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国产工业机器人核心零部件窘境,机器人减速器的春天何时到来?

减速器在机械传动领域是连接动力源和执行机构之间的中间装置,通常它把电动机、内燃机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的,并传递更大的转矩。目前成熟并标准化的减速器有:圆柱齿轮减速器、涡轮减速器、行星减速器、行星齿轮减速器、RV减速器、摆线针轮减速器和谐波减速器。80-90年代以来,在新兴产业如航空航天、机器人和医疗器械等发展的需求下,需要结构简单紧凑、传递功率大、噪声低、传动平稳的高性能精密减速器,其中RV减速器和谐波减速器是精密减速器中重要的两种减速器。

而对于机器人行业来说,减速器是机器人的关键零部件,成本占到整台机器人生产成本的三分之一。中国对机器人减速器研究较晚,技术不成熟,目前严重依赖进口,减速器是制约我国机器人产业发展的关键因素,攻克减速器技术是国内机器人企业产业化的必然选择。

目前中国机器人的处境依然很严峻,其中最典型的是在机器人核心技术上缺乏整体的突破。核心零部件主要分成三部分,机器人减速器、交直流伺服电机和控制器。从成本上来说,目前全球机器人产业的成本构成,35%左右是减速器,20%左右是伺服电机,15%左右是控制系统,机械加工本体可能只占15%左右,其他的部分主要就是应用。可以看出,减速器是制约机器人产业发展的关键因素,而减速器的核心技术,几乎垄断在两家日本企业纳博特斯克(Nabtesco)和哈默纳科(Harmonicdrive)手上,我国所有的机器人企业都在给日本企业打工。

目前应用于机器人领域的减速机主要有两种,一种是RV减速器,另一种是谐波减速器。在关节型机器人中,由于RV减速器具有更高的刚度和回转精度,一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置,而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部。对于高精度机器人减速器,日本具备绝对领先优势。

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RV减速器

RV减速器由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成,RV减速器具有结构紧凑,传动比大,以及在一定条件下具有自锁功能的传动机械,是最常用的减速机之一而且振动小,噪音低,能耗低。

RV传动是新兴起的一种传动,它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的,不仅克服了一般针摆传动的缺点,而且因为具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。日益受到国内外的广泛关注。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。

RV减速器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,该种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。

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谐波齿轮减速器

谐波齿轮减速器是由三个基本构件所组成:固定的内齿刚轮、柔轮(即其基体与从动轴相连的弹性薄壁套杯“在柔轮开端的母线上做出齿圈”)、和使柔轮发生径向变形的波发生器。谐波齿轮减速器是一种由固定的内齿刚轮、柔轮、和使柔轮发生径向变形的波发生器组成,具有高精度、高承载力等优点,和普通减速器相比,由于使用的材料要少50%,其体积及重量至少减少1/3。

谐波齿轮减速器的工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形,靠柔轮与刚轮啮合来传递动力,并达到减速的目的;按照波发生器的不同有凸轮式、滚轮式和偏心盘式。谐波减速器传动比大、外形轮廓小、零件数目少且传动效率高。单机传动比可达到50-4000,而传动效率高达92%-96%。

行星减速器就是有三个行星轮围绕一个太阳轮旋转的减速器。行星减速器体积小、重量轻,承载能力高,使用寿命长、运转平稳,噪声低。具有功率分流、多齿啮合独用的特性;是一种用途广泛的工业产品,其性能可与其它军品级行星减速器产品相媲美,却有着工业级产品的价格,被应用于广泛的工业场合。

相比于谐波减速器,RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中,一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置;而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部;行星减速器一般用在直角坐标机器人上。

核心零部件一直限制这中国机器人的快速发展,因此早日实现加速器的国产化至关重要。


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