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轉:國內機器人減速器的現狀及淺析
108 次 2021.01.05

減速器在國內的潛在市場規模

據行業專家及協會資料調研,在全球范圍內,機器人行業應用的精密減速機可分為 RV 減速機、諧波減速機和 SPINEA 減速機,三者的市場銷售數量占比約為 40%、40%、20%。 其中,RV減速器和諧波減速器是工業機器人最主流的精密減速器。

RV減速器:傳動比大、傳動效率高、運動精度高、回差小、低振動、剛性大和高可靠性等特點。在關節型機器人中,一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置。

諧波減速器:傳動比大、外形輪廓小、零件數目少且傳動效率高。在關節型機器人中,諧波減速器一般放置在小臂、腕部或手部。

長期以來,機器人用精密減速器技術一直由美國、德國、日本、捷克等國家掌控,其中世界75%的精密減速器市場被日本的哈默納科和納博特斯克占領,納博特斯克生產RV減速器,約占60%的份額,哈默納科生產諧波減速器,約占15%的份額。

從成本上來說,目前全球機器人產業的成本構成,35%左右是減速器,20%左右是伺服電機,15%左右是控制系統,機械加工本體可能只占15%左右,其他的部分主要就是應用。可以看出,減速器是制約機器人產業發展的關鍵因素。目前中國機器人的核心技術上還缺乏整體的突破。導致我國高端裝備制造領域機器人產業發展緩慢,只能依靠進口RV減速器。

關鍵部件進口比例較高,就會導致國內制造機器人成本高。特別是減速機,國內企業購買減速機的價格是國外企業的價格的將近數倍。這樣國產機器人難以形成價格優勢,只有年產量上500-1000臺,才有一定的規模效應。因此,中國如果想要形成機器人產業化, 擺脫國外機器人企業的掣肘,在機器人領域贏得自主,必須要將減速器國產化加速提上日程。

目前減速器發展還存在產能擴大的瓶頸,涉及收費口、管理、技術等問題,日本的減速器出現供貨周期延后的現象,最長的供貨周期已經達到6個月以上,日本納博特斯克的供貨周期已從原來的2-3個月延長到現在的4-6個月,國產減速器產能不能在很短時間內實現成倍增長,無法滿足不斷擴大的市場需求。所以擴產不僅是國產減速器面臨的問題,也是日本減速器面臨的問題之一。

國內RV減速器的差距

RV減速器的技術差距

RV減速器需要的技術是很高的.其核心難點在各項工藝的密切配合。

齒面熱處理,這是輸入條件,粗加工精度下的應力殘留,在熱處理的時候表面的剛度強度要一致;加工精度,熱處理表面外硬內軟,加工去除量不同,造成露出部分的性能的方差是關鍵;零件對稱性,不同零件在不同角度下要一致;成組技術:如何進行相互配合;裝配精度:如此高精密的裝配;以上公差總的分配帶來的結果是磨損和壽命.

動力方面

仿真難點:在建模完成動力學的多體動力學仿真之后,才可能知道各階振動的情況;非線性特征,造成差異巨大,一旦存在共振點在工作點附近,則受影響;與系統集成發生耦合,集成后的機器人的運行點(額定轉速)作為激振頻率,會造成部件損毀,系統運行的范圍往往是連續調速,6軸機器人總有1個軸可能會再額定點20%附近,除非經過良好的設計和實施;產品參數波動大,如此精密配合的系統,游隙/過盈配合只要偏差一點點,則接觸剛度/嚙合剛度都會差幾倍,剛度矩陣的巨大變化造成了固有頻率的波動。

壽命優化和迭代方面

一個穩定的車和一個振動的車,壽命可能差很多倍,想想也知道壽命去哪里了;有些材料的事情,不經歷真實環境全生命周期測試是發現不了問題的。所以,必須要有一輪出現問題,然后再迭代設計的過程。目前機器人面臨的問題看似是60%價格做不出來東西,90%價格做出來30%壽命的東西,其實壽命本身就是機械行業的水平的標志。

