谐波减速器的制造成本分析及量产挑战

谐波减速器的制造成本分析及量产挑战

张超   

[ 西安法士特汽车传动有限公司，西安 710119 ]

【摘 要】谐波减速器属于高精密减速器，主要用于机器人等需要传递高精度运动的场合，其精度要求较高，因而也对生产制造带来了一定的挑战。通过对制造加工的成本分析，浅析谐波减速器在量产中的挑战。

一、谐波减速器原理及应用

谐波减速器是一种特殊的减速装置，由柔轮，刚轮，波发生器三大部分组成。谐波减速器利用柔轮的柔性变形，产生规律的变形波，从而利用柔轮和刚轮之间的错齿运动来实现减速功能。波发生器是产生规律变形谐波的部件。

谐波减速器具有传递精度高，结构紧凑，减速比大的特征，因而多用于机器人等高精密传动场所。图1为谐波减速器总成及相关零部件。

图1

二、谐波减速器的生产特点

由于谐波减速器的高精度特性，其零件的加工制造精度高于传统减速器零部件加工精度，因此在实际生产中，具有一系列特殊特点。

1. 精度要求高。由于零部件加工精度要求较高，对设备的需求也更为严苛。

传统减速器机加设备精度无法保证其零件加工，需要投入高精密设备。

2. 硬件投资大。高精度的设备投入，带来的大额的资产投入。
3. 人工成本高。由于加工，装配精度要求高，其生产过程自动化水平低，

且对操作人员的技能要求更高，因此带来的更高的人力成本。

三、谐波减速器的制造成本计算

1.  制造成本的构成。一般情况，零部件的制造成本主要包含设备成本、直接人工、燃动成本等几项。

⑴ 设备成本

设备成本主要指设备摊销。设备摊销指生产商按照设备的使用寿命和价值

逐年计提设备折旧费用。根据《中华人民共和国企业所得税法实施条例》规定，在实际计算中，加工设备按10年寿命折旧计算。

⑵ 直接人工成本

直接人工费用是直接进行产品生产的工人的职工薪酬费用，主要为工人加

工计时工资。

⑶ 燃动成本

燃动成本主要为生产过程中使用的电力、燃料等的成本。

2.  关键零部件的工序构成。谐波减速器主要有柔轮、刚轮、波发生器三

个关键零件，本文主要以此三类零件的工艺构成及机加成本分析进行论述。

⑴ 柔轮

柔轮为谐波减速器上以薄壁齿圈，其关键工序主要有：锻造、调制、车削、

滚齿、钻孔、表面处理等。

⑵ 刚轮

刚轮为与柔轮啮合的刚性内齿圈，其关键工序主要有：锻造、粗车、调制、

精车、慢走丝（或插齿）、钻孔

⑶ 波发生器

波发生器主要为一具有长短轴椭圆的回转件，其关键工序主要有：车削、

调质、磨圆、钻孔、磨椭圆

3.  制造成本计算方法。在谐波减速器的量产活动中，由于零件精度要求高，

其与传统变速器零件的差异主要来自于机加工精度方面，本文着重对机加成本核算后，构成整体成本分析。制造成本的计算基于生产中已知要素，假定以下要素：

工序时间：        a  (min)

设备价值：        s  (万元)

设备功率：        p （kw）

排班方式：        x  （1班/日、2班/日、3班/日）

工人平均月工资：  q

电费单价：        d

设备摊销成本为：

E=s/10年/12月/22天/(7h*3)*(a/60)*10000

直接人工成本为：

R=0.5*(q/22天/7h)*(a/60)

燃动成本为：

D=d*p*60%*(a/60)

4.制造成本计算

以某公司20型减速器为示例，进行以下计算。为了保证零件加工精度，实际量产中主要使用进口高精度设备进行加工。为确保产能供应，生产安排主要是3班/日排产，每班生产时间按7小时，每月生产按22天计算。基于以上设定，应用前述计算公式进行计算。需要说明的是，为定性地分析相关成本，本文仅对主要关键机加工序成本进行计算，忽略了实际成本构成中影响因素较小的项目，如螺钉采购件等。如下表1、2、3分别为柔轮、刚轮、波发生器的成本简单核算。由计算可知，柔轮、刚轮、波发生器的制造成本分别约为132.01元、135.46元、45.55元。

