目標。原廠將這些極小尺寸的零件加工為可直接使用的模組化產品，讓工程師能直接導入手指關節、微型機構或高密度裝配的驅動部位，而不需要自行設計機殼。

Harmonic Drive CSF Supermini 模組型 1U 1U CC Unit 減速機 圖示 2
Supermini 模組型示意圖，圖片取自型錄

  • CSF supermini 系列：
    • Harmonic Drive® 的最小型號（型號 3），以能夠安裝至高性能小型伺服馬達為開發概念。採用獨自開發的小型 4 點接觸滾珠軸承作為主軸承。容許最高輸入轉速 10,000 r/min，有雙軸模組型（1U）與減速機型（1U-CC）兩種型式。
  • CSF-mini 系列：
    • 型號 5～14 的小型模組系列，型式比 supermini 更豐富，包含雙軸型、凸緣輸出型、馬達安裝型等共 6 種型式（1U、1U-F、1U-CC、1U-CC-F、2XH-J、2XH-F），可對應皮帶、齒輪、聯接器等多種輸入形態，彈性較高。採用小型 4 點接觸滾珠軸承，最高輸入轉速視型號為 8,500～10,000 r/min。

 

諧波減速機的使用限制

 

諧波減速機有幾個使用上的硬性限制，選型或機構設計時若未考慮到，會直接導致設備損壞：

  • 連續高負載容易發熱與劣化：
    • 伺服系統幾乎不會有連續固定負載的狀況。如果機台需要長時間高轉速或高負載連續運轉，只要平均負載轉矩超過容許最大值，就會導致減速機發熱、內部潤滑劑提早劣化，甚至加劇齒面磨耗。
  • 嚴禁過大的衝擊轉矩（棘輪效應與疲勞破壞）：
    • Harmonic Drive® 是依靠金屬的彈性變形來傳動，因此極限轉矩受限於齒根的疲勞強度。當發生異常碰撞或緊急停止，瞬間衝擊超過極限時，會發生「棘輪效應 (Ratcheting)」——齒輪無法正常嚙合而偏向單側空轉。棘輪效應發生後若繼續運轉，產生的磨屑會導致齒輪早期磨耗，波產生器軸承壽命也會縮短；振動持續則會進一步引起彈性齒杯破損。
  • 系統共振問題：
    • 在結構設計上，減速機輸入軸每旋轉 1 次，就會產生 2 次的角傳動誤差成分（頻率為輸入頻率的 2 倍）。如果這個頻率剛好與設備機體或負載的固有振動數重疊，就會產生共振放大效應，在設計長懸臂機構時需要特別避開。
  • 對密封機構要求極高：
    • 為了防止潤滑脂滲漏並維持高耐久性，機構設計上必須嚴格採用密封設計（包含油封、O型環接合面、具封止效果的螺絲固定劑等），否則運轉中的油外漏會導致機台汙染與減速機潤滑不良。
  • 安裝精度不足，會引發異音與振動：
    • 組裝時的不良會產生震動或異音；安裝精度若不足，可能造成振動、降低壽命、降低精度與損壞等異常。諧波減速機要求輸入軸、剛性齒輪、輸出軸及機殼必須精確對正同心，且輸入與輸出軸須為兩點支撐結構，以承受徑向與推力負載，並避免對波產生器與彈性齒杯施加多餘的力。
    • 在現場，安裝精度不足或棘輪效應發生後繼續運轉，最先反映出來的通常是異音。異音的成因不只一種——可能是組裝不良引起的振動、異物進入齒合部位，也可能是齒面已有磨耗。聽到異音時，需要進一步確認才能判斷處置方向。
  • 輸出端可反向驅動輸入端：
    • 規格表中定義了「加速起動轉矩」——即由輸出端施加轉矩、使輸入端開始旋轉所需的轉矩，這說明諧波減速機可由輸出端反向驅動輸入端，馬達失去轉矩時輸出軸並不會自行停止。使用在可能發生重大損失的設備時，必須另行安裝安全裝置，以避免在輸出失控時引發事故。