RV減速器行業存在著管理問題

國產減速器一直以來參考的對象都是橫向的國外進口減速器某型號,從沒聽說過某減速器專門為某國產機器人深度定制,一個工業機器人,并不是只有減速器就足夠了,更重要的是和伺服系統、運動控制系統的結合才能達到高精度和高穩定性,各家的技術都不一樣,沒聽過國外的某兩家機器人說自己的減速器和別家可以通用。國產減速器參考對象是怎樣性能更逼近國外品牌,而不是怎樣更適合國產機器人。一旦方向錯了,那么后續使用就需要機器人廠商與國產減速器廠商不斷協調、磨合、再協調、再磨合,對于研發工程師來說,研發周期也確實給不了他這么長時間。所以在管理減速器研發、生產方面,應該有一個行業標準,研發出屬于中國機器人自己使用的減速器。

目前,工業機器人使用的大多數RV減速器來自日本品牌,其次是韓國和捷克。全世界由國際機器人制造公司如ABB、Fanuc和Kuka使用的精密減速器中,有近75%為日本公司制造。


直驅電機、模塊化直驅電機及機器人關節模組

如果說芯片是智能行業最為重要的核心元件,那么電機幾乎可以說是支撐了整個自動化和大工業生產以及現代社會最為重要的部件,全時間90%的能源是由電機發出來的,而70%是由電機消耗調的,電機可以說是整個人類社會能源循環的占有絕對地位的產品。

普通伺服電機

伺服電機其實已經算是電動機中比較高端的類型,特別是永磁同步類型的伺服電機,由于其啟動快速,慣量低,平滑的運行,調速范圍寬,功率密度高,效率高等優勢,在高端裝備中的普及率在逐年增加,大多數伺服應用采用了減速器+電機的傳動方式。傳統系統的初始成本具有吸引力,而且性能已經在各種不同應用中得到了廣泛應用,減速器+電機的傳動方式因為有傳動間隙,會導致高精度的場合可能的累計誤差,因此對于伺服電機和伺服驅動器的要求尤其高,而且減速器的壽命也在減少,這也增加了總壽命成本。用戶不得不對更多的部件進行庫存管理,其次這些附加的部件所造成的系統故障會增加系統計劃外停機時間,使得機器的產量出現下降。

直接驅動旋轉電機

直接產生驅動作用的旋轉電機本質上是一種大力矩的盤式永磁電機,它直接與負載連接。這種設計消除了所有機械傳動部件,如齒輪變速箱、皮帶、滑輪和連軸器。直接驅動旋轉系統為設計者和使用者帶來了許多好處。因為一個機械傳動需要定期的維護而且會頻繁地造成計劃外停機,所以,直接驅動旋轉電機技術從根本上提高了機器的可靠性,減少了維護時間,降低了控制難度。

無框架直接驅動旋轉電機

無框架直接驅動旋轉電機是直驅電機技術的“祖父”,毫無疑問,它們提供了目前最緊湊的機械伺服解決方案。無框架直接驅動旋轉電機采用了獨立的轉子和定子,而未使用軸承。這些零件成為機器的一個整體組成部分,另外還包括了必要的反饋裝置。它們對于機器預留空間有限或者總重量有著關鍵影響的應用來說是理想的選擇。

這些電機就本質上來說是專門定制的,因此更為昂貴,需要數周、甚至數月的設計和集成時間。此外,一旦系統出現故障,電機或者反饋裝置的取出更換過程也極為復雜。因此,無框架直接驅動旋轉電機技術并非適用于每一種應用,它最廣泛的應用是在機載和地面車輛方面,如夜視裝置、雷達系統和武器系統的瞄準控制,以及那些對尺寸、重量或性能有著較高要求的高端工業應用,如機器人或者精密研磨機。

