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中國機器人減速機發展:RV減速機,諧波減速機分析

RV 傳動把少齒差擺線針輪減速傳動和類行星傳動合二為一,形成了一種具有兩級減速的新型傳動。基于以上原理,通過多根偏心軸把兩種減速機構連接,構成了 RV 減速器。世界上極少有類似 RV 減速器的結構,把兩種完全不同的減速機構緊密巧妙地合二為一。兩種減速機構中,任何一種精度不足或者降低都會影響另一種減速機構的正常運行,所以 RV 減速器的原理結構就決定了其天生就要求極高的零部件精度,從而保證兩種減速機構都能長久可靠運行。

RV減速機國內外發展現狀

rv減速機

RV 減速器是由德國發明,但是未見批量生產及應用。目前國外 RV 減速器生產企業主要有日本納博特斯克、日本住友和斯洛伐克 SPINEA。其中,日本納博特斯克通過十年研發,近三十年市場應用,其產品性能非常穩定可靠,市場占有率超過 80%,世界機器人四大家族基本全部采用該公司產品。日本住友早期研制的 RV 減速器都采用單偏心軸機構,轉矩和抗沖擊能力不及日本納博特斯克產品, 所以遲遲未能擴大應用范圍。近幾年,日本住友也開始推出與日本納博特斯克結構幾乎一致的產品,采用至少兩根以上偏心軸連接兩級減速機構,大大提高了產品轉矩和抗沖擊能力。斯洛伐克 SPINEA 的減速器產品由于不具備類行星減速傳動,所以是否歸屬于 RV 減速器產品系列是存在爭議的。該產品是結合了高精度擺線齒輪和徑向-軸向軸承在一個單元內的新型傳動結構。由于該減速器沒有類行星結構,所以噪音極低。同時又采用高精度雙十字滑塊結構,使得減速器的輸出精度極高。所以斯洛伐克 SPINEA 減速器產品更多地用于醫療及攝像等高端領域。該減速器也有不足的地方:一是和早期的日本住友減速器一樣采用單偏心軸結構, 并且擺線傳動的滾針較細,導致減速器的轉矩和抗沖擊能力不及日本納博特斯克產品;二是該減速器結構需要極高的加工精度,導致量產困難,產品成本偏高, 售價昂貴。

隨著國產機器人市場的興起,國內諸多企業開始立志于攻克 RV 減速器技術。

目前國內 RV 減速器生產企業主要有南通振康、陜西秦川、浙江雙環和寧波中大。這四家公司的產品結構與日本納博特斯克的基本一致,同時都進行了一些創新改造。由于起步較晚,國內 RV 減速器生產廠家的品牌認可度都遠不及日本產品, 生產規模也不及日本納博特斯克的十分之一。但由于采用了最新的高精度生產設備,國內某些 RV 減速器生產企業的產品性能已經能達到日本水平,能夠滿足于工業機器人等高端領域的需求。

產品特點

RV 減速器產品是當今世界上同等體積下,剛度和精度協同達到最高的產品。除了高剛度和高精度外,RV 減速器還具備極強的抗沖擊能力、較小的噪音和較高的疲勞壽命。其優異的綜合性能是其它任何減速器無法取代的,所以在中大型負載機器人上幾乎全部采用 RV 減速器產品。

未來發展趨勢

未來 RV 減速器的發展主要有兩個方向:性能訂制化和生產精益化。

除工業機器人外,RV 減速器未來還會大量應用于其它自動化領域。這就對RV 減速器提出了諸多的性能要求,例如半封閉結構、全封閉結構、質量輕量化和噪音低量化。日本納博特斯克已經在 RV 結構的基礎上逐步推出了封閉式結構的RD 系類減速器產品和質量輕量化的 N 系列減速器產品。國內南通振康近年推出了噪音低量化的新型 RV 減速器產品。

隨著全球智能制造的高速發展,對 RV 減速器產品的需求越來越大。國內外現有 RV 減速器的年產量已經不能滿足全球市場需求。嚴控生產成本并且快速高效生產出合格的 RV 減速器產品成為未來主要發展方向,即大批量生產出更具性價比優勢的 RV 減速器產品。目前,日本納博特斯克的年產能已經超過 50 萬臺, 正在向年產 100 萬臺進軍。國內率先實現 RV 減速器量產的南通振康,2018 年的產能不足 5 萬臺。國內所有 RV 減速器制造商產能累計也不超過 10 萬臺,急需加快實現精益化生產。