 

諧波減速機選型邏輯：為什麼不能只看馬達額定出力？

 

很多工程師習慣用「馬達額定轉矩 × 減速比」來挑選減速機，這對諧波減速機來說是非常危險的作法。選型的基本原則是：針對熱與磨耗看平均值，針對機械破壞看極端值。

  • 平均值評估 (Average Load Check)：
    • 必須把機台一個運轉週期內的啟動、等速、減速、休止的時間與負載，利用公式加權計算出「平均負載轉矩」與「平均輸入轉速」。這兩個數值決定了減速機的發熱量與潤滑油壽命。如果平均值超標，將因發熱導致潤滑劑提早劣化，齒面磨耗也會加劇。
  • 極端值評估 (Extreme Value Check)：
    • 即使平均值過關，啟動/停止時的「峰值轉矩」，以及機構可能遭遇的「衝擊轉矩」都必須單獨檢核。只要峰值超過金屬齒根的疲勞極限，彈性齒杯就有斷裂的風險。

 

Harmonic Drive 諧波減速機 負載轉矩模式 志城實業 Newshiki 浮水印T5
負載轉矩模式

 

結語：進入諧波減速機的精確選型計算

 

了解了諧波減速機的運作原理、確認了適合自己機台的系列之後，下一步就是拿出實際的運轉參數（轉矩、轉速、時間配比），進行工程計算。

具體的計算公式與 OK/NG 判斷方式，請接續閱讀：Harmonic Drive® 諧波減速機選型指南（六步驟計算流程）。

 

資料來源

 

 

延伸閱讀

 

想更深入了解諧波減速機？志城實業為您整理相關內容：

 

【 需要選型協助或技術諮詢？ 】

 

志城實業提供 Harmonic Drive® 完整產品線與技術支援。

想了解詳細規格數據？ 點此瀏覽 Harmonic Drive® 完整產品型錄

更多應用案例與技術諮詢： 志城實業官方網站 | newshiki.com.tw

 

點此追蹤最新動態

 

 

本文由 志城實業 獨家統整編輯，技術內容與數據參考自 Harmonic Drive® 原廠產品型錄。未經本公司授權，嚴禁任何形式的複製、轉載或引用於商業用途，違者將依法追究。 實際規格請以原廠最新官方資料為準。

 

 

 

Harmonic Drive 諧波減速機選型指南| 六步驟計算流程| 志城實業 浮水印T5

Harmonic Drive® 諧波減速機：型號選擇與計算流程

 

Harmonic Drive® 減速機的型號選擇，核心精神在於「伺服系統的負載與轉速通常是變動的」，因此不能單看馬達的額定出力，必須將整個運轉週期的變動轉換為「平均值」來評估發熱與磨耗，並針對「極端值」評估機械疲勞與破壞。

 

以下梳理出 6 個計算步驟的先後順序、具體作法以及背後的工程意義：

  • 第一步：定義負載轉矩模式
  • 第二步：計算平均負載轉矩，暫定型號
  • 第三步：驗證輸入轉速
  • 第四步：驗證峰值與衝擊轉矩
  • 第五步：評估預估壽命
  • 第六步：驗證主軸承（模組型限定）

計算流程適用於：

Harmonic Drive® 型號選擇與計算流程

 

第一步：定義「負載轉矩模式」(Load Torque Pattern)

 

  • 作法：
    • 首先要掌握設備在一個運轉週期中的「負載轉矩模式」。從中確認啟動 (T1)、等速運轉 (T2)、減速停止 (T3)、休止 (T4) 各階段的負載轉矩、花費時間、輸出轉速。此外，需另外掌握衝擊轉矩發生時的轉矩值 (Ts)、持續時間 (ts) 與當時的輸出轉速 (ns)。
  • 為什麼要這麼做？：
    • 伺服驅動系統在加減速時，會因負載慣性力矩而產生遠大於等速運轉時的峰值負載。完整掌握整個週期的運轉條件，是後續計算加權平均與檢核極限值的唯一基礎。

