工業(yè)機(jī)器人用精密減速器研究現(xiàn)狀

林江海 黃鵬程 王燕霜* 王加祥 王東峰

（1.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），濟(jì)南 250353； 3.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，洛陽(yáng) 471039）

隨著我國(guó)社會(huì)老齡化程度的加劇和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)改造，我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求逐年遞增。截至2018 年，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)[1]。從工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成結(jié)構(gòu)上分析，完整的工業(yè)機(jī)器人包括減速器、伺服電機(jī)和控制器3 大核心零部件。工業(yè)機(jī)器人制造產(chǎn)業(yè)的總成本表明：我國(guó)機(jī)器人3 大核心零部件的占比分別為32%、22%及12%[2]，制造成本占工業(yè)機(jī)器人總制造成本的70%。精密減速器作為工業(yè)機(jī)器人最重要的基礎(chǔ)部件，直接關(guān)系到機(jī)器人的反應(yīng)速度和功能實(shí)現(xiàn)精度，即精密減速器的性能直接決定了機(jī)器人的整體性能水平。

1 精密減速器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在工業(yè)機(jī)器人用精密減速器領(lǐng)域，國(guó)外企業(yè)起步早，技術(shù)積累時(shí)間久，而國(guó)內(nèi)企業(yè)處于相對(duì)落后的狀態(tài)。但是，隨著國(guó)家政策和國(guó)內(nèi)外環(huán)境的變化，國(guó)內(nèi)精密減速器領(lǐng)域也取得了巨大進(jìn)步。

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外企業(yè)對(duì)于精密減速器領(lǐng)域的研究已有100 多年的歷史。經(jīng)過(guò)100 多年的技術(shù)沉淀和積累，在精密減速器的研發(fā)、設(shè)計(jì)與制造方面，國(guó)外企業(yè)一直處于壟斷領(lǐng)先地位。不論是技術(shù)還是市場(chǎng)開(kāi)拓，國(guó)內(nèi)企業(yè)與之尚存在一定的差距。值得注意的是，目前的全球精密減速器市場(chǎng)中，日本企業(yè)占據(jù)了半壁江山。以Nabtesco 生產(chǎn)的RV 減速器為例，該企業(yè)的產(chǎn)品占據(jù)了全球RV 減速器市場(chǎng)約60%的份額。此外，Harmonica 生產(chǎn)的諧波減速器和SUMITOMO 生產(chǎn)的行星齒輪減速器也都在全球市場(chǎng)占據(jù)著重要份額[3]。除日本外，韓國(guó)[4-6]、美國(guó)[7]及斯洛伐克[8]等國(guó)家近幾年不斷進(jìn)行各種技術(shù)創(chuàng)新，推出各種新型精密減速器產(chǎn)品，且研制的各種型號(hào)的精密減速器當(dāng)前仍處于保密狀態(tài)?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)前全球工業(yè)機(jī)器人用精密減速器市場(chǎng)仍是以歐美和日韓為主導(dǎo)的市場(chǎng)，且其技術(shù)一直在不斷發(fā)展和更新。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人用精密減速器領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)積累較為薄弱。自20 世紀(jì)60 年代諧波減速器技術(shù)引入我國(guó)之后，幾十年的時(shí)間，我國(guó)的精密減速器行業(yè)從無(wú)到有，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)檢驗(yàn)現(xiàn)已發(fā)展較為完備，具備一定的設(shè)計(jì)、研發(fā)及制造能力。特別是進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展涌現(xiàn)出了一大批精密減速器企業(yè)，其中比較有代表性的有上海機(jī)電、秦川發(fā)展、綠的諧波、南通振康和浙江恒豐泰等民族企業(yè)。近年來(lái)，這些企業(yè)與科研院所合作，在減速器設(shè)計(jì)方面有所建樹(shù)，如減速器設(shè)計(jì)理論研究[9-12]、減速器加工工藝研究[13-17]及減速器整機(jī)性能測(cè)試研究[18-19]等方面。雖然國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的精密減速器在精度及壽命上達(dá)不到國(guó)外企業(yè)的水平，但由于我國(guó)企業(yè)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，在國(guó)內(nèi)及國(guó)際也占據(jù)了一定的市場(chǎng)。

目前，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人精密減速器核心零部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口，精密減速器單項(xiàng)占總機(jī)的成本達(dá)到30%以上。由于核心零部件的成本過(guò)高，導(dǎo)致我國(guó)精密減速器行業(yè)及工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的受到了一定阻礙。所以，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該立足當(dāng)下，積極尋求與國(guó)外企業(yè)的合作，爭(zhēng)取以合作共贏的方式彌補(bǔ)技術(shù)上的不足。

