近年來，我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁，技術水平不斷提升。據(jù)CRIA與IFR統(tǒng)計，2019年中國自主品牌工業(yè)機器人銷售近4．5萬臺，在國內(nèi)市場占有率提升到了32.2%，銷售同比增長16.2%。外資品牌工業(yè)機器人在中國銷售同比下降10.98%，但外資品牌瑞士abb、德國庫卡、日本安川電機、日本發(fā)那科“四大家族”企業(yè)依舊占據(jù)國內(nèi)市場的近68%。國內(nèi)外工業(yè)機器人的主要差距在哪里呢？不少人把矛頭指向了工業(yè)機器人的核心部件—減速機。

一、減速機是什么？

減速機顧名思義降低運動速度，增加扭矩，提高精度的機械裝置。其目的是提高機器的運行精度、延長其使用壽命、保障其運行過程中的穩(wěn)定性與可靠性。減速機是裝備制造業(yè)中一種極為重要的基礎件，廣泛應用于工業(yè)機器人、數(shù)控機床等機械設備上。減速機就好比汽車上的變速箱，只不過其控制速度和精度比變速箱高得多。減速機作為技術壁壘最高的工業(yè)機器人關鍵零部件，按結(jié)構(gòu)不同可以分為五類：諧波齒輪減速機、RV（旋轉(zhuǎn)矢量）減速機、擺線針輪減速機、精密行星齒輪減速機和濾波齒輪減速機。

圖1六軸機器人減速機位置

這五種減速機中RV減速機和諧波齒輪減速機是工業(yè)機器人最主流的精密減速機，并且在機器人大臂關節(jié)處（六軸機器人A2、A3軸負載較重的大臂及底座A1位置）一般應用RV減速機，而在機器人前端小臂關節(jié)處多應用諧波減速機，如圖1所示，簡單介紹一下兩種減速機工作原理。

諧波齒輪減速機

諧波減速機是依靠齒輪的彈性變形運動來達到減速的目的，由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成，依靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，并靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞運動和動力，如圖2所示。諧波減速機的技術難點主要體現(xiàn)在柔輪壽命和加工精度上。

圖2諧波齒輪減速機原理/學位論文 作者：李偉勇

RV減速機

RV減速機由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成。典型的RV減速機如圖3所示，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎上發(fā)展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且具有體積小、質(zhì)量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點。RV減速器制造核心難點在各項工藝的密切配合，包括：齒面熱處理、加工精度、零件對稱性、成組技術、裝配精度等，這些工藝總裝公差總分配帶來的結(jié)果是產(chǎn)品的磨損和壽命。

圖3 RV減速機爆炸結(jié)構(gòu)圖/百度百科

二、國產(chǎn)減速機：行路之難

市場占有率低

目前，世界75%的精密減速機市場被日本的Harmonica公司和Nabtesco公司所占領，其中Nabtesco的RV減速機約占60%的市場份額，Harmonica的諧波減速機約占15%。RV減速機國產(chǎn)化研發(fā)始于上世紀90年代，開始主要是工藝、壽命和精度等瓶頸制約了RV減速機制造商的成長。但隨著中國制造業(yè)能力水平的提升及國內(nèi)機器人市場爆發(fā)式增長，許多國內(nèi)減速機廠家脫穎而出。尤其是在高精度RV減速機和諧波減速機產(chǎn)品研制方面，國內(nèi)已經(jīng)有一些可替代產(chǎn)品。

傳動精度和可靠性有待優(yōu)化提升

減速機的傳動精度跟空程和背隙有關，背隙也叫回程間隙是指齒輪與齒輪之間的間隙。一般回程間隙越低，減速機的傳動精度越高且減速機價格也越貴、其傳動效率和精度也就越高。減速機的精度單位為弧分，軸轉(zhuǎn)一圈為360度，一度=60弧分=3600弧秒，間隙的單位是弧分arcmin，一般稱低于3分（3‘）的稱為高精度型，15分（15’）以上為低精度型。