 

Harmonic Drive 諧波減速機 負載轉矩模式 志城實業 Newshiki 浮水印T5
負載轉矩模式

 

第二步：計算「平均負載轉矩」並暫定型號

 

  • 作法：
    • 利用公式將各階段的轉矩、轉速與時間進行加權平均（以轉矩的三次方為基礎），算出「平均負載轉矩 (Tav)」與「平均輸出轉速 (no_av)」。接著翻查型錄額定表，挑選一個 Tav 小於型錄「平均負載轉矩容許最大值」的型號作為暫定型號。
  • 為什麼要這麼做？：
      • 當轉速與負載持續變化時，減速機內部的發熱與磨耗取決於整體的平均作功量。若平均負載轉矩超過容許值，將導致潤滑劑（潤滑脂／油）提早因高溫而劣化，並加劇齒面磨耗。

 

第三步：驗證「輸入轉速」(Input Speed)

 

  • 作法：
    • 將算出的平均輸出轉速 (no_av) 與最高輸出轉速 (no_max)，分別乘上減速比 (R)，換算為馬達端的輸入轉速 (ni_av 與 ni_max)。這兩個數值必須分別小於型錄規定的「容許平均輸入轉速」與「容許最高輸入轉速」。
  • 為什麼要這麼做？：
    • 減速機的最高輸入轉速受限於波產生器軸承的機械極限以及潤滑條件；轉速過高會導致內部摩擦發熱過大，進而破壞潤滑油膜。

 

第四步：驗證「峰值與衝擊轉矩」(Peak & Impact Torque)

 

  • 作法：
    1. 檢查啟動 (T1) 與停止 (T3) 時的轉矩，是否小於型錄上的「起動、停止時的容許峰值轉矩」。
    2. 檢查異常或緊急停止時的衝擊轉矩 (Ts)，是否小於型錄上的「瞬間容許最大轉矩」。
    3. 利用公式 Ns = 1.0×10⁴ ÷ (2 × ns·R/60 × ts) 計算衝擊轉矩的容許發生次數 (Ns)，確認其符合設備的預期使用條件。公式中 1.0×10⁴ 為彈性齒杯的彈性變形次數疲勞極限（波產生器每旋轉 1 圈，彈性齒杯會產生 2 次彈性變形）。
  • 為什麼要這麼做？：
    • Harmonic Drive® 是依靠「彈性齒杯 (Flexspline)」反覆產生彈性變形來傳動，因此極限轉矩受限於金屬齒根的疲勞強度。若峰值或衝擊轉矩超標，或發生頻率超過容許次數 Ns，將直接導致彈性齒杯疲勞破壞。

 

第五步：評估「預估壽命」(Lifespan Evaluation)

 

  • 作法：
    • 利用公式 Lh = Ln × (Tr / Tav)³ × (nr / ni_av) 計算出預估壽命（小時），確認是否符合機台的設計需求。其中 Ln 為各系列的基本壽命時間，可代入 L10 或 L50 來分別計算：
      • L10：10% 受損機率下的壽命，即同批產品中有 90% 能達到的最低運轉時數，是工程設計上常用的保守基準。
      • L50：平均壽命（中位數），即 50% 的產品可達到的運轉時數。

 

系列L10L50
CSF、CSD、SHF、SHD、CSF-mini、CSF-GH7,000 小時35,000 小時
CSG、SHG、CSG-GH10,000 小時50,000 小時
CSF supermini7,000 小時—（※備註 1）
FB、FR3,000 小時—（※備註 2）
FBS—（※備註 2）—（※備註 2）

 