2 工業(yè)機(jī)器人用精密減速器的分類

2.1 RV 減速器

最早提出RV（Rotate Vector）減速器概念的是德國(guó)Braren 博士。1926 年，Braren 博士創(chuàng)造性地提出在精密機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用擺線齒廓，并在隨后的幾年開(kāi)始批量生產(chǎn)和銷售擺線減速器[20]。RV 減速器日后在世界范圍內(nèi)大規(guī)模商業(yè)化推廣應(yīng)用，主要?dú)w功于日本的Nabtesco 公司。該公司在研制適配機(jī)器人關(guān)節(jié)手臂的減速器時(shí)，首次正式將RV 減速器的概念規(guī)?；⒃谝院蟮纳a(chǎn)實(shí)踐中將其產(chǎn)業(yè)化[21-23]。

RV 減速器的實(shí)物圖，如圖1 所示[24]。從本質(zhì)上來(lái)講，RV 減速器是以擺線針輪行星傳動(dòng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的工業(yè)機(jī)器人用精密減速器。按照行星輪系基本結(jié)構(gòu)，可以將其歸類為2K-V 型行星傳動(dòng)裝置。該減速器主要包括兩級(jí)傳動(dòng)裝置，分別為漸開(kāi)線行星齒輪傳動(dòng)和擺線針輪行星傳動(dòng)。漸開(kāi)線行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中包括行星直齒輪、偏心軸和中心輪，擺線針輪行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中包括擺線輪、偏心軸、針齒和行星架。

2.2 諧波減速器

諧波減速器是以行星齒輪傳動(dòng)為原理研制的精密減速器，主要包括波發(fā)生器、柔輪與剛輪[25]，如圖2所示。此類型減速器工作時(shí)，波發(fā)生器會(huì)發(fā)生可控變形，同時(shí)依靠柔輪、剛輪的嚙合傳遞動(dòng)力。諧波減速器中一般將諧波發(fā)生器作為主動(dòng)軸，將柔輪與鋼輪作為從動(dòng)軸[26-28]。諧波減速器不僅在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到了應(yīng)用推廣，也在其他諸如航空航天、精密加工設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 精密行星減速器

精密行星減速器體積比較小，主要包括行星輪、太陽(yáng)輪和內(nèi)齒圈。精密行星減速器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，傳動(dòng)比都在10 以內(nèi)，且減速級(jí)數(shù)一般不會(huì)超過(guò)3級(jí)。市場(chǎng)上認(rèn)可度較高的精密減速器為德國(guó)SEW 和FLENDER。此外，國(guó)產(chǎn)四通精密行星減速器在我國(guó)也占有一定的市場(chǎng)。

2.4 擺線針輪行星減速器

擺線針輪行星減速器是以應(yīng)用行星式傳動(dòng)為基礎(chǔ)、以擺線針齒嚙合為載體的傳動(dòng)裝置，如圖3 所示。與其他減速器結(jié)構(gòu)類似，構(gòu)成擺線針輪行星減速器主要分為輸入部分、減速部分和輸出部分。不同于其他減速器，擺線針輪行星減速器在輸入端設(shè)有一個(gè)雙偏心套，并在偏心套上配有兩個(gè)滾珠軸承，構(gòu)成了該減速器的H 機(jī)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)組成了擺線針輪行星減速器種齒差為1 的內(nèi)嚙合減速結(jié)構(gòu)[29-32]。擺線針輪行星減速器承載能力大，因此被廣泛應(yīng)用于如礦山、化工和起重等工程機(jī)械領(lǐng)域。

2.5 濾波齒輪減速器

濾波齒輪減速器由重慶大學(xué)的梁錫昌教授研發(fā)[33]。該減速器屬于NN 型少齒差減速器，主要包括偏心減速機(jī)構(gòu)、濾波花鍵機(jī)構(gòu)和三向止推軸承。作為我國(guó)首款自行研制的精密加速器，濾波齒輪減速器的出現(xiàn)標(biāo)志著我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人用精密減速器領(lǐng)域取得了原創(chuàng)性突破，打破了國(guó)外企業(yè)在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，在精密減速器領(lǐng)域中國(guó)制造向中國(guó)“智”造轉(zhuǎn)變過(guò)程中具有里程碑意義。

3 工業(yè)機(jī)器人用精密減速器的特點(diǎn)

