國産RV減速機是如何“加速”的

2023-04-24 14:21:31 來源: 瞭望 2023年第17期

  

雖然不計成本研發生産出了樣品,達到了863計劃項目要求的工藝指標,但離大批量生産要求的低成本、一致性、穩定性等還有技術方面的短板

“RV減速機佔據工業機器人成本的30%。我們之前從日本進口減速機價格昂貴,現在用秦川機床制造的減速機,性能指標差不多,價格能降低三分之一,這就將國外公司的同類型減速機産品從暴利打成了薄利。”

秦川機床聯合上下遊單位,計劃兩年內攻克高端RV減速機規模化制造關鍵難題,加速國産替代進程。目前這一項目已完成圖紙和工藝設計,確定了結構、零件尺寸、精度要求,後續進行新品試制,將圖紙轉化為實物

  文 |《瞭望》新聞周刊記者 扈永順 鄭昕

  “在汽車整車制造廠房裏,什麼時候才能看到自主品牌國産工業機器人?”這是廣州數控設備有限公司(下稱廣州數控)機械研發一室常務副主任江文明近期常與同行討論的話題。

  中國是年使用機器人數量最多的國家,但高端工業機器人應用的主要場景——整車廠裏,以往卻鮮見國産高端工業機器人身影。衝壓、焊接、噴涂等高端工業機器人,基本依賴進口。

  擺脫進口依賴的關鍵,是要實現高端工業機器人核心零部件國産化,例如RV減速機。減速機的功能是將電機的高轉速轉換為機械臂運動需要的低轉速,越是高精度、高可靠性、大負載多關節的高端工業機器人,對減速機精度的要求越高。當前,我國已經實現中低端RV減速機國産化,但高端RV減速機仍需進口。

  瞄準提高國産核心零部件品質穩定性、可靠性,2021年以來,工業和信息化部等部門力推上下遊聯合攻關,推動補齊核心元器件、加工工藝等短板。

  2022年底,工業和信息化部將攻克高端工業機器人RV減速機列入16個重點産品、工藝“一條龍”應用示范項目目錄中,張榜求賢。

  秦川機床工具集團股份公司(下稱秦川機床)聯合上下遊單位揭榜,合作攻關高端工業機器人RV減速機。“我們計劃兩年內攻克規模化制造關鍵難題,加速國産替代進程。”秦川機床全資子公司陜西秦川高精傳動科技有限公司總經理賀民安告訴《瞭望》新聞周刊記者,目前這一項目已經完成RV減速機的圖紙和工藝設計,確定了結構、零件尺寸、精度要求,後續進行新品試制,將圖紙轉化成為實物。

  記者採訪了解到,因為承擔國家863計劃項目——機器人用RV減速機研發,秦川機床聯合相關院校科研團隊在20年前就實現了RV減速機的技術突破,2014年開啟産業化,2020年實現中低端減速機的規模化生産。在前期技術和工藝積累下,要在兩年時間完成高端RV減速機從圖紙到制造的突破,需要破解哪些難題?在機制上需要做哪些新的突破?

  二十年前已突破的技術一度止步于産業化

  在秦川機床的機器人RV減速機制造車間,一個被拆解開的RV減速機陳列在展櫃內,十多個零部件展示了其復雜的工藝。“每個零部件都能按原樣造出來,但因為存在誤差很難組裝到一起,即使組裝到一起也很難達到精度要求。”秦川機床RV減速機研發團隊負責人陳華平介紹。

  在減速機家族的上百種不同類型中,RV減速機是一種有五大類關鍵零件的復雜齒輪傳動部件。為突破日本納博特斯克等企業對RV減速機的技術壟斷,上世紀末,秦川機床與大連交通大學聯合承擔了國家863計劃項目——機器人用RV減速機研發,研制出了我國第一臺RV250AⅡ減速機,並于1999年通過了國家863計劃智能機器人主題專家組的鑒定。

  但這只解決了國産RV減速機的有無。陳華平介紹,“通過參加863計劃進行前瞻性研究,秦川機床利用自身機床在高精度加工和高精度裝配的優勢,採用精密定制精密工裝,打通了RV減速機單件零件加工、測量、整機裝配的技術瓶頸。”此次研發生産出的樣品,達到了863計劃項目要求的工藝指標,但離大批量生産要求的低成本、一致性、穩定性等還有技術方面的短板。

  賀民安説,由于缺乏高可靠性、高精度、高效率的工藝裝備,缺少批量化生産用的工裝和測量設備等,RV減速機在從圖紙變成實物後就一直被塵封在倉庫之中。

  “當時國內也缺少高端工業機器人的應用環境,減速機沒有進一步的研發需求。日本、德國等較早實現工業化升級的國家因其豐富的工業應用場景,先于我國在工業機器人領域有了原始積累,RV減速機技術專利也多由日、德等公司壟斷。”賀民安説。

  優化關鍵加工工藝

  實現中低端國産替代

  2010年前後,國內一些工廠逐漸出現了工業機器人應用場景,開始從國外進口機器人産品。國內一些工業機器人企業看到商機,針對減速機高精度要求及批量化生産的難點,加足馬力攻關減速機産業化難題。

  2009年,秦川機床從産品性能、可靠性等方面對RV250AⅡ減速機做了新的設計和改進,開發了加工需要的關鍵設備,尤其完善了相應的工裝夾具,設計、制造了特殊的刀具,開始為一些公司提供試驗樣機。

