近年來，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，技術(shù)水平不斷提升。據(jù)CRIA與IFR統(tǒng)計，2019年中國自主品牌工業(yè)機(jī)器人銷售近4．5萬臺，在國內(nèi)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(yè)機(jī)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(jī)、日本發(fā)那科“四大家族”企業(yè)依舊占據(jù)國內(nèi)市場的近68%。國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的主要差距在哪里呢？不少人把矛頭指向了工業(yè)機(jī)器人的核心部件—減速機(jī)。

一、減速機(jī)是什么？

減速機(jī)顧名思義降低運(yùn)動速度，增加扭矩，提高精度的機(jī)械裝置。其目的是提高機(jī)器的運(yùn)行精度、延長其使用壽命、保障其運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性與可靠性。減速機(jī)是裝備制造業(yè)中一種極為重要的基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等機(jī)械設(shè)備上。減速機(jī)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(jī)作為技術(shù)壁壘最高的工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵零部件，按結(jié)構(gòu)不同可以分為五類：諧波齒輪減速機(jī)、RV（旋轉(zhuǎn)矢量）減速機(jī)、擺線針輪減速機(jī)、精密行星齒輪減速機(jī)和濾波齒輪減速機(jī)。

圖1六軸機(jī)器人減速機(jī)位置

這五種減速機(jī)中RV減速機(jī)和諧波齒輪減速機(jī)是工業(yè)機(jī)器人最主流的精密減速機(jī)，并且在機(jī)器人大臂關(guān)節(jié)處（六軸機(jī)器人A2、A3軸負(fù)載較重的大臂及底座A1位置）一般應(yīng)用RV減速機(jī)，而在機(jī)器人前端小臂關(guān)節(jié)處多應(yīng)用諧波減速機(jī)，如圖1所示，簡單介紹一下兩種減速機(jī)工作原理。

諧波齒輪減速機(jī)

諧波減速機(jī)是依靠齒輪的彈性變形運(yùn)動來達(dá)到減速的目的，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，如圖2所示。諧波減速機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在柔輪壽命和加工精度上。

圖2諧波齒輪減速機(jī)原理/學(xué)位論文 作者：李偉勇

RV減速機(jī)

RV減速機(jī)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。典型的RV減速機(jī)如圖3所示，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減速器制造核心難點(diǎn)在各項(xiàng)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(shù)、裝配精度等，這些工藝總裝公差總分配帶來的結(jié)果是產(chǎn)品的磨損和壽命。

圖3 RV減速機(jī)爆炸結(jié)構(gòu)圖/百度百科

二、國產(chǎn)減速機(jī)：行路之難

市場占有率低

目前，世界75%的精密減速機(jī)市場被日本的Harmonica公司和Nabtesco公司所占領(lǐng)，其中Nabtesco的RV減速機(jī)約占60%的市場份額，Harmonica的諧波減速機(jī)約占15%。RV減速機(jī)國產(chǎn)化研發(fā)始于上世紀(jì)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(jī)制造商的成長。但隨著中國制造業(yè)能力水平的提升及國內(nèi)機(jī)器人市場爆發(fā)式增長，許多國內(nèi)減速機(jī)廠家脫穎而出。尤其是在高精度RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)產(chǎn)品研制方面，國內(nèi)已經(jīng)有一些可替代產(chǎn)品。

傳動精度和可靠性有待優(yōu)化提升

減速機(jī)的傳動精度跟空程和背隙有關(guān)，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(jī)的傳動精度越高且減速機(jī)價格也越貴、其傳動效率和精度也就越高。減速機(jī)的精度單位為弧分，軸轉(zhuǎn)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（3‘）的稱為高精度型，15分（15’）以上為低精度型。

根據(jù)相關(guān)資料國內(nèi)外減速機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示。在基本相同的轉(zhuǎn)速和功率下，Nabtesco的RV減速機(jī)和國產(chǎn)RV減速機(jī)的輸出扭矩范圍基本相當(dāng)，說明在傳動扭矩上國內(nèi)已經(jīng)可以與國外相媲美。而國產(chǎn)的RV減速機(jī)包括諧波減速機(jī)在內(nèi)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(nèi)的諧波減速機(jī)齒輪壽命目前能夠做到1.5萬小時，而同規(guī)格的國外的齒輪壽命能做到5萬小時。但好在國內(nèi)的產(chǎn)品經(jīng)過幾年的發(fā)展，減速機(jī)齒輪的壽命已經(jīng)從9000小時提高到1.5萬小時，發(fā)展勢頭可喜。

