減速器在國內(nèi)的潛在市場規(guī)模

據(jù)行業(yè)專家及協(xié)會資料調(diào)研，在全球范圍內(nèi)，機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用的精密減速機(jī)可分為RV減速機(jī)、諧波減速機(jī)和SPINEA減速機(jī)，三者的市場銷售數(shù)量占比約為40%、40%、20%。其中，RV減速器和諧波減速器是工業(yè)機(jī)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(yùn)動精度高、回差小、低振動、剛性大和高可靠性等特點。在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，一般將RV減速器放置在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置。

諧波減速器：傳動比大、外形輪廓小、零件數(shù)目少且傳動效率高。在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，諧波減速器一般放置在小臂、腕部或手部。

據(jù)估計，到2020年中國每年需要消耗190000臺機(jī)器人，到2020年實現(xiàn)機(jī)器人國產(chǎn)市場份額達(dá)50%(95000臺)，2025年實現(xiàn)機(jī)器人國產(chǎn)市場份額超70%。在未來五年，這將為中國制造商提供超過740億美元的機(jī)器人及相關(guān)服務(wù)潛在市場。隨著我國工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人用減速器市場需求規(guī)模也隨之增長。一般情況下，一臺工業(yè)機(jī)器人需要的減速器個數(shù)為4-6臺。隨著未來工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心預(yù)測到2020年我國工業(yè)機(jī)器人減速器市場規(guī)模將超過40億元，未來五年復(fù)合增長率約為30%。

據(jù)行業(yè)人士介紹，一臺精密減速器四大國際巨頭采購價為3萬元~5萬元，賣給國內(nèi)關(guān)系好的客戶約7萬元，關(guān)系一般的普通客戶約12萬元，內(nèi)資企業(yè)采購精密減速器的成本比國際巨頭貴一倍還多，可見其間的利潤差別有多大。

減速器在國內(nèi)的市場現(xiàn)狀

長期以來，機(jī)器人用精密減速器技術(shù)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(lǐng)，納博特斯克生產(chǎn)RV減速器，約占60%的份額，哈默納科生產(chǎn)諧波減速器，約占15%的份額。

從成本上來說，目前全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的成本構(gòu)成，35%左右是減速器，20%左右是伺服電機(jī)，15%左右是控制系統(tǒng)，機(jī)械加工本體可能只占15%左右，其他的部分主要就是應(yīng)用。可以看出，減速器是制約機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前中國機(jī)器人的核心技術(shù)上還缺乏整體的突破。導(dǎo)致我國高端裝備制造領(lǐng)域機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，只能依靠進(jìn)口RV減速器。

關(guān)鍵部件進(jìn)口比例較高，就會導(dǎo)致國內(nèi)制造機(jī)器人成本高。特別是減速機(jī)，國內(nèi)企業(yè)購買減速機(jī)的價格是國外企業(yè)的價格的將近數(shù)倍。這樣國產(chǎn)機(jī)器人難以形成價格優(yōu)勢，只有年產(chǎn)量上500-1000臺，才有一定的規(guī)模效應(yīng)。因此，中國如果想要形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化，擺脫國外機(jī)器人企業(yè)的掣肘，在機(jī)器人領(lǐng)域贏得自主，必須要將減速器國產(chǎn)化加速提上日程。

目前減速器發(fā)展還存在產(chǎn)能擴(kuò)大的瓶頸，涉及收費(fèi)口、管理、技術(shù)等問題，日本的減速器出現(xiàn)供貨周期延后的現(xiàn)象，最長的供貨周期已經(jīng)達(dá)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(xiàn)在的4-6個月，國產(chǎn)減速器產(chǎn)能不能在很短時間內(nèi)實現(xiàn)成倍增長，無法滿足不斷擴(kuò)大的市場需求。所以擴(kuò)產(chǎn)不僅是國產(chǎn)減速器面臨的問題，也是日本減速器面臨的問題之一。

RV減速器的技術(shù)差距

RV減速器需要的技術(shù)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(yīng)力殘留，在熱處理的時候表面的剛度強(qiáng)度要一致;