諧波減速器

概念及范疇

減速器是連接動力源和執行機構的中間機構,具有匹配轉速和傳遞轉矩的作用。它把電動機、內燃機或其他高速運轉的動力通過減速器的輸入軸上的齒數少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到降低轉速,增加轉矩的目的。減速器種類及型號繁多,按照控制精度劃分,減速器可分為一般傳動減速器和精密減速器。一般傳動減速器控制精度低,可滿足機械設備基本的動力傳動需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長,更加可靠穩定,應用于機器人、數控機床等高端領域。精密減速器種類較多,包括 RV 減速器、諧波齒輪減速器、擺線針輪行星減速器、精密行星減速器、濾波齒輪減速器等,目前工業機器人領域適用較多的精密減速器是 RV 減速器和諧波減速器。

根據 GB/T 30819-2014《機器人用諧波齒輪減速器》定義,諧波齒輪減速器是一種靠波發生器使柔輪產生可控的彈性變形波,通過與剛輪的相互作用,實現運動和動力傳遞的傳動裝置。其輸入和輸出轉向相反,即:波發生器輸入,剛輪固定,柔輪輸出;或柔輪固定,鋼輪輸出。諧波減速器的精度等級根據其傳動誤差和空程來衡量:傳動誤差≤30 弧秒的減速器屬于高精密級減速器;30 弧秒<傳動誤差≤1 弧分的減速器屬于精密級減速器;1 弧分<傳動誤差≤3 弧分的減速器屬于普通級減速器。

諧波減速機

國內外發展現狀

一、國外發展現狀

市場規模:近年來,全球工業機器人行業保持快速發展。據 IFR 統計,2017 年,全球工業機器人銷量達到 38.1 萬臺,同比增長 29.5%;銷售額達到 154 億美元。受此帶動,作為工業機器人的核心零部件,精密減速器市場迎來高速發展, 市場規模接近 50 億美元。

產品供給:精密減速器市場總體呈現供不應求的局面,納博特斯克、哈默納

科等主要廠商普遍存在產能受限、交貨周期拉長的情況,2017 年納博特斯克的供貨期為 4.5 個月左右,哈默納科供貨期在 6 個月以上。為滿足市場需求,納博特斯克、哈默納科等國際巨頭紛紛擴大生產。

競爭格局:全球精密減速器行業為寡頭壟斷格局,市場主要被兩大日系企業納博特斯克(RV 減速器供應商)和哈默納科(諧波減速器供應商)壟斷,其中納博特斯克占據約 60%的市場份額,哈默納科占據約 15%的市場份額。

市場特點:(1)目前全球能夠提供規模化且性能可靠的精密減速器生產企業數量很少,日系企業掌握精密減速器行業的話語權。(2)受工業機器人市場快速增長影響,精密減速器企業紛紛擴大產能,并逐漸將工廠設在機器人主要應用市場國。

二、國內發展現狀

市場規模:中國作為全球最大的工業機器人市場,精密減速器市場規模迅速擴大。根據 IFR、電子工程世界網、方正證券研究所推算,2017 年,中國精密減速器市場規模為 37.3 億元,同比增長 33.4%。

產品供給:基于靠近市場、靠近客戶的有利優勢,國內精密減速器生產企業供貨周期較短,首次訂單交貨期在 3 個月左右,二次及后期訂單交貨期在 2 個月左右,客戶響應速度較快。

競爭格局:國內諧波減速器企業崛起較快,如蘇州綠的、北京諧波傳動所、中技克美等,尤其以綠的諧波進展最為迅速,下游客戶近千家,包含新松機器人、埃夫特和新時達等國內著名機器人生產商。2017 年蘇州綠的諧波減速器的生產能力達到 20 萬臺,在國內機器人諧波減速器市場的滲透率超過 80%。

市場特點:(1)外資廠商占據絕對壟斷地位,市場份額超過 70%;(2)外資廠商對國內企業采取差別化定價策略,國內企業采購的精密減速器價格要高于國外企業 20%以上,且供貨期較長;(3)隨著技術逐漸成熟,以綠的諧波為首的國產諧波減速器企業快速崛起,正逐步實現進口替代。

