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减速器:中国急需替代的工业机器人核心部件。
大学仕 2021-10-08 14:45
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   产品主要应用于自动化生产线、航空、精密机床、电梯、风电、核电、人工智能、起重、叉车、高铁、医疗、割草机、滑板车等20多个行业和领域。其中,工业机器人使用的减速器主要是谐波减速器和RV减速器,它们是机器人行业的关键核心部件之一,占工业机器人总成本的40%。
  目前国内已有多家精密机械制造商能够生产谐波减速器,国内市场份额已达到40%以上。但在核心技术(如材料的使用寿命、精度、耐磨性等)上与德系、日系产品还有较大差距。但RV减速器的关键核心技术仍基本掌握在欧美日等国手中。国内企业还处于发展初期,能够进行国际竞争的企业只有一两家,市场份额仅占10%左右,是工业机器人和智能汽车行业急需的进口替代产品。
  一、谐波减速器。
  谐波致动器的起源。
  谐波传动是由美国发明家穆塞于1955年发明创造的。它是利用柔性工作构件的弹性变形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,用一个柔性构件实现机械传动,从而获得了一系列其他传动无法实现的特殊功能。由于中间柔性构件的变形过程基本上是对称调和的,所以得名。除了前苏联,这种传动方式被称为波传动柔轮传动。美丽。英。德。日本和其他国家被称为“谐波驱动”。
  谐波减速器的结构。
  刚性轮:刚性内齿轮,通常比柔性轮多2齿,通常固定在机壳上。
  柔性轮;开口的外环有一个薄的杯形金属弹性件,它随着波发生器的转动而变形,通常与输出轴连接。
  波浪发生器:由椭圆凸轮和柔性轴承组成,通常与输入轴连接。柔性轴承的内圈固定在凸轮上,外圈可以通过滚珠弹性变形为椭圆形。
  谐波传动的工作原理。
  谐波减速器利用柔轮、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。波形发生器中的椭圆凸轮在柔轮中旋转,使柔轮变形。当波浪发生器椭圆凸轮长轴两端的柔轮齿与刚性轮齿啮合时,短轴两端的柔轮齿与刚性轮齿分离。对于波发生器长轴和短轴之间的齿,它们处于半啮合状态,沿着柔轮和刚轮的圆周逐渐进入不同截面的啮合,这就是啮合。在逐渐退出啮合的半啮合状态下,称为啮合。当波浪发生器连续转动时,柔轮不断变形,使两轮的轮齿在啮合、啮合、啮合、脱离四种运动中不断改变其原来的工作状态,产生交错齿运动,从而实现从主动波浪发生器到柔轮的运动传递。国内谐波减速器制造商的现状。
  目前我国谐波减速器的制造能力仅相当于日本上世纪七八十年代的水平。国内谐波传动行业存在的主要问题是精度和精度保持能力差、承载能力差、噪音大、生产设备落后、产品种类少、企业规模小、R&D人员和投资不足。目前国内能生产谐波减速器的企业有:格林、雷迪、中科柯美、京华谐波、渭河等。
  国产谐波减速器能够与进口产品竞争的时刻即将到来,甚至比国产机器人还要快。“目前一些国外品牌的谐波减速器在中国市场几乎卖不出去,在中国销售的也是缺货。接下来,国产谐波减速器的用户更多,在可以降低价格的同时,数量和质量都有所提升,所以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表示。
  二,RV减速器。
  一般来说,机器人的所有关节都使用RV减速器,轻载机器人的第五和第六关节可能使用谐波减速器。重型机器人的所有关节都需要RV减速器。平均每个机器人需要使用4.5个RV减速器。由此可见RV减速器对机器人的重要性。
  RV减速器的应用及特点。
  RV减速器由摆线针轮和行星支架组成,具有体积小、抗冲击能力强、扭矩大、定位精度高、振动小、减速比大等诸多优点,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。与机器人常用的谐波传动相比,它具有更高的疲劳强度、刚度和寿命,齿隙精度稳定。与谐波传动不同,它的运动精度会随着使用时间的增加而显著下降。因此,RV减速器在世界上许多国家被广泛应用于高精度机器人驱动,因此RV减速器有逐渐取代谐波减速器在先进机器人驱动中的趋势。
  RV减速器的缺陷
  在实际工况下,RV减速器需要反复精确定位,即连续启动和制动。为了保持一定的精度,延长其使用寿命,对针齿、针齿壳和针齿销的加工精度、材料和工艺要求相当高。这也是精密RV减速器难以生产的重要原因之一。
  我国RV减速器的现状。
  RV减速机对基础材料要求高,如高耐磨、高刚性、高精度,对材料的化学元素、含量、金相组织、热处理工艺等要求严格。目前国内优质RV减速器市场份额只有10%,质量参差不齐。国内主要厂商有秦川发展、武汉精华、双环传动、南通振康、仲达立德等。
  动态方面。
  1.仿真难点:动力学建模和多体动力学仿真后,有可能知道各阶的振动情况;
  2.非线性特性,导致差异巨大,一旦工作点附近出现共振点,就会受到影响;
  3.加上系统集成,集成机器人的工作点(额定速度)将作为激励频率,这将对部件造成损坏。系统运行的范围往往是连续调速,6轴机器人的一个轴可能在额定点的20%左右,除非设计和实现得很好;
  4.产品参数波动较大。在这样的精密配合系统中,如果间隙/过盈配合稍有偏差,接触刚度/啮合刚度就会变差数倍,刚度矩阵的巨大变化会引起固有频率的波动。
  我国RV减速器的发展还存在扩能瓶颈,涉及收费站、管理、技术等问题。日本最长的减速机供货周期已达到6个月以上,日本Nabtesk减速机供货周期由原来的2-3个月延长到现在的4-6个月。国内减速机产能短时间内无法翻倍,无法满足不断扩大的市场需求。因此,扩产不仅是国产减速机面临的问题,也是日本减速机面临的问题之一。
  国产减速器的参考对象都是某型卧式进口减速器。没听说过专门为家用机器人定制的减速器。对于一个工业机器人来说,不仅减速器就足够了,更重要的是与伺服系统和运动控制系统相结合,可以实现高精度和高稳定性。延伸:减速器与机器人紧密结合。
  目前主流的协作机器人都采用“模块化”的关节设计,即直接驱动谐波减速器。每个关节的内部结构基本相同,但大小不同。例如,iiwa的每个轴基本上如下图所示:
  每个关节包括电机、伺服驱动、谐波减速器、电机端编码器、关节端位置传感器和扭矩传感器,电机和减速器直接连接。
  协作机器人将成为未来的主流机器人,它们将满足机器人新兴市场的主要客户——中小企业。当人和协作机器人一起工作时,安全性是最重要的指标之一,这意味着动能很小。为了降低机器人的动能,协作机器人应该重量轻、结构简单。
  一般一个工业机器人需要4-6个减速器。随着未来工业机器人的发展,中国投资咨询产业研究中心预测,到2020年,中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%。据业内人士透露,国际四大巨头一台精密减速机的采购价格为3 ~ 5万元,关系好的国内客户约7万元,关系一般的普通客户约12万元。国内企业采购精密减速机的成本是国际巨头的两倍多,可见两者利润的差异。
  预计到2025年机器人国内市场份额将超过70%。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,工业机器人减速器的市场需求规模也随之增加。

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