近年來，我國工業機器人產業發展勢頭強勁，技術水平不斷提升。據CRIA與IFR統計，2019年中國自主品牌工業機器人銷售近4．5萬臺，在國內市場占有率提升到了32.2%，銷售同比增長16.2%。外資品牌工業機器人在中國銷售同比下降10.98%，但外資品牌瑞士abb、德國庫卡、日本安川電機、日本發那科“四大家族”企業依舊占據國內市場的近68%。國內外工業機器人的主要差距在哪里呢？不少人把矛頭指向了工業機器人的核心部件—減速機。
一、減速機是什么？
減速機顧名思義降低運動速度，增加扭矩，提高精度的機械裝置。其目的是提高機器的運行精度、延長其使用壽命、保障其運行過程中的穩定性與可靠性。減速機是裝備制造業中一種極為重要的基礎件，廣泛應用于工業機器人、數控機床等機械設備上。減速機就好比汽車上的變速箱，只不過其控制速度和精度比變速箱高得多。減速機作為技術壁壘最高的工業機器人關鍵零部件，按結構不同可以分為五類：諧波齒輪減速機、RV減速機、擺線針輪減速機、精密行星齒輪減速機和濾波齒輪減速機。
圖1六軸機器人減速機位置
這五種減速機中RV減速機和諧波齒輪減速機是工業機器人最主流的精密減速機，并且在機器人大臂關節處（六軸機器人A2、A3軸負載較重的大臂及底座A1位置）一般應用RV減速機，而在機器人前端小臂關節處多應用諧波減速機，如圖1所示，簡單介紹一下兩種減速機工作原理。
諧波齒輪減速機
諧波減速機是依靠齒輪的彈性變形運動來達到減速的目的，由波發生器、柔輪和剛輪組成，依靠波發生器使柔輪產生可控彈性變形，并靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞運動和動力，如圖2所示。諧波減速機的技術難點主要體現在柔輪壽命和加工精度上。
基于機器視覺分揀機器人RV減速機
RV減速機由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成。典型的RV減速機如圖3所示，它是在傳統針擺行星傳動的基礎上發展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且具有體積小、質量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩定、效率高、傳動平穩等一系列優點。RV減速器制造核心難點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、裝配精度等，這些工藝總裝公差總分配帶來的結果是產品的磨損和壽命。
分揀機器人安裝圖3RV減速機爆炸結構圖/百度百科
二、國產減速機：行路之難
市場占有率低
目前，世界75%的精密減速機市場被日本的Harmonica公司和Nabtesco公司所占領，其中Nabtesco的RV減速機約占60%的市場份額，Harmonica的諧波減速機約占15%。RV減速機國產化研發始于上世紀90年代，開始主要是工藝、壽命和精度等瓶頸制約了RV減速機制造商的成長。但隨著中國制造業能力水平的提升及國內機器人市場爆發式增長，許多國內減速機廠家脫穎而出。尤其是在高精度RV減速機和諧波減速機產品研制方面，國內已經有一些可替代產品。
傳動精度和可靠性有待優化提升
減速機的傳動精度跟空程和背隙有關，背隙也叫回程間隙是指齒輪與齒輪之間的間隙。一般回程間隙越低，減速機的傳動精度越高且減速機價格也越貴、其傳動效率和精度也就越高。減速機的精度單位為弧分，軸轉一圈為360度，一度=60弧分=3600弧秒，間隙的單位是弧分arcmin，一般稱低于3分的稱為高精度型，15分以上為低精度型。
根據相關資料國內外減速機的主要性能參數如表1所示。在基本相同的轉速和功率下，Nabtesco的RV減速機和國產RV減速機的輸出扭矩范圍基本相當，說明在傳動扭矩上國內已經可以與國外相媲美。而國產的RV減速機包括諧波減速機在內的齒輪壽命、傳動精度等方面距離國外還有較大差距。比如國內的諧波減速機齒輪壽命目前能夠做到1.5萬小時，而同規格的國外的齒輪壽命能做到5萬小時。但好在國內的產品經過幾年的發展，減速機齒輪的壽命已經從9000小時提高到1.5萬小時，發展勢頭可喜。
表1國內外減速機的主要性能參數對比/根據文獻整理
有資料顯示國產減速機在運行一段時間后會有精度不能保持的問題，其實所有的機器人都有此類問題，國內外的差距主要在于減速機材料耐磨性不同導致壽命不同的結果，再者減速機的齒輪精度相比國外同類產品其加工精度不同。所以擴大減速機材料研制和數控加工設備研究將有助于我們解決精度問題。
國產減速機的破壁之路
國內知名減速機產品廠家研發的RV減速機和諧波減速機產品及發展情況如圖4和表2所示。因此，機器人減速機核心零部件國內企業已經研制出來，盡管在技術和質量方面與國外尚有差距，但總體上每一類核心零部件都已形成3～5家種子企業，配套產業集群效應正在逐漸發力，未來可期。與此同時，在減速機控制系統和相關軟件算法方面國內企業現在已經開始發力。2017年國內廠商實現了高性能控制系統的自主研發。通過算法實現拖動示教、碰撞檢測、柔順控制等功能，還賦予了工業機器人高精、高速、穩定、協作的性能，而這些性能都離不開減速機的功勞。
圖4國產品牌的RV減速機和諧波減速機
表2中國工業機器人減速機研發進展
三、研發難點及未來突破方向
國內廠商在減速機設計制造領域奮起直追，經過一定時間的積累，目前取得了很大的進步，如圖5。減速機結構緊湊要實現滿足多項關鍵功能的集成，同時實現結構緊湊，高扭矩、高精度、高傳動效率、低背隙等關鍵指標。研發的難點主要是在于減速機的傳動精度、齒輪結構加工工藝及精度、零部件壽命等方面。
國產減速機近年需要突破的方向，大致可以分為三個大方面：
重點研究減速機動力學理論、回轉誤差建模，分析產生傳動誤差的原因和優化措施。
重點研究能夠達到最優技術指標的材料制造工藝及組件加工工藝，提高工件的使用壽命和加工精度，加大制造裝備投入，提升加工制造能力。
加強零部件檢測能力建設，建立工業機器人精密減速機檢測中心，制定相關行業標準，對各類關鍵部件實施全面的性能檢測和產品認證。
結語：
減速機是工業機器人的核心部件，掌握高壽命、高精度減速機制造技術是國產工業機器人未來能否進入高端市場的關鍵。目前國內減速機企業已經奮起追趕并取得了不菲成績，相信近幾年是國產減速機的快速發展時期。未來國產機器人市場占有率會大幅提升并形成龐大產業鏈，高端減速機行業必將成為國民經濟的重要組成部分。
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