表1

表2

表3

根据现有采购商询价，采购件交叉滚子轴承的价格约为200元，柔性轴承的价格约为100元。

综上，本文所述该20型谐波减速器的成本约为620.89元（未算入装配成本）。该数据与当前谐波减速器市场成本价基本相当，因此本文成本核算由一定参考性。

4. 成本分析

由表1可知，柔轮属于制造成本较高的零部件之一。柔轮是一种薄壁易变形零件，因此其加工精度要求高。为控制精度，其车削及滚齿工序采用了高价值进口设备，导致其设备摊销、燃动成本居高不下；且由于柔轮对材料要求高，其原材料及热处理成本也较高。

从零件结构来看，刚轮与传统减速器齿圈零件结构较接近，但其成本依然偏高。由表2可知，该公司在刚轮加工中，使用了慢走丝工艺，该工艺加工节拍较长，在较高的设备价值前提下，导致其慢走丝工序设备成本较高，从而影响了制造成本。

波发生器主要成本为车削及椭圆磨削工序影响。

四、量产的挑战

从前述成本计算分析可知，该谐波减速器整机制造成本基本符合当前行业水平，但企业面临的情况是该成本水平依然面临较大压力。随着近年来机器人行业的高速发展，减速器行业竞争愈发激烈，且受到经济形势、人员劳动力供给等因素影响较大，对生产商成本管控提出更高的挑战。

1. 设备投资的挑战

从成本分析可看出，谐波减速器生产加工基本依赖于高精度进口设备，设备

价值普遍较高。若生产商进行量产准备，则需要投入大量资金用于设备采购。然而当前随着行业格局初步形成，新晋供应商很难打破行业现有供求格局，企业的量产计划存在不确定性，因而，庞大的基础设备投资以及不确定的订单需求，成为生产企业无法规避的抉择。

2. 质量保证的挑战

谐波减速器精度要求高，对加工、装配等环节均有较高要求。当前国内企业主要还是以人工+部分自动化辅助装配为主，生产商需要投入大量资金用于人员培训，且人员的流动对质量稳定性带来不小挑战。

五、针对量产的建议及总结

成本管控是谐波减速器量产化永远绕不开的主题。生产企业要做的是，如何在保证质量、精度的前提下降低生产成本。笔者认为，可以从以下几方面考虑：

1. 加快国产高精设备研发，加速国产化设备替代。

当前，国产设备在制造业高精加工中仍然存在一定不足。机床母机行业应加

速科研，提高国产化设备的加工精度及稳定性，提高用户信心。在量产化进程中，逐步提高国产设备的使用比例，从而降低设备投资。

2. 加强工艺优化，推广高效工艺

以减速器刚轮为例，当前多数企业依然使用慢走丝作为内齿加工设备，导致

成本居高不下。随着高精设备推广及工艺的优化，近年来，刚轮内齿车齿工艺逐渐得到量产应用。下表4展示了车齿与慢走丝成本核算对比，可见成本降低显著。生产企业应提高诸如车齿等高效工艺的量产化推广，从而降低生产成本。

表4

3. 设计优化创新，提高减速器寿命质量

国内企业在谐波减速器齿形设计上仍旧存在不足，在齿形优化设计上受专利

制约掣肘。通过对齿形优化设计，提高减速器啮合的重合度，可有效提高减速器的寿命，从而提高谐波减速器的质量水平。

    随着智能制造水平的提高，我国巨大的制造业体量，为谐波减速器的发展带来巨大空间，也为国内生产企业的立足提供了坚实保障。只有在技术上勇于突破，方能赢得广阔的市场，企业方能做好产品的量产供应并实现营收。

参考文献：

【1】  Walton M C.Strain wave gearing:US2906143[P].1959-09–29.

【2】  GB/T 30819-2014，机器人用谐波齿轮减速器[S].

【3】  刘智英. 成本核算与管理[M]. 中国铁道出版社出版，2023

【4】  中商情报网. 2024年中国谐波减速器行业发展现状及发展前景预测分析[EB/OL]. [2024-03-19]. https://www.163.com/dy/article/ITL5VDTB051481OF.html.

- 1 -