工業(yè)機(jī)器人減速器概述

精密減速器是工業(yè)機(jī)器人的核心零部件，占整機(jī)成本的30%以上。目前，世界75%的精密減速器市場被日本的Harmonica和Nabtesco所占領(lǐng)，其中Nabtesco的RV減速器約占60%的市場份額，Har-monica的諧波減速器約占15%。我國對工業(yè)機(jī)器人用精密減速器的研究相比國外較晚，技術(shù)不成熟，與國外先進(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，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。這嚴(yán)重制約了我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，特別是在我國工業(yè)機(jī)器人逐漸產(chǎn)業(yè)化時期，工業(yè)機(jī)器人精密減速器的關(guān)鍵技術(shù)突破顯得更加迫切。
　　工業(yè)機(jī)器人用精密減速器
　　諧波齒輪減速器
　　諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器，由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成，依靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，并靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞運(yùn)動和動力，如下圖所示。
　　
　　諧波減速器
　　諧波傳動具有運(yùn)動精度高，傳動比大、質(zhì)量小、體積小、較小的傳動慣量等優(yōu)點(diǎn)。最重要的是能在密閉空間傳遞運(yùn)動，這一點(diǎn)是其他任何機(jī)械傳動無法實(shí)現(xiàn)的。其缺點(diǎn)為在諧波齒輪傳動中柔輪每轉(zhuǎn)發(fā)生兩次橢圓變形，極易引起材料的疲勞損壞，損耗功率大。同時，其引起的扭轉(zhuǎn)變形角達(dá)到20’～30’甚至更大。受軸承間隙等影響可能引起3’～6’的回程誤差，不具有自鎖功能。
　　諧波減速器是20世紀(jì)50年代伴隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于在彈性薄殼彈性變形理論，應(yīng)用金屬撓性和彈性力學(xué)原理發(fā)展起來的一種全新傳動形式。由美國發(fā)明家C Walt MUSSER首先提出，經(jīng)日本引入后發(fā)展實(shí)用化。目前，諧波傳動已廣泛應(yīng)用于航天航空、機(jī)器人、精密加工設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。我國從20世紀(jì)60年代就開始諧波方面的研制工作，但到目前為止國內(nèi)諧波齒輪的專業(yè)生產(chǎn)廠家仍然 很少。國外的生產(chǎn)廠家有日本的 HarmonicDrive；國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家有北京中技克美、北京諧波傳動所 、蘇州綠的等。
　　擺線針輪行星減速器
　　擺線針輪行星減速器是一種應(yīng)用行星式傳動原理，采用擺線針齒嚙合的新穎傳動裝置。擺線針輪減速器全部傳動裝置可分為三部分： 輸入部分、減速部分、輸出部分。在輸入軸上裝有一個錯位 180°的雙偏心套，在偏心套上裝有兩個稱為轉(zhuǎn)臂的滾柱軸承，形成H機(jī)構(gòu)、兩個擺線輪的中心孔即為偏心套上轉(zhuǎn)臂軸承的滾道，并由擺線輪與針齒輪上一組環(huán)形排列的針齒相嚙合，以組成齒差為一齒的內(nèi)嚙合減速機(jī)構(gòu)（為了減小摩擦，在速比小的減速機(jī)中，針齒上帶有針齒套）。
　　擺線針輪行星傳動是行星輪采用變幅外擺線的一種少齒差行星齒輪傳動，屬于K－H－V行星齒輪傳動，擺線針輪行星傳動的特點(diǎn)是單級傳動比為6～119，一級傳動效率達(dá) 0.9～0.95，可代替兩級普通圓柱齒輪減速器，體積可減少1/2～2/3，質(zhì)量約減少1/3～1/2，缺點(diǎn)是擺線針輪減速器的機(jī)構(gòu)太復(fù)雜制造安裝精度要求太高，轉(zhuǎn)臂軸承受力大，影響軸承 壽命和承載能力。擺線針輪行星傳動最大傳動功率200kW，最高輸入轉(zhuǎn)速1800r/min，廣泛應(yīng)用于礦山、化工、起重機(jī)械、工程機(jī)械等領(lǐng)域。
　　RV減速器
　　RV減速器由一個行星齒輪減速機(jī)的前級和一個擺線針輪減速機(jī)的后級組成，如下圖所示。
　　
　　RV減速器