根據(jù)相關資料國內(nèi)外減速機的主要性能參數(shù)如表1所示。在基本相同的轉(zhuǎn)速和功率下，Nabtesco的RV減速機和國產(chǎn)RV減速機的輸出扭矩范圍基本相當，說明在傳動扭矩上國內(nèi)已經(jīng)可以與國外相媲美。而國產(chǎn)的RV減速機包括諧波減速機在內(nèi)的齒輪壽命、傳動精度等方面距離國外還有較大差距。比如國內(nèi)的諧波減速機齒輪壽命目前能夠做到1.5萬小時，而同規(guī)格的國外的齒輪壽命能做到5萬小時。但好在國內(nèi)的產(chǎn)品經(jīng)過幾年的發(fā)展，減速機齒輪的壽命已經(jīng)從9000小時提高到1.5萬小時，發(fā)展勢頭可喜。

表1國內(nèi)外減速機的主要性能參數(shù)對比/根據(jù)文獻整理

有資料顯示國產(chǎn)減速機在運行一段時間后會有精度不能保持的問題，其實所有的機器人都有此類問題，國內(nèi)外的差距主要在于減速機材料耐磨性不同導致壽命不同的結(jié)果，再者減速機的齒輪精度相比國外同類產(chǎn)品其加工精度不同。所以擴大減速機材料研制和數(shù)控加工設備研究將有助于我們解決精度問題。

國產(chǎn)減速機的破壁之路

國內(nèi)知名減速機產(chǎn)品廠家研發(fā)的RV減速機和諧波減速機產(chǎn)品及發(fā)展情況如圖4和表2所示。因此，機器人減速機核心零部件國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)研制出來，盡管在技術和質(zhì)量方面與國外尚有差距，但總體上每一類核心零部件都已形成3～5家種子企業(yè)，配套產(chǎn)業(yè)集群效應正在逐漸發(fā)力，未來可期。與此同時，在減速機控制系統(tǒng)和相關軟件算法方面國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)開始發(fā)力。2017年國內(nèi)廠商實現(xiàn)了高性能控制系統(tǒng)的自主研發(fā)。通過算法實現(xiàn)拖動示教、碰撞檢測、柔順控制等功能，還賦予了工業(yè)機器人高精、高速、穩(wěn)定、協(xié)作的性能，而這些性能都離不開減速機的功勞。

圖4國產(chǎn)品牌的RV減速機和諧波減速機

表2中國工業(yè)機器人減速機研發(fā)進展

三、研發(fā)難點及未來突破方向

國內(nèi)廠商在減速機設計制造領域奮起直追，經(jīng)過一定時間的積累，目前取得了很大的進步，如圖5。減速機結(jié)構(gòu)緊湊要實現(xiàn)滿足多項關鍵功能的集成，同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，高扭矩、高精度、高傳動效率、低背隙等關鍵指標。研發(fā)的難點主要是在于減速機的傳動精度、齒輪結(jié)構(gòu)加工工藝及精度、零部件壽命等方面。

國產(chǎn)減速機近年需要突破的方向，大致可以分為三個大方面：

（1）重點研究減速機動力學理論、回轉(zhuǎn)誤差建模，分析產(chǎn)生傳動誤差的原因和優(yōu)化措施。

（2）重點研究能夠達到最優(yōu)技術指標的材料制造工藝及組件加工工藝，提高工件的使用壽命和加工精度，加大制造裝備投入，提升加工制造能力。

（3）加強零部件檢測能力建設，建立工業(yè)機器人精密減速機檢測中心，制定相關行業(yè)標準，對各類關鍵部件實施全面的性能檢測和產(chǎn)品認證。

圖5博覽會上的國產(chǎn)工業(yè)機器人/新華社 作者：沙達提

結(jié)語：

減速機是工業(yè)機器人的核心部件，掌握高壽命、高精度減速機制造技術是國產(chǎn)工業(yè)機器人未來能否進入高端市場的關鍵。目前國內(nèi)減速機企業(yè)已經(jīng)奮起追趕并取得了不菲成績，相信近幾年是國產(chǎn)減速機的快速發(fā)展時期。未來國產(chǎn)機器人市場占有率會大幅提升并形成龐大產(chǎn)業(yè)鏈，高端減速機行業(yè)必將成為國民經(jīng)濟的重要組成部分。

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