綜述各種減速器國內(nèi)外的市場現(xiàn)狀，總結(jié)精密減速器的分類，介紹不同減速器的特點，指出了國內(nèi)外產(chǎn)品的性能差距，最后分析了當前我國在精密減速器領(lǐng)域存在的技術(shù)壁壘及其以后的發(fā)展方向。

　　隨著我國社會老齡化程度的加劇和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的升級改造，我國對工業(yè)機器人的需求逐年遞增。截至 2018 年，我國已經(jīng)成為全球最大的工業(yè)機器人市場。從工業(yè)機器人構(gòu)成結(jié)構(gòu)上分析，完整的工業(yè)機器人包括減速器、伺服電機和控制器 3 大核心零部件。工業(yè)機器人制造產(chǎn)業(yè)的總成本表明：我國機器人 3 大核心零部件的占比分別為 32%、22% 及 12%，制造成本占工業(yè)機器人總制造成本的 70%。精密減速器作為工業(yè)機器人最重要的基礎(chǔ)部件，直接關(guān)系到機器人的反應(yīng)速度和功能實現(xiàn)精度，即精密減速器的性能直接決定了機器人的整體性能水平。

　　一、精密減速器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　在工業(yè)機器人用精密減速器領(lǐng)域，國外企業(yè)起步早，技術(shù)積累時間久，而國內(nèi)企業(yè)處于相對落后的狀態(tài)。但是，隨著國家政策和國內(nèi)外環(huán)境的變化，國內(nèi)精密減速器領(lǐng)域也取得了巨大進步。

　　國外發(fā)展現(xiàn)狀

　　國外企業(yè)對于精密減速器領(lǐng)域的研究已有 100 多年的歷史。經(jīng)過 100 多年的技術(shù)沉淀和積累，在精密減速器的研發(fā)、設(shè)計與制造方面，國外企業(yè)一直處于壟斷領(lǐng)先地位。不論是技術(shù)還是市場開拓，國內(nèi)企業(yè)與之尚存在一定的差距。值得注意的是，目前的全球精密減速器市場中，日本企業(yè)占據(jù)了半壁江山。以 Nabtesco 生產(chǎn)的 RV 減速器為例，該企業(yè)的產(chǎn)品占據(jù)了全球 RV 減速器市場約 60% 的份額。此外，Harmonica 生產(chǎn)的諧波減速器和 SUMITOMO 生產(chǎn)的行星齒輪減速器也都在全球市場占據(jù)著重要份額。除日本外，韓國、美國及斯洛伐克等國家近幾年不斷進行各種技術(shù)創(chuàng)新，推出各種新型精密減速器產(chǎn)品，且研制的各種型號的精密減速器當前仍處于保密狀態(tài)。總的來說，當前全球工業(yè)機器人用精密減速器市場仍是以歐美和日韓為主導(dǎo)的市場，且其技術(shù)一直在不斷發(fā)展和更新。

　　國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國在工業(yè)機器人用精密減速器領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)積累較為薄弱。自 20 世紀 60 年代諧波減速器技術(shù)引入我國之后，幾十年的時間，我國的精密減速器行業(yè)從無到有，經(jīng)過市場檢驗現(xiàn)已發(fā)展較為完備，具備一定的設(shè)計、研發(fā)及制造能力。特別是進入新世紀后，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展涌現(xiàn)出了一大批精密減速器企業(yè)，其中比較有代表性的有上海機電、秦川發(fā)展、綠的諧波、南通振康和浙江恒豐泰等民族企業(yè)。近年來，這些企業(yè)與科研院所合作，在減速器設(shè)計方面有所建樹，如減速器設(shè)計理論研究、減速器加工工藝研究及減速器整機性能測試研究等方面。雖然國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的精密減速器在精度及壽命上達不到國外企業(yè)的水平，但由于我國企業(yè)的價格優(yōu)勢明顯，在國內(nèi)及國際也占據(jù)了一定的市場。

　　目前，我國工業(yè)機器人精密減速器核心零部件嚴重依賴進口，精密減速器單項占總機的成本達到 30% 以上。由于核心零部件的成本過高，導(dǎo)致我國精密減速器行業(yè)及工業(yè)機器人行業(yè)的受到了一定阻礙。所以，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該立足當下，積極尋求與國外企業(yè)的合作，爭取以合作共贏的方式彌補技術(shù)上的不足。

