物流移动机器人减速机的产品和技术发展|物流机器人核心配套件专题(五)

作为物流移动机器人动力系统子结构传动装置的核心零部件,减速机对于控制精度、提高扭矩发挥着重要作用。在进行减速机的选择时,除根据需求选择不同的减速机种类外,还要关注减速机的减速比、使用寿命等多种因素,尤其是为适配物流场景下的应用需求,定制化开发也成为发展趋势。

对于包括物流移动机器人在内的工业机器人,主要由控制系统、动力系统及本体机械结构三大部分构成。其中,减速机是动力系统子结构传动装置的核心零部件,其主要功能是达到减速增矩的作用。长期以来,减速机被视为工业机器人制造中技术壁垒最高的核心零部件,根据相关企业的成本统计,减速机在机器人制造成本中占比在33%~38%之间。

作为相对精密的机械,减速机在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用,物流移动机器人的轮边驱动减速、转向、顶升或重复等动作都需要通过减速机来完成。因此,物流移动机器人的能力与效率与减速机密切相关。

 

我国的减速机等关键零部件技术发展迅速

一、关于减速机的基本情况

减速机,又称“减速器”,是一种动力传达机构,可以视作是齿轮的细分领域,主要是利用齿轮的速度转换器,将马达的回转数减速到所要的回转数,并得到较大转矩。减速机主要针对的减速对象是电机,减速机在原动机和工作机之间起着匹配转速和传递扭矩的作用。绝大多数工作机负载大、转速低,不适宜用原动机直接驱动,需通过减速机来降低转速、增加扭矩,因此绝大多数的工作机均需要配用减速机,在现代机械中应用极为广泛。

1.主要作用

我们在应用物流移动机器人时,需要它能够可靠地完成搬运任务,并确保搬运质量,对定位精度和重复定位精度有着更高的要求,而提高和确保其精度必须依赖于减速机。尤其是当负载重量大时,如果仅仅提高伺服电机的功率并不是最佳选择,可以在合适的速度范围内通过减速机来提高输出扭矩。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。减速机可以使伺服电机在合适的速度下运转,并精确控制转速,在提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。

 

提高和确保物流移动机器人的精度必须依赖于减速机

2.型号分类

减速机的种类和型号繁多,不同种类有着不同的用途。如按照传动类型可分为齿轮减速机、蜗杆减速机和行星齿轮减速机;按照传动级数不同可分为单级和多级减速机。目前成熟并标准化的减速机,主要有圆柱齿轮减速机、涡轮减速机、行星减速机、RV减速机、摆线针轮减速机和谐波减速机等。物流移动机器人对减速机的要求很高,在选择精密减速机时要从扭转刚度、启动转矩、传动精度、传动误差、传动效率等方面来选择,目前能满足要求的主要有谐波减速机、行星减速机、RV减速机等几种类型。

谐波减速机(Harmonic Gear Drive)主要由波发生器、柔性齿轮、柔性轴承、刚性齿轮等基本构件组成;工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形,靠柔轮与刚轮啮合来传递动力谐;具有传动比大、外形轮廓小、零件数目少、传动效率高等特点;按照波发生器的不同有凸轮式、滚轮式和偏心盘式;其技术难点主要体现在柔轮寿命和加工精度方面。

RV减速机是旋转矢量(Rotary Vector)减速机的简称,是在摆线针轮传动基础上发展起来的,具有二级减速和中心圆盘支承结构。因其传动比大、传动效率高、运动精度高、回差小、低振动、刚性大和高可靠性等优点,成为适合机器人应用的一种减速机。RV减速机制造核心难点在各项工艺的密切配合,包括齿面热处理、加工精度、零件对称性、成组技术、装配精度等。

行星减速机就是有三个行星轮围绕一个太阳轮旋转的减速机;凭借体积小、重量轻、承载能力高、使用寿命长、运转平稳、噪声低等优点;具有功率分流、多齿啮合独用的特性,行星减速机成为用途广泛的工业产品之一。

RV减速机和谐波减速机是工业机器人领域最主流应用的两种精密减速机。RV减速机应用于负载大的工业机器人,而谐波减速机主要用于负载小的工业机器人。相比机器人中常用的谐波传动,RV传动具有更高的疲劳强度、刚度和寿命,而且回差精度稳定,并且不会随使用时间增长,使运动精度显著降低,因此高精度机器人传动多采用RV减速机。

