物流移動機(jī)器人減速機(jī)的產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展

文/ 本刊記者 林振強(qiáng)

作為物流移動機(jī)器人動力系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)傳動裝置的核心零部件，減速機(jī)對于控制精度、提高扭矩發(fā)揮著重要作用。在進(jìn)行減速機(jī)的選擇時，除根據(jù)需求選擇不同的減速機(jī)種類外，還要關(guān)注減速機(jī)的減速比、使用壽命等多種因素，尤其是為適配物流場景下的應(yīng)用需求，定制化開發(fā)也成為發(fā)展趨勢。

對于包括物流移動機(jī)器人在內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人，主要由控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及本體機(jī)械結(jié)構(gòu)三大部分構(gòu)成。其中，減速機(jī)是動力系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)傳動裝置的核心零部件，其主要功能是達(dá)到減速增矩的作用。長期以來，減速機(jī)被視為工業(yè)機(jī)器人制造中技術(shù)壁壘最高的核心零部件，根據(jù)相關(guān)企業(yè)的成本統(tǒng)計，減速機(jī)在機(jī)器人制造成本中占比在33%～38%之間。

作為相對精密的機(jī)械，減速機(jī)在原動機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，物流移動機(jī)器人的輪邊驅(qū)動減速、轉(zhuǎn)向、頂升或重復(fù)等動作都需要通過減速機(jī)來完成。因此，物流移動機(jī)器人的能力與效率與減速機(jī)密切相關(guān)。

一、關(guān)于減速機(jī)的基本情況

減速機(jī)，又稱“減速器”，是一種動力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，可以視作是齒輪的細(xì)分領(lǐng)域，主要是利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將馬達(dá)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩。減速機(jī)主要針對的減速對象是電機(jī)，減速機(jī)在原動機(jī)和工作機(jī)之間起著匹配轉(zhuǎn)速和傳遞扭矩的作用。絕大多數(shù)工作機(jī)負(fù)載大、轉(zhuǎn)速低，不適宜用原動機(jī)直接驅(qū)動，需通過減速機(jī)來降低轉(zhuǎn)速、增加扭矩，因此絕大多數(shù)的工作機(jī)均需要配用減速機(jī)，在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用極為廣泛。

我國的減速機(jī)等關(guān)鍵零部件技術(shù)發(fā)展迅速

1.主要作用

我們在應(yīng)用物流移動機(jī)器人時，需要它能夠可靠地完成搬運(yùn)任務(wù)，并確保搬運(yùn)質(zhì)量，對定位精度和重復(fù)定位精度有著更高的要求，而提高和確保其精度必須依賴于減速機(jī)。尤其是當(dāng)負(fù)載重量大時，如果僅僅提高伺服電機(jī)的功率并不是最佳選擇，可以在合適的速度范圍內(nèi)通過減速機(jī)來提高輸出扭矩。此外，伺服電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動，對于長時間和周期性工作的工業(yè)機(jī)器人這都不利于確保其精確、可靠地運(yùn)行。減速機(jī)可以使伺服電機(jī)在合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確控制轉(zhuǎn)速，在提高機(jī)械體剛性的同時輸出更大的力矩。

2.型號分類

減速機(jī)的種類和型號繁多，不同種類有著不同的用途。如按照傳動類型可分為齒輪減速機(jī)、蝸桿減速機(jī)和行星齒輪減速機(jī)；按照傳動級數(shù)不同可分為單級和多級減速機(jī)。目前成熟并標(biāo)準(zhǔn)化的減速機(jī)，主要有圓柱齒輪減速機(jī)、渦輪減速機(jī)、行星減速機(jī)、RV減速機(jī)、擺線針輪減速機(jī)和諧波減速機(jī)等。物流移動機(jī)器人對減速機(jī)的要求很高，在選擇精密減速機(jī)時要從扭轉(zhuǎn)剛度、啟動轉(zhuǎn)矩、傳動精度、傳動誤差、傳動效率等方面來選擇，目前能滿足要求的主要有諧波減速機(jī)、行星減速機(jī)、RV減速機(jī)等幾種類型。

