工业机器人亟需国产替代的核心件:减速器

工业机器人亟需国产替代的核心件:减速器
 减速器产品主要应用于风电、核电、人工智能、 自动化产线、航空、精密机床、电梯、起升、叉车、 高铁、医疗、割草机、代步车等20多个行业和领域。其中用于工业机器人的减速器主要是谐波减速机和RV减速机,均是机器人行业的关键核心部件之一,占工业机器人整体成本的40%之多。

 

 

目前,国内已有不少的精密机械制造企业能生产谐波减速器,国内的市场份额已能达到40%以上,但在核心技术上(如使用寿命、精度、材料耐磨性)等方面,与德日产品仍有较大差距。而RV减速机的关键核心技术,仍基本掌握在欧美日等国家手中。国内企业仍处于初创发展期,能跻身于国际竞争的企业仅有一两家,仅占10%左右的市场份额,属于工业机器人、智能车行业亟需的进口替代产品。

 

 

一、谐波减速器

 

 

谐波传动器的由来

 

 

谐波传动是由美国发明家C.W.Musser于1955年发明创造的,它是一种利用柔性工作构件的弹性形变进行运动或动力传递的一种新型传动方式,它突破了机械传动采用刚性构件机构的模式,使用了一个柔性构件来实现机械传动.从而获得了一系列其他传动所难以达到的特殊功能。由于中间柔性构件的变形过程基本上是一个对称的谐波,故而得名。除前苏联把这种传动称为波形传动柔性轮传动外。美。英。德。日等国均称为 "谐波传动"。

 

 

谐波减速器的构造

 

 

刚轮∶刚性的内齿轮,一般情况下比柔轮多2个齿,通常固定在机壳上。

 

 

柔轮; 开口部外圈带有的薄杯型金属弹性部件,它随波发生器的转动而变形,通常与输出轴联接。

 

 

波发生器∶由一个椭圆形凸轮和一个柔性轴承组成,通常与输入轴联接。柔性轴承内圈固定在凸轮上,外圈可通过滚珠实现弹性形变成椭圆形。

 

 

谐波传动的工作原理

 

 

谐波减速器是利用柔轮、刚轮和波发生器的相对运动,主要是柔轮的可控弹性变形来实现运动和动力传递。波发生器内的椭圆形凸轮在柔轮内旋转使柔轮产生变形。在波发生器的椭圆形凸轮长轴两端处的柔轮轮齿和刚轮轮齿进入啮合时,短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿脱开。对于波发生器长轴和短轴之间的齿,沿柔轮和刚轮周长的不同区段内处于逐渐进入啮合的半啮合状态,称为啮入;处于逐渐退出啮合的半啮合状态,称为啮出。当波发生器连续转动时,柔轮不断产生形变,使两轮轮齿在啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态,产生错齿运动,实现主动波发生器到柔轮的运动传递。

 

 

国内谐波减速器的厂家状况

 

 

我国现阶段谐波减速器的制造能力还只相当于日本七八十年代的水平。国内谐波传动产业主要的问题是精度和精度保持能力差,承载能力差、噪声大,生产设备落后,产品种类少,企业规模偏小、研发人员和投入都不足。目前,国内能生产制造谐波减速器的企业有:绿的、瑞迪、中技克美、北京谐波、渭河等等品牌

 

 

国产谐波减速器能够和进口产品正面竞争的时刻也会很快来临,甚至比国产机器人还要快。“现在有些国外谐波减速器品牌已经几乎不在中国市场销售了,在中国销售的也处于缺货状态,接下来国产谐波减速器的入局者多了,数量和品质提升的同时价格又能降下来,那么国外品牌的机会非常渺茫。”-国内某知名谐波减速器企业负责人如是说。

 

 

二、RV减速器

 

 

一般来说,机器人一到四关节全部使用RV减速机,轻载机械人第五关节和第六关节有可能使用谐波减速机重载机械人全部关节都需要使用RV减速机。平均而言,每台机器人要使用4.5台RV减速器。由此可见,RV减速机对机器人来说有多重要。

 

 

RV减速器的应用和特点

 

 

RV减速器是由摆线针轮和行星支架组成以其体积小,抗冲击力强,扭矩大,定位精度高,振动小,减速比大等诸多优点被广泛应用于工业机器人,机床,医疗检测设备,卫星接收系统等领域。它较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命,而且回差精度稳定,不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著降低,故世界上许多国家高精度机器人传动多采用RV减速器,因此RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。

 

 

RV减速机结构

 

 

RV减速机,通常是2级减速机构,传动刚度高、传动比大(通常为30~260)、传动平稳、惯量小、输出转矩大、体积小、抗冲击力强等特点。结构上,RV减速机比谐波减速机更复杂,传动链较长,减速机间隙较大,传动精度不及后者,但是结构刚度更好、惯量更小、使用寿命更长。

 

 

RV减速机,由正齿轮(行星轮)、RV齿轮、曲柄轴、销(针齿销)、外壳(针轮)、输出轴等组成。

 

 