　　RV傳動是新興起的一種傳動，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點(diǎn)，而且具有體積小、質(zhì)量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。
　　RV減速器有較優(yōu)越的性能：
　　擺線針輪行星減速裝置中的傳動零件剛度高、接觸應(yīng)力小，零件加工和安裝精度易于實(shí)現(xiàn)高精度，這就使得擺線針輪傳動的效率很高；
　　行星傳動結(jié)構(gòu)與緊湊的 W 輸出機(jī)構(gòu)組合，使整個擺線針輪減速裝置結(jié)構(gòu)十分緊湊，因此其結(jié)構(gòu)體積小和質(zhì)量輕；
　　采用一齒差或少齒差傳動，擺線針輪傳動的傳動比大小取決于擺線針輪的齒數(shù)，齒數(shù)越多，傳動比越大；
　　擺線針輪傳動同時嚙合的齒數(shù)要比漸開線外齒傳動同時嚙合的齒數(shù)多，因此承載能力較大;
　　擺線輪和針輪的輪齒均淬硬、精磨，比漸開線少齒差傳動中內(nèi)齒輪的加工性能更好、齒面硬度更高，使用壽命更長。
　　RV減速器因?yàn)橹T多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人，機(jī)床，醫(yī)療檢測設(shè)備，衛(wèi)星接收系統(tǒng)等領(lǐng)域。它較機(jī)器人中常用的諧波傳動具有高得多的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，而且回差精度穩(wěn)定，不像諧波傳動那樣隨著使用時間增長運(yùn)動精度就會顯著降低，故世界上許多國家高精度機(jī)器人傳動多采用RV減速器，因此，該種RV減速器在先進(jìn)機(jī)器人傳動中有逐漸取代諧波減速器的發(fā)展趨勢。
　　80年代中期，日本帝人公司成功研制出RV減速機(jī)，并開始小批量生產(chǎn)。1986年，由于產(chǎn)品性能優(yōu)異，市場使用反饋較好，應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸拓展，帝人公司開始大批量投產(chǎn)。2000年，中國開始對減速機(jī)進(jìn)行 “863”立項(xiàng)攻關(guān)，2008年，國際機(jī)器人聯(lián)合會統(tǒng)計(jì)全球工業(yè)機(jī)器人共約130萬臺，使用RV減速機(jī)約200萬臺，2013年，日本納博特斯克公司 （ 前身為帝人公司） 實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)超30萬臺RV減速機(jī)的產(chǎn)量第一。中國仍有超95%的市場份額被國外公司壟斷。近年來，國內(nèi)部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機(jī)的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化研究，如南通振康，浙江恒豐泰，重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津減速機(jī)廠，秦川發(fā)展。
　　精密行星減速器
　　精密行星減速器主要傳動結(jié)構(gòu)為：行星輪，太陽輪，外齒圈。行星減速機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原因，單級減速最小為 3，最大一般不超過10，常見減速比為： 3，4，5，6，8，10，減速機(jī)級數(shù)一般不超過3，但有部分大減速比定制減速機(jī)有4級減速。相對其他減速機(jī)，行星減速機(jī)具有高剛性、高精度（單級可做到 1’以內(nèi)）、高傳動效率（單級在97%～98%）、高的扭矩/體積比、終身免維護(hù)等特點(diǎn)。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，行星減速機(jī)多數(shù)是安裝在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上，用來降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，匹配慣量?，F(xiàn)在市場上的主流產(chǎn)品國外的有德國的SEW、德國的 FLENDEＲ、瑞德森、日本 Sumitomo 住友、NORD、AB、ABB；國內(nèi)的有漢星、四通等。
　　濾波齒輪減速器
　　濾波齒輪傳動是由重慶大學(xué)梁錫昌、王家序教授發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積相對小、大傳動比的新型精密傳動機(jī)構(gòu)，目前還處于研究階段。濾波齒輪減速器屬于 NN 型少齒差減速器，由偏心減速機(jī)構(gòu)、濾波花鍵機(jī)構(gòu)、三向止推軸承3大部分組成。