　　二、工業(yè)機器人用精密減速器的分類

　　RV 減速器

　　最早提出 RV(Rotate Vector)減速器概念的是德國 Braren 博士。1926 年，Braren 博士創(chuàng)造性地提出在精密機械傳動中應(yīng)用擺線齒廓，并在隨后的幾年開始批量生產(chǎn)和銷售擺線減速器。RV 減速器日后在世界范圍內(nèi)大規(guī)模商業(yè)化推廣應(yīng)用，主要歸功于日本的 Nabtesco 公司。該公司在研制適配機器人關(guān)節(jié)手臂的減速器時，首次正式將 RV 減速器的概念規(guī)模化，并在以后的生產(chǎn)實踐中將其產(chǎn)業(yè)化。

　　RV 減速器的實物圖，如圖 1 所示。從本質(zhì)上來講，RV 減速器是以擺線針輪行星傳動為基礎(chǔ)發(fā)展而來的工業(yè)機器人用精密減速器。按照行星輪系基本結(jié)構(gòu)，可以將其歸類為 2K-V 型行星傳動裝置。該減速器主要包括兩級傳動裝置，分別為漸開線行星齒輪傳動和擺線針輪行星傳動。漸開線行星齒輪傳動機構(gòu)中包括行星直齒輪、偏心軸和中心輪，擺線針輪行星傳動機構(gòu)中包括擺線輪、偏心軸、針齒和行星架。

　　諧波減速器

　　諧波減速器是以行星齒輪傳動為原理研制的精密減速器，主要包括波發(fā)生器、柔輪與剛輪，如圖 2 所示。此類型減速器工作時，波發(fā)生器會發(fā)生可控變形，同時依靠柔輪、剛輪的嚙合傳遞動力。諧波減速器中一般將諧波發(fā)生器作為主動軸，將柔輪與鋼輪作為從動軸。諧波減速器不僅在工業(yè)機器人領(lǐng)域得到了應(yīng)用推廣，也在其他諸如航空航天、精密加工設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

　　精密行星減速器

　　精密行星減速器體積比較小，主要包括行星輪、太陽輪和內(nèi)齒圈。精密行星減速器結(jié)構(gòu)較為簡單，傳動比都在 10 以內(nèi)，且減速級數(shù)一般不會超過 3 級。市場上認可度較高的精密減速器為德國 SEW 和 FLENDER。此外，國產(chǎn)四通精密行星減速器在我國也占有一定的市場。

　　擺線針輪行星減速器

　　擺線針輪行星減速器是以應(yīng)用行星式傳動為基礎(chǔ)、以擺線針齒嚙合為載體的傳動裝置，如圖 3 所示。與其他減速器結(jié)構(gòu)類似，構(gòu)成擺線針輪行星減速器主要分為輸入部分、減速部分和輸出部分。不同于其他減速器，擺線針輪行星減速器在輸入端設(shè)有一個雙偏心套，并在偏心套上配有兩個滾珠軸承，構(gòu)成了該減速器的 H 機構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)組成了擺線針輪行星減速器種齒差為 1 的內(nèi)嚙合減速結(jié)構(gòu)。擺線針輪行星減速器承載能力大，因此被廣泛應(yīng)用于如礦山、化工和起重等工程機械領(lǐng)域。

　　濾波齒輪減速器

　　濾波齒輪減速器由重慶大學(xué)的梁錫昌教授研發(fā)。該減速器屬于 NN 型少齒差減速器，主要包括偏心減速機構(gòu)、濾波花鍵機構(gòu)和三向止推軸承。作為我國首款自行研制的精密加速器，濾波齒輪減速器的出現(xiàn)標志著我國在工業(yè)機器人用精密減速器領(lǐng)域取得了原創(chuàng)性突破，打破了國外企業(yè)在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，在精密減速器領(lǐng)域中國制造向中國“智”造轉(zhuǎn)變過程中具有里程碑意義。

