数控车床机器人的缺陷(国产机器人不行的原因竟是减速机？)

Posted 2023-05-27

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数控车床机器人的缺陷(国产机器人不行的原因竟是减速机？)

近年来，我国工业机器人产业发展势头强劲，技术水平不断提升。据CRIA与IFR统计，2019年中国自主品牌工业机器人销售近4．5万台，在国内市场占有率提升到了32.2%，销售同比增长16.2%。外资品牌工业机器人在中国销售同比下降10.98%，但外资品牌瑞士abb、德国库卡、日本安川电机、日本发那科“四大家族”企业依旧占据国内市场的近68%。国内外工业机器人的主要差距在哪里呢？不少人把矛头指向了工业机器人的核心部件—减速机。

一、减速机是什么？

减速机顾名思义降低运动速度，增加扭矩，提高精度的机械装置。其目的是提高机器的运行精度、延长其使用寿命、保障其运行过程中的稳定性与可靠性。减速机是装备制造业中一种极为重要的基础件，广泛应用于工业机器人、数控机床等机械设备上。减速机就好比汽车上的变速箱，只不过其控制速度和精度比变速箱高得多。减速机作为技术壁垒最高的工业机器人关键零部件，按结构不同可以分为五类：谐波齿轮减速机、RV（旋转矢量）减速机、摆线针轮减速机、精密行星齿轮减速机和滤波齿轮减速机。

图1六轴机器人减速机位置

这五种减速机中RV减速机和谐波齿轮减速机是工业机器人最主流的精密减速机，并且在机器人大臂关节处（六轴机器人A2、A3轴负载较重的大臂及底座A1位置）一般应用RV减速机，而在机器人前端小臂关节处多应用谐波减速机，如图1所示，简单介绍一下两种减速机工作原理。

谐波齿轮减速机

谐波减速机是依靠齿轮的弹性变形运动来达到减速的目的，由波发生器、柔轮和刚轮组成，依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，并靠柔轮与刚轮啮合来传递运动和动力，如图2所示。谐波减速机的技术难点主要体现在柔轮寿命和加工精度上。

图2谐波齿轮减速机原理/学位论文作者：李伟勇

RV减速机

RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成。典型的RV减速机如图3所示，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且具有体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。RV减速器制造核心难点在各项工艺的密切配合，包括：齿面热处理、加工精度、零件对称性、成组技术、装配精度等，这些工艺总装公差总分配带来的结果是产品的磨损和寿命。

图3 RV减速机爆炸结构图/百度百科

二、国产减速机：行路之难

市场占有率低

目前，世界75%的精密减速机市场被日本的Harmonica公司和Nabtesco公司所占领，其中Nabtesco的RV减速机约占60%的市场份额，Harmonica的谐波减速机约占15%。RV减速机国产化研发始于上世纪90年代，开始主要是工艺、寿命和精度等瓶颈制约了RV减速机制造商的成长。但随着中国制造业能力水平的提升及国内机器人市场爆发式增长，许多国内减速机厂家脱颖而出。尤其是在高精度RV减速机和谐波减速机产品研制方面，国内已经有一些可替代产品。

传动精度和可靠性有待优化提升

减速机的传动精度跟空程和背隙有关，背隙也叫回程间隙是指齿轮与齿轮之间的间隙。一般回程间隙越低，减速机的传动精度越高且减速机价格也越贵、其传动效率和精度也就越高。减速机的精度单位为弧分，轴转一圈为360度，一度=60弧分=3600弧秒，间隙的单位是弧分arcmin，一般称低于3分（3‘）的称为高精度型，15分（15’）以上为低精度型。

根据相关资料国内外减速机的主要性能参数如表1所示。在基本相同的转速和功率下，Nabtesco的RV减速机和国产RV减速机的输出扭矩范围基本相当，说明在传动扭矩上国内已经可以与国外相媲美。而国产的RV减速机包括谐波减速机在内的齿轮寿命、传动精度等方面距离国外还有较大差距。比如国内的谐波减速机齿轮寿命目前能够做到1.5万小时，而同规格的国外的齿轮寿命能做到5万小时。但好在国内的产品经过几年的发展，减速机齿轮的寿命已经从9000小时提高到1.5万小时，发展势头可喜。

表1国内外减速机的主要性能参数对比/根据文献整理

有资料显示国产减速机在运行一段时间后会有精度不能保持的问题，其实所有的机器人都有此类问题，国内外的差距主要在于减速机材料耐磨性不同导致寿命不同的结果，再者减速机的齿轮精度相比国外同类产品其加工精度不同。所以扩大减速机材料研制和数控加工设备研究将有助于我们解决精度问题。

国产减速机的破壁之路

国内知名减速机产品厂家研发的RV减速机和谐波减速机产品及发展情况如图4和表2所示。因此，机器人减速机核心零部件国内企业已经研制出来，尽管在技术和质量方面与国外尚有差距，但总体上每一类核心零部件都已形成3～5家种子企业，配套产业集群效应正在逐渐发力，未来可期。与此同时，在减速机控制系统和相关软件算法方面国内企业现在已经开始发力。2017年国内厂商实现了高性能控制系统的自主研发。通过算法实现拖动示教、碰撞检测、柔顺控制等功能，还赋予了工业机器人高精、高速、稳定、协作的性能，而这些性能都离不开减速机的功劳。

图4国产品牌的RV减速机和谐波减速机

表2中国工业机器人减速机研发进展

三、研发难点及未来突破方向

国内厂商在减速机设计制造领域奋起直追，经过一定时间的积累，目前取得了很大的进步，如图5。减速机结构紧凑要实现满足多项关键功能的集成，同时实现结构紧凑，高扭矩、高精度、高传动效率、低背隙等关键指标。研发的难点主要是在于减速机的传动精度、齿轮结构加工工艺及精度、零部件寿命等方面。

国产减速机近年需要突破的方向，大致可以分为三个大方面：

（1）重点研究减速机动力学理论、回转误差建模，分析产生传动误差的原因和优化措施。

（2）重点研究能够达到最优技术指标的材料制造工艺及组件加工工艺，提高工件的使用寿命和加工精度，加大制造装备投入，提升加工制造能力。

（3）加强零部件检测能力建设，建立工业机器人精密减速机检测中心，制定相关行业标准，对各类关键部件实施全面的性能检测和产品认证。

图5博览会上的国产工业机器人/新华社作者：沙达提

结语：

减速机是工业机器人的核心部件，掌握高寿命、高精度减速机制造技术是国产工业机器人未来能否进入高端市场的关键。目前国内减速机企业已经奋起追赶并取得了不菲成绩，相信近几年是国产减速机的快速发展时期。未来国产机器人市场占有率会大幅提升并形成庞大产业链，高端减速机行业必将成为国民经济的重要组成部分。