3.1 RV 減速器的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的擺線針輪行星傳動(dòng)相比，RV 減速器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，RV 減速器采用兩級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，故其傳動(dòng)比的范圍較其他結(jié)構(gòu)的減速器更大，傳動(dòng)效率更高。根據(jù)測(cè)算，RV 減速器的傳動(dòng)比可在31 ～171 范圍內(nèi)浮動(dòng)，同時(shí)傳動(dòng)效率可達(dá)85%～92%。其次，RV 減速器低速級(jí)擺線輪結(jié)構(gòu)為180°對(duì)稱分布，使得擺線輪的結(jié)構(gòu)受力均勻、嚙合次數(shù)增加，提高了減速器傳動(dòng)的平穩(wěn)性和減速器的承載能力。最后，RV 減速器采用兩端支撐的輸出結(jié)構(gòu)，相比普通的擺線減速器，其剛性和耐過(guò)載沖擊性能得到大幅度提升，傳動(dòng)精度與傳動(dòng)誤差得到大幅優(yōu)化。因此，RV 減速器在工業(yè)機(jī)器人用精密減速器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

3.2 諧波減速器的特點(diǎn)

諧波減速器最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在密閉空間內(nèi)傳遞運(yùn)動(dòng)。此外，諧波減速器的運(yùn)動(dòng)精度高，質(zhì)量和體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。多級(jí)諧波齒輪具有較大的傳動(dòng)比，在機(jī)器人中可以完成快速檢測(cè)。但是，諧波減速器的缺點(diǎn)也較為明顯。因?yàn)橹C波減速器工作時(shí)柔輪每轉(zhuǎn)一次就會(huì)產(chǎn)生橢圓變形兩次，所以容易引起材料的疲勞破壞，并在工作時(shí)產(chǎn)生一定的傳動(dòng)誤差[34]。由于這一缺點(diǎn)，柔輪通常使用高強(qiáng)度材料，以提高其齒輪的負(fù)載能力。

3.3 精密行星減速器的特點(diǎn)

精密行星減速器在運(yùn)行過(guò)程中一個(gè)太陽(yáng)輪有3 個(gè)行星輪繞轉(zhuǎn)，所以其體積小、質(zhì)量較輕，相較于其他減速器啟動(dòng)更加平穩(wěn)，且剛性、精度和扭矩高。精密行星減速器的主要應(yīng)用場(chǎng)合為步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，用以降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩。

3.4 擺線針輪行星減速器的特點(diǎn)

擺線針輪行星減速器是K-H-V 型行星齒輪傳動(dòng)，屬于少齒差行星齒輪傳動(dòng)。該類型減速器的單級(jí)傳動(dòng)比范圍可達(dá)6 ～110，傳動(dòng)效率為0.90 ～0.95。相比于其他減速器，擺線針輪行星減速器可減少2/3 的體積和1/3 的質(zhì)量。但是，擺線針輪行星減速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，生產(chǎn)成本高。此外，擺線針輪行星減速器轉(zhuǎn)臂軸承易過(guò)載，影響整體的壽命和承載能力。

3.5 濾波減速器的特點(diǎn)

濾波減速器從結(jié)構(gòu)上解決了諧波減速器中柔輪易變性、導(dǎo)致材料容易疲勞等缺點(diǎn)。它在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)扭矩大，具有更長(zhǎng)的使用壽命，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[35]。

4 主要性能指標(biāo)

工業(yè)機(jī)器人精密減速器的性能指標(biāo)可以分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩部分。

4.1 靜態(tài)特性

4.1.1 扭轉(zhuǎn)剛度

扭轉(zhuǎn)剛度指的是當(dāng)扭轉(zhuǎn)力矩作用于減速器構(gòu)件時(shí)構(gòu)件本身的抗變形能力，表示為：

式中：T2是輸出軸扭矩：θout為輸出角度。

4.1.2 傳動(dòng)效率

精密減速器輸出軸實(shí)際輸出功率與理論輸出功率的比值為傳動(dòng)效率，表示為：

式中：T1、T2分別為輸入軸扭矩和輸出軸扭矩；i 為減速器的傳動(dòng)比。

4.1.3 空程輸入軸由正向變?yōu)榉崔D(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)角滯后量為空程。

4.1.4 傳動(dòng)誤差

傳動(dòng)誤差指的是輸入軸單向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸實(shí)際輸出角度與理論輸出角度的差值。

4.1.5 啟動(dòng)扭矩

減速器輸入軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的瞬間力矩為啟動(dòng)扭矩。由于減速器在啟動(dòng)階段會(huì)遇到摩擦力矩的限制阻礙其啟動(dòng)，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩比減速器自身的摩擦力矩大時(shí)，減速器才開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.1.6 背隙