諧波減速機(jī)（Harmonic Gear Drive）主要由波發(fā)生器、柔性齒輪、柔性軸承、剛性齒輪等基本構(gòu)件組成；工作原理是由諧波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形，靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞動力諧；具有傳動比大、外形輪廓小、零件數(shù)目少、傳動效率高等特點(diǎn)；按照波發(fā)生器的不同有凸輪式、滾輪式和偏心盤式；其技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在柔輪壽命和加工精度方面。

RV減速機(jī)是旋轉(zhuǎn)矢量（Rotary Vector）減速機(jī)的簡稱，是在擺線針輪傳動基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有二級減速和中心圓盤支承結(jié)構(gòu)。因其傳動比大、傳動效率高、運(yùn)動精度高、回差小、低振動、剛性大和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，成為適合機(jī)器人應(yīng)用的一種減速機(jī)。RV減速機(jī)制造核心難點(diǎn)在各項工藝的密切配合，包括齒面熱處理、加工精度、零件對稱性、成組技術(shù)、裝配精度等。

行星減速機(jī)就是有三個行星輪圍繞一個太陽輪旋轉(zhuǎn)的減速機(jī)；憑借體積小、重量輕、承載能力高、使用壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)；具有功率分流、多齒嚙合獨(dú)用的特性，行星減速機(jī)成為用途廣泛的工業(yè)產(chǎn)品之一。

RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)是工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域最主流應(yīng)用的兩種精密減速機(jī)。RV減速機(jī)應(yīng)用于負(fù)載大的工業(yè)機(jī)器人，而諧波減速機(jī)主要用于負(fù)載小的工業(yè)機(jī)器人。相比機(jī)器人中常用的諧波傳動，RV傳動具有更高的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，而且回差精度穩(wěn)定，并且不會隨使用時間增長，使運(yùn)動精度顯著降低，因此高精度機(jī)器人傳動多采用RV減速機(jī)。

減速機(jī)，又稱“減速器”，是一種動力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，可以視作是齒輪的細(xì)分領(lǐng)域，主要是利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將馬達(dá)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩。

二、物流移動機(jī)器人的減速機(jī)特點(diǎn)

具體到以AGV為代表物流移動機(jī)器人，對于減速機(jī)的要求主要是長度短、徑向負(fù)載大、高精度，目前市場上應(yīng)用較多的減速機(jī)是精密行星減速機(jī)、擺線針齒減速機(jī)等。其中，結(jié)構(gòu)更緊湊的精密行星減速機(jī)，額定輸出扭矩可以做得很大，但材料及零件加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造與安裝較困難。而擺線減速機(jī)是一種應(yīng)用行星式傳動原理的擺線針齒嚙合的新穎傳動裝置，優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、動作傳遞精度高、傳動比范圍大、傳動扭矩大、傳動效率高、使用壽命長、結(jié)構(gòu)簡單，不過擺線減速機(jī)制造工藝復(fù)雜，有些零件的制造精度和裝配工藝要求較高。此外，圍繞物流移動機(jī)器人的應(yīng)用需求和場景，對減速機(jī)進(jìn)行定制開發(fā)也成為一種選擇，目前在市場中也占有一定比例。

作為機(jī)器人的關(guān)鍵零部件之一，減速機(jī)對物流移動機(jī)器人的整機(jī)性能起到關(guān)鍵作用，需要具有較高精度保持性（壽命）、高可靠性、低噪音等特性。減速機(jī)本身有額定的使用壽命，需要定期更換。工業(yè)機(jī)器人的工作壽命一般為8至10年左右，作為傳動和承重的核心部件，減速機(jī)在運(yùn)行期間的磨損不可避免，其使用壽命通常在2年左右，因而在物流移動機(jī)器人維修保養(yǎng)的過程中，也需要大量的減速機(jī)替換。

在進(jìn)行減速機(jī)的選擇時，除根據(jù)需求選擇不同的減速機(jī)種類外，還要關(guān)注減速機(jī)的減速比、安裝方式和尺寸、精度、受力等等，而這些因素往往也是衡量減速機(jī)優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)。

