工業(yè)機器人精密減速器的應(yīng)用及現(xiàn)狀

熊嘉豪 張廣宇 孫啟凡

摘要：工業(yè)機器人精密減速器是機器人控制系統(tǒng)中的核心零部件，由于工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器速度較高，需要減速器來提高機械手的控制精度。我國的減速器發(fā)展起步較晚，受到數(shù)控機床加工精度的限制，很難生產(chǎn)高精度的減速器，減速器的市場份額大部分都被國外市場壟斷。隨著國家提出大力支持科技創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，擺脫核心技術(shù)受制于人的現(xiàn)狀，我國減速器將迎來重大的發(fā)展機遇。

關(guān)鍵詞：控制精度;工業(yè)機器人;減速器;科技創(chuàng)新

Abstract：The precision reducer of an industrial robot is the core component of the robot control system.Due to the high speed of the end effector of the industrial robot，a reducer is required to improve the control accuracy of the manipulator.The development of reducers in our country started late.Due to the limitation of the machining accuracy of CNC machine tools，it is difficult to produce high-precision reducers.Most of the market share of reducers is monopolized by foreign markets.As the country proposes to vigorously support scientific and technological innovation and get rid of the status quo that core technology is restricted by others，my country's reducer will face crucial development opportunities.

Key words：control precision;industrial robot;reducer;technology innovation

機器人被譽為“位于制造業(yè)頂端的明珠”，機器人技術(shù)是推動國家工業(yè)化和智能化的重要引擎。當前，中國處于產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵時期，也是重大的發(fā)展機遇期。機器人技術(shù)已經(jīng)成為推動中國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量。我國的機器人行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為機器人生產(chǎn)和使用大國，但是在工業(yè)機器人核心零部件減速器生產(chǎn)方面，我國仍然處于行業(yè)內(nèi)較低的水平。本文詳細介紹了工業(yè)機器人減速器的分類和應(yīng)用場合，并以RV減速器為例子，分析計算其傳動比和齒輪的基本參數(shù)。最后，本文展望未來，指出了我國減速器發(fā)展受制于人的原因和下一步發(fā)展方向。只有盡快研究出高精密度的減速器，我們的國產(chǎn)機器人行業(yè)才能高質(zhì)量的發(fā)展。

一、機器人減速器的分類

工業(yè)機器人的減速器主要有三種類型，分別是：諧波減速器、RV減速器、行星減速器三種。RV減速器主要由第一級漸開線圓柱齒輪行星減速機構(gòu)和第二級擺線針輪行星減速機構(gòu)兩個部分構(gòu)成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、震動小、能耗低、兩級減速、圓盤穩(wěn)定性較強的特點。比起單純的擺線針輪行星傳動，其體積較小，而且過載能力強，輸出軸的剛性大，目前被廣泛的應(yīng)用于機器人的減速器之一。諧波減速器是一種利用柔性構(gòu)件的彈性變形波來進行動力傳動變換的新型齒輪減速器。其組成部分主要有三種：諧波發(fā)生器、柔性輪和鋼輪。諧波減速器具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動精度高，傳動比大，傳動效率可以達到90%以上，在對機器人控制精度要求較高的場合經(jīng)常用到。行星減速器中心是由太陽輪組成，三個行星以太陽輪為中心進行旋轉(zhuǎn)運動。其運動方式類似于地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。行星減速器具有體積較小，攜帶負載大，運行平穩(wěn)，壽命長的特點。是一種加工精度較高的減速器系統(tǒng)，可以達到軍用的精度要求。由于其造價不高，也在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

（一）RV減速器的原理

RV減速器主要用于機器人的關(guān)節(jié)運動中，對于機器人本體的工作末端影響至關(guān)重要。減速器使得機器人具有相當高精度和準確可靠的運動。RV有兩級減速齒輪，第一級減速是對輸入和輸出齒輪進行外嚙合，第二層減速通過正側(cè)齒輪推動偏心軸，執(zhí)行安裝在偏心軸的RV齒輪，RV齒輪將做偏心運動。相對于第一層來說，第二級的傳動因為輸入方向轉(zhuǎn)速不高，所以整體傳送更加穩(wěn)定。輸出機構(gòu)通過推力球軸承安裝于外殼內(nèi)部，支撐剛度大、承載能為強。相對于傳統(tǒng)的擺線傳動來說，因為在整個結(jié)構(gòu)兩邊都有法蘭盤作為支撐，顯著提升它的扭轉(zhuǎn)剛性承載能力。在目前現(xiàn)有的機器人當中，絕大部分是使用RV型的減速器。圖1是RV減速器的組成結(jié)構(gòu)圖。