當(dāng)在精密減速器輸入端添加一定量的額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，減速器的輸入端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小位移角，這個(gè)位移角就是背隙。背隙的存在會(huì)影響輸入端的輸出精度。

4.1.7 傳動(dòng)精度

減速器工作時(shí)，輸入軸輸入動(dòng)力后，輸出軸會(huì)存在實(shí)際轉(zhuǎn)角和相對(duì)理論轉(zhuǎn)角兩個(gè)轉(zhuǎn)角。這兩個(gè)轉(zhuǎn)角的接近程度就是傳動(dòng)精度，會(huì)影響整個(gè)減速器的正常工作。特別是在工業(yè)用精密減速器這種對(duì)精度要求高的應(yīng)用場(chǎng)所，傳動(dòng)精度會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 動(dòng)態(tài)特性

4.2.1 固有特性

加速器齒輪系統(tǒng)最基本的動(dòng)態(tài)特性是固有特性，具體來(lái)講是指固有頻率和振型。固有特性很大程度上會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)載荷的產(chǎn)生與傳遞及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4.2.2 動(dòng)力穩(wěn)定性

精密減速器齒輪系統(tǒng)本質(zhì)上是一種參數(shù)激勵(lì)系統(tǒng)，因此不可避免存在動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題。分析整個(gè)精密減速器系統(tǒng)的動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題，可以明確穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)，給整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力的參考。

4.2.3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)

精密減速器齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要包括輪齒動(dòng)態(tài)嚙合力和齒輪動(dòng)力的傳遞。減速器整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究可以大幅度降低系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲。

4.2.4 系統(tǒng)參數(shù)

減速器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、幾何參數(shù)及其他的線性因素會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生重大影響。通過(guò)分析各類參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系，可以為減速器齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

5 我國(guó)精密減速器市場(chǎng)的分析

5.1 主要差距與不足

在工業(yè)機(jī)器人用精密減速器行業(yè)，我國(guó)與歐美和日韓等存在大約20 年的技術(shù)差距。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我們?cè)谌〉贸煽?jī)的同時(shí)應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到自己在精密減速器領(lǐng)域的不足。國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的精密減速器的首要問(wèn)題是精度差，整機(jī)精度保持能力弱，承載能力不足，工作時(shí)的噪聲較大。此外，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量管理體系方面不夠嚴(yán)謹(jǐn)。國(guó)外先進(jìn)企業(yè)都有著嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系，生產(chǎn)和裝配的各個(gè)環(huán)節(jié)都可以用整個(gè)體系進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把關(guān)，以避免任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，從而保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。反觀我國(guó)各企業(yè)在質(zhì)量管理體系中的檢驗(yàn)、質(zhì)檢及生產(chǎn)各環(huán)節(jié)都存在不規(guī)范之處，需重視并予以解決。

5.2 發(fā)展思路與建議

工業(yè)機(jī)器人行業(yè)工業(yè)體系的建立和完善并非一朝一夕可以完成，正視缺點(diǎn)才能彌補(bǔ)不足。今后整個(gè)行業(yè)的發(fā)展需要從政府和企業(yè)兩個(gè)角度進(jìn)行分析與思考。

政府一方面要在宏觀政策上繼續(xù)加大對(duì)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)和精密制造業(yè)的支持力度，充分發(fā)揮科研院所的科研優(yōu)勢(shì)，積極推動(dòng)國(guó)有企業(yè)在“卡脖子”技術(shù)問(wèn)題上攻堅(jiān)克難。另一方面，政府應(yīng)加大在貸款或金融領(lǐng)域?qū)I(yè)機(jī)器人行業(yè)的支持，同時(shí)在國(guó)家層面積極擴(kuò)大合作，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和管理體系，為工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好的發(fā)展環(huán)境。

作為行業(yè)主體的企業(yè)，首先應(yīng)當(dāng)加大自身對(duì)技術(shù)研發(fā)的投入，增加理論技術(shù)研究，在理論領(lǐng)域追求創(chuàng)新。其次，企業(yè)應(yīng)加大裝備制造的投資，提升自主制造能力，改進(jìn)工藝，提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)注重完善質(zhì)量管理體系，以體系的形式保證產(chǎn)品質(zhì)量。最后，企業(yè)應(yīng)主動(dòng)尋求與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)之間的技術(shù)合作與交流，通過(guò)借鑒國(guó)外優(yōu)秀企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，完善自身的產(chǎn)品與體系。