國(guó)產(chǎn)機(jī)器人突破之交流電機(jī)路：減速器是關(guān)鍵

時(shí)間：2019-09-02 19:02

　　減速器是機(jī)器人的關(guān)鍵零部件，成本占到整臺(tái)機(jī)器人生產(chǎn)成本的三分之一。中國(guó)對(duì)機(jī)器人減速器研究較晚，技術(shù)不成熟，目前嚴(yán)重依賴進(jìn)口，減速器是制約我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，攻克減速器技術(shù)是國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)產(chǎn)業(yè)化的必然選擇。

　　機(jī)器人減速器分類

　　機(jī)器人減速器，按結(jié)構(gòu)不同可以分為五類：諧波齒輪減速器、擺線針輪行星減速器、RV減速器、精密行星減速器和濾波齒輪減速器。在精度、扭矩、剛度、傳送效率等衡量減速器的各個(gè)性能指標(biāo)上，它們各有不同。其中，RV減速器和諧波減速器是工業(yè)機(jī)器人最主流的精密減速器。

　　RV減速器在先進(jìn)機(jī)器人傳動(dòng)中有逐漸取代諧波減速器的趨勢(shì)。世界75%的精密減速器市場(chǎng)被日本的Harmonica Drive和Nabtesco占領(lǐng)，其中Nabtesco生產(chǎn)RV減速器，約占60%的份額，Hamonica Drive生產(chǎn)諧波減速器，約占15%的份額。

　　機(jī)器人減速器市場(chǎng)規(guī)模

　　中國(guó)正在服役的機(jī)器人已占全球總量的9%左右，2015年中國(guó)市場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人達(dá)7500臺(tái)，同比增長(zhǎng)36.6%，整體而言，機(jī)器人市場(chǎng)需求只增不降。在多種因素的引誘下，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度將再次提速，步入歷史上的第二個(gè)繁榮發(fā)展期，或?qū)⒈鹊谝淮卫顺边€將巨烈。

　　隨著我國(guó)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人用減速器市場(chǎng)需求規(guī)模也隨之增長(zhǎng)。一般情況下，一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人需要的減速器個(gè)數(shù)為4-6臺(tái)。2015年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人減速器市場(chǎng)規(guī)模約為11.5億元，隨著未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，中投顧問(wèn)產(chǎn)業(yè)研究中心預(yù)測(cè)到2020年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人減速器市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)40億元，未來(lái)五年復(fù)合增長(zhǎng)率約為30%。

　　全球范圍內(nèi)機(jī)器人將會(huì)越來(lái)越普及，預(yù)計(jì)到2020年，服務(wù)機(jī)器人年銷售收入有望超過(guò)300億元人民幣。工業(yè)機(jī)器人再加上日益走入人們生活中的服務(wù)機(jī)器人，對(duì)于減速機(jī)行業(yè)來(lái)說(shuō)，未來(lái)的前景十分看好。

　　國(guó)產(chǎn)機(jī)器人用減速器現(xiàn)狀

　　目前中國(guó)機(jī)器人的處境依然很嚴(yán)峻，其中最典型的是在機(jī)器人核心技術(shù)上缺乏整體的突破。核心零部件主要分成三部分，機(jī)器人減速器、交直流伺服電機(jī)和控制器。從成本上來(lái)說(shuō)，目前全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的成本構(gòu)成，35%左右是減速器，20%左右是伺服電機(jī)，15%左右是控制系統(tǒng)，機(jī)械加工本體可能只占15%左右，其他的部分主要就是應(yīng)用?？梢钥闯觯瑴p速器是制約機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，而減速器的核心技術(shù)，幾乎壟斷在兩家日本企業(yè)納博特斯克和哈默納科手上，我國(guó)所有的機(jī)器人企業(yè)都在給日本企業(yè)打工。

　　關(guān)鍵部件進(jìn)口比例較高，導(dǎo)致現(xiàn)在國(guó)內(nèi)制造機(jī)器人成本較高。特別是減速機(jī)，國(guó)內(nèi)企業(yè)購(gòu)買減速機(jī)的價(jià)格是國(guó)外企業(yè)的價(jià)格的將近5倍。這樣國(guó)產(chǎn)機(jī)器人難以形成價(jià)格優(yōu)勢(shì)，只有年產(chǎn)量上500-1000臺(tái)，才有一定的規(guī)模效應(yīng)。因此，中國(guó)如果想要形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化， 擺脫國(guó)外機(jī)器人企業(yè)的掣肘，在機(jī)器人領(lǐng)域贏得自主，必須要將減速器國(guó)產(chǎn)化加速提上日程。

