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机器人减速机满足稳定精准移动的需求

机器人减速机

机器人减速机满足稳定精准移动的需求(机器人减速机

二零一七年全球新装置三十八万台工业机器人。汽车业继续引领全球对工业机器人的需求,二零一七年该产业新装置机器人约十二万五千台,成长百分之二十一。

机器人减速机

一、工业机器人减速机市场分析

二零一七年全球新装置三十八万台工业机器人。汽车业继续引领全球对工业机器人的需求,二零一七年该产业新装置机器人约十二万五千台,成长百分之二十一。区域方面亚洲是最大的市场,二零一七年中国安装了约十三万八千台工业机器人,其后依次是韩国约四万台,日本约三万八千台。中国二零一七年新装置了十三万八千台机器人,超过全年全球总销量三分之一,与二零一六年相比增长百分之五十八。中国大陆和其他亚洲国家利用工业机器人进行产业自动化的步调不断加速,也直接带动了机器人减速机的市场成长。

在已量产的伺服马达产品的输出规格无法符合机械手臂的需求时,减速机就是改变伺服马达的出力、转速、运动方向、可控精度的装置。减速机对于工业机器人的性能影响甚大,尤其是在高精度要求的机械手臂当中,它主要提供三个性能。

01、增大扭矩:减速机能在机械手臂整体空间大小有限的情形下,将马达出力的扭矩增倍。02、增加分辨率:有效地把负载所能移动的最小位移变得更小,增加解析精度。

03、增强马达承受负载惯量的能力:马达与负载间恰当的惯量比值可增强系统的性能及稳定性,并使得动力损耗达到最小。

理论上任何产生接触的运动都会产生能量损耗,所以马达加装减速机之后,输出效率都会有若干程度的衰减,而且经过多级的减速或较大减速比的减速后马达输出功率的损耗都会逐渐的增加。理想上减速机的传动效率是百分之百,但是实际上其配合齿轮运动时会有磨擦的损失、润滑油的热损失、轴承运转本身的磨擦损失。此外对于非制造业的机器人,例如复健用的服务型机器人和行动辅助外骨骼机器人,对于减速机的需求也逐渐扩大。

机器人减速机

二、工业机器人减速机全球领导厂商

高精度工业机器人减速机,主要有二种类型,包含摆线式减速机、谐波式减速机。摆线式减速机代表厂商为日本纳博特斯克的RV减速机,谐波减速机的代表厂商为日本哈默纳科公司。目前全球多轴工业用机械手臂里的减速机,日本纳博特斯克公司的RV减速机和哈默纳科公司的产品就占了六成。

目前全球已超过五百万组由日本纳博特斯克公司制造的精密减速机及伺服传动装置产品,全球市占率超过百分之六十。RV精密减速机多应用在工业机器人的手臂关节上,以完成精密的动作程序,同时其也有支撑机器人力量强度的功能,其高刚性及高减速比的特性目前被普遍的应用在六轴垂直关节机器人的前三轴。另外在自动化设备的使用上该公司强调它的精密减速机具有俗称背隙壹分以下的高精度、高效率、高刚性、体积小、质量轻、减速比的范围大以及寿命长等特点。应用领域除了工业机器人外尚可用在半导体生产设备、精密器械、工具机、精密雷达驱动控制设备、太阳能设备等要求空间小,减速比大的精密传动装置上;这些应用领域贡献了这家公司每年两千亿日元的营收。

RV减速机自从于一九八六问世以来已广泛的应用在重负荷型及高精度要求的机器人产品上,目前主流的高精度摆线式减速机还有日本的住友重机械工业公司。日本,欧洲和美国的工业机器人制造商已全面启动中国生产,从成本的角度来看主要的日本减速机制造商也开始在中国进行本地生产。

积极投资机器人精密马达的日本电产下公司新宝,与中国大陆苏州绿的谐波、浙江来福,投入谐波式减速机的制造。在RV减速机的专利到期后中国大陆本土厂商也极力发展,如沈阳新松、南通振康、上海机电、浙江恒丰泰,重庆大学机械传动国家重点实验室、天津减速机厂、秦川机床厂等。

目前全世界可以制造出谐波式齿轮的厂商,较受信赖的是日本哈默纳科公司,哈默纳科公司是一家以生产小型高精度减速机著名制造商,其减速机主要应用在小荷重的工业机器人上,在工业机器人市场应用占比约近百分之八十。哈默纳科的优点为传动比大、啮合的齿数多、传动精度高、效率高、可在真空中运动,重量轻、转运平顺。在六轴垂直关节机器人应用中主要为轻负载的腕关节部位或者是小型机器人,其应用金属弹性力学的理论,由波产生器、柔轮、刚轮三个基本零组件构成。