加工精度，熱處理表面外硬內(nèi)軟，加工去除量不同，造成露出部分的性能的方差是關(guān)鍵;

零件對稱性，不同零件在不同角度下要一致;

成組技術(shù)：如何進(jìn)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(jié)果是磨損和壽命;

動力方面

仿真難點：在建模完成動力學(xué)的多體動力學(xué)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(tǒng)集成發(fā)生耦合，集成后的機(jī)器人的運(yùn)行點(額定轉(zhuǎn)速)作為激振頻率，會造成部件損毀，系統(tǒng)運(yùn)行的范圍往往是連續(xù)調(diào)速，6軸機(jī)器人總有1個軸可能會再額定點20%附近，除非經(jīng)過良好的設(shè)計和實施;

產(chǎn)品參數(shù)波動大，如此精密配合的系統(tǒng)，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(yōu)化和迭代方面

一個穩(wěn)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(jīng)歷真實環(huán)境全生命周期測試是發(fā)現(xiàn)不了問題的。所以，必須要有一輪出現(xiàn)問題，然后再迭代設(shè)計的過程。

目前機(jī)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(jī)械行業(yè)的水平的標(biāo)志。

RV減速器行業(yè)存在著管理問題

國產(chǎn)減速器一直以來參考的對象都是橫向的國外進(jìn)口減速器某型號，從沒聽說過某減速器專門為某國產(chǎn)機(jī)器人深度定制，一個工業(yè)機(jī)器人，并不是只有減速器就足夠了，更重要的是和伺服系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)的結(jié)合才能達(dá)到高精度和高穩(wěn)定性，各家的技術(shù)都不一樣，沒聽過國外的某兩家機(jī)器人說自己的減速器和別家可以通用。國產(chǎn)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(chǎn)機(jī)器人。一旦方向錯了，那么后續(xù)使用就需要機(jī)器人廠商與國產(chǎn)減速器廠商不斷協(xié)調(diào)、磨合、再協(xié)調(diào)、再磨合，對于研發(fā)工程師來說，研發(fā)周期也確實給不了他這么長時間。所以在管理減速器研發(fā)、生產(chǎn)方面，應(yīng)該有一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)出屬于中國機(jī)器人自己使用的減速器。

目前，工業(yè)機(jī)器人使用的大多數(shù)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(jī)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。

減速器在國內(nèi)、外的知名企業(yè)

直驅(qū)電機(jī)、模塊化直驅(qū)電機(jī)及機(jī)器人關(guān)節(jié)模組

如果說芯片是智能行業(yè)最為重要的核心元件，那么電機(jī)幾乎可以說是支撐了整個自動化和大工業(yè)生產(chǎn)以及現(xiàn)代社會最為重要的部件，全時間90%的能源是由電機(jī)發(fā)出來的，而70%是由電機(jī)消耗調(diào)的，電機(jī)可以說是整個人類社會能源循環(huán)的占有絕對地位的產(chǎn)品。

普通伺服電機(jī)

伺服電機(jī)其實已經(jīng)算是電動機(jī)中比較高端的類型，特別是永磁同步類型的伺服電機(jī)，由于其啟動快速，慣量低，平滑的運(yùn)行，調(diào)速范圍寬，功率密度高，效率高等優(yōu)勢，在高端裝備中的普及率在逐年增加，大多數(shù)伺服應(yīng)用采用了減速器+電機(jī)的傳動方式。傳統(tǒng)系統(tǒng)的初始成本具有吸引力，而且性能已經(jīng)在各種不同應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用，減速器+電機(jī)的傳動方式因為有傳動間隙，會導(dǎo)致高精度的場合可能的累計誤差，因此對于伺服電機(jī)和伺服驅(qū)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(jìn)行庫存管理，其次這些附加的部件所造成的系統(tǒng)故障會增加系統(tǒng)計劃外停機(jī)時間，使得機(jī)器的產(chǎn)量出現(xiàn)下降。

直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)

