工业机器人的核心零部件：RV减速机的前世今生
无锡酬信自动化科技网讯：当我们在无限憧憬机器人时代的时候，你可曾知道，机器人最关键的机械结构之一RV减速机，到今天，中国仍然不具备设计和制造能力。“十二五”时期，国家“863”计划将其列入重点攻克的技术瓶颈。国内顶尖大学和科研机构几年攻关也只有论文，没有实物。
机器人所有核心零部件中，减速机最为关键。
工业机器人成本结构大致如下：本体22%、伺服系统25%、减速器38%、控制系统10%以及其他5%。简单拆分国内6轴工业机器人成本(总成本25万元)，可以看出减速器和伺服电机两项成本接近13万元，主要以进口为主。
今天小编就综合各方资料，为大家讲述下RV减速机。
一、RV减速机的机械原理
德国人劳伦兹·勃朗于1926年创造性地提出了一种少齿差行星传动机构，它是用外摆线作为齿廓曲线的，这就是最早期的针摆行星传动，由于两个啮合齿轮其中之一采用了针轮的形式，这种传动也被称做摆线针轮行星齿轮传动。
RV传动一种全新的传动方式，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。
以RV-E型减速机为例
第1减速部 正齿轮减速机构
输入轴的旋转从输入齿轮传递到直齿轮，按齿数比进行减速。这是第一减速部。
第2减速部…差动齿轮减速机构
直齿轮与曲柄轴相连接，变为第二减速部的输入。在曲柄轴的偏心部分，通过滚动轴承安装RV齿轮。另外，在外壳内侧仅比RV齿轮数多一个的针齿，以同等的齿距排列。
如果固定外壳转动直齿轮，则RV齿轮由于曲柄轴的偏心运动也进行偏心运动。此时如果曲柄轴转动一周，则RV齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿。这个转动被输出到第2减速部的轴。将轴固定时，外壳侧成为输出侧。
二、RV减速机对机器人的重要性
机器人第一关节到第四关节全部使用RV减速机，轻载机器人第五关节和第六关节有可能使用谐波减速机。重载机器人所有关节都需要使用RV减速机。平均而言，每台机器人使用4.5台RV减速器。2013年世界机器人销量18万台，需使用减速机90万台。
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器呢？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。精密减速器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。
精密减速器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，机器人关节减速器要求具有传动链短、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。相比于谐波减速器，RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部；行星减速器一般用在直角坐标机器人上。
同时，RV减速机较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显着降低，故世界上许多国家高精度机器人传动多采用RV减速器，因此，该种RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。
三、RV减速机发展编年史
1、1926年德国人劳伦兹·勃朗于创造性地提出RV减速机原理
2、1931年劳伦兹·勃朗在德国慕尼黑创建了“赛古乐”股份有限公司，最先开始了摆线减速器的制造和销售
3、1939年，日本住友公司和“赛古乐”公司签定了技术合作协议，并生产销售；
4、1944年，日本帝人精机成立，这个未来的RV减速机霸主，在飞机制造、纺织机械、机床等多个行业硕果累累；
5、1950年-1960年，摆线磨床的出现，解决了摆线齿形的精度不高的难题，使摆线传动得到了进一步的发展。
6、1956年，日本纳博克公司发售全球第一个自动门，在市场上展露头角。
7、1980年左右，日本帝人精机提出RV传动理论，着手应用于机器人行业。
8、1986年，日本帝人精机RV减速机正式大规模生产，取得成功；
9、2003年，帝人精机和纳博克合并组成Nabtesco(纳博特斯克)公司，并取得快速发展，现在已成为RV减速机行业的领头羊，占据了60%以上的市场，特别在中/重负荷机器人上，其RV减速机市场占有率高达90%。
四、中国RV减速机行业发展现状
在RV减速机方面，我国从二十世纪五十年代起开始研究行星齿轮传动装置，六十年代从国外引进，尽管在理论和仿制方面取得了一些成果，但与日本的同类最新产品相比，我们研制的摆线针轮减速器从整体性能、使用寿命、传动精度、承载能力到新产品的进一步开发升级都存在着相当多的不足之处。
配图模型MA1440工业机器人
一台精密减速器ABB、Kuka、安川等国际巨头采购价为3万元~5万元，卖给我国企业约7万元，普通企业约12万元，我国企业采购精密减速机的成本比国际巨头贵一倍还多。
据高工机器人产业研究所(GRII)数据统计，国内有353家机器人企业，其中研究减速器的只占到13家，研究RV减速器的只有5家。
2010年，南通振康焊接机电有限公司研制开发的可用于高端工业应用领域(机器人)传动核心部件RV减速装置以及系列交流伺服电机，投入批量生产，更获得市场广泛认可。2013年产量200多台。在上市公司中还有巨轮股份跟新松机器人都在进行RV减速器的研究，但目前尚未取得实质性的结果。