　　國內(nèi)外精密減速器生產(chǎn)企業(yè)概況
　　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)市場份額都被日本企業(yè)占據(jù)。Nabtesco的RV減速器約占60%的市場份額，Harmonica的諧波減速器約占15% ，還有住友重工 SUMITOMO。尤其在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用比例是壓倒性的。隨著國家對智能制造領(lǐng)域的大力投入，工業(yè)機(jī)器人核心部件的研究領(lǐng)域取得了一定成效，涌現(xiàn)出了一批快速進(jìn)步的精密減速器制造企業(yè)。如近年來國內(nèi)部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機(jī)的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化研究，如南通振康、浙江恒豐泰、重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津減速機(jī)廠、秦川機(jī)床廠; 在諧波減速機(jī)方面，國內(nèi)已有一些可替代產(chǎn)品，如北京中技克美、北京諧波傳動所、蘇州綠的等。
　　Harmonic Drive Systems Inc．
　　日本的Harmonic Drive Systems Inc.已經(jīng)壟斷了國際市場，是目前諧波傳動行業(yè)的絕對領(lǐng)跑者。聽上去像一個行業(yè)品類，其實(shí)Harmonic Drive是Harmonic Drive Systems Inc.的商標(biāo)。1960年美國USM公司首次將諧波傳動減速器成功投入運(yùn)用，后來長谷川齒輪株式會社（Hasegawa Gear Works，Ltd. ）獲得了USM的生產(chǎn)許可。1970年10月，長谷川與USM各出資50% ，在東京成立了Harmonic Drive Systems Inc.，漢譯哈默納科。哈默納科是整體運(yùn)動控制的領(lǐng)軍企業(yè)，其生產(chǎn)的Harmonic Drive組合型諧波減速機(jī)，具有輕量小型、無齒輪間隙、高轉(zhuǎn)矩容量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、仿人機(jī)器人、半導(dǎo)體液晶生產(chǎn)裝置、光伏設(shè)備、光學(xué)儀器、精密機(jī)床等各種尖端領(lǐng)域。
　　Nabtesco
　　Nabtesco（納博特斯克） 是2003年9月成立的，看似一個00后公司，實(shí)際上它是由帝人精機(jī)（TeijinSeiki，1944 年成立）和納博克（Nabco，1956年生產(chǎn)了日本第一個自動門）這兩家日本公司強(qiáng)強(qiáng)合并組成。作為運(yùn)動控制系統(tǒng)和零部件的生產(chǎn)商，這兩家公司都在其特定的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，掌握了高端核心技術(shù)，控制了很高的市場份額，所以Nabtesco一成立，就位居同行業(yè)在日本乃至全世界的首位，世界上大多數(shù)機(jī)器人制造商均從Nabtesco的專利RV減速機(jī)獲益并帶來成功。作為世界上最大的精密擺線針輪減速機(jī)制造商，Nabtesco生產(chǎn)高性能減速機(jī)、中空軸減速機(jī)以及單軸伺服執(zhí)行器和控制器。其生產(chǎn)的精密設(shè)備具有高扭矩、高剛性和高耐過載沖擊荷載能力的同時，兼有高精密和非常低的回程間隙。
　　住友SUMITOMO
　　日本住友SUMITOMO是擁有400多年歷史的世界500強(qiáng)之一的住友集團(tuán)旗下的建設(shè)機(jī)械廠家，在世界范圍享有盛譽(yù)。住友產(chǎn)品在1967年憑借自身技術(shù)開發(fā)研制了第一臺液壓挖掘機(jī)之后，目前世界各地到處活躍著住友液壓挖掘機(jī)的身影。住友重機(jī)械工業(yè)株式會社Sumitomo Drive Technologies住友重機(jī)械在日本便開始了電動機(jī)和減速機(jī)的自行制造生產(chǎn)。住友減速機(jī)包含各種型號減速機(jī)，如住友大型斜齒輪減速箱，住友行星齒輪減速機(jī)，住友斜齒輪減速機(jī)，住友蝸輪蝸桿減速機(jī)等。減速比大，效率高，一級傳動減速比為9～87，雙級傳動減速比為121～5133，多級混合可達(dá)數(shù)萬，且針齒嚙合系套式滾動摩擦，嚙合表面無相對滑動，故一級減速效率達(dá)94% 。1995年10月，由住友重機(jī)械工業(yè)株式會社和住友商事株式會社共同出資在中國天津成立住友重機(jī)械減速機(jī)（中國）有限公司，并在2001年成立上海分公司作為其產(chǎn)品在中國的銷售總部，同時在上海的松江設(shè)有維修中心。