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

無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)

無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)是直驅(qū)電機(jī)技術(shù)的“祖父”，毫無疑問，它們提供了目前最緊湊的機(jī)械伺服解決方案。無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用了獨立的轉(zhuǎn)子和定子，而未使用軸承。這些零件成為機(jī)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(jī)器預(yù)留空間有限或者總重量有著關(guān)鍵影響的應(yīng)用來說是理想的選擇。

這些電機(jī)就本質(zhì)上來說是專門定制的，因此更為昂貴，需要數(shù)周、甚至數(shù)月的設(shè)計和集成時間。此外，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電機(jī)或者反饋裝置的取出更換過程也極為復(fù)雜。因此，無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)技術(shù)并非適用于每一種應(yīng)用，它最廣泛的應(yīng)用是在機(jī)載和地面車輛方面，如夜視裝置、雷達(dá)系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)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(yè)應(yīng)用，如機(jī)器人或者精密研磨機(jī)。

一體化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)

一體化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)，則是將轉(zhuǎn)子、定子和在出廠前完成對準(zhǔn)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(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)對于負(fù)載可以騎跨在電機(jī)軸承上的應(yīng)用來說極為理想。對于已經(jīng)使用了軸承的電機(jī)而言，用戶需要把電機(jī)連接到負(fù)載上，或者讓3個或更多的軸承完成對準(zhǔn)，這將是一項繁重、費(fèi)時的工作。因此，一體化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)一般用于分度和速率轉(zhuǎn)臺應(yīng)用。

綜上，直驅(qū)電機(jī)具有如下優(yōu)勢

直接驅(qū)動。電機(jī)與被驅(qū)動工件之間，直接采用剛性連接，無需絲桿、齒輪、減速機(jī)等中間環(huán)節(jié)，最大程度上避免了傳動絲桿傳動系統(tǒng)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(jī)的正常高峰速度可達(dá)5-10m/s，傳統(tǒng)滾珠絲桿，速度一般限制于1m/s，產(chǎn)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(jī)能達(dá)到較高的加速度，較大的直線電機(jī)有能力做到加速度3-5g，更小的直線電機(jī)可以做到30-50g以上(焊線機(jī))。

高精度。由于采用直接驅(qū)動技術(shù)，大大減小了中間機(jī)械傳動系統(tǒng)帶來的誤差。采用高精度的光柵檢測進(jìn)行位置定位，提高系統(tǒng)精度，可使得重復(fù)定位精度達(dá)到1um以內(nèi)，滿足超精密場合的應(yīng)用。

運(yùn)動速度范圍寬。直線電機(jī)運(yùn)行的速度最低可實現(xiàn)1um/s，最高可實現(xiàn)10m/s，滿足各種場合需求。

噪音小，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)成本低，可運(yùn)行于無塵環(huán)境等等。

在無框架和一體化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上，又更新出了一款模塊化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

模塊化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)

大多數(shù)直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)所面臨的相關(guān)挑戰(zhàn)是，如果將封閉式或無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)解決方案應(yīng)用于傳統(tǒng)型伺服電機(jī)系統(tǒng)，可能導(dǎo)致相關(guān)成本的增加。為了解決這個難題，一種新型直接驅(qū)動選擇技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。此種新型技術(shù)被稱為模塊化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，該技術(shù)將無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)的性能與全框架電機(jī)的安裝便捷性相結(jié)合。

模塊化直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)是一種全新的直接驅(qū)動解決方案，其結(jié)構(gòu)包括一個獨特的無軸承外殼以及外殼中集成的轉(zhuǎn)子、定子和出廠前完成了對準(zhǔn)的高分辨率反饋裝置。圓筒式直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用消除了機(jī)械傳動部件，既保留了直接驅(qū)動所有的優(yōu)點，又避開了傳統(tǒng)的封閉式或者無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)解決方案復(fù)雜而昂貴的缺點。模塊化的直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)利用新穎的壓縮聯(lián)結(jié)裝置來將轉(zhuǎn)子與軸連接到一起，并且附帶提供一種獨特的夾頭設(shè)計，從而實現(xiàn)了“即裝即用”，所花時間不到30分鐘。