一體化直接驅動旋轉電機

一體化直接驅動旋轉電機,則是將轉子、定子和在出廠前完成對準的反饋裝置集成到一個帶有精密軸承的外殼中,屬于一種完整的解決方案。一體化直接驅動旋轉電機對于負載可以騎跨在電機軸承上的應用來說極為理想。對于已經使用了軸承的電機而言,用戶需要把電機連接到負載上,或者讓3個或更多的軸承完成對準,這將是一項繁重、費時的工作。因此,一體化直接驅動旋轉電機一般用于分度和速率轉臺應用。

綜上,直驅電機具有如下優勢

直接驅動。電機與被驅動工件之間,直接采用剛性連接,無需絲桿、齒輪、減速機等中間環節,最大程度上避免了傳動絲桿傳動系統存在的反向間隙、慣性、摩擦力以及剛性不足的問題。高速度。直線電機的正常高峰速度可達5-10m/s,傳統滾珠絲桿,速度一般限制于1m/s,產生的磨損量也較高。高加速度。由于動子和定子之間無接觸摩擦,直線電機能達到較高的加速度,較大的直線電機有能力做到加速度3-5g,更小的直線電機可以做到30-50g以上(焊線機)。高精度。由于采用直接驅動技術,大大減小了中間機械傳動系統帶來的誤差。采用高精度的光柵檢測進行位置定位,提高系統精度,可使得重復定位精度達到1um以內,滿足超精密場合的應用。運動速度范圍寬。直線電機運行的速度最低可實現1um/s,最高可實現10m/s,滿足各種場合需求。噪音小,結構簡單,維護成本低,可運行于無塵環境等等。

在無框架和一體化直接驅動旋轉電機的基礎上,又更新出了一款模塊化直接驅動旋轉電機。

模塊化直接驅動旋轉電機

大多數直接驅動旋轉電機所面臨的相關挑戰是,如果將封閉式或無框架直接驅動旋轉解決方案應用于傳統型伺服電機系統,可能導致相關成本的增加。為了解決這個難題,一種新型直接驅動選擇技術已經出現。此種新型技術被稱為模塊化直接驅動旋轉,該技術將無框架直接驅動旋轉電機的性能與全框架電機的安裝便捷性相結合。

模塊化直接驅動旋轉電機是一種全新的直接驅動解決方案,其結構包括一個獨特的無軸承外殼以及外殼中集成的轉子、定子和出廠前完成了對準的高分辨率反饋裝置。圓筒式直接驅動旋轉電機技術的應用消除了機械傳動部件,既保留了直接驅動所有的優點,又避開了傳統的封閉式或者無框架直接驅動旋轉電機解決方案復雜而昂貴的缺點。模塊化的直接驅動旋轉電機利用新穎的壓縮聯結裝置來將轉子與軸連接到一起,并且附帶提供一種獨特的夾頭設計,從而實現了“即裝即用”,所花時間不到30分鐘。

模塊化技術的優勢,連同其有競爭力的價位和總壽命成本方面的顯著降低,將加速直接驅動技術在諸多領域中的新機器設計中的應用,如冶煉、包裝、印刷、半導體和工廠自動化。

當前主流的協作機器人都采用“模塊化”思想的關節設計,采用直驅電機+諧波減速器的方式,每個關節的內部結構基本一致,只是大小不太一樣,例如iiwa的每個軸基本都是下圖這樣:

每一個關節中都包含了電機、伺服驅動、諧波減速器、電機端編碼器、關節端位置傳感器和力矩傳感器,電機和減速器采用直連。

協作機器人將成為未來發展的主流機器人,其要滿足目前機器人的新興市場的主要客戶--中小企業。當人與協作機器人共同工作的時候,安全是首要考慮的指標之一,安全意味著動能小,為了減少機器人運動時的動能,協作機器人就要較輕,結構簡單。

