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严重依赖进口!工业机器人核心部件之减速机!
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说起关节,主要是指工业机器人最重要的基础部件,也是运动的核心部件:精密减速机。这是一种精密的动力传达机构,其利用齿轮的速度转换器,将电机的回转数减速到所要的回转数,并得到较大转矩的装置,从而降低转速,增加转矩。



▲日本安川机器人挥刀削豌豆


机器人所有核心零部件中,减速机最为关键。然而当我们在无限憧憬机器人时代的时候,时至今日,中国仍然不具备设计和制造它的能力。这玩意儿和单反相机一样几乎都是日本造的:日本人说跪,全球机器人没几个能站着。想到这些,那叫一个惨烈!


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为什么工业机器人需要用到减速机?


工业机器人的动力源一般为交流伺服电机,因为由脉冲信号驱动,其伺服电机本身就可以实现调速,为什么工业机器人还需要减速电机呢?


工业机器人通常执行重复的动作,以完成相同的工序;为保证工业机器人在生产中能够可靠地完成工序任务,并确保工艺质量,对工业机器人的定位精度和重复定位精度要求很高。因此,提高和确保工业机器人的精度就需要采用rv减速器或谐波减速器。精密减速电机在工业机器人中的另一作用是传递更大的扭矩。当负载较大时,一味提高伺服电机的功率是很不划算的,可以在适宜的速度范围内通过减速器来提高输出扭矩。



此外,伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动,对于长时间和周期性工作的工业机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。精密减速电机的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转,并精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度,提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。与通用减速器相比,机器人关节减速电机要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。大量应用在关节型机器人上的减速器主要有两类:rv减速器和谐波减速器。


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知名机器人减速器制造企业



目前全球能够提供规模化且性能可靠的精密减速器生产企业不算多,全球绝大多数市场份额都被日本企业占据,在工业用机器人关节上的精密减速器上,纳Nabtesco(纳博特斯克)产品的全球市场占有率达60%,特别在中/重负荷机器人上,其RV减速器市场占有率高达90%。Harmonica(哈默纳科)的谐波减速器约占15%,还有住友重工(SUMITOMO,未查到比例)。

① Nabtesco纳博特斯克

Nabtesco(纳博特斯克)是2003年9月成立的,看似一个00后公司。实际上它是由帝人精机(Teijin Seiki,1944年成立)和纳博克(Nabco,1956年生产了日本第一个自动门)这两家日本公司强强合并组成。作为运动控制系统和零部件的生产商,这两家公司都在其特定的业务领域,掌握了高端核心技术,控制了很高的市场份额,所以Nabtesco甫一成立,就位居同行业在日本乃至全世界的首位,世界上大多数机器人制造商均从Nabtesco的专利RV减速机获益并带来成功。

作为世界上最大的精密摆线针轮减速机制造商,Nabtesco生产高性能减速机、中空轴减速机,以及单轴伺服执行器和控制器。其生产的精密设备具有高扭矩、高刚性和高耐过载冲击荷载能力的同时,兼有高精密和非常低的回程间隙,被广泛应用于卫星、雷达天线、工业机器人、半导体和焊接技术等工业自动化领域。

Nabtesco有几个小视频能很直观形象地其产品展示在各种工业机器人上的应用。其中一个6轴机器人的跟大家分享。

▼6轴机器人的关节

1944年帝人精机成立伊始,在飞机制造业开展业务,1947年进军纺织机械制造领域,1955年开始制造飞行器零部件,1959年扩展至机床制造业。Nabtesco的RV减速器,前身正是帝人精机的主流产品,70年代开始作为挖掘设备驱动马达的核心部件使用。80年代早期,应世界主要机器人制造商要求,帝人精机改进了RV减速器,使之更加精准可靠,符合机器人制造行业的严格要求。取得了精密摆线针轮RV减速机专利后,于1986年开始批量生产,从此开始为现代工业机器人的关节应用进行配套。

▼拆解开观看内部结构

线路能很方便得从减速机中空的部分穿过。这样的设计不仅转矩更大,压缩比更高,接近零侧隙,而且还加载了一组更大的提供更大动量,并免去外部支撑设备的内角支撑轴。这样一来,就进一步节省了成本,简化了最终用户的设计工作。