　　RV減速器在國(guó)際上僅有極少數(shù)國(guó)家能生產(chǎn)，最近幾年，雖然國(guó)內(nèi)也有量產(chǎn)的RV減速器，產(chǎn)品性能指標(biāo)短期內(nèi)能達(dá)到要求，但由于質(zhì)量控制和工藝的問(wèn)題，很容易磨損報(bào)廢，所以鮮有國(guó)產(chǎn)機(jī)器人企業(yè)選用，中國(guó)市場(chǎng)的減速器普遍還依賴進(jìn)口。

　　其實(shí)在;十二五時(shí)期，國(guó)家;863計(jì)劃將其列入重點(diǎn)攻克的技術(shù)瓶頸。國(guó)內(nèi)頂尖大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)幾年攻關(guān)也只有論文，沒(méi)有實(shí)物。近兩年隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展有部分企業(yè)開(kāi)始投資研發(fā)國(guó)產(chǎn)RV減速機(jī)，目前大多數(shù)處在技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)階段。

　　RV減速器的技術(shù)難點(diǎn)在于該部件需要保證傳遞很大的扭矩，承受很大的過(guò)載沖擊，并保證預(yù)期的工作壽命，因而在設(shè)計(jì)上使用了過(guò)定位結(jié)構(gòu)，這使得零件加工精度要求極高，加工十分困難，機(jī)器人其規(guī)?；a(chǎn)的重要制約則在于加工設(shè)備和加工工藝。

　　國(guó)產(chǎn)RV減速器在額定扭矩和傳動(dòng)效率等方面與國(guó)外產(chǎn)品差距較小，但在扭轉(zhuǎn)剛度、傳動(dòng)精度等穩(wěn)定性和精度指標(biāo)方面差距還比較明顯，由于材料和工藝水平差距，耐疲勞強(qiáng)度方面差距也比較明顯。

　　預(yù)計(jì)國(guó)產(chǎn)減速器在未來(lái)一段時(shí)間主要發(fā)展方向在于技術(shù)突破和完善，市場(chǎng)方面，首先進(jìn)入中低端工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，在2016 年后逐漸進(jìn)入汽車生產(chǎn)線焊接機(jī)器人等高端產(chǎn)品。減速器的國(guó)產(chǎn)化會(huì)大幅降低國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人成本。

　　目前國(guó)產(chǎn)RV減速機(jī)在材料，工藝，配合，精度，耐磨性，材料，熱處理，軸承等方面還需要改進(jìn)。

　　諧波減速機(jī)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能的核心部件，是輕型工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械臂可靠、精確運(yùn)行不可或缺的部件，它可以使機(jī)器人的伺服電機(jī)在一個(gè)合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降低到機(jī)器人各部位需要的速度，在提高機(jī)械本體剛性的同時(shí)可輸出更大的扭矩。諧波傳動(dòng)的構(gòu)成：僅三個(gè)基本零部件， 波發(fā)生器，由外周嵌有薄壁滾珠軸承的橢圓形凸輪組成。軸承內(nèi)圈固定在凸輪上，外圈通過(guò)滾珠實(shí)現(xiàn)彈性變形。通常安裝在輸入軸上。 柔輪，具有薄壁結(jié)構(gòu)的金屬?gòu)椥泽w部件。開(kāi)口部外周加工有齒輪。通常安裝在輸出軸上。剛輪剛體環(huán)狀部件。內(nèi)周加工有齒輪，比柔輪多兩個(gè)輪齒。通常固定在外殼上。

　　國(guó)產(chǎn)諧波減速機(jī)與國(guó)外減速機(jī)在技術(shù)等方面已經(jīng)幾乎沒(méi)多大差距，甚至在某些方面超過(guò)國(guó)外諧波減速機(jī)性能。

　　國(guó)產(chǎn)RV減速器突破之路

　　目前全球能夠提供規(guī)?；倚阅芸煽康木軠p速器生產(chǎn)企業(yè)不算多，全球絕大多數(shù)市場(chǎng)份額都被日本企業(yè)占據(jù)，在工業(yè)用機(jī)器人關(guān)節(jié)上的精密減速器上，納Nabtesco產(chǎn)品的全球市場(chǎng)占有率達(dá)60%，特別在中/重負(fù)荷機(jī)器人上，其RV減速器市場(chǎng)占有率高達(dá)90%。Harmonica的諧波減速器約占15%，還有住友重工。

