工業(yè)機(jī)器人常用精密減速器技術(shù)分析

　　工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的、能夠完成各種移動(dòng)或工藝來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器。通常在生產(chǎn)中能代替工人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。它能夠提升生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，是企業(yè)補(bǔ)充和替代勞動(dòng)力的有效方案。

　　目前工業(yè)機(jī)器人發(fā)展特點(diǎn)是高速、精確、機(jī)身機(jī)構(gòu)緊湊、多自由度和提高剛性，重點(diǎn)領(lǐng)域還要求重載或響應(yīng)速度快。例如汽車(chē)整車(chē)生產(chǎn)的電焊機(jī)器人負(fù)載大部分在150-300Kg間，而電子領(lǐng)域的裝配機(jī)器人則需要快速的響應(yīng)流水線上的配件。

　　減速器在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域是連接動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的中間裝置，通常它把電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力通過(guò)輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來(lái)達(dá)到減速的目的，并傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。目前成熟并標(biāo)準(zhǔn)化的減速器有：圓柱齒輪減速器、渦輪減速器、行星減速器、行星齒輪減速器、RV減速器、擺線針輪減速器和諧波減速器。80-90年代以來(lái)，在新興產(chǎn)業(yè)如航空航天、機(jī)器人和醫(yī)療器械等發(fā)展的需求下，需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、傳遞功率大、噪聲低、傳動(dòng)平穩(wěn)的高性能精密減速器，其中RV減速器和諧波減速器是精密減速器中重要的兩種減速器。

　　RV（Rot-Vector）減速器

　　RV減速器是在擺線針輪傳動(dòng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有二級(jí)減速和中心圓盤(pán)支承結(jié)構(gòu)。自1986年投入市場(chǎng)以來(lái)，因其傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)精度高、回差小、低振動(dòng)、剛性大和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人的“御用”減速器。

　　諧波減速器

　　諧波減速器由三部分組成：諧波發(fā)生器、柔性論和剛輪，其工作原理是由諧波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形，靠柔輪與剛輪嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力，并達(dá)到減速的目的；按照波發(fā)生器的不同有凸輪式、滾輪式和偏心盤(pán)式。諧波減速器傳動(dòng)比大、外形輪廓小、零件數(shù)目少且傳動(dòng)效率高。單機(jī)傳動(dòng)比可達(dá)到50-4000，而傳動(dòng)效率高達(dá)92%-96%。

　　行星減速器

　　行星顧名思義行星減速器就是有三個(gè)行星輪圍繞一個(gè)太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)的減速器。行星減速器體積小、重量輕，承載能力高，使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低。具有功率分流、多齒嚙合獨(dú)用的特性；是一種用途廣泛的工業(yè)產(chǎn)品，其性能可與其它軍品級(jí)行星減速器產(chǎn)品相媲美，卻有著工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的價(jià)格，被應(yīng)用于廣泛的工業(yè)場(chǎng)合。

　　精密減速器在工業(yè)機(jī)器人上的作用

　　工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力源一般為交流伺服電機(jī)，因?yàn)橛擅}沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，其伺服電機(jī)本身就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，為什么工業(yè)機(jī)器人還需要減速器呢？工業(yè)機(jī)器人通常執(zhí)行重復(fù)的動(dòng)作，以完成相同的工序；為保證工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中能夠可靠地完成工序任務(wù)，并確保工藝質(zhì)量，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定位精度和重復(fù)定位精度要求很高。因此，提高和確保工業(yè)機(jī)器人的精度就需要采用RV減速器或諧波減速器。精密減速器在工業(yè)機(jī)器人中的另一作用是傳遞更大的扭矩。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，一味提高伺服電機(jī)的功率是很不劃算的，可以在適宜的速度范圍內(nèi)通過(guò)減速器來(lái)提高輸出扭矩。此外，伺服電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動(dòng)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間和周期性工作的工業(yè)機(jī)器人這都不利于確保其精確、可靠地運(yùn)行。

　　精密減速器的存在使伺服電機(jī)在一個(gè)合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機(jī)器人各部位需要的速度，提高機(jī)械體剛性的同時(shí)輸出更大的力矩。與通用減速器相比，機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器要求具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點(diǎn)。大量應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上的減速器主要有兩類：RV減速器和諧波減速器。

