葡萄新京:机器人的核心零部件:精密减速器(1)

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Update time : 2024-04-17
葡萄新京:机器人的核心零部件:精密减速器(1)(图1)

如果说机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”,那这颗明珠价值最高的地方在哪里?这就是我们本文的主人公“精密减速器”。

机器人的发展越来越快,以工业机器人为例,其先进程度让人叹为观止,那些灵动的5轴/6轴的机器人,具有许多关节,精确传递运动指令,各部位间紧密配合,去完成一些复杂的工作。所以,我们不禁好奇,机器人的关节到底是什么样的,他们是怎么工作的 …

机器人的每个关节运动,都需要靠伺服电机来驱动。伺服电机的特点是,输出的转速大、扭矩小,但机器人关节处却需要转速小、扭矩大,所以需要减速器来降低转速、增加扭矩

葡萄新京:机器人的核心零部件:精密减速器(1)(图2)

工业机器人一般使用交流伺服电机,用脉冲信号驱动的,所以伺服电机本身就可以实现调速,那为什么还需要减速器呢?

一方面工业机器人通常执行的是重复性动作。为了保证可靠地完成工艺任务、保证工艺质量,对工业机器人的定位精度和重复定位精度提出了很高的要求,所以需要精密减速器。

精密减速器的另一个作用是提供更大的扭矩。负载较大时,单纯加大伺服电机功率不划算,因此在合适的转速范围内采用减速器来提高输出扭矩葡萄新京。

还有,伺服电机在低频运行下容易发热和低频振动,不利于保证长时间、周期性工作的工业机器人可以准确可靠地运行。通过精密减速器,伺服电机就可以在合适的速度下运行,准确地将速度降低到工业机器人各部分所需的速度,在提高机器人本体刚性的同时输出更大的扭矩。葡萄新京

与普通减速机相比,机器人关节减速机要求具有传动链短、体积小、功率大、重量轻、易于控制等特点,同时需要足够的刚度、回转精度和运动精度稳定性等等。

目前减速器已经广泛应用于机器人。其实在早期,在减速器流行之前,ABB等公司是通过使用自己的齿轮机构去进行减速的。

目前机器人中广泛使用的减速器主要有两种:RV减速器和谐波减速器。

我们先看一下机器人的上下游,上游为核心的软硬件,硬件主要包括减速器、伺服电机/系统、控制系统、传感器等等,软件则包括机器视觉、人机交互、机器学习、系统控制等等;中游就是机器人本体;下游则是系统集成和服务,如工业机器人用于焊接、装配、检测、搬运、喷涂等,服务机器人用于迎宾接待、酒店引导、餐饮送服等。

以工业机器人为例,精密减速器是连接动力源和执行机构的中间机构,匹配转速和传递转矩。伺服电机在自动控制系统中用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出,工业机器人每个关节运动均需靠伺服电机驱动,以实现多自由度的运动。而控制器是工业机器人的大脑,对机器人的性能起着决定性的影响。工业机器人控制器主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹,操作顺序及动作的时间等等。

衡量机器人的核心指标是精度、稳定性、负荷能力等等,以上三大核心零部件决定了这些关键指标。这三个零部件搭配在一起,共同实现机器人可控、平稳、精准地完成标准动作,每个部件都缺一不可。据统计,目前减速器、伺服电机、控制器这三大核心零部件的成本占整机总成本约70%,其中减速器约35%,占比最高,而且精密减速器又是最核心且技术难度最大的零部件,技术壁垒最高,其重要性不言而喻。伺服约20%,控制器约15%,而本体和其它部分则占整机分别为15%、15%。

精密减速器成本高的原因在于其研发难度大,在精密加工、规模生产和检测等环节上聚焦技术,这也是我国制造业目前的薄弱处之一。

精密减速器壁垒高的原因在于它是技术密集型行业,它对材料、加工精度和工艺均有极高要求,有较高的进入门槛。因此这块市场长期被两个日本品牌垄断,市场占有率达到60%以上,而机器人本体厂商极少自主开发,均选择外购。

另外,减速器的使用数量则取决于机器人的“自由度“数量。通常来说:

  • 六轴机器人使用6个谐波/RV减速器;
  • 协作机器人使用6-7个谐波减速器;
  • SCARA机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm,具有选择顺应性的装配机器人手臂)使用3个谐波/RV减速器;
  • 并联/DELTA机器人(又被成为蜘蛛手机器人)使用1个谐波减速器;
  • 人形机器人的腿部+手臂+腰部+颈部共使用15-40个减速器,每条腿各配置6个谐波减速器,使用量随着肢体使用量和复杂度的提高而提高。

根据负载、体积、速度、精度的要求,机器人本体厂商在RV减速器、谐波减速器或其它类型减速器中进行选择、以及搭配组合应用。

根据GGII数据,以2020年为例,多关节机器人、SCARA机器人、协作机器人和坐标机器人的市场占比分别为63%、30%、4%和3%,多关节机器人使用6台减速器(例如一台工业机器人搭载 3 台谐波减速器、3 台 RV 减速器),大大拉动了减速器的需求量;协作机器人可以与人近距离互动,协助生产,目前尚处于起步阶段,每台机器人搭配7台谐波减速器,将形成较大增量需求。

其实除机器人外,精密减速器也还可以应用到半导体设备、数控机床、医疗器械等对工作精度要求高的设备变速装置上。

葡萄新京:机器人的核心零部件:精密减速器(1)(图3)

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【未完待续】

农历癸卯四月初六

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2023.5.24

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葡萄新京:机器人的核心零部件:精密减速器(1)(图7)


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