機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類(lèi)指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類(lèi)工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人最關(guān)鍵的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一RV減速機(jī)，然而時(shí)至今日，中國(guó)仍然不具備設(shè)計(jì)和制造能力。國(guó)內(nèi)頂尖大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)幾年攻關(guān)也只有論文，沒(méi)有實(shí)物。“十二五”時(shí)期，國(guó)家“863”計(jì)劃將其列入重點(diǎn)攻克的技術(shù)瓶頸。
機(jī)器人所有核心零部件中，減速機(jī)最為關(guān)鍵。
工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成：機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。按構(gòu)造成本劃分：本體22%、伺服系統(tǒng)25%、減速器38%、控制系統(tǒng)10%以及其他5%。簡(jiǎn)單拆分國(guó)內(nèi)6軸工業(yè)機(jī)器人成本(總成本25萬(wàn)元)，可以看出減速器和伺服電機(jī)兩項(xiàng)成本接近13萬(wàn)元，主要以進(jìn)口為主。
一、RV減速機(jī)的機(jī)械原理
德國(guó)人勞倫茲·勃朗于1926年創(chuàng)造性地提出了一種少齒差行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是用外擺線作為齒廓曲線的，這就是最早期的針擺行星傳動(dòng)，由于兩個(gè)嚙合齒輪其中之一采用了針輪的形式，這種傳動(dòng)也被稱(chēng)做擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。
RV傳動(dòng)一種全新的傳動(dòng)方式，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，不僅克服了一般針擺傳動(dòng)的缺點(diǎn)，而且因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、壽命長(zhǎng)、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。
以RV-E型減速機(jī)為例
RV-E型減速機(jī)是2級(jí)減速型。
第1減速部…正齒輪減速機(jī)構(gòu)
輸入軸的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪傳遞到直齒輪，按齒數(shù)比進(jìn)行減速。這是第一減速部。
第2減速部…差動(dòng)齒輪減速機(jī)構(gòu)
直齒輪與曲柄軸相連接，變?yōu)榈诙p速部的輸入。在曲柄軸的偏心部分，通過(guò)滾動(dòng)軸承安裝RV齒輪。另外，在外殼內(nèi)側(cè)僅比RV齒輪數(shù)多一個(gè)的針齒，以同等的齒距排列。
如果固定外殼轉(zhuǎn)動(dòng)直齒輪，則RV齒輪由于曲柄軸的偏心運(yùn)動(dòng)也進(jìn)行偏心運(yùn)動(dòng)。
此時(shí)如果曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則RV齒輪就會(huì)沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒。
這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)被輸出到第2減速部的軸。
將軸固定時(shí)，外殼側(cè)成為輸出側(cè)。
RV-E型減速機(jī)有很多使用方法。旋轉(zhuǎn)方向與速比如下圖所示。
請(qǐng)選擇最佳實(shí)用方法。
第1減速部與第2減速部相加得到的減速比i因使用方法而異，可以根據(jù)下列公式所示的速比值算出。
軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況
R :速比值
Z1:輸入齒輪的齒數(shù)
Z2：直齒輪的齒數(shù)
Z3：RV齒輪的齒數(shù)
Z4：針齒根數(shù) i：減速比
二、RV減速機(jī)對(duì)機(jī)器人的重要性
機(jī)器人第一關(guān)節(jié)到第四關(guān)節(jié)全部使用RV減速機(jī)，輕載機(jī)器人第五關(guān)節(jié)和第六關(guān)節(jié)有可能使用諧波減速機(jī)。重載機(jī)器人所有關(guān)節(jié)都需要使用RV減速機(jī)。平均而言，每臺(tái)機(jī)器人使用4.5臺(tái)RV減速器。2013年世界機(jī)器人銷(xiāo)量18萬(wàn)臺(tái)，需使用減速機(jī)90萬(wàn)臺(tái)。