1.機架外 2.輸入齒輪 3.直齒輪4.曲軸 5.RV齒輪 6.針輪 7.輸出法

（二）諧波減速器的工作原理

諧波減速器主要是安裝在機械臂的各個關(guān)節(jié)里面，減速器精度影響著機器人的操作精度以及生產(chǎn)效益。目前，全球大多數(shù)的高精度減速裝置都是由位于日本Harmonic Drive Systems Inc公司生產(chǎn)的。我國減速器發(fā)展進度較慢，技術(shù)相對不成熟，減速器的精度水平與日本有很大的差距。多年來，減速器的核心工藝和技術(shù)一直被外國壟斷。機器人減速器的進口成本一直居高不下，成為我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大阻力。諧波減速器主要由諧波發(fā)生器，柔性齒輪和剛性齒輪三個部分組成。在三個傳動裝置中，一般可以固定一個為重動軸，而另外兩個為主動軸。運用傳動比與齒輪齒數(shù)成正比的規(guī)律，可以對機械手關(guān)節(jié)進行分級調(diào)速。一般的減速其中諧波發(fā)生器作為主動軸，柔性齒輪和剛性齒輪作為從動軸。多級的諧波齒輪傳動比大，可以實現(xiàn)對機器人關(guān)節(jié)的高效和快速檢測。由于諧波齒輪傳動中齒數(shù)嚙合較多，容易引起齒輪零部件的疲勞失效，故柔輪通常采用高剛度材料，齒輪的負載能力強。

（三）精密行星減速器的工作原理

精密行星是由行星輪、太陽輪、內(nèi)齒圈組成的。由于其體積小的特點，一般傳動比不會超過10。相對于諧波和RV減速器而言，行星減速器具有較高的強度和控制精度，扭矩的傳動效率高。行星減速器是由三個行星輪繞著一個太陽輪旋轉(zhuǎn)，具有質(zhì)量輕、體積小、負載能力強、啟動平穩(wěn)的特點。行星減速器多用于步進電機和伺服電機的減速運動，其功能主要是讓電機的運動轉(zhuǎn)矩下降，扭矩上升，從而降低機器人關(guān)節(jié)電機的運行速度。對于控制精度要求較高的場合，一般采用伺服電機來驅(qū)動機器人控制。

（四）RV減速器的傳動原理

圖2所示的RV減速器傳動結(jié)構(gòu)簡圖主要由兩級減速裝置組成。第一級減速裝置是由偽行星輪組成，其傳動方式是外嚙合傳動。而第二級是采用少齒差行星輪內(nèi)嚙合傳動。該減速器有三根曲軸，可以提升機器人控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性。機器人關(guān)節(jié)的速度調(diào)節(jié)主要由行星輪來控制，可以將機器人的速度信息傳遞給輸出軸，從而達到控制機器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速的目的。

1.偽行星輪 2.輸出軸 3.行星輪4.曲柄軸 5.輸入齒輪軸 6.內(nèi)齒輪

二、國內(nèi)外減速器發(fā)展現(xiàn)狀

從全球精密減速器市場格局可以看出，日系企業(yè)占據(jù)了大量的市場份額。機器人精密減速器制作要求較高的工藝流程和工程規(guī)范，因此制造精密減速器所需成本高，加工精度要求高，有很大的技術(shù)壁壘。我們可以從圖3中看到，在全球工業(yè)機器人減速器的市場中，日本的納博斯特在RV減速器處于壟斷地位。兩家?guī)缀跽紦?jù)了全球75%的市場。而另一家住友重工也占了10%的市場。反觀我國的減速器起步較晚，最早的秦川機床也要等到1987年才開始從事減速器的研究。但是，受到國內(nèi)加工水平的限制，我國RV減速器相較于國外，缺點主要是受制精度不能長時間保持，這與我國的基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展底子較薄也有關(guān)系。當前，我國提出了工業(yè)和數(shù)字產(chǎn)業(yè)升級，相信在不久的將來，我國的工業(yè)生產(chǎn)水平能逐漸向高端邁進。為了提升機器人減速器的控制精度，只有改進當前的生產(chǎn)工藝，提高擺線輪和軸承的控制精度，我們國家的減速器研究才能取得更大的進步。

三、結(jié)語

隨著國家智能制造“2025”的提出，我國不斷支持和鼓勵機器人核心部件的研發(fā)工作。據(jù)悉，目前的一個機器人本體，有50%的利潤要被國外廠商賺走。比如，在減速器核心技術(shù)處于壟斷地位的日本哈默納科公司，利用其技術(shù)優(yōu)勢，哈莫納科公司賺取了大量的利潤。此外，在機器人伺服系統(tǒng)和控制器方面，中國還與國外的先進產(chǎn)品有著不少的差距。目前，國內(nèi)的廠商想要彌補差距，需要對減速器進行優(yōu)化設(shè)計，滿足減速器的精度和強度要求。同時，先進的制造業(yè)是生產(chǎn)精密減速器的關(guān)鍵，我們國家當前面臨的問題就是減速器運行一段時間后，精度難以保持。特別是材料成型和加工方面，我們相較于日本的減速器還有不小的差距。在未來，我相信在國家大力的支持下，我國一定能突破機器人的技術(shù)瓶頸，突破國產(chǎn)加速器定位精度低、壽命短的缺點。

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