  • 為什麼要這麼做？：
    • Harmonic Drive® 減速機的壽命是由內部「波產生器軸承」的壽命所決定。由於實際運轉的平均轉矩 (Tav) 與平均輸入轉速 (ni_av) 通常不會剛好等於型錄的額定值，必須依據實際條件重新推算預估壽命。

 

第六步：驗證「主軸承」(Main Bearing Check) — 僅限模組型

 

  • 作法：
    • 如果選擇的是「模組型 (Unit Type)」，需額外計算外部機構施加在輸出凸緣上的「最大負載力矩負重 (Mmax)」，確認其小於交叉滾柱軸承的容許力矩 (Mc)。並進一步求出靜態等價徑向負載，以確認軸承壽命與靜態安全係數。
  • 為什麼要這麼做？：
    • 模組型產品內建了高剛性的交叉滾柱軸承，用來直接支撐外部負載。驗證主軸承可確保外部的懸臂荷重或推力不會造成軸承提早損壞或機構精度偏移。

 

總結判斷

在上述第 2 到第 6 步驟中，只要有任何一個檢核點判定為 NG（超出容許範圍），就必須重新檢討運轉條件（例如放慢加減速時間），或是直接升級至更高一級的減速機型號（或改變減速比），然後重新跑一次流程，直到全數條件皆為 OK 為止。

計算範例：以 CSF-45-100-2A-GR 為例

 

以下以一組實際運轉條件，示範如何走完上述六步驟流程。

範例設定條件

＜一般運轉模式＞

階段負載轉矩 Tn（Nm）時間 tn（sec）輸出轉速 nn（r/min）
起動時T1 = 400t1 = 0.3n1 = 7
恆定運轉時T2 = 320t2 = 3.0n2 = 14
停止（減速）時T3 = 200t3 = 0.4n3 = 7
休止時T4 = 0t4 = 0.2n4 = 0

＜最高轉速＞ 最高輸出轉速 no_max = 14 r/min；最高輸入轉速 ni_max = 1,800 r/min（因馬達而受限） ＜衝擊轉矩＞ Ts = 500 Nm、ts = 0.15 sec、ns = 14 r/min ＜需求壽命＞ L10 = 7,000 小時

第一步：定義負載轉矩模式

從上方表格確認各階段的 Tn、tn、nn，以及衝擊轉矩 Ts、ts、ns 與需求壽命。

第二步：計算平均負載轉矩，暫定型號

決定減速比（R）： ni_max / no_max = 1800 / 14 = 128.6 ≥ 100 → OK，選定 R = 100 計算平均輸出轉速（no_av）： no_av = (7×0.3 + 14×3.0 + 7×0.4 + 0×0.2) / (0.3 + 3.0 + 0.4 + 0.2) = 46.9 / 3.9 = 12 r/min 計算平均負載轉矩（Tav）： Tav = ∛[(7×0.3×|400|³ + 14×3.0×|320|³ + 7×0.4×|200|³) / (7×0.3 + 14×3.0 + 7×0.4)] = 319 Nm 暫定型號： 查閱 CSF-45-100 額定表，平均負載轉矩容許最大值 = 500 Nm。Tav = 319 Nm ≤ 500 Nm → OK，暫定為 CSF-45-100-2A-GR

第三步：驗證輸入轉速

 

※ 以下採用潤滑脂條件下的容許轉速值。

ni_av = 12 × 100 = 1,200 r/min ≤ 3,000 r/min（容許平均） → OK ni_max = 14 × 100 = 1,400 r/min ≤ 3,800 r/min（容許最高） → OK

第四步：驗證峰值與衝擊轉矩

起動、停止時的容許峰值轉矩（CSF-45-100：755 Nm）： T1 = 400 Nm ≤ 755 Nm → OK T3 = 200 Nm ≤ 755 Nm → OK 瞬間容許最大轉矩（CSF-45-100：1,570 Nm）： Ts = 500 Nm ≤ 1,570 Nm → OK 衝擊轉矩的容許發生次數： Ns = 1.0×10⁴ / (2 × 14×100/60 × 0.15) = 10,000 / 7.0 = 1,429 次 設備預期的衝擊發生次數須低於此值。