  2014年開始,秦川機床加速推進對五大類關鍵零件的加工工藝優化,研制了包括偏心軸磨床、針齒殼磨床、擺線齒精加工機床、擺線輪等分孔精加工裝備,達到了生産中低端RV減速機的需求;為提高減速機零件的生産效率,秦川機床不斷改進工裝夾具性能以確保加工精度,由最初手動裝夾夾具升級為液壓或氣動自動裝夾夾具,部分工裝夾具還採用了電磁夾具,利用電磁吸力將金屬零件固定,有效控制零件的裝夾變形,與普通工裝夾具相比,效率與精度大幅提高。

  2017年,秦川機床已經能夠批量産出小規格低負載為主的減速機,並于2020年底開始量産,産品主要應用于碼垛、搬運、石材切割等中低端工業機器人領域。

  走進秦川機床的機器人RV減速機制造車間,記者看到組裝好的減速機正在等待測試,內容包含傳動鏈誤差、回差、齒隙、扭轉剛性、彎矩剛性、無負載啟動力矩、效率、噪音等影響機器人作業效能的多項指標。在一臺臺測試設備上,“西安交通大學”的校名、校徽清晰可見,表明瞭檢測設備的來源。

  “核心基礎零部件的研發,從來不是一家企業單打獨鬥就能成功的,而是需要上下遊單位聯合攻關。”賀民安説。

  2013年開始,西交大科研團隊就與秦川機床合作研發減速機檢測裝備。“以前小批量制造RV減速機是送到檢驗部門抽檢,但是規模化生産需要全檢,要求速度快,就需要進行現場檢測。我們根據秦川機床的需求,研發了係列線上在位檢測設備。”西交大機械工程學院教授李兵告訴記者。

  下遊企業提供的豐富應用場景以及使用資訊反饋,不斷推動産品性能改進。“沒有應用場景就難以發現問題,要實現進口替代必須要有用戶驗證。”賀民安説。

  “我們機器人制造企業有強烈的國産替代需求。”江文明告訴記者,當2014年秦川機床開發出小規格低負載RV減速機樣機時,廣州數控助力其做了樣機的應用驗證,並進行了為期兩三年的測試。2017年秦川機床的部分減速機産品成熟面市,廣州數控每年採購近千臺,實現了國産中低端工業機器人核心零部件的進口替代。

  “RV減速機佔據工業機器人成本的30%。我們之前從日本進口減速機價格昂貴,現在用秦川機床制造的減速機,性能指標差不多,價格能降低三分之一,這就將國外公司的同類型減速機産品從暴利打成了薄利。”江文明説。

秦川機床生産的工業機器人RV 減速機(2023 年4 月19 日攝) 受訪者供圖

  上下遊緊密合作加速産業化

  高端工業機器人RV減速機攻關項目是要解決國産大負載減速機普遍存在的精度保持性不足、可靠性低、運作平穩性和批量一致性差等問題。科研、生産、應用“鐵三角”再度攜手,産業鏈上下遊協同攻關。

  秦川機床在突破中低端工業機器人量産瓶頸過程中,優化了加工工藝、研發了專用設備、積累了産業化經驗,為加速突破高端減速機産業化難題提供了基礎,此次作為工信部“一條龍”項目推進機構負責産品規劃、設計、試驗開發與改進等;其他參與單位例如寧夏大學、西交大等高校科研團隊負責理論研究、檢測設備研發;廣州數控、新松機器人自動化股份有限公司等負責示范應用。

  高端減速機對精度要求極高,為達到減速機的傳動精度,需要克服兩個難點,一是對擺線輪齒廓精確修形,二是高精度加工五大核心零件以減少誤差。

  記者採訪了解到,為完成攻關,項目設立了三大主要目標:建立RV減速機主動修形的理論及方法;攻克規模化制造關鍵難題,形成批量化制造工藝技術規范;降低高端RV減速機傳動誤差,在保持高精度輸出情況下平均額定壽命達到6000小時,達到國際標準。

  擺線輪齒廓修形方法直接影響減速機的傳動精度、承載能力、使用壽命等性能指標,關于這部分內容沒有公開的論文、專利等資料,寧夏大學機械工程學院副教授任重義自主創新提出了一種擺線輪齒廓主動修形方法,能同時提高減速機的傳動精度和承載能力。“減速機的每個零件加工出來都會有誤差,如果擺線輪齒廓不修形,將導致減速機無法裝配。通過齒廓修形,可保證零件存在誤差時仍能裝配組成減速機。我們自主創新編寫了一套軟件,針對不同型號減速機,只要輸入基本參數,就能輸出擺線輪齒廓修形曲線、齒面接觸應力曲線、回差及傳動精度曲線,供用戶查看及校核。”任重義告訴記者。

  對秦川機床來説,要實現高精度加工五大核心零件,“首先要提高機床性能和工藝設備的穩定性,實現高精度擺線輪等零件的制造;其次針對各零件特點研制快速、可靠的工裝夾具,例如高自動化和高智能化的工裝夾具。”賀民安説。

  作為參與産業鏈“一條龍”的下遊機器人應用企業,江文明説,會將樣機安裝在重載機器人上試用並反饋使用數據,在減速機的品質優化提升中提出具體需求。在後續研發對標國外的減速機新産品時,雙方也將一同把需求分解到減速機研發的具體技術點中。

  加速高端裝備制造的國産化,還應在更長的鏈條中進行“一條龍”示范,將更下遊的汽車整車廠納入到産業鏈條中。江文明説,“當前汽車整車廠的焊裝、衝壓、噴涂工業機器人基本都是用進口品牌。純粹的市場驅動,對于整車廠使用自主品牌國産機器人並沒有很大的動力。希望政府能夠提供平臺,加強雙方認知、産業鏈互動,共同推動自主品牌國産工業機器人在汽車整車廠的應用。”