日本Harmonic Drive Systems Inc.(简称HDSI)是整体运动控制的领军企业,其生产的Harmonic Drive组合型谐波减速机,具有轻量小型、无齿轮间隙、高转矩容量等特点,被广泛应用于工业机器人、仿人机器人、半导体液晶生产装置、光伏设备、光学仪器、精密机床等各种尖端领域。阿波罗月球车的电驱动车轮里的波动齿轮就是用哈默纳科的产品哦~~

 

为了涵盖谐波减速机所不能做到的低减速比领域,HDSI产品还涉及到精密行星齿轮箱型谐波减速机Harmonic Planetary。独特的内齿圈形变工艺,可以使得行星齿轮与其啮合的更紧、消除背隙,已达到精密级的传动误差。

 

谐波传动减速器(harmonic gear drive)是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形,并与刚性齿轮相啮合,从头传递运动和动力的齿轮传动系统。谐波传动减速器是由美国人Clarence Walton Musser(1909~ 1998-06-08)在1957年获得发明专利(美国专利号2906143),除此之外,这位曾在美国国防部工作15年的长寿发明家一生有250项重大发明,例如军用无后座力步枪,飞机弹射器,水下爆炸试验仪器等等。


听上去象大一个行业品类,其实harmonic drive是Harmonic Drive Systems Inc.的商标。1960年美国USM公司首次将谐波传动减速器成功投入运用,后来长谷川齿轮株式会社(Hasegawa Gear Works, Ltd.)获得了USM的生产许可。1970年10月,长谷川与USM各出资50%,在东京都成立了Harmonic Drive Systems Inc.,汉译哈默纳科。


哈默纳科是整体运动控制的领军企业,其生产的HarmonicDrive组合型谐波减速机,具有轻量小型、无齿轮间隙、高转矩容量等特点,被广泛应用于工业机器人、仿人机器人、半导体液晶生产装置、光伏设备、光学仪器、精密机床等各种尖端领域。


2006年1月1日哈默纳科和上面介绍的Nabtesco的美国子公司在马萨诸塞州成立了合资公司Harmonic Drive L.L.C.。


为了涵盖谐波减速机所不能做到的低减速比领域,产品还涉及到精密行星齿轮箱型谐波减速机(Harmonic Planetary)。独特的内齿圈形变工艺,可以使得行星齿轮与其啮合的更紧、消除背隙,已达到精密级的传动误差。


▼谐波减速器拆解开观看内部结构

 

▼谐波行星减速器Harmonic Planetary Gears


③ SUMITOMO住友

日本住友SUMITOMO是拥有400多年历史的世界500强之一的住友集团旗下的建设机械厂家,在世界范围享有盛誉。住友产品在1967年凭借自身技术开发研制了第一台液压挖掘机之后,目前世界各地到处活跃着住友液压挖掘机的身影。住友重机械工业株式会社 Sumitomo Drive Technologies住友重机械在日本便开始了电动机和减速机的自行制造生产。


住友减速机包含各种型号减速机,如住友大型斜齿轮减速箱,住友行星齿轮减速机,住友斜齿轮减速机,住友蜗轮蜗杆减速机等。减速比大,效率高:一级传动减速 比为9~87,双级传动减速比为121~5133,多级混合可达数万,且针齿啮合系套式滚动摩擦,啮合表面无相对滑动,故一级减速效率达94%。


1995年10月,由住友重机械工业株式会社和住友商事株式会社共同出资在中国天津成立住友重机械减速机(中国)有限公司,并在2001年成立上海分公司作为其产品在中国的销售总部,同时在上海的松江设有维修中心。


反观国内,我国对工业机器人用精密减速器的研究相比国外较晚,技术不成熟,与国外先进技术存在较大差距,形成了精密减速器不能自给自足的局面,严重依赖进口。


这严重制约了我国工业机器人的发展,特别是在我国工业机器人逐渐产业化时期,工业机器人精密减速器的关键技术突破显得更加迫切。国务院印发的《中国制造2025》提出,“突破机器人本体、减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。”


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