第五步：評估預估壽命

Lh = 7,000 × (353/319)³ × (2,000/1,200) = 7,000 × 1.354 × 1.667 = 15,799 小時 Lh = 15,799 小時 ≥ 7,000 小時（需求壽命） → OK

第六步：驗證主軸承

CSF-45-100-2A-GR 為元件型（Component Type）產品，不含內建主軸承，因此本步驟不適用。第六步僅在選用模組型（Unit Type）時才需要進行。

範例結論

第 1～5 步全數通過，決定型號為 CSF-45-100-2A-GR。

NG 範例：若以相同條件選用 CSF-32-100-2A-GR？

 

以下示範在完全相同的運轉條件下，若選用規格不足的型號，流程中會在哪些步驟被擋下來。

CSF-32-100 額定表數據：

項目數值
額定轉矩（Tr）137 Nm（@ 2000 r/min）
起動、停止時的容許峰值轉矩333 Nm
平均負載轉矩容許最大值216 Nm
瞬間容許最大轉矩647 Nm
容許最高輸入轉速（潤滑脂）4,800 r/min
容許平均輸入轉速（潤滑脂）3,500 r/min

第一步：定義負載轉矩模式

沿用上一個範例的運轉條件。

第二步：計算平均負載轉矩 → NG

Tav = 319 Nm > 216 Nm（容許最大值） → NG 平均負載轉矩超標 48%，代表減速機在日常運轉中就會持續過熱，導致潤滑劑加速劣化、齒面磨耗急遽惡化。

第三步：驗證輸入轉速 → OK

 

※ 以下採用潤滑脂條件下的容許轉速值。

ni_av = 1,200 r/min ≤ 3,500 r/min → OK ni_max = 1,400 r/min ≤ 4,800 r/min → OK 轉速方面沒有問題。

第四步：驗證峰值與衝擊轉矩 → NG（部分）

T1 = 400 Nm > 333 Nm（容許峰值） → NG T3 = 200 Nm ≤ 333 Nm → OK Ts = 500 Nm ≤ 647 Nm → OK 起動時的峰值轉矩超標 20%，代表每一次起動都在讓彈性齒杯承受超過疲勞極限的負載，長期下來將導致齒根疲勞破壞。

第五步：評估預估壽命 → NG

Lh = 7,000 × (137/319)³ × (2,000/1,200) = 7,000 × 0.079 × 1.667 = 916 小時 Lh = 916 小時 ≪ 7,000 小時（需求壽命） → NG 預估壽命僅為需求的 13%，波產生器軸承將在遠早於預期的時間點損壞。

NG 範例結論

6 個步驟中有 3 處 NG（第 2、4、5 步），CSF-32-100-2A-GR 在此運轉條件下完全不適用。必須升級至更高一級的型號（如 CSF-40 或 CSF-45），或重新檢討運轉條件（降低負載轉矩、放慢加減速時間等）。

備註

 

※備註 1 — CSF supermini 與 CSF-mini 系列的主軸承差異

 

  • CSF supermini 系列的壽命基準（L10 = 7,000 小時）與額定輸入轉速（2000 r/min）與標準品相同，第 1～5 步的選型邏輯可直接沿用，但須特別留意主軸承結構的差異：

 

  • 主軸承結構不同：CSF supermini 全系列及 CSF-mini 系列（僅限 1U 與 2XH 型號），採用的是「4 點接觸滾珠軸承」，而非標準的「交叉滾柱軸承」。執行第 6 步主軸承確認時，須使用對應的公式（綜合型錄技術資料 030～034 頁已分別列出兩套公式，壽命計算的冪次不同：交叉滾柱為 10/3 次方，4 點接觸為 3 次方）。若對軸承的計算有疑義，建議洽詢志城確認。