二、物流移动机器人的减速机特点

具体到以AGV为代表物流移动机器人,对于减速机的要求主要是长度短、径向负载大、高精度,目前市场上应用较多的减速机是精密行星减速机、摆线针齿减速机等。其中,结构更紧凑的精密行星减速机,额定输出扭矩可以做得很大,但材料及零件加工精度要求高,结构复杂,制造与安装较困难。而摆线减速机是一种应用行星式传动原理的摆线针齿啮合的新颖传动装置,优点是体积小、重量轻、动作传递精度高、传动比范围大、传动扭矩大、传动效率高、使用寿命长、结构简单,不过摆线减速机制造工艺复杂,有些零件的制造精度和装配工艺要求较高。此外,围绕物流移动机器人的应用需求和场景,对减速机进行定制开发也成为一种选择,目前在市场中也占有一定比例。

 

减速机是物流移动机器人的关键零部件之一

作为机器人的关键零部件之一,减速机对物流移动机器人的整机性能起到关键作用,需要具有较高精度保持性(寿命)、高可靠性、低噪音等特性。减速机本身有额定的使用寿命,需要定期更换。工业机器人的工作寿命一般为8至10年左右,作为传动和承重的核心部件,减速机在运行期间的磨损不可避免,其使用寿命通常在2年左右,因而在物流移动机器人维修保养的过程中,也需要大量的减速机替换。

在进行减速机的选择时,除根据需求选择不同的减速机种类外,还要关注减速机的减速比、安装方式和尺寸、精度、受力等等,而这些因素往往也是衡量减速机优劣的主要标准。

其中,传动效率是减速机重要评价指标之一。要测试传动效率是需要专业设备的,用户很难自己测出具体数据,但可进行横向对比。减速机的寿命主要取决于轴承的寿命,轴承通常最先受到损坏,尤其谐波减速机,RV减速机的行星结构部分也是易坏点。是否发热也是衡量指标之一,因为减速机精度取决于齿轮的啮合程度,啮合间隙过大,减速机的精度就越差,而采用微过盈的方式,精度就会提高,但是就会导致发热过大的问题。精度是考量减速机的重要指标,角传动精度直接影响着机器人的绝对定位精度,另外还有机器人的重复定位精度问题。无论是哪种减速机,还会必定面对漏油的情况,这也是较为常见的故障之一,机器人漏油主要来自两个方面:电机漏油和减速机漏油。其中,减速机漏油现象更为多见,背后就涉及本体企业安装不合理等原因,因此安装方式的选择非常重要,也是减速机企业研发方向的重点。

除了更高精度、更可靠稳定等的要求之外,为适配物流场景下的应用,定制化需求也更加显著,一体化进程开始加速。业内人士表示,一体化可以使减速机产品结构更紧凑,安全保障更高和安装调试更容易,并可更好提升AGV产品行走的灵活性、稳定性和可靠性。因此将驱动器、电机、减速机等进行融合的一体化解决方案,在市场中逐渐受到青睐。

三、市场格局和发展情况

长期以来,减速机市场主要以国外企业为主导,尤其是纳博特斯克、哈默纳科、日本新宝、住友等从事精密减速机研发、生产的国际厂商占据领先地位。与此同时,国内企业也在快速崛起,尤其是随着机器人需求的快速增长,使众多企业都加大在减速机产品和技术方面的投入。

根据中国软件评测中心(工业和信息化部软件与集成电路促进中心)发布的《中国机器人产业应用创新白皮书(2021)》,随着我国机器人产学研用协同创新体系逐步完善,自主品牌机器人产品竞争力逐步增强,包括减速机在内的关键零部件技术有所突破,国产核心零部件产品市场占有率持续增大,其中国产谐波减速机在自主品牌机器人市场占有率达60%以上,国产RV减速机也已进入批量化生产与应用阶段。

客观来看,国际品牌在市场竞逐中依然凭借的是技术优势,而绿的谐波、南通振康、中大力德等国内品牌则正在技术方面加紧追赶,并在本土化、性价比与定制化服务等方面有突出表现。如绿的谐波在国内率先实现谐波减速机的工业化生产和规模化应用,打破国际品牌在国内机器人谐波减速机领域的垄断,已成长为国内谐波减速机龙头,并跻身国际主流市场,客户主要有新松、华数机器人等等。

由于机器人用精密减速机在精度、速度等方面要求极高,国产厂商技术水平仍有待提高。但我们也看到,我国的减速机领域仍有新兴企业在不断涌现,未来几年仍将是重点发展的核心零部件,机器人国产化替代进程的加快将在很大程度上带动国产减速机的发展。

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文章来源:物流技术与应用

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