冯海生

工业机器人的传动技术发展现状

目前,机器人动力和运动的常用传递方式主要有:齿轮传动、蜗杆传动、带传动、线索传动、谐波减速传动、摆线针轮(RV)减速传动等,其中谐波传动、RV传动、锥蜗杆传动得到了广泛应用。谐波减速器、RV减速器和锥蜗杆的作用是将机器人电动机的高速低扭矩动力传递到机器人末端执行器所需的低速高扭矩动力。日本、德国、美国、斯洛伐克等国在机器人精密传动所涉及的材料、制造加工、设计等方面处于国际领先地位。

随着机器人朝着高刚度、高精度、高效、轻量化、高可靠性、超长无故障运行时间和易维护的方向发展,不可避免的导致其核心部件之一减速器等传动机构也朝着高精度、高效率、轻量化、易维护的技术方向发展。为明晰机器人传动技术的发展现状而以RV、谐波、锥蜗杆传动技术发展为例进行简要介绍:

(1) RV传动

RV减速器是在摆线针轮行星传动的基础上发展起来的一种新型精密传动,具有二级减速和中心圆盘支承结构属于2K-V行星齿轮传动。因其刚性大、转动惯量小、低振动、运动精度高和高可靠性等优点被广范围应用于大负载工业机器人的各关节传动、小负载工业机器人的第一、二、三、四关节。

当前日本Nabtesc的RV减速器占据了全球70%的市场,由此可见日本在RV减速器的研发、制造方面处于垄断地位。同时,我国近几年也涌现了一大批企业和学者开始研制RV减速器,其中南通振康、陕西秦川、大连交通大学何卫东团队、重庆大学王家序团队等产学研单位在RV批量化生产、新型结构开发、高效润滑密封技术等方面进行了卓有成效的研究工作。国产RV减速器可以应用在某些性能要求不高的工业机器人上,但鲜有在高精度大负载工业机器人得以应用。面对国际竞争对手的价格打压和技术封锁,国内RV减速器也面临着同机器人行业相同的成本高、可靠性差、缺乏应用等行业瓶颈。

(2)谐波传动

谐波齿轮传动是通过柔轮的弹性变形实现传递运动合动力的一种的新型传动,其主要由波发生器、柔轮、刚轮组成。谐波减速器因具有传动比大(50-4000)、外形轮廓小、零件数目少、传动效率高(92%-96%)和重量轻而被广泛适用于质量和尺寸受限、位置精度要求高的场合如工业机器人的第五、六轴上。日本Harmonica Drive公司的谐波减速器占据机器人大部分市场,国内的苏州绿的、北京中技克美等公司谐波减速器也已经在工业机器人、航天精密传动中得以应用。

(3)蜗杆传动

当前在机器人比较常用的蜗杆传动是锥蜗杆传动。锥蜗杆传动是一种空间交错轴之间的传动,两轴交错角多为90°如图1所示。蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋所形成的。涡轮在外观上就像一个双曲线锥齿轮。锥蜗杆传动具有刚性高、抗冲击性强、低噪声、高功率密度、传动比大(单级10-4000)等特点而被应用于大负载工业机器人传动中。

图1 锥蜗杆传动


(4)机器人主要的传动机构性能对比
考虑到工业机器人性能、应用等要求对RV传动、谐波传动、锥蜗杆传动的性能指标、产业应用等方面进行对比如表1所示。由表1可知,谐波传动因其为柔性传动而相对RV、锥蜗杆的抗冲击能力、刚性较差。而RV则具有更好的综合性能而在工业机器人行业得到最为广泛的应用。但以锥蜗杆为代表新型传动机构则会随着材料、加工、装配等技术的发展而拥有广阔的应用前景。


表1 机器人精密传动结构性能参数对比




(5)精密轴承、润滑、密封技术

高效、高精密的机器人传动机构除在具体传动结构的创新外,还要涉及到精密轴承、润滑管理、密封等技术的高匹配发展。良好的轴承选配、润滑管理都将大幅提高机器人传动机构的精度、寿命、传动效率、可靠性和降低噪声。为此有必要开展机器人传动机构专用轴承研制和润滑管理等技术。

综上所述,虽然RV传动、谐波传动在工业机器人行业得到了最为广泛的应用,但是以日本产品占据垄断地位,国内的RV传动、谐波传动相对国外产品仍然存在较大差距。为突破RV传动、谐波传动、锥蜗杆传动等机器人核心零部件国产化技术瓶颈,支撑国产机器人的研发、制造、应用,打破机器人产业空心化的局面,而有必要开展新型传动结构研发、高精度装配、齿轮高精度加工、润滑精细化管理、精密轴承和密封等技术研发,从而研制适合机器人应用的高刚度、高精度、高效、轻量化、高可靠性、超长无故障运行时间和易维护的传动机构。