 

※備註 2 — FB、FR、FBS 系列（平板型元件）的適用差異

 

  • FB、FR 系列的壽命基準（L10 = 3,000 小時）記載於《Harmonic Drive® 產品導覽》中。額定表欄位結構與標準系列類似，第 1～4 步的選型邏輯原則上可沿用，但有以下差異需留意：

 

  • 額定輸入轉速因型號而異：FB 與 FR 系列並非所有型號都使用同一個額定輸入轉速，大型號的額定轉速會降低。在代入壽命公式時，Tr 與 nr 須對應該型號在額定表上的實際數值，不可一律代入 2000 r/min。各型號的額定輸入轉速如下：

 

型號FB 系列FR 系列
14～402,000 r/min2,000 r/min
501,700 r/min1,700 r/min
65—1,400 r/min
80—1,200 r/min
100—1,000 r/min

 

  • 綜合型錄中的壽命計算公式表與選型範例皆未涵蓋 FB、FR 系列，L50 數值亦未公開揭示。若工程實務上需要選用此系列，建議洽詢志城確認完整的計算依據與 L50 數值。

 

  • FBS 系列：目前僅有型號 25 與 32（減速比 30、50）。額定表的欄位標題記載「輸入 2000r/min 時的額定轉矩」，但型錄中未明確標示壽命基準（L10）數值。選型時請洽詢志城確認完整的技術依據。

 

※備註 3 — FD 系列（差動齒輪）不適用本流程

 

  • FD 系列為差動裝置，用途是在運轉中對相位進行微調，與一般減速機完全不同。選型重點在於齒輪齒數的搭配以達成特定的微調比例，綜合型錄中提供了專屬的「齒輪選擇資料」與「設計例／計算例」。本文的六步驟流程不適用於 FD 系列。

 

延伸閱讀

 

想更深入了解諧波減速機？志城實業為您整理相關內容：

 

【 需要選型協助或技術諮詢？ 】

 

志城實業提供 Harmonic Drive® 完整產品線與技術支援。

想了解詳細規格數據？ 點此瀏覽 Harmonic Drive® 完整產品型錄

更多應用案例與技術諮詢： 志城實業官方網站 | newshiki.com.tw

 

點此追蹤最新動態

 

 

本文由 志城實業 獨家統整編輯，技術內容與數據參考自 Harmonic Drive® 原廠產品型錄。未經本公司授權，嚴禁任何形式的複製、轉載或引用於商業用途，違者將依法追究。 實際規格請以原廠最新官方資料為準。

 

 

Harmonic Drive 諧波減速機構造圖示 志城實業

Harmonic Drive® 諧波減速機：結構、精度與扭矩特性的完整介紹

Harmonic Drive® 諧波減速機構造

諧波減速機（Harmonic Drive®） 是一種應用金屬彈性力學原理，專為精密控制設計的減速裝置。其核心結構僅由三個基本零件（波產生器、彈性齒杯、剛性齒輪）組成，能在不損害伺服馬達優異控制特性的前提下，同時實現「高減速比」與「高解析度」。

 

選擇 Harmonic Drive®，將為您的精密設備帶來以下四大核心優勢：

 

獨特的結構設計：輕巧與靈活

Harmonic Drive® 極簡的構造為機構設計帶來了極大的自由度：

 

  • 同軸配置與小型輕量化

    • 由於元件極少，易於實現顯著的小型化與輕量化。輸入軸與輸出軸始終維持在同一軸線上（同軸），大幅簡化了機械傳動的空間佈局。

  • 極致的薄型設計

    • 針對空間受限的應用，Harmonic Drive® 提供了極致薄型方案（如 CSD 元件型、CSD 模組型 系列），其軸向長度較傳統機型大幅縮短，是扁平化設計的最佳選擇。