其中，傳動效率是減速機(jī)重要評價指標(biāo)之一。要測試傳動效率是需要專業(yè)設(shè)備的，用戶很難自己測出具體數(shù)據(jù)，但可進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。減速機(jī)的壽命主要取決于軸承的壽命，軸承通常最先受到損壞，尤其諧波減速機(jī)，RV減速機(jī)的行星結(jié)構(gòu)部分也是易壞點(diǎn)。是否發(fā)熱也是衡量指標(biāo)之一，因為減速機(jī)精度取決于齒輪的嚙合程度，嚙合間隙過大，減速機(jī)的精度就越差，而采用微過盈的方式，精度就會提高，但是就會導(dǎo)致發(fā)熱過大的問題。精度是考量減速機(jī)的重要指標(biāo)，角傳動精度直接影響著機(jī)器人的絕對定位精度，另外還有機(jī)器人的重復(fù)定位精度問題。無論是哪種減速機(jī)，還會必定面對漏油的情況，這也是較為常見的故障之一，機(jī)器人漏油主要來自兩個方面：電機(jī)漏油和減速機(jī)漏油。其中，減速機(jī)漏油現(xiàn)象更為多見，背后就涉及本體企業(yè)安裝不合理等原因，因此安裝方式的選擇非常重要，也是減速機(jī)企業(yè)研發(fā)方向的重點(diǎn)。

提高和確保物流移動機(jī)器人的精度必須依賴于減速機(jī)

除了更高精度、更可靠穩(wěn)定等的要求之外，為適配物流場景下的應(yīng)用，定制化需求也更加顯著，一體化進(jìn)程開始加速。業(yè)內(nèi)人士表示，一體化可以使減速機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更緊湊，安全保障更高和安裝調(diào)試更容易，并可更好提升AGV產(chǎn)品行走的靈活性、穩(wěn)定性和可靠性。因此將驅(qū)動器、電機(jī)、減速機(jī)等進(jìn)行融合的一體化解決方案，在市場中逐漸受到青睞。

三、市場格局和發(fā)展情況

長期以來，減速機(jī)市場主要以國外企業(yè)為主導(dǎo)，尤其是納博特斯克、哈默納科、日本新寶、住友等從事精密減速機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)的國際廠商占據(jù)領(lǐng)先地位。與此同時，國內(nèi)企業(yè)也在快速崛起，尤其是隨著機(jī)器人需求的快速增長，使眾多企業(yè)都加大在減速機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)方面的投入。

根據(jù)中國軟件評測中心（工業(yè)和信息化部軟件與集成電路促進(jìn)中心）發(fā)布的《中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新白皮書（2021）》，隨著我國機(jī)器人產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新體系逐步完善，自主品牌機(jī)器人產(chǎn)品競爭力逐步增強(qiáng)，包括減速機(jī)在內(nèi)的關(guān)鍵零部件技術(shù)有所突破，國產(chǎn)核心零部件產(chǎn)品市場占有率持續(xù)增大，其中國產(chǎn)諧波減速機(jī)在自主品牌機(jī)器人市場占有率達(dá)60%以上，國產(chǎn)RV減速機(jī)也已進(jìn)入批量化生產(chǎn)與應(yīng)用階段。

客觀來看，國際品牌在市場競逐中依然憑借的是技術(shù)優(yōu)勢，而綠的諧波、南通振康、中大力德等國內(nèi)品牌則正在技術(shù)方面加緊追趕，并在本土化、性價比與定制化服務(wù)等方面有突出表現(xiàn)。如綠的諧波在國內(nèi)率先實現(xiàn)諧波減速機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)和規(guī)?；瘧?yīng)用，打破國際品牌在國內(nèi)機(jī)器人諧波減速機(jī)領(lǐng)域的壟斷，已成長為國內(nèi)諧波減速機(jī)龍頭，并躋身國際主流市場，客戶主要有新松、華數(shù)機(jī)器人等等。

由于機(jī)器人用精密減速機(jī)在精度、速度等方面要求極高，國產(chǎn)廠商技術(shù)水平仍有待提高。但我們也看到，我國的減速機(jī)領(lǐng)域仍有新興企業(yè)在不斷涌現(xiàn)，未來幾年仍將是重點(diǎn)發(fā)展的核心零部件，機(jī)器人國產(chǎn)化替代進(jìn)程的加快將在很大程度上帶動國產(chǎn)減速機(jī)的發(fā)展。