工業(yè)機器人有了國產(chǎn)“關(guān)節(jié)” 提升我國機器人核心競爭力

打破壟斷，工業(yè)機器人有了國產(chǎn)“關(guān)節(jié)”

我國工業(yè)機器人核心基礎(chǔ)部件一直受制于人的情況正被扭轉(zhuǎn)。4月22日，記者從重慶大學(xué)獲悉，在該校機械傳動國家重點實驗室王家序教授的帶領(lǐng)下，其高性能機電傳動系統(tǒng)教育部創(chuàng)新團隊系統(tǒng)攻克了諧波減速器正向設(shè)計分析、測試評價體系的共性關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出高可靠精密諧波減速器系列化產(chǎn)品，通過產(chǎn)學(xué)研合作建立了年產(chǎn)3萬臺套以上諧波減速器系列產(chǎn)品的生產(chǎn)線，實現(xiàn)了工業(yè)機器人核心基礎(chǔ)部件的國產(chǎn)化，打破了日本在這一領(lǐng)域的壟斷。

據(jù)悉，該項目屬于“863計劃”先進制造技術(shù)領(lǐng)域“工業(yè)機器人核心基礎(chǔ)部件應(yīng)用示范”主題項目，王家序教授為主題項目首席科學(xué)家，項目已經(jīng)通過科技部專家組驗收。

減速器是工業(yè)機器人關(guān)鍵部件

工業(yè)機器人的研發(fā)、制造與應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造實力與水平的重要標志。工業(yè)機器人主要由減速器、伺服電機及控制系統(tǒng)三大核心部件組成，精密減速器是工業(yè)機器人中最關(guān)鍵的功能部件，也是目前制約我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。

“打個比方，如果把工業(yè)機器人當(dāng)成人的手臂，減速器就是手臂的關(guān)節(jié)。”王家序說，減速器是連接動力源和執(zhí)行機構(gòu)的中間機構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。工業(yè)機器人需要高強度重復(fù)運動，關(guān)節(jié)的好壞就決定了工業(yè)機器人動力傳動與運動變換的精度、可靠性和使用壽命。在機器人的總成本中，減速器的成本占到了三成以上。

工業(yè)機器人關(guān)節(jié)主要有RV減速器和諧波減速器兩種。長期以來RV減速器一度被日本的納博特斯克公司壟斷，諧波減速器一度被日本的哈默那科公司壟斷，嚴重制約了國產(chǎn)工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

與機械傳動打了一輩子交道的王家序，一直以敢闖敢拼聞名。面對國產(chǎn)機器人發(fā)展急需的精密減速器，一直從事減速器研究的他，2005年帶領(lǐng)團隊開始了科研攻關(guān)，瞄準的是高可靠精密諧波減速器。

王家序說，諧波減速器具有體積小、質(zhì)量輕、傳動比高、精密度高等優(yōu)勢，在輕負載精密減速器領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位，不過諧波減速器技術(shù)壁壘高，要實現(xiàn)諧波減速器的自主研發(fā)和國產(chǎn)化，就要突破齒形設(shè)計、材料、加工技術(shù)、測試評價等方面的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

提升我國機器人核心競爭力

在機械傳動國家重點實驗室，記者看到應(yīng)用了重慶大學(xué)自主研發(fā)的諧波減速器的機器人。“它已經(jīng)在這里運轉(zhuǎn)了6000小時，精準度和使用壽命達到日本同類機器人水平。”王家序解釋說，諧波傳動通過薄壁柔輪變形使齒輪分度圓變成橢圓實現(xiàn)多齒嚙合，從而提高傳動高精度、剛度與承載能力。諧波減速器柔輪的高彈性變形特性使得嚙合齒形的精確設(shè)計與修形十分困難，齒面易產(chǎn)生磨損，精度保持性差。另外柔輪加工工藝性差，在周期交變應(yīng)力左右下容易發(fā)生疲勞斷裂，也使高精度與高剛度、高可靠之間的調(diào)控成為突出矛盾。因此，諧波傳動實現(xiàn)多齒嚙合的原理對設(shè)計及加工制造工藝提出了非常苛刻的技術(shù)要求，這也是制約國產(chǎn)諧波減速器性能提升的主要原因。

針對上述問題，王家序帶領(lǐng)團隊根據(jù)國家重大需求，瞄準學(xué)科發(fā)展前沿，在長期堅實的研究基礎(chǔ)上，通過嚙合原理、界面力學(xué)、傳動摩擦學(xué)、系統(tǒng)動力學(xué)和材料科學(xué)等多學(xué)科創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計研究，系統(tǒng)攻克了精密諧波減速器設(shè)計、制造、測試、試驗評價技術(shù)，建立了共軛參數(shù)驅(qū)動的圓弧齒廓諧波傳動設(shè)計、分析與測試評價體系，成功研制出短杯、超短杯和禮帽型的全系列高可靠精密諧波減速器，形成了3萬臺套以上的諧波減速器年生產(chǎn)規(guī)模，完成了近1萬臺套的諧波減速器銷售規(guī)模。高可靠精密諧波減速器產(chǎn)品已推廣應(yīng)用于工業(yè)機器人，衛(wèi)星指向機構(gòu)、掃描機構(gòu)、展開機構(gòu)、控制力矩陀螺等空間機構(gòu)，以及無人機等裝備。

經(jīng)過專家組驗收認定，該項目攻克了諧波減速器這一工業(yè)機器人核心基礎(chǔ)部件的設(shè)計、制造、測試、試驗評價以及批量生產(chǎn)、裝配過程中產(chǎn)品可靠性和一致性等關(guān)鍵共性技術(shù)，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)并達到國際先進水平的高精度、高剛度、高可靠、長壽命、高效率、低噪聲、高功率密度的機器人諧波減速器。為提高我國企業(yè)自主創(chuàng)新能力，大跨度地提高國產(chǎn)工業(yè)機器人技術(shù)水平，提升我國工業(yè)機器人核心競爭力，滿足我國先進制造和戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)等工程領(lǐng)域?qū)a(chǎn)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重大需求提供了關(guān)鍵技術(shù)條件支撐。本報記者 雍 黎

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