外壳(针轮),内侧加工有针齿,外侧加工有法兰和安装孔。

 

 

RV齿轮,在减速机中间,是减速机的核心。

 

 

RV减速机的减速工作原理

 

 

通过正齿轮变速、差动齿轮变速进行变速。

 

 

正齿轮变速,行星轮和太阳轮实现的齿轮变速,转速比=太阳轮齿数

 

 

/行星轮齿数

 

 

差动齿轮变速,行星轮带动曲轴旋转,曲轴带动RV齿轮摆动。两片RV齿轮的摆动过程相同,但是相位相差180°,而RV齿轮和针轮之间有针齿销,当RV齿轮摆动时,针齿销迫使RV齿轮沿针轮逐齿旋转。

 

 

通过不同的安装方式决定了不同的变速比,一般RV减速机的样本上只给出基本变速比 。用户可以根据实际的安装情况,计算出对应的传动比。

 

 

RV减速器的缺陷

 

 

在实际工况中RV减速器需要反复的精确定位,也就是不断的启动和刹车,为了保持一定精度不衰减,延长使用寿命,对针齿和针齿壳以及针齿销的加工精度、材料和工艺都有相当高的要求。这也是精密RV减速器较难生产的重要原因之一。

 

 

国内RV减速器的现状

 

 

RV减速机对 基本材料有很高要求,需具备高耐磨性、高刚性和高精度等性能,要求对材料的化学元素、含量和金相组织以及热处理工艺有严格要求。目前国产优质的RV减速机市场份额仅在10%,且品质不一。国内主要厂家有秦川发展、武汉精华、双环传动、南通振康、中大力德等。

 

 

动力方面

 

 

  • 1.仿真难点:在建模完成动力学的多体动力学仿真之后,才可能知道各阶振动的情况;

  • 2.非线性特征,造成差异巨大,一旦存在共振点在工作点附近,则受影响;

  • 3.与系统集成发生耦合,集成后的机器人的运行点(额定转速)作为激振频率,会造成部件损毁,系统运行的范围往往是连续调速,6轴机器人总有1个轴可能会额定点20%附近,除非经过良好的设计和实施;

  • 4.产品参数波动大,如此精密配合的系统,游隙/过盈配合只要偏差一点点,则接触刚度/啮合刚度都会差几倍,刚度矩阵的巨大变化造成了固有频率的波动。

 

 

国内RV减速器发展还存在产能扩大的瓶颈,涉及收费口、管理、技术等问题,日本的减速器出现供货周期延后的现象,最长的供货周期已经达到6个月以上,日本纳博特斯克的供货周期已从原来的2-3个月延长到现在的4-6个月,国产减速器产能不能在很短时间内实现成倍增长,无法满足不断扩大的市场需求。所以扩产不仅是国产减速器面临的问题,也是日本减速器面临的问题之一。

 

 

国产减速器一直以来参考的对象都是横向的国外进口减速器某型号,从没听说过某减速器专门为某国产机器人深度定制,一个工业机器人,并不是只有减速器就足够了,更重要的是和伺服系统、运动控制系统的结合才能达到高精度和高稳定性

 

 

延展介绍:减速机与机器人的亲密融合

 

 

当前主流的协作机器人都采用“模块化”思想的关节设计,即采用直驱电机+谐波减速器的方式,每个关节的内部结构基本一致,只是大小不太一样,例如iiwa的每个轴基本都是下图这样:

 

每一个关节中都包含了电机、伺服驱动、谐波减速器、电机端编码器、关节端位置传感器和力矩传感器,电机和减速器采用直连。

 

协作机器人将成为未来发展的主流机器人,其要满足目前机器人的新兴市场的主要客户--中小企业。当人与协作机器人共同工作的时候,安全是首要考虑的指标之一,安全意味着动能小,为了减少机器人运动时的动能,协作机器人就要较轻,结构简单。

 

 

一般情况下,一台工业机器人需要的减速器个数为4-6台。随着未来工业机器人的发展,中投顾问产业研究中心预测到2020年我国工业机器人减速器市场规模将超过40亿元,未来五年复合增长率约为30%。据行业人士介绍,一台精密减速器四大国际巨头采购价为3万元~5万元,卖给国内关系好的客户约7万元,关系一般的普通客户约12万元,内资企业采购精密减速器的成本比国际巨头贵一倍还多,可见其间的利润差别有多大。

 

 

据估计,到2020年中国每年需要消耗190000台机器人,到2025年实现机器人国产市场份额超70%。在未来五年,这将为中国制造商提供超过740亿美元的机器人及相关服务潜在市场随着我国工业机器人应用市场的快速发展,工业机器人用减速器市场需求规模也随之增长。


 

 

本文原作者为,原文网址为,转载请注明出处!如该文有不妥之处,请联系站长删除,谢谢合作~

版权声明:
作者:机器人产业网
链接:http://www.jiqiren.org.cn/zixun/517.html
来源:机器人产业网
文章版权归作者所有,未经允许请勿转载。

THE END
分享
二维码
< <上一篇
下一篇>>