机器人减速机

三、台制机器人减速机产品逐渐问世

工业机器人用的减速机发展趋势为高范围的减速比、体积变小、高承载力、高效率和长使用寿命。台湾厂商要能掌握减速机制造的能力才能在工业机器人的产业发展中占有一席之地,而自主开发的减速机产品其稳定度及可靠度也必须接受市场考验。台湾的减速机制造公司中尚无大量供应给多轴旋转关节型的机器人应用,主要原因是多轴旋转关节型机器人属于高精度机械设备,而行星式减速机的特点是背隙大且精度有限,因而无法应用在精度要求非常高的多关节工业用机器人。

由于垂直型六轴机械手臂的结构型态,齿轮背隙的误差会累积,所以行星式减速机组合而成的六轴机器人要达成十分之一毫米以下的定位精度有极高的难度,行星式减速机的制造是台湾公司的强项,且不论是制造或是从事贸易代理均有多家公司。新一代的多轴工业机器人位置精度要求逐渐朝精度十分之一毫米以下发展。

值得注意的是谐波式型态的减速机在六轴机械手臂中属于关键零组件,台湾目前正在诞生此类型减速机的制造公司,他们逐渐掌握机器人减速机量产的技术,以满足稳定精准移动的需求。上银科技公司投入谐波式减速机的研发已可达量产的阶段,将可望成功降低工业机器人所需的成本提升产品竞争力。此外还有鼎缢、利茗、晶杰、兆逸、齐富、翔暐、世协等公司已完成开发。

在机械轴承方面已具有能量的公司,例如东培工业公司,其与工研院合作开发的谐波式减速机的亦受关注。东培公司的谐波式减速机产品,目前以低于日本哈默纳科公司百分之四十的售价做为市场竞争的武器。东培减速机应用在十二公斤以下的机器人正朝向通过一万五千小时的测试为目标。据分析东培的三大优势为轴承、材料、设计。特别是东培公司本身已掌握多年的轴承技术,加上掌握高端金属材料的来源,这家公司未来在谐波式减速机的量产问世备受关注。

台湾精锐公司的行星式减速机产品早已营销全球具有国际水平,台达电子使用该公司的行星式减速机为平面关节型机器人的零组件。

机器人减速机

四、工业机器人减速机产业发展趋势

零组件的完整关系到供应链的健全,供应链的健全与否直接显示出这个国家的这个产业是否强盛;想要生产高精度的谐波式减速机并不容易,一方面因为技术投资的资本相对高,另一方面是重要的关键材料取得不易、专利多、技术复杂度高、精密度长久维持等问题,再加上必须要大量生产才可降低成本与提升产业能见度。日本是工业用机器人减速机制造的强国,长年下来,除了本国机器人相当的市场支撑外,加上欧美国家主要的机器人制造商都必须仰赖日本的产品,因此早已经达到一定之经济规模。因此后进的国家例如台湾、中国大陆在发展此类的关键零组件时特别辛苦与困难,日本不断掌控关键零组件来影响其他国家的机器人产业难以与其竞争,及取得较高的利润来不断研发与提升竞争力。

目前工业机器人领域中所使用的减速机主要分为谐波减速机和摆线针轮减速机两大类,谐波减速机目前由哈默纳科所主导,主要用于六轴多关节机器人中的第四、五、六轴,或是中低荷重的机器人,未来的发展趋势为啮合原理的研究、新齿形的研究、柔轮疲劳强度研究。啮合原理研究是针对柔轮运转时齿形弹性变形对啮合时所产生的影响,新齿形的研究是针对共轭理论进行研究,目前日本公司所使用的齿形为切线式双圆弧齿形;柔轮疲劳强度为提高其承载应力,以因应于高荷重的工业用机械手臂。

RV减速机的市场目前由哈默纳科所主导,在RV减速机设计中针齿的数量越多减速比越大,但针齿越多会产生振动问题,因此目前纳博特斯克都将针齿数量由80齿减少为40齿以避免振动,并且提高第一级减速机构的减速比可防止共振现象发生,纳博特斯克特别在工业机器人领域上开发了体积较小,重量较轻的RV-N减速机,但在工具机的使用仍以传统的RV-E型较受市场认同。哈默纳科和纳博特斯克公司互相持股,这两家的产品发展定位会愈来愈模糊,亦即纳博特斯克公司亦会走向发展谐波式减速机。

台湾在工业机器人用的减速机朝向量产、长期稳定使用的目标迈进,它可说是机器人台制化的首要克服课题,这包括了高端金属材料的来源与加工设备的提升,也包含了热处理技术、特殊金属材料的供应及生产加工设备的制程精密度。机械零组件必须导入专业之技术及特殊之加工机械,才可提升其产品之质量、精度与量产。

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