在小型機械臂中,通常需要使用無框直接驅動電機,以減小機器人關節的尺寸、減輕機器人重量,并提升其動作效率。而使用直接驅動電機,也會帶來一個新的問題,就是較高的技術實施難度和應用集成成本。

這一方面是因為無框電機本身復雜的操作使用流程,另一方面,在設計制造機器人過程中,需要將力矩電機、編碼器反饋、制動抱閘和諧波減速機...等多個零散的運控傳動組件集成到機器人關節這個尺寸極為有限的狹小空間中,同時還必須確保機械臂快速、靈活和可靠的運動性能。由此而帶來的超長開發周期和高昂制造成本,在一定程度上阻礙了小型關節機器人的廣泛應用和普及。

這就引出了接下來要給大家介紹的一款產品--機器人關節模組。

機器人關節模組

這款名為 RGM 的機器人關節模組,是 Kollmorgen 在去年發布的新產品,曾在 CIROS 中國機器人展上做了首次展示。

RGM 體積僅一只拳頭大小。側面看,其外形框架呈 T 字型。下方為模組的法蘭底座,用于將其安裝在上一級機械臂的端部,左側為電機端蓋,右側為電機軸輸出,連接下一級機械臂。

此款 RGM 將包括伺服驅動器、無框直驅電機、諧波減速機、反饋編碼器和制動器抱閘...等在內的多個機器人關節核心部件連接整合在一起,集成在一個模塊化組件中,并被設計封裝成適合機器人關節的 90° 轉角外形樣式,可以作為一個完整的關節總成直接用在工業機器人的機械臂上。

這就是說,用戶在設計和制造機器人時,可以不必考慮復雜的機械臂關節連接和動力集成,直接使用 RGM 關節模組連接和驅動機械臂,從而省去大量零散組件的設計、安裝、集成和測試等一系列復雜步驟和流程,尤其是,無需再為無框力矩電機的使用而消耗大量工時。

動力配置方面,由于每臺關節模組內部都集成了電機驅動器,采用 48V 直流動力電源和 CANopen 控制總線,所以,如果使用 RGM 關節模組,便無需再為機器人的各個關節軸配備單獨的伺服驅動器,只需要使用集成 CANopen 總線的機器人運動控制器即可。這將節省大量電氣柜安裝空間,讓設備系統變得更加緊湊。

再看電氣連接,因為多個關節模組的電源和通訊端口,是可以按照鏈式拓撲結構串行連接的,加之 RGM 使用了空心軸無框電機和諧波減速機,這樣,集成了 RGM 關節模組的機器人手臂,其電氣線纜是可以直接串聯敷設在機械臂空腔內部的,而不是像傳統機器人那樣并排掛在機械臂表面。這樣不僅讓機器人外觀變得十分簡潔,更重要的是,因為在關節處并沒有多根并聯電纜的扭轉彎折,從而降低了機器人工作時的運動負載。同時,更少的線纜數量還將會減輕機械臂的重量,這些都有助于提升機器人的工作效率。

RGM 采用了 19 位 Biss 反饋,可以達到 0.001° 的重復定位精度。同時,RGM 內部在輸入端和輸出端分別各有一個編碼器,通過比較兩個編碼器的位置和速度反饋,參照驅動電流和電機扭矩的輸出,可以判斷出模組所在關節受到外界作用力的大小,將這一系列數據信息反饋給控制器,就能夠在不額外增加輔助傳感器的情況下,很方便的實現對機器人的安全控制。

如此看來,通過將多個零散的機械臂關節組件整合封裝在一個集成模組中,RGM 實際相當于是一套用于機器人關節的一站式解決方案。這種集成模組化關節部件,將很有可能徹底改變工業機器人的制造流程,因為相比傳統的機器人制造方法,使用 RGM 這種集成式關節模組,將極大簡化機器人關節的動力集成,并降低工業機器人的開發和應用門檻,讓機器人制造商更加專注于其機器人應用場景的開發,而不是糾結于復雜的動力機械組件。

文章來源:工信頭條/產業智能官

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