在经济转型升级和我国人口老龄化进程日益加快的情况下，机器人产业的发展迎来一个需求快速发展的阶段。2013年中国市场共销售工业机器人近3.7万台，约占全球销量的1/5，总销量超过了日本，位居全球第一。预计中国有望在2016年成为全球最大的机器人市场，保有量将超过15万台。Nabtesco都计划投资近50亿日元在中国新建工厂，自2016年起投产制造工业机器人用的核心零部件-RV减速机，计划每年产量10万台，2020年达20万台。
这么大的市场需求，目前看与中国企业几乎无缘，我们期待着中国企业能够早日突破技术瓶颈，赢得市场。
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我国的工业机器人三大核心零部件如何突破
     　　我国的工业机器人三大核心零部件、伺服电机、减速机是制约中国机器人产业的主要瓶颈，占到机器人成本的70%。　　控制器　　控制器国内外差距最小。控制器是机器人的大脑，发布和传递动作指令。包括硬件和软件两部分：硬件就是工业控制板卡，包括一些主控单元、信号处理部分等电路，国产品牌已经掌握;软件部分主要是控制算法、二次开发等，国产品牌在稳定性、响应速度、易用性等还有差距。　　控制器的问题在于，由于其“神经中枢”的地位和门槛相对较低，成熟机器人厂商一般自行开发控制器，以保证稳定性和维护技术体系。因此控制器的市场份额基本跟机器人本体一致。国际上也有KEBA、倍福、贝加莱这样提供控制器底层平台的厂商。因此在当前环境下国内专业研发控制器的企业会比较艰难。　　控制器的机会在于标准化和开放性。现有的机器人控制器封闭构造，带来开放性差、软件独立性差、容错性差、扩展性差、缺乏网络功能等缺点，已不能适应智能化和柔性化要求。开发模块化、标准化机器人控制器，各个层次对用户开放是机器人控制器的一个发展方向。我国863计划也已经立项。机器人接口统一是大趋势，未来可能会出现提供控制器模块的平台型企业。　　市场规模方面，按十三五规划到2020年我国机器人保有量80万台，假设国产机器人占50%的份额，控制器价格1.5万元，算上更换及维护，国产控制器的市场规模在60-70亿元。　　伺服电机　　伺服电机竞争激烈，外资掌握话语权。伺服电机在机器人中用作执行单元，是影响机器人工作性能的主要因素。伺服电机主要分为步进、交流和直流，机器人行业应用最多的是交流伺服，约占65%伺服电机与控制器关联紧密。　　伺服系统外资企业占据绝对优势。日系品牌凭借良好的产品性能与极具竞争力的价格垄断了中小型OEM(制造业)市场。2014年，伺服系统市场TOP15厂商中，前三名均为日系品牌，总份额达到45%。西门子、博世、施耐德等欧系品牌占据高端，整体市场份额在30%左右。国内企业整体份额低于10%左右。　　我国伺服系统自主配套能力已现雏形。较大规模的伺服品牌有20余家。国产产品功率范围多在22KW以内，技术路线上与日系产品接近。从市场规模来看，2014年伺服电机在所有应用行业规模68亿人民币，增速为8.3%;其中机器人增速高达50%，迅速成长为伺服系统应用中排名第六的行业，以4.2亿的业绩，占市场份额6.2%。　　成长空间上，伺服电机整体上受宏观经济影响明显，未来5年将进入稳定发展。4轴和6轴的多关节机器人占比上升，将带来机器人用伺服的高速增长。预计十三五规划期内，机器人伺服系统占比将升至第一位，市场规模16亿元。　　控制器和伺服系统关联紧密，用户选择的排序分别是可靠稳定性、价格、服务，从服务和性价比入手是国内企业突破的方向。但这需要对运动控制领域长期深入的研究，大量资金投入和长时间的市场验证，对技术、资金、人才要求都较高，国内上市公司如新松、新时达、汇川技术、广州数控、埃斯顿等具备类似的条件。　　减速机　　机器人减速机市场高度垄断，普及期国产减速机无法实现全面进口替代。减速机用来精确控制机器人动作，传输更大的力矩。分为两种，安装在机座、大臂、肩膀等重负载位置的RV减速机和安装在小臂、腕部或手部等轻负载位置的谐波减速机。RV减速机被日本纳博特斯克垄断，谐波减速机日本哈默纳科占绝对优势。　　谐波减速机结构相对简单，仅有三个基本零部件，加上哈默纳科的专利早已到期，国产谐波减速机跟国外相比差距不算大。无锡绿的的谐波减速机已经在国产机器人上面有广泛应用。　　RV减速机核心难点在于基础工业和工艺。RV减速机是纯机械的精密部件，材料、热处理工艺和高精度加工机床缺一不可。我国在这几个方面长期落后，并非单靠某个企业所能解决。要将200多个零部件组合在一起，精度要求苛刻，零部件之间的公差匹配需要多年经验积累。　　从市场规模来看，按2020年机器人保有量80万台，即增量约60万台计，一台多关节工业机器人按轴数不同需要4-6个减速机，取中位数5个，则需要300万个减速机。乐观估计国内企业拿到50%的市场份额，单台减速机4000元计算，则规模在60亿元，算上更换需求也不会超过70亿元。　　减速机价格呈下行趋势。纳博特斯克2013年跟上海机电合资以来，随着国际机器人在中国产能加大和国产机器人的发展，其RV减速机价格逐渐下降。2016年常州工厂投产，还会有进一步下降空间。上海机电2015年年报披露，纳博减速机收入1.34亿元，同比增长52.3%;净利润3365万元，同比增长55.5%。　　综上，我国工业机器人的三大核心零部件要想从本质上获得突破，都需要付出更多的耐心和投入，尤其是减速机，期待越大，压力越大，同时前景也可观。同时我国的工业机器人技术人才也很稀缺。
收录时间:日 10:01:17 来源:aet电子技术应用 作者:匿名
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