工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力源一般為交流伺服電機(jī)，因?yàn)橛擅}沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，其伺服電機(jī)本身就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，為什么工業(yè)機(jī)器人還需要減速器呢？工業(yè)機(jī)器人通常執(zhí)行重復(fù)的動(dòng)作，以完成相同的工序；為保證工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中能夠可靠地完成工序任務(wù)，并確保工藝質(zhì)量，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定位精度和重復(fù)定位精度要求很高。因此，提高和確保工業(yè)機(jī)器人的精度就需要采用RV減速器或諧波減速器。精密減速器在工業(yè)機(jī)器人中的另一作用是傳遞更大的扭矩。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，一味提高伺服電機(jī)的功率是很不劃算的，可以在適宜的速度范圍內(nèi)通過(guò)減速器來(lái)提高輸出扭矩。此外，伺服電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動(dòng)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間和周期性工作的工業(yè)機(jī)器人這都不利于確保其精確、可靠地運(yùn)行。
精密減速器的存在使伺服電機(jī)在一個(gè)合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機(jī)器人各部位需要的速度，提高機(jī)械體剛性的同時(shí)輸出更大的力矩。與通用減速器相比，機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器要求具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點(diǎn)。
大量應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上的減速器主要有兩類(lèi)：RV減速器和諧波減速器。相比于諧波減速器，RV減速器具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度。因此在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，一般將RV減速器放置在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置；而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部；行星減速器一般用在直角坐標(biāo)機(jī)器人上。
同時(shí)，RV減速機(jī)較機(jī)器人中常用的諧波傳動(dòng)具有高得多的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，而且回差精度穩(wěn)定，不像諧波傳動(dòng)那樣隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)精度就會(huì)顯著降低，故世界上許多國(guó)家高精度機(jī)器人傳動(dòng)多采用RV減速器，因此，該種RV減速器在先進(jìn)機(jī)器人傳動(dòng)中有逐漸取代諧波減速器的發(fā)展趨勢(shì)。
三、原理
RV減速機(jī)的傳動(dòng)裝置是由第一級(jí)漸開(kāi)線圓柱齒輪行星減速機(jī)構(gòu)和第二級(jí)擺線針輪行星減速機(jī)構(gòu)兩部分組成，為一封閉差動(dòng)輪系如圖2.2為其結(jié)構(gòu)示意圖。主動(dòng)的太陽(yáng)輪1與輸入軸相連，如果漸開(kāi)線中心輪1順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，它將帶動(dòng)三個(gè)呈120°布置的行星輪2在繞中心輪軸心公轉(zhuǎn)的同時(shí)還有逆時(shí)針?lè)较蜃赞D(zhuǎn)，三個(gè)曲柄軸3與行星輪2相固連而同速轉(zhuǎn)動(dòng)，兩片相位差180°的擺線輪4鉸接在三個(gè)曲柄軸上，并與固定的針輪相嚙合，在其軸線繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還將反方向自轉(zhuǎn)，即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。輸出機(jī)構(gòu)(即行星架)6由裝在其上的三對(duì)曲柄軸支撐軸承來(lái)推動(dòng)，把擺線輪上的自轉(zhuǎn)矢量以1:1的速比傳遞出來(lái)。
四、RV減速機(jī)發(fā)展編年史
1、1926年德國(guó)人勞倫茲·勃朗于創(chuàng)造性地提出RV減速機(jī)原理
2、1931年勞倫茲·勃朗在德國(guó)慕尼黑創(chuàng)建了“賽古樂(lè)”股份有限公司，最先開(kāi)始了擺線減速器的制造和銷(xiāo)售
3、1939年，日本住友公司和“賽古樂(lè)”公司簽定了技術(shù)合作協(xié)議，并生產(chǎn)銷(xiāo)售；