　　上海機(jī)電
　　上海機(jī)電股份有限公司是一家引領(lǐng)中國機(jī)電裝備制造企業(yè)快速發(fā)展的大型上市公司，是其母公司中國最大的裝備制造業(yè)集團(tuán)，香港上市公司——上海電氣集團(tuán)股份有限公司的重要產(chǎn)業(yè)支柱之一，承擔(dān)著機(jī)電一體化板塊的發(fā)展重任。2013年5月，上海機(jī)電以現(xiàn)金增資入股納博傳動51% 股權(quán)，共同合作機(jī)器人項(xiàng)目，開發(fā)精密減速機(jī)。
　　秦川發(fā)展
　　秦川機(jī)床集團(tuán)有限公司（原名秦川機(jī)床廠），1965年從上海內(nèi)遷至陜西寶雞，1995年8月經(jīng)國家經(jīng)貿(mào)委和陜西省人民政府聯(lián)合批復(fù)，以國家100家現(xiàn)代企業(yè)制度試點(diǎn)企業(yè)之一的秦川機(jī)床廠為主體組建國有獨(dú)資公司———秦川機(jī)床集團(tuán)有限公司，現(xiàn)為國家大一型重點(diǎn)骨干企業(yè)。公司經(jīng)營業(yè)務(wù)包括金屬切削機(jī)床、塑料加工機(jī)械、液壓系統(tǒng)、液壓件、汽車零部件、功能部件、精密齒輪 （ 箱） 、機(jī)床配件、數(shù)控系統(tǒng)、儀器儀表、木工機(jī)械及制品。2013年7月，秦川發(fā)展計(jì)劃投資1.94億元進(jìn)行9萬套（一期）工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器技術(shù)改造項(xiàng)目建設(shè)。二期項(xiàng)目將視一期進(jìn)展情況適時投入。
　　綠的諧波
　　蘇州綠的諧波傳動科技有限公司作為一家從事精密諧波傳動裝置的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的專業(yè)化公司，主要生產(chǎn)與研發(fā)機(jī)器人諧波齒輪減速器，具有高可靠性、高精度、大扭矩、大速比、小體積等特性，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、精密機(jī)械驅(qū)動控制等領(lǐng)域，特別是在對減速機(jī)有高精度、低轉(zhuǎn)速、大扭矩等特殊要求的工業(yè)機(jī)器人行業(yè)盡顯技術(shù)優(yōu)勢。綠的諧波是《機(jī)器人用諧波齒輪減速器》國家標(biāo)準(zhǔn)主要起草方。綠的諧波減速器在精度、使用壽命上有很大的優(yōu)勢，這兩點(diǎn)上的優(yōu)勢在國內(nèi)行業(yè)中還很突出，同時在保持高精度的情況下，綠的諧波的產(chǎn)品價(jià)格優(yōu)勢也非常明顯。另外，綠的諧波在諧波傳動領(lǐng)域已擁有12項(xiàng)國家發(fā)明專利和19項(xiàng)國家實(shí)用新型專利。
　　南通振康
　　南通振康焊接電機(jī)有限公司創(chuàng)始于1993年，是國家高新技術(shù)企業(yè)，20年來，振康一直專注于機(jī)器人核心部件——精密電機(jī)和精密減速器的研發(fā)和生產(chǎn)，從剛開始的印刷電機(jī)，到后來的送絲機(jī)和自動化焊接小車，再到現(xiàn)在的RV減速機(jī)，南通振康的發(fā)展歷程，是專注于特種電機(jī)與精密減速機(jī)的發(fā)展歷程2010 年研制開發(fā)用于工業(yè)機(jī)器人傳動核心部件RV減速裝置以及系列交流伺服電機(jī)，現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)。
　　浙江恒豐泰
　　浙江恒豐泰以減速機(jī)、攪拌設(shè)備為主導(dǎo)產(chǎn)品，其減速器相關(guān)產(chǎn)品有LPB型帶有手動搬車裝置減速機(jī)（ 國家專利產(chǎn)品） 、X系列擺線針輪減速機(jī)、LC型兩級齒 輪 減 速 機(jī)、LPB、LSB 型 平 行 軸 齒 輪 減 速 機(jī)、GOJ型硬齒面減速機(jī)、LFY型硬齒面減速機(jī)、CF型圓錐硬齒面減速機(jī)、HR、HK、HF、HS型硬齒面減速機(jī)、M型蝸輪減速機(jī)、FL型旁入式錐輪減速機(jī)、MB型無級變速機(jī)。恒豐泰現(xiàn)有專利45項(xiàng)，其中多項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)國內(nèi)空白，達(dá)到國際先進(jìn)，公司高新技術(shù)產(chǎn)品被列入國家級重點(diǎn)新產(chǎn)品名單和國家火炬計(jì)劃。同時，承擔(dān)的國家 “十二五”863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目課題———工業(yè)機(jī)器人高精度高效率減速器于2013年9月5日通過國家科技部驗(yàn)收，從而填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)的空白，打破了國外企業(yè)在該領(lǐng)域的壟斷地位。