  • 模組化易組裝設計

    • 除了單體元件，亦提供整合高剛性軸承（如精密交叉滾柱軸承）的模組型產品。此結構將元件整合於外殼內，可直接承受外部負載，不僅安裝簡便，更能降低客戶採購零件與組裝的總成本。

 

 

高度的精度表現：零背隙與高剛性

在奈米級或微米級的運動控制領域，Harmonic Drive® 提供了優異的穩定性：

 

  • 結構性零背隙 (Zero Backlash)

    • 基於獨特的彈性變形嚙合原理，齒輪本身的嚙合背隙理論值為「0」。
    • 註：標準品中極微小的背隙通常來自於波產生器中用於「自動調心」的 Oldham 聯軸器。若應用場合要求絕對無間隙，可選用無此機構的「剛性波產生器」款式，實現真正的零背隙。

  • 高精度定位能力

    • 減速機的定位精度由「角度傳動誤差」決定。Harmonic Drive® 的角度傳動誤差極低 （標準品即可達 1 arc min），確保了優異的絕對定位精度與旋轉性能。
    • 註：實際角度傳動誤差依規格型號而異。

  • 優異的抗負載剛性

    • 儘管體積小巧，但其高剛性設計使其能有效抵抗負載變動。即使致動器負載發生變化，仍能維持穩定的定位精度。

 

 

強大的性能密度：小體積、大扭矩

Harmonic Drive® 能夠在有限的空間內提供高扭矩輸出：

 

  • 驚人的扭矩容量

    • 獨特的嚙合原理使全齒數的 30% 以上處於同時嚙合狀態。這使得它在極小的體積下，能傳遞超越同級產品的高扭矩。透過優化齒型，扭矩容量與壽命更可進一步提升。（👉 瀏覽原理介紹）

  • 伺服系統的高密度輸出

    • 與伺服馬達結合後，在外形尺寸不變的情況下，能輸出比馬達單體高出數倍的扭矩，將系統性能發揮至極限。

  • 精密的相位調節功能

    • 利用其差動特性，Harmonic Drive® 可用於極高精度的相位調整機構（如印刷機滾輪調整）。相比傳統差動齒輪，它體積更小、無背隙且極度安靜。

 

 

專業控制優勢：縮短整定時間

Harmonic Drive® 不僅是機械元件，更是提升控制效能的關鍵：

 

  • 高速響應與穩定性

    • 由於具備高剛性與零背隙特性，採用諧波減速機（Harmonic Drive®）的機電整合產品，搭配專用驅動器的先進演算法，能有效抑制定位時的過衝（Overshoot）與響應不足（Undershoot）。這能將系統定位所需的整定時間（Settling Time） 縮短至傳統機型的 1/2，顯著提升生產節拍。

 

 

總結

Harmonic Drive® 憑藉其零背隙、高扭矩重量比、以及結構簡單可靠的特性，已成為半導體設備、工業機器人、人形機器人、輔具、移動載具、醫療儀器與光學設備中不可或缺的核心元件。它是追求高精度與小型化設計的工程師的首選方案。

 

 

延伸閱讀

想更深入了解諧波減速機？志城實業為您整理相關內容：

 

 

【 需要選型協助或技術諮詢？ 】

志城實業提供 Harmonic Drive® 完整產品線與技術支援。

📥 想了解詳細規格數據？ 👉 點此瀏覽 Harmonic Drive® 完整產品型錄

🔍 更多應用案例與技術諮詢： 👉 志城實業官方網站 | newshiki.com.tw

 

點此追蹤最新動態

 

 

本文由 志城實業 獨家統整編輯，技術內容與數據參考自 Harmonic Drive® 原廠產品型錄。未經本公司授權，嚴禁任何形式的複製、轉載或引用於商業用途，違者將依法追究。 實際規格請以原廠最新官方資料為準。