4、1944年，日本帝人精機(jī)成立，這個(gè)未來(lái)的RV減速機(jī)霸主，在飛機(jī)制造、紡織機(jī)械、機(jī)床等多個(gè)行業(yè)碩果累累；
5、1950年-1960年，擺線磨床的出現(xiàn)，解決了擺線齒形的精度不高的難題，使擺線傳動(dòng)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。
6、1956年，日本納博克公司發(fā)售全球第一個(gè)自動(dòng)門(mén)，在市場(chǎng)上展露頭角。
7、1980年左右，日本帝人精機(jī)提出RV傳動(dòng)理論，著手應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)。
8、1986年，日本帝人精機(jī)RV減速機(jī)正式大規(guī)模生產(chǎn)，取得成功；
9、2003年，帝人精機(jī)和納博克合并組成Nabtesco(納博特斯克)公司，并取得快速發(fā)展，現(xiàn)在已成為RV減速機(jī)行業(yè)的領(lǐng)頭羊，占據(jù)了60%以上的市場(chǎng)，特別在中/重負(fù)荷機(jī)器人上，其RV減速機(jī)市場(chǎng)占有率高達(dá)90%。
五、中國(guó)RV減速機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
如今機(jī)器人發(fā)展的特點(diǎn)可概括為：橫向上，應(yīng)用面越來(lái)越寬。由95%的工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到更多領(lǐng)域的非工業(yè)應(yīng)用。像做手術(shù)、采摘水果、剪枝、巷道掘進(jìn)、偵查、排雷，還有空間機(jī)器人、潛海機(jī)器人。機(jī)器人應(yīng)用無(wú)限制，只要能想到的，就可以去創(chuàng)造實(shí)現(xiàn)；縱向上，機(jī)器人的種類(lèi)會(huì)越來(lái)越多，像進(jìn)入人體的微型機(jī)器人，已成為一個(gè)新方向，可以小到像一個(gè)米粒般大??；機(jī)器人智能化得到加強(qiáng)，機(jī)器人會(huì)更加聰明。
在RV減速機(jī)方面，我國(guó)從二十世紀(jì)五十年代起開(kāi)始研究行星齒輪傳動(dòng)裝置，六十年代從國(guó)外引進(jìn)，盡管在理論和仿制方面取得了一些成果，但與日本的同類(lèi)最新產(chǎn)品相比，我們研制的擺線針輪減速器從整體性能、使用壽命、傳動(dòng)精度、承載能力到新產(chǎn)品的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)升級(jí)都存在著相當(dāng)多的不足之處。
一臺(tái)精密減速器ABB、Kuka、安川等國(guó)際巨頭采購(gòu)價(jià)為3萬(wàn)元~5萬(wàn)元，賣(mài)給我國(guó)企業(yè)約7萬(wàn)元，普通企業(yè)約12萬(wàn)元，我國(guó)企業(yè)采購(gòu)精密減速機(jī)的成本比國(guó)際巨頭貴一倍還多。
據(jù)高工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所(GRII)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)有353家機(jī)器人企業(yè)，其中研究減速器的只占到13家，研究RV減速器的只有5家。
2010年，南通振康焊接機(jī)電有限公司研制開(kāi)發(fā)的可用于高端工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域(機(jī)器人)傳動(dòng)核心部件RV減速裝置以及系列交流伺服電機(jī)，投入批量生產(chǎn)，更獲得市場(chǎng)廣泛認(rèn)可。2013年產(chǎn)量200多臺(tái)。在上市公司中還有巨輪股份跟新松機(jī)器人都在進(jìn)行RV減速器的研究，但目前尚未取得實(shí)質(zhì)性的結(jié)果。
在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)和我國(guó)人口老齡化進(jìn)程日益加快的情況下，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迎來(lái)一個(gè)需求快速發(fā)展的階段。2013年中國(guó)市場(chǎng)共銷(xiāo)售工業(yè)機(jī)器人近3.7萬(wàn)臺(tái)，約占全球銷(xiāo)量的1/5，總銷(xiāo)量超過(guò)了日本，位居全球第一。預(yù)計(jì)中國(guó)有望在2018年成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)，保有量將超過(guò)15萬(wàn)臺(tái)。Nabtesco都計(jì)劃投資近50億日元在中國(guó)新建工廠，自2016年起投產(chǎn)制造工業(yè)機(jī)器人用的核心零部件-RV減速機(jī)，計(jì)劃每年產(chǎn)量10萬(wàn)臺(tái)，2020年達(dá)20萬(wàn)臺(tái)。
這么大的市場(chǎng)需求，目前看與中國(guó)企業(yè)幾乎無(wú)緣，我們期待著中國(guó)企業(yè)能夠早日突破技術(shù)瓶頸，贏得市場(chǎng)。