　　相比于諧波減速器，RV減速器具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度。因此在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，一般將RV減速器放置在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置；而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部；行星減速器一般用在直角坐標(biāo)機(jī)器人上。

　　減速機(jī)的市場(chǎng)現(xiàn)狀

　　目前應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的減速機(jī)主要有兩種，一種是RV減速器，另一種是諧波減速器。在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，由于RV減速器具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度，一般將RV減速器放置在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置，而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部。對(duì)于高精度機(jī)器人減速器，日本具備絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，目前全球機(jī)器人行業(yè)75%的精密減速機(jī)被日本的Nabtesco和Harmonic Drive兩家壟斷（業(yè)界俗稱RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)），包括ABB、FANUC、KUKA等國(guó)際主流機(jī)器人廠商的減速器均由上述兩家公司提供。其中Harmonic Drive在工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)領(lǐng)域擁有15%的市場(chǎng)占有率。

　　據(jù)行業(yè)人士介紹，一臺(tái)精密減速器四大國(guó)際巨頭采購(gòu)價(jià)為3萬(wàn)元~5萬(wàn)元，賣(mài)給國(guó)內(nèi)關(guān)系好的客戶約7萬(wàn)元，關(guān)系一般的普通客戶約12萬(wàn)元，內(nèi)資企業(yè)采購(gòu)精密減速機(jī)的成本比國(guó)際巨頭貴一倍還多，可見(jiàn)其間的利潤(rùn)差別有多大。

　　2013年全球工業(yè)關(guān)節(jié)類機(jī)器人減速器的出貨量為73萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)6%。目前全球精密減速器市場(chǎng)基本上被日本的納博特斯克和德國(guó)的Harmonica Drive所壟斷。據(jù)上海機(jī)電的公告，日本的納博特斯克2012年銷(xiāo)售收入約30億、全球市場(chǎng)份額穩(wěn)居60%。

　　值得一提的是，日本納博特斯克公司從1980年代初提出RV型設(shè)計(jì)到1986年RV減速器研究獲得實(shí)質(zhì)性突破，花了6-7年時(shí)間；而國(guó)內(nèi)率先出結(jié)果的南通振康和恒豐泰花費(fèi)時(shí)間也為6-8年；可以看出，技術(shù)是沒(méi)有捷徑可走的。換句話說(shuō)，國(guó)內(nèi)RV減速器現(xiàn)在的發(fā)展水平還停留在日本八十年代后期。

　　據(jù)行業(yè)內(nèi)不具名人士透露，ABB、發(fā)那科、安川、庫(kù)卡等國(guó)際主流機(jī)器人整機(jī)廠商均由以上兩家日本公司提供減速機(jī)，并且與兩家公司有著非?？量痰暮献鳁l件，即在使用這兩家公司產(chǎn)品時(shí)不能再使用別家的產(chǎn)品，否則將解除合作關(guān)系。

　　南通振康去年的年產(chǎn)量是200多臺(tái)，產(chǎn)品已被多家機(jī)器人廠商試用，包括國(guó)外的ABB、KUKA、發(fā)那科以及國(guó)內(nèi)的埃夫特、埃斯頓等企業(yè)等。其中，埃夫特已經(jīng)通過(guò)試用后購(gòu)買(mǎi)了幾百臺(tái)RV減速器產(chǎn)品。

　　核心零部件一直限制這中國(guó)機(jī)器人的快速發(fā)展，因此早日實(shí)現(xiàn)加速器的國(guó)產(chǎn)化至關(guān)重要。

　　諧波減速器由三部分組成：諧波發(fā)生器、柔性論和剛輪，其工作原理是由諧波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形，靠柔輪與剛輪嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力，并達(dá)到減速的目的；按照波發(fā)生器的不同有凸輪式、滾輪式和偏心盤(pán)式。諧波減速器傳動(dòng)比大、外形輪廓小、零件數(shù)目少且傳動(dòng)效率高。單機(jī)傳動(dòng)比可達(dá)到50-4000，而傳動(dòng)效率高達(dá)92%-96%。