　　諧波減速器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，僅有三個(gè)基本零部件，加上哈默納科的專利早已到期，國(guó)產(chǎn)諧波減器機(jī)跟國(guó)外相比差距不算大。國(guó)產(chǎn)廠商如無(wú)錫綠的、東莞本潤(rùn)等公司的諧波減速器已經(jīng)在國(guó)產(chǎn)機(jī)器人上面有廣泛應(yīng)用。

　　RV減速機(jī)核心難點(diǎn)在于基礎(chǔ)工業(yè)和工藝。RV減速機(jī)是純機(jī)械的精密部件，材料、熱處理工藝和高精度加工機(jī)床缺一不可。我國(guó)在這幾個(gè)方面長(zhǎng)期落后，并非單靠某個(gè)企業(yè)所能解決。要將200多個(gè)零部件組合在一起，精度要求苛刻，零部件之間的公差匹配需要多年經(jīng)驗(yàn)積累。

　　技術(shù)是沒(méi)有捷徑可走的，日本納博特斯克公司從1980年代初提出RV型設(shè)計(jì)到1986年RV減速器研究獲得實(shí)質(zhì)性突破，花了6-7年時(shí)間;而國(guó)內(nèi)率先拿出結(jié)果的南通振康和恒豐泰花費(fèi)時(shí)間也為6-8年。

　　可喜的是中國(guó)企業(yè)布局RV減速器若干年后，終于取得一些突破。國(guó)產(chǎn)RV減速器主要由南通振康、秦川機(jī)床、武漢精華、浙江恒豐泰和浙江雙環(huán)傳動(dòng)提供。

　　南通振康RV減速器產(chǎn)量已經(jīng)突破萬(wàn)臺(tái)，秦川機(jī)床RV減速器生產(chǎn)線已經(jīng)打通，產(chǎn)量正在逐步上升。秦川機(jī)床的RV減速器是國(guó)家進(jìn)口替代項(xiàng)目，秦川機(jī)床9萬(wàn)套工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器技術(shù)改造項(xiàng)目、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器生產(chǎn)線兩項(xiàng)合計(jì)投資3.14億元。

　　兩點(diǎn)建議：

　　1.創(chuàng)新協(xié)同合作模式

　　RV減速器研發(fā)難度大，我國(guó)在這許多方面長(zhǎng)期落后，并非單靠某個(gè)企業(yè)所能解決。面對(duì)目前艱難局面，如何創(chuàng)新協(xié)同合作模式，調(diào)動(dòng)產(chǎn)學(xué)研各方面積極性，加快相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，特別加快和完善在熱處理工藝、加工制造工藝、裝配工藝等方面技術(shù)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性、一致性是當(dāng)前急需解決的課題。

　　2.技術(shù)突破需要耐心

　　我國(guó)對(duì)機(jī)器人用減速器的研究相比國(guó)外較晚，技術(shù)不成熟，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在較大差距，形成了精密減速器不能自給自足的局面，機(jī)器人減速器的關(guān)鍵技術(shù)突破顯得更加迫切，但技術(shù)突破考驗(yàn)企業(yè)耐心，因?yàn)闇p速器的產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)高投入、慢回報(bào)、重資產(chǎn)的過(guò)程，需要一個(gè)超精密機(jī)械加工的企業(yè)才能實(shí)現(xiàn)。而且進(jìn)軍該領(lǐng)域也存在較大風(fēng)險(xiǎn)，從設(shè)計(jì)與制造涉及到材料及熱處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及零件微處理技術(shù)、精密制造及裝配技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等等，這些技術(shù)需要長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)驗(yàn)摸索和積累，不可忽視和跳越，一旦不成功便可能前功盡棄。

　　小結(jié)：國(guó)產(chǎn)機(jī)器人減速器攻關(guān)多年盡管還不盡人意，但我們要堅(jiān)定信心不動(dòng)搖，不斷找到制約技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵突破口，希望經(jīng)過(guò)幾年的摸索和積累，出現(xiàn)媲美國(guó)外巨頭的減速器，提高國(guó)產(chǎn)機(jī)器人競(jìng)爭(zhēng)力。