模塊化技術(shù)的優(yōu)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(qū)動技術(shù)在諸多領(lǐng)域中的新機(jī)器設(shè)計中的應(yīng)用，如冶煉、包裝、印刷、半導(dǎo)體和工廠自動化。

當(dāng)前主流的協(xié)作機(jī)器人都采用“模塊化”思想的關(guān)節(jié)設(shè)計，采用直驅(qū)電機(jī)+諧波減速器的方式，每個關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)中都包含了電機(jī)、伺服驅(qū)動、諧波減速器、電機(jī)端編碼器、關(guān)節(jié)端位置傳感器和力矩傳感器，電機(jī)和減速器采用直連。

協(xié)作機(jī)器人將成為未來發(fā)展的主流機(jī)器人，其要滿足目前機(jī)器人的新興市場的主要客戶--中小企業(yè)。當(dāng)人與協(xié)作機(jī)器人共同工作的時候，安全是首要考慮的指標(biāo)之一，安全意味著動能小，為了減少機(jī)器人運(yùn)動時的動能，協(xié)作機(jī)器人就要較輕，結(jié)構(gòu)簡單。

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

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

這就引出了接下來要給大家介紹的一款產(chǎn)品--機(jī)器人關(guān)節(jié)模組。

機(jī)器人關(guān)節(jié)模組

這款名為RGM的機(jī)器人關(guān)節(jié)模組，是Kollmorgen在去年發(fā)布的新產(chǎn)品，曾在CIROS中國機(jī)器人展上做了首次展示。

RGM體積僅一只拳頭大小。側(cè)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(jī)械臂的端部，左側(cè)為電機(jī)端蓋，右側(cè)為電機(jī)軸輸出，連接下一級機(jī)械臂。

此款RGM將包括伺服驅(qū)動器、無框直驅(qū)電機(jī)、諧波減速機(jī)、反饋編碼器和制動器抱閘...等在內(nèi)的多個機(jī)器人關(guān)節(jié)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(shè)計封裝成適合機(jī)器人關(guān)節(jié)的90°轉(zhuǎn)角外形樣式，可以作為一個完整的關(guān)節(jié)總成直接用在工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂上。

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

動力配置方面，由于每臺關(guān)節(jié)模組內(nèi)部都集成了電機(jī)驅(qū)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(guān)節(jié)模組，便無需再為機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)軸配備單獨的伺服驅(qū)動器，只需要使用集成CANopen總線的機(jī)器人運(yùn)動控制器即可。這將節(jié)省大量電氣柜安裝空間，讓設(shè)備系統(tǒng)變得更加緊湊。

再看電氣連接，因為多個關(guān)節(jié)模組的電源和通訊端口，是可以按照鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)串行連接的，加之RGM使用了空心軸無框電機(jī)和諧波減速機(jī)，這樣，集成了RGM關(guān)節(jié)模組的機(jī)器人手臂，其電氣線纜是可以直接串聯(lián)敷設(shè)在機(jī)械臂空腔內(nèi)部的，而不是像傳統(tǒng)機(jī)器人那樣并排掛在機(jī)械臂表面。這樣不僅讓機(jī)器人外觀變得十分簡潔，更重要的是，因為在關(guān)節(jié)處并沒有多根并聯(lián)電纜的扭轉(zhuǎn)彎折，從而降低了機(jī)器人工作時的運(yùn)動負(fù)載。同時，更少的線纜數(shù)量還將會減輕機(jī)械臂的重量，這些都有助于提升機(jī)器人的工作效率。

RGM采用了19位Biss反饋，可以達(dá)到0.001°的重復(fù)定位精度。同時，RGM內(nèi)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(qū)動電流和電機(jī)扭矩的輸出，可以判斷出模組所在關(guān)節(jié)受到外界作用力的大小，將這一系列數(shù)據(jù)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(xiàn)對機(jī)器人的安全控制。

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