　　北京中技克美諧波傳動有限公司
　　北京中技克美諧波傳動有限責(zé)任公司成立于1994年12月9日，是國家科技部批準(zhǔn)的 “國家諧波傳動技術(shù)研究推廣中心” 和 “諧波傳動國家重點(diǎn)工業(yè)性試驗(yàn)基地”，是我國第一個專業(yè)從事諧波傳動技術(shù)設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)的高新技術(shù)實(shí)業(yè)公司。公司產(chǎn)品主要有以下4個標(biāo)準(zhǔn)系列：XB1單級諧波傳動減速器和組件、XB2內(nèi)嚙復(fù)波諧波傳動減速器和組件、XB3扁平式諧波傳動減速器和組件以及XBF相位調(diào)節(jié)器用諧波傳動。目前，公司產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于航天、航空、信息、能源、電子、儀表、石化、印刷、包裝、機(jī)器人、機(jī)械、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域。
　　北京諧波傳動技術(shù)研究所
　　北京諧波傳動技術(shù)研究所成立于1983年，具有長期的關(guān)于諧波齒輪傳動技術(shù)的研發(fā)及為用戶服務(wù)的豐富經(jīng)驗(yàn)，是從事諧波傳動及特種傳動技術(shù)的研發(fā)銷售的專業(yè)化企業(yè)。主要研發(fā)銷售標(biāo)準(zhǔn)諧波減速器、諧波傳動組件及按用戶所需設(shè)計(jì)非標(biāo)電機(jī)套裝。公司于1993年編寫制定 “諧波傳動減速器國家標(biāo)準(zhǔn)”，其代號為GB/T14118-93。從1991年以來為滿足印刷、包裝機(jī)械開發(fā)出相位調(diào)節(jié)器，機(jī)床走刀機(jī)構(gòu)用快、慢運(yùn)動的減速器，力求把新設(shè)計(jì)、新工藝、新材料用于小速比（i≥40～50）諧波減速器，以滿足對機(jī)械速度的要求，同時已經(jīng)研發(fā)出速比在i≥100～20000大速比，以滿足另一些機(jī)械的要求。產(chǎn)品主要系列有XBD短筒系列、XB1單級系列、XB2復(fù)波系列以及XB3扁平系列。
　　工業(yè)機(jī)器人精密減速器技術(shù)指標(biāo)
　　扭轉(zhuǎn)剛度在扭轉(zhuǎn)力矩的作用下，構(gòu)件抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，或額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩與切向彈性變形轉(zhuǎn)角之比值。
　　啟動轉(zhuǎn)矩空載起動時，所需施加的力矩。
　　傳動精度在工作狀態(tài)下，輸入軸單向旋轉(zhuǎn)時，輸出軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角與相對理論轉(zhuǎn)角的接近程度。傳動精度的高低用傳動誤差的大小來衡量，傳動誤差小，精度高，傳動誤差大，精度低。
　　空程在工作狀態(tài)下，當(dāng)輸入軸由正向改為反向旋轉(zhuǎn)時，輸出軸在轉(zhuǎn)角上的滯后量。
　　背隙將輸出端與減速器殼體均固定，在輸入端施加±2%額定轉(zhuǎn)矩順時針和逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，減速機(jī)輸入端有一個微小的角位移，此角位移就是背隙，也稱為側(cè)隙。
　　傳動誤差在工作狀態(tài)下，當(dāng)輸入軸單向旋轉(zhuǎn)時，輸出軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差。
　　傳動效率傳動效率是指輸出功率與輸入功率的比值。傳動效率受到減速比、轉(zhuǎn)速、負(fù)載扭矩、溫度、潤滑條件的影響。
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