表1國內(nèi)外減速機(jī)的主要性能參數(shù)對比/根據(jù)文獻(xiàn)整理

有資料顯示國產(chǎn)減速機(jī)在運(yùn)行一段時間后會有精度不能保持的問題，其實(shí)所有的機(jī)器人都有此類問題，國內(nèi)外的差距主要在于減速機(jī)材料耐磨性不同導(dǎo)致壽命不同的結(jié)果，再者減速機(jī)的齒輪精度相比國外同類產(chǎn)品其加工精度不同。所以擴(kuò)大減速機(jī)材料研制和數(shù)控加工設(shè)備研究將有助于我們解決精度問題。

國產(chǎn)減速機(jī)的破壁之路

國內(nèi)知名減速機(jī)產(chǎn)品廠家研發(fā)的RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)產(chǎn)品及發(fā)展情況如圖4和表2所示。因此，機(jī)器人減速機(jī)核心零部件國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)研制出來，盡管在技術(shù)和質(zhì)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(yè)，配套產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)正在逐漸發(fā)力，未來可期。與此同時，在減速機(jī)控制系統(tǒng)和相關(guān)軟件算法方面國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)開始發(fā)力。2017年國內(nèi)廠商實(shí)現(xiàn)了高性能控制系統(tǒng)的自主研發(fā)。通過算法實(shí)現(xiàn)拖動示教、碰撞檢測、柔順控制等功能，還賦予了工業(yè)機(jī)器人高精、高速、穩(wěn)定、協(xié)作的性能，而這些性能都離不開減速機(jī)的功勞。

圖4國產(chǎn)品牌的RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)

表2中國工業(yè)機(jī)器人減速機(jī)研發(fā)進(jìn)展

三、研發(fā)難點(diǎn)及未來突破方向

國內(nèi)廠商在減速機(jī)設(shè)計制造領(lǐng)域奮起直追，經(jīng)過一定時間的積累，目前取得了很大的進(jìn)步，如圖5。減速機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊要實(shí)現(xiàn)滿足多項(xiàng)關(guān)鍵功能的集成，同時實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，高扭矩、高精度、高傳動效率、低背隙等關(guān)鍵指標(biāo)。研發(fā)的難點(diǎn)主要是在于減速機(jī)的傳動精度、齒輪結(jié)構(gòu)加工工藝及精度、零部件壽命等方面。

國產(chǎn)減速機(jī)近年需要突破的方向，大致可以分為三個大方面：

（1）重點(diǎn)研究減速機(jī)動力學(xué)理論、回轉(zhuǎn)誤差建模，分析產(chǎn)生傳動誤差的原因和優(yōu)化措施。

（2）重點(diǎn)研究能夠達(dá)到最優(yōu)技術(shù)指標(biāo)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。

（3）加強(qiáng)零部件檢測能力建設(shè)，建立工業(yè)機(jī)器人精密減速機(jī)檢測中心，制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對各類關(guān)鍵部件實(shí)施全面的性能檢測和產(chǎn)品認(rèn)證。

圖5博覽會上的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人/新華社 作者：沙達(dá)提

結(jié)語：

減速機(jī)是工業(yè)機(jī)器人的核心部件，掌握高壽命、高精度減速機(jī)制造技術(shù)是國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人未來能否進(jìn)入高端市場的關(guān)鍵。目前國內(nèi)減速機(jī)企業(yè)已經(jīng)奮起追趕并取得了不菲成績，相信近幾年是國產(chǎn)減速機(jī)的快速發(fā)展時期。未來國產(chǎn)機(jī)器人市場占有率會大幅提升并形成龐大產(chǎn)業(yè)鏈，高端減速機(jī)行業(yè)必將成為國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。