　　三、工業(yè)機器人用精密減速器的特點

　　RV 減速器的特點

　　與傳統(tǒng)的擺線針輪行星傳動相比，RV 減速器具有許多獨特的優(yōu)點。首先，RV 減速器采用兩級傳動結(jié)構(gòu)，故其傳動比的范圍較其他結(jié)構(gòu)的減速器更大，傳動效率更高。根據(jù)測算，RV 減速器的傳動比可在 31 ～ 171 范圍內(nèi)浮動，同時傳動效率可達 85% ～ 92%。其次，RV 減速器低速級擺線輪結(jié)構(gòu)為180°對稱分布，使得擺線輪的結(jié)構(gòu)受力均勻、嚙合次數(shù)增加，提高了減速器傳動的平穩(wěn)性和減速器的承載能力。最后，RV 減速器采用兩端支撐的輸出結(jié)構(gòu)，相比普通的擺線減速器，其剛性和耐過載沖擊性能得到大幅度提升，傳動精度與傳動誤差得到大幅優(yōu)化。因此，RV 減速器在工業(yè)機器人用精密減速器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

　　諧波減速器的特點

　　諧波減速器最突出的優(yōu)點是可以在密閉空間內(nèi)傳遞運動。此外，諧波減速器的運動精度高，質(zhì)量和體積小，轉(zhuǎn)動慣量小。多級諧波齒輪具有較大的傳動比，在機器人中可以完成快速檢測。但是，諧波減速器的缺點也較為明顯。因為諧波減速器工作時柔輪每轉(zhuǎn)一次就會產(chǎn)生橢圓變形兩次，所以容易引起材料的疲勞破壞，并在工作時產(chǎn)生一定的傳動誤差。由于這一缺點，柔輪通常使用高強度材料，以提高其齒輪的負載能力。

　　精密行星減速器的特點

　　精密行星減速器在運行過程中一個太陽輪有 3 個行星輪繞轉(zhuǎn)，所以其體積小、質(zhì)量較輕，相較于其他減速器啟動更加平穩(wěn)，且剛性、精度和扭矩高。精密行星減速器的主要應(yīng)用場合為步進電機和伺服電機，用以降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩。

　　擺線針輪行星減速器的特點

　　擺線針輪行星減速器是 K-H-V 型行星齒輪傳動，屬于少齒差行星齒輪傳動。該類型減速器的單級傳動比范圍可達 6 ～ 110，傳動效率為 0.90 ～ 0.95。相比于其他減速器，擺線針輪行星減速器可減少 2/3 的體積和 1/3 的質(zhì)量。但是，擺線針輪行星減速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，生產(chǎn)成本高。此外，擺線針輪行星減速器轉(zhuǎn)臂軸承易過載，影響整體的壽命和承載能力。

　　濾波減速器的特點

　　濾波減速器從結(jié)構(gòu)上解決了諧波減速器中柔輪易變性、導(dǎo)致材料容易疲勞等缺點。它在運動過程中的傳動精度高，傳動扭矩大，具有更長的使用壽命，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。

　　四、主要性能指標

　　工業(yè)機器人精密減速器的性能指標可以分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩部分。

　　靜態(tài)特性

　　扭轉(zhuǎn)剛度：扭轉(zhuǎn)剛度指的是當扭轉(zhuǎn)力矩作用于減速器構(gòu)件時構(gòu)件本身的抗變形能力，表示為：

　　式中：T₂ 是輸出軸扭矩：θ_out 為輸出角度。

　　傳動效率：精密減速器輸出軸實際輸出功率與理論輸出功率的比值為傳動效率，表示為：

　　式中：T₁、T₂ 分別為輸入軸扭矩和輸出軸扭矩;i 為減速器的傳動比。

　　空程：輸入軸由正向變?yōu)榉崔D(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)角滯后量為空程。

　　傳動誤差：傳動誤差指的是輸入軸單向旋轉(zhuǎn)時，輸出軸實際輸出角度與理論輸出角度的差值。

　　啟動扭矩：減速器輸入軸開始轉(zhuǎn)動時的瞬間力矩為啟動扭矩。由于減速器在啟動階段會遇到摩擦力矩的限制阻礙其啟動，只有當驅(qū)動力矩比減速器自身的摩擦力矩大時，減速器才開始運轉(zhuǎn)。

　　背隙：當在精密減速器輸入端添加一定量的額定轉(zhuǎn)矩時，減速器的輸入端會產(chǎn)生一個微小位移角，這個位移角就是背隙。背隙的存在會影響輸入端的輸出精度。

