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工業機器人常用精密減速器技術分析

2015-07-11 20:09:29 未知

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工業機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執行裝置的、能夠完成各種移動或工藝來代替人類勞動的通用機器。通常在生產中能代替工人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業，或是危險、惡劣環境下的作業。它能夠提升生產的效率和產品的質量，是企業補充和替代勞動力的有效方案。

　　目前工業機器人發展特點是高速、精確、機身機構緊湊、多自由度和提高剛性，重點領域還要求重載或響應速度快。例如汽車整車生產的電焊機器人負載大部分在150-300Kg間，而電子領域的裝配機器人則需要快速的響應流水線上的配件。

　　減速器在機械傳動領域是連接動力源和執行機構之間的中間裝置，通常它把電動機、內燃機等高速運轉的動力通過輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的，并傳遞更大的轉矩。目前成熟并標準化的減速器有：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，在新興產業如航空航天、機器人和醫療器械等發展的需求下，需要結構簡單緊湊、傳遞功率大、噪聲低、傳動平穩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基礎上發展起來的，具有二級減速和中心圓盤支承結構。自1986年投入市場以來，因其傳動比大、傳動效率高、運動精度高、回差小、低振動、剛性大和高可靠性等優點是機器人的“御用”減速器。

諧波減速器

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

行星減速器

　　行星顧名思義行星減速器就是有三個行星輪圍繞一個太陽輪旋轉的減速器。行星減速器體積小、重量輕，承載能力高，使用壽命長、運轉平穩，噪聲低。具有功率分流、多齒嚙合獨用的特性；是一種用途廣泛的工業產品，其性能可與其它軍品級行星減速器產品相媲美，卻有著工業級產品的價格，被應用于廣泛的工業場合。

　　精密減速器在工業機器人上的作用

　　工業機器人的動力源一般為交流伺服電機，因為由脈沖信號驅動，其伺服電機本身就可以實現調速，為什么工業機器人還需要減速器呢？工業機器人通常執行重復的動作，以完成相同的工序；為保證工業機器人在生產中能夠可靠地完成工序任務，并確保工藝質量，對工業機器人的定位精度和重復定位精度要求很高。因此，提高和確保工業機器人的精度就需要采用RV減速器或諧波減速器。精密減速器在工業機器人中的另一作用是傳遞更大的扭矩。當負載較大時，一味提高伺服電機的功率是很不劃算的，可以在適宜的速度范圍內通過減速器來提高輸出扭矩。此外，伺服電機在低頻運轉下容易發熱和出現低頻振動，對于長時間和周期性工作的工業機器人這都不利于確保其精確、可靠地運行。

　　精密減速器的存在使伺服電機在一個合適的速度下運轉，并精確地將轉速降到工業機器人各部位需要的速度，提高機械體剛性的同時輸出更大的力矩。與通用減速器相比，機器人關節減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕和易于控制等特點。大量應用在關節型機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精度。因此在關節型機器人中，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置；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機器人上。

　　減速機的市場現狀

　　目前應用于機器人領域的減速機主要有兩種，一種是RV減速器，另一種是諧波減速器。在關節型機器人中，由于RV減速器具有更高的剛度和回轉精度，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置，而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部。對于高精度機器人減速器，日本具備絕對領先優勢，目前全球機器人行業75%的精密減速機被日本的Nabtesco和Harmonic Drive兩家壟斷（業界俗稱RV減速機和諧波減速機），包括ABB、FANUC、KUKA等國際主流機器人廠商的減速器均由上述兩家公司提供。其中Harmonic Drive在工業機器人關節領域擁有15%的市場占有率。

據行業人士介紹，一臺精密減速器四大國際巨頭采購價為3萬元~5萬元，賣給國內關系好的客戶約7萬元，關系一般的普通客戶約12萬元，內資企業采購精密減速機的成本比國際巨頭貴一倍還多，可見其間的利潤差別有多大。

　　2013年全球工業關節類機器人減速器的出貨量為73萬臺，同比增長6%。目前全球精密減速器市場基本上被日本的納博特斯克和德國的Harmonica Drive所壟斷。據上海機電的公告，日本的納博特斯克2012年銷售收入約30億、全球市場份額穩居60%。

　　值得一提的是，日本納博特斯克公司從1980年代初提出RV型設計到1986年RV減速器研究獲得實質性突破，花了6-7年時間；而國內率先出結果的南通振康和恒豐泰花費時間也為6-8年；可以看出，技術是沒有捷徑可走的。換句話說，國內RV減速器現在的發展水平還停留在日本八十年代后期。

　　據行業內不具名人士透露，ABB、發那科、安川、庫卡等國際主流機器人整機廠商均由以上兩家日本公司提供減速機，并且與兩家公司有著非常苛刻的合作條件，即在使用這兩家公司產品時不能再使用別家的產品，否則將解除合作關系。

　　南通振康去年的年產量是200多臺，產品已被多家機器人廠商試用，包括國外的ABB、KUKA、發那科以及國內的埃夫特、埃斯頓等企業等。其中，埃夫特已經通過試用后購買了幾百臺RV減速器產品。

　　核心零部件一直限制這中國機器人的快速發展，因此早日實現加速器的國產化至關重要。

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