9.3 產品特點

目前,工業機器人領域適用較多的 RV 減速器和諧波減速器各具特點,適用于不同場景,相輔相成。在多關節機器人中,一般將 RV 減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置;而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部。

圖表 20:各類減速器優缺點對比

2018-2019年中國機器人減速機發展:RV減速機,諧波減速機分析

各類減速機優勢對比

一般來說,工業機器人的每個關節都需要配備一臺減速器。一臺六軸工業機器人需要搭配 6 臺減速器,負載 10KG 以下機器人以諧波減速器為主,10-20KG 的機器人小臂、手腕關節可以采用諧波減速器,其他位置主要需要使用 RV 減速器(3-5 個),而 20KG 以上的則基本上使用 RV 減速器。SCARA 機器人包含 4 個諧波減速器,而 DELTA 機器人的電機安裝在固定基座上,需 1 個諧波減速器。

未來發展趨勢

一、多重因素推進精密減速器國產替代加速進行

目前,我國已將突破機器人關鍵核心技術作為科技發展的重要戰略,國內一些廠商攻克了精密減速器的部分難題,如南通振康成功開發了 300Kg 以下機器人使用的 RV 減速器,并擁有近 300 家機器人制造商客戶;綠的諧波生產的諧波減速器在性能上已經可以與國外產品相媲美,并形成了年產 20 萬臺的生產能力。未來,隨著國內企業生產的精密減速器產品在性能上與國外企業逐漸接近,但在價格、交貨周期、現場服務能力、售后響應速度方面的優勢不斷突出,國產替代將加速推進。

二、機器人產品結構調整推動諧波占比快速提升

隨著工業機器人在汽車制造領域的應用日益飽和,3C 等領域將成為工業機器人的重要應用方向,推動其向小型化方向發展。此外,隨著研發水平提升、工藝設計創新以及新材料的投入使用,工業機器人向小型化、輕型化、柔性化發展變為可能,近年來協作機器人的快速發展就是很好的佐證。而在小型機器人領域, 由于諧波減速器的傳動效率高、傳動精度高、體積小、重量輕、傳動平穩、噪聲小、可向密封空間傳遞運動、成本低等優勢,將推動諧波減速器的使用數量快速提高,在精密減速器中的占比大幅提升。

三、精密減速器應用領域持續拓展

隨著技術的日益成熟,精密減速器越來越體現出高精度、高鋼性、高負載、傳動效率高、高速比、高壽命、低慣性、低振動、低噪音、低溫升、外觀美、結構輕小、安裝方便等諸多優點,其應用領域將從工業機器人領域快速拓展到數控機床、航空航天、醫療器械、衛浴陶瓷、新能源等多個領域,展示出其廣闊的發展前景。如在數控機床領域,加裝精密減速器后,可以減輕數控機床伺服馬達負荷、降低機械故障率、提高精密度,進而增加機械壽命。

四、機電一體化成為零部件企業未來的發力方向

對于機器人系統集成企業來講,其需要采購除精密減速器、伺服系統、控制器等核心零部件外的上百個零部件,迫切需要市場上出現對某些零部件進行模塊化集成的模組,降低采購種類,減少安裝環節、提高集成效率,即機電一體化成為行業發展的重要趨勢。在這種趨勢下,國內外領跑企業紛紛開發一體化模塊, 如國際諧波減速器巨頭日本哈默納科提出了“整體運動控制”,將諧波減速器與電機、傳感器等組合,提供高附加值模塊化產品;科爾摩根發布 RGM 機器人關節模組,探索提供機器人關節解決方案。

五、服務能力和響應速度成為企業的重要競爭力

隨著機器人行業多年的快速發展,機器人產品的成熟與供需逐漸趨向平衡,

要求精密減速器企業加強技術服務和響應速度等方面的能力建設。一方面,機器人廠商在為下游客戶提供系統解決方案時,越來越需要上游核心零部件廠商的技術支持,需要精密減速器企業發揮技術、產品、服務等整體優勢,加快響應速度, 提升將行業空間轉化為訂單的能力;另一方面,隨著機器人的應用場景越來越多, 不同場景的個性化需求隨之增加,如何通過及時的技術服務能力取得客戶信任, 并隨后通過快速的產品設計、制造、供貨滿足客戶需求,是精密減速器企業核心競爭力的重要體現。


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