　　傳動精度：減速器工作時，輸入軸輸入動力后，輸出軸會存在實際轉(zhuǎn)角和相對理論轉(zhuǎn)角兩個轉(zhuǎn)角。這兩個轉(zhuǎn)角的接近程度就是傳動精度，會影響整個減速器的正常工作。特別是在工業(yè)用精密減速器這種對精度要求高的應(yīng)用場所，傳動精度會影響整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

　　動態(tài)特性

　　固有特性：加速器齒輪系統(tǒng)最基本的動態(tài)特性是固有特性，具體來講是指固有頻率和振型。固有特性很大程度上會影響系統(tǒng)動載荷的產(chǎn)生與傳遞及系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。

　　動力穩(wěn)定性：精密減速器齒輪系統(tǒng)本質(zhì)上是一種參數(shù)激勵系統(tǒng)，因此不可避免存在動力穩(wěn)定性問題。分析整個精密減速器系統(tǒng)的動力穩(wěn)定性問題，可以明確穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)，給整體的系統(tǒng)設(shè)計提供有力的參考。

　　動態(tài)響應(yīng)：精密減速器齒輪系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)主要包括輪齒動態(tài)嚙合力和齒輪動力的傳遞。減速器整體動態(tài)響應(yīng)的研究可以大幅度降低系統(tǒng)的振動和噪聲。

　　系統(tǒng)參數(shù)：減速器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、幾何參數(shù)及其他的線性因素會對整個系統(tǒng)的動態(tài)特性產(chǎn)生重大影響。通過分析各類參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)特性的關(guān)系，可以為減速器齒輪系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計提供技術(shù)支撐。

　　五、我國精密減速器市場的分析

　　主要差距與不足

　　在工業(yè)機器人用精密減速器行業(yè)，我國與歐美和日韓等存在大約 20 年的技術(shù)差距。經(jīng)過多年的發(fā)展，我們在取得成績的同時應(yīng)清醒地認識到自己在精密減速器領(lǐng)域的不足。國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的精密減速器的首要問題是精度差，整機精度保持能力弱，承載能力不足，工作時的噪聲較大。此外，整個產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量管理體系方面不夠嚴謹。國外先進企業(yè)都有著嚴格的質(zhì)量管理體系，生產(chǎn)和裝配的各個環(huán)節(jié)都可以用整個體系進行嚴格的質(zhì)量把關(guān)，以避免任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量問題，從而保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。反觀我國各企業(yè)在質(zhì)量管理體系中的檢驗、質(zhì)檢及生產(chǎn)各環(huán)節(jié)都存在不規(guī)范之處，需重視并予以解決。

　　發(fā)展思路與建議

　　工業(yè)機器人行業(yè)工業(yè)體系的建立和完善并非一朝一夕可以完成，正視缺點才能彌補不足。今后整個行業(yè)的發(fā)展需要從政府和企業(yè)兩個角度進行分析與思考。

　　政府一方面要在宏觀政策上繼續(xù)加大對整個工業(yè)機器人行業(yè)和精密制造業(yè)的支持力度，充分發(fā)揮科研院所的科研優(yōu)勢，積極推動國有企業(yè)在“卡脖子”技術(shù)問題上攻堅克難。另一方面，政府應(yīng)加大在貸款或金融領(lǐng)域?qū)I(yè)機器人行業(yè)的支持，同時在國家層面積極擴大合作，引進先進技術(shù)和管理體系，為工業(yè)機器人行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好的發(fā)展環(huán)境。

　　作為行業(yè)主體的企業(yè)，首先應(yīng)當加大自身對技術(shù)研發(fā)的投入，增加理論技術(shù)研究，在理論領(lǐng)域追求創(chuàng)新。其次，企業(yè)應(yīng)加大裝備制造的投資，提升自主制造能力，改進工藝，提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時注重完善質(zhì)量管理體系，以體系的形式保證產(chǎn)品質(zhì)量。最后，企業(yè)應(yīng)主動尋求與國外先進企業(yè)之間的技術(shù)合作與交流，通過借鑒國外優(yōu)秀企業(yè)的經(jīng)驗與技術(shù)，完善自身的產(chǎn)品與體系。

　　參考文獻略.