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工業機器人的核心零部件:RV減速機的前世今生


當我們在無限憧憬機器人時代的時候,你可曾知道,機器人最關鍵的機械結構之一RV減速機,到今天,中國仍然不具備設計和製造能力。十二五時期,國家“863”計劃將其列入重點攻克的技術瓶頸。國內頂尖大學和科研機構幾年攻關也隻有論文,沒有實物。

機器人所有核心零部件中,減速機最為關鍵。

工業機器人成本結構大致如下:本體22%、伺服係統25%減速器38%、控製係統10%以及其他5%。簡單拆分國內6軸工業機器人成本(總成本25萬元),可以看出減速器和伺服電機兩項成本接近13萬元,主要以進口為主。

一、 RV減速機的機械原理

德國人勞倫茲·勃朗於1926年創造性地提出了一種少齒差行星傳動機構,它是用外擺線作為齒廓曲線的,這就是最早期的針擺行星傳動,由於兩個齧合齒輪其中之一采用了針輪的形式,這種傳動也被稱做擺線針輪行星齒輪傳動。

  RV傳動一種全新的傳動方式,它是在傳統針擺行星傳動的基礎上發展出來的,不僅克服了一般針擺傳動的缺點,而且因為具有體積小、重量輕、傳動比範圍大、壽命長、精度保持穩定、效率高、傳動平穩等一係列優點。

輸入軸的旋轉從輸入齒輪傳遞到直齒輪,按齒數比進行減速。這是第一減速部。

  第2減速部差動齒輪減速機構

  直齒輪與曲柄軸相連接,變為第二減速部的輸入。在曲柄軸的偏心部分,通過滾動軸承安裝RV齒輪。另外,在外殼內側僅比RV齒輪數多一個的針齒,以同等的齒距排列。

  如果固定外殼轉動直齒輪,則RV齒輪由於曲柄軸的偏心運動也進行偏心運動。此時如果曲柄軸轉動一周,則RV齒輪就會沿與曲柄軸相反的方向轉動一個齒。這個轉動被輸出到第2減速部的軸。將軸固定時,外殼側成為輸出側。

二、 RV減速機機器人的重要性

機器人第一關節到第四關節全部使用RV減速機,輕載機器人第五關節和第六關節有可能使用諧波減速機。重載機器人所有關節都需要使用RV減速機。平均而言,每台機器人使用4.5RV減速器2013年世界機器人銷量18萬台,需使用減速機90萬台。

  工業機器人的動力源一般為交流伺服電機,因為由脈衝信號驅動,其伺服電機本身就可以實現調速,為什麽工業機器人還需要減速器呢?工業機器人通常執行重複的動作,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,並確保工藝質量,對工業機器人的定位精度和重複定位精度要求很高。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,可以在適宜的速度範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,對於長時間和周期性工作的工業機器人這都不利於確保其精確、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,並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、質量輕和易於控製等特點。

  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。相比於諧波減速器,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。

  同時,RV減速機較機器人中常用的諧波傳動具有高得多的疲勞強度、剛度和壽命,而且回差精度穩定,不像諧波傳動那樣隨著使用時間增長運動精度就會顯著降低,故世界上許多國家高精度機器人傳動多采用RV減速器,因此,該種RV減速器在先進機器人傳動中有逐漸取代諧波減速器的發展趨勢。

  三、RV減速機發展編年史

  11926年德國人勞倫茲·勃朗於創造性地提出RV減速機原理

  21931年勞倫茲·勃朗在德國慕尼黑創建了賽古樂股份有限公司,最先開始了擺線減速器的製造和銷售

  31939年,日本住友公司和賽古樂公司簽定了技術合作協議,並生產銷售;

  41944年,日本帝人精機成立,這個未來的RV減速機霸主,在飛機製造、紡織機械、機床等多個行業碩果累累;

  51950-1960年,擺線磨床的出現,解決了擺線齒形的精度不高的難題,使擺線傳動得到了進一步的發展。

  61956年,日本納博克公司發售全球第一個自動門,在市場上展露頭角。

  71980年左右,日本帝人精機提出RV傳動理論,著手應用於機器人行業。

81986年,日本帝人精機RV減速機正式大規模生產,取得成功;

92003年,帝人精機和納博克合並組成Nabtesco(納博特斯克)公司,並取得快速發展,現在已成為RV減速機行業的領頭羊,占據了60%以上的市場,特別在中/重負荷機器人上,其RV減速機市場占有率高達90%

四、中國RV減速機行業發展現狀

RV減速機方麵,我國從二十世紀五十年代起開始研究行星齒輪傳動裝置,六十年代從國外引進,盡管在理論和仿製方麵取得了一些成果,但與日本的同類最新產品相比,我們研製的擺線針輪減速器從整體性能、使用壽命、傳動精度、承載能力到新產品的進一步開發升級都存在著相當多的不足之處。

 一台精密減速器ABBKuka、安川等國際巨頭采購價為3萬元~5萬元,賣給我國企業約7萬元,普通企業約12萬元,我國企業采購精密減速機的成本比國際巨頭貴一倍還多。

  據高工機器人產業研究所(GRII)數據統計,國內有353機器人企業,其中研究減速器的隻占到13家,研究RV減速器的隻有5家。

  2010年,南通AG亚游官网焊接機電有限公司研製開發的可用於高端工業應用領域(機器人)傳動核心部件RV減速裝置以及係列交流伺服電機,投入批量生產,更獲得市場廣泛認可。2013年產量200多台。

  2014720日,武漢市精華減速機製造有限公司總經理餘運清透露,自主研發的一種精密減速機剛獲得檢驗通過,有望替代進口,降低工業機器人國產化成本。

  20147月,秦川發展發布公告稱,計劃投資1.94億元進行9萬套(一期)工業機器人關節減速器技術改造項目建設。此舉將國產機器人RV減速器的研發製造推進了人們的視野。

  在上市公司中還有巨輪股份跟新鬆機器人都在進行RV減速器的研究,但目前尚未取得實質性的結果。

  在經濟轉型升級和我國人口老齡化進程日益加快的情況下,機器人產業的發展迎來一個需求快速發展的階段。2013年中國市場共銷售工業機器人近3.7萬台,約占全球銷量的1/5,總銷量超過了日本,位居全球第一。預計中國有望在2016年成為全球最大的機器人市場,保有量將超過15萬台。Nabtesco都計劃投資近50億日元在中國新建工廠,自2016年起投產製造工業機器人用的核心零部件-RV減速機,計劃每年產量10萬台,2020年達20萬台。

  這麽大的市場需求,目前看與中國企業幾乎無緣,我們期待著中國企業能夠早日突破技術瓶頸,贏得市場。