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国产机器人如何突围?揭开机器人“关节”的秘密

2018-08-06 07:45  |   浙江新闻客户端  |   见习记者 来逸晨 记者 许峰 通讯员 吴一赞

八月初,傍晚六时,物流公司的货车准时到达嵊州市甘霖工业园区内的来福谐波厂区,上百箱连夜生产的机器人减速器被装载上车。不久后,它们将被装载至工业机器人的关节中,奔赴制造一线,替代人工,执行切割、焊接、搬运、喷涂、包装等工作。

僵硬如钢铁,却被赋予矫捷的灵魂,工业机器人由伺服电机高速运转提供动力,控制器输出代码指挥路径进行作业,而这中间极为重要的一环,化高速为平稳,变转动为移动,则依靠一种精密的动力传达机构“减速器”来实现。

作为工业机器人三大核心零部件之一,被安装在关节处的精密减速器是整机生产中成本占比最高的一环,也是保证它们精准地重复执行工序任务的关键。然而,长期以来,精密减速器的生产制造与市场份额,都为几家日本企业所垄断。直到近两年,一批国产工业机器人减速器厂商涌现。通过不懈的技术通关,积极的市场试探,实现核心零部件自主化生产,逐步提高国产减速器市场份额。第一梯队的佼佼者中,就有两家浙企的身影—— 双环传动,来福谐波。

减速器的秘密藏于“精密”

烈日炎炎的夏日午后,台州玉环县的双环传动机械股份有限公司厂房内,工人们正调控着几台流水线上工作的工业机器人,它们就像一只只机械做的手臂,灵活地变换着动作方向。“这是我们用在齿轮生产线上的机器人,抓起一个配件,定在一个设定好的地方,它运动的稳定性,和动作呈现的精度,都要看关节上配备的减速器性能。” 双环传动研究院院长张靖解释道,“这台机器人里装的四个RV减速器全部都是双环自主生产的。”

上图为 技术人员调试双环生产线上的工业机器人

他告诉记者,目前装在工业机器人中的减速器主要有两种:RV减速器和谐波减速器。“大一些的关节,就像人体的髋关节、肘关节,用RV;小关节,就比如手腕,手指处,用谐波;一个机器人一般会装五到六个减速器。”

上图为 技术人员展示RV减速器在工业机器人中的安装部位

张靖带着记者走过一片齿轮生产区,双环的RV减速器生产车间就在厂房的另一侧,单独隔开。步入其中,只觉得一阵清凉舒爽,竟比夏日里的空调房还要舒服。“一毫米的千分之一,就是一微米,机器人减速器的加工精度就是微米级别的。”张靖说,为保证加工精度,车间内常年恒温恒湿,牢牢将湿度控制在50%-70%, 温度在20℃-22℃区间内。

而机器人减速器对“精度”的严苛要求,不仅落在生产加工环节,更落在成品的性能测试中。在产品性能检测区,记者看到,几台工业机器人正不断重复着相同的动作。“机器人通过各个关节的转动,来引导每段手臂移动。对标国际上垄断性产品的精度,这个转动角度的瞬时误差是不允许超过30秒的。”张靖指出。

在角度单位中,“1秒”也就是“1度”的三千六百分之一。就是如此微小的转动误差范围,在工业机器人日以继夜流水作业的每一次动作中,都必须保证。“可以这样讲,机器人减速器的性能是个动态的东西,需要在成百上千个小时中都保持一定的转动精度。这也是最初国产减速器和日本垄断性产品之间,最大的差距之所在。”张靖坦言。

2013年6月,双环正式启动RV减速器项目;2015年7月,双环承担起国家高技术研究发展计划(863计划)“工业机器人核心基础部件应用示范”主题项目的“机器人RV减速器研制及应用示范”子课题。

“863项目验收,我们已做好了一切准备。”张靖胸有成竹,“现在,如果拿双环生产的RV减速器和日本的作比较,我可以很自信的说,在基本性能上是没有任何差距的。”

研发道路全凭摸索

相比RV减速器的大公斤、高刚性,谐波减速器小巧而轻薄,运用在工业机器人中,两者是互补的。

当讲起研发生产工业机器人精密减速器的经历,浙江来福谐波传动股份有限公司副总经理彭胜良和张靖发出了相似的感慨:“没有成熟可靠的标准可参考,也没有任何的借鉴,什么都靠自己琢磨。”

上图为来福谐波一款谐波减速器产品

“事实上,对于谐波传动的原理和运用,国际上至今还在不断的探索中,每个国家都有自己的把握,并由此产生自己的设计。”他解释说,即使是同一个国家不同生产厂商,在将原理转化为实际运用中也并不相同。

“项目初期的摸索是最艰难的。”和研发团队一起,一步步从无到有制造出最初一代产品的过程,彭胜良记忆犹新。2013年来福成立,与南京信息工程大学的袁安富教授合作,凭借他所主导的理论研究一同开展谐波减速器的参数设计。“当年,为了实现30秒内的动作精度攻关,整整一年半的时间,来福的研发团队日以继夜地进行着‘试验理论,与大学团队沟通改良,再试验,再改良’的工作循环。”彭胜良回忆,“每天都住在公司里,吃饭、睡觉、就连做梦的时候都在思考问题。”作为研发负责人,彭胜良会在半夜接到值班试验员的电话,向他报告夜间持续性跟踪试验情况时出现的突发问题。“这个时候就要立即赶到实验室,对问题进行快速定位和排查,随叫随到。”

14年,初代产品推出;16年,来福生产的谐波减速器动作精度达到与日本垄断产品相同水准。

“没有标准,我们就自寻标准。”彭胜良说,对标日本,来福曾购买来日本企业制造的垄断产品进行测试。“我们发现,日本人的谐波减速器不仅精度高,保持高精度的工作寿命也很长。其中一部分就仰仗于他们所用的基础材料。但是他们的材料我们买不到。”意识到了差距,来福就组成了一支由企业研发部、外聘专家、大学材料学教授、钢厂团队组成的材料攻关团队,研商改进材料配方,不断试验。如今,拥有专属牌号的谐波减速器生产材料已研制成功。

“今年年底,我们将正式推出突破了高精度寿命攻关的谐波减速器,目前已经在最后的试验收尾阶段。”彭胜良说,新一代来福谐波减速器,各方面都将与领跑国际的日本产谐波减速器保持基本一致,“可以和他们同台竞争。”

发展的动力在于追赶

一路破关斩将,深耕机器人减速器研发制造。个中滋味,身为企业核心技术人员与管理者,张靖和彭胜良不约而同提到,奋起直追最大的收获在于逐步提升了国产品牌行业话语权。

“几年前,因为没有其他选择,不管是谐波还是RV都只能向日本厂商买。一台小小的减速器,要价一万二,订单交付时间也拖得很长。”国产机器人制造商的痛点,张靖感同身受。“试想每个机器人里五六台减速器,单是这种零部件的价格就已经七八万。”  国产工业机器人制造成本与售价居高不下,中国机器人产业发展受到极大制约。

“现在不同了,随着国产减速器的成功研发并进入市场参与竞争,日产减速器已经降到五六千一台,是原先价格的一半都不到。”

在《中国制造2025》行动纲领的指导下,制造一线“机器换人”逐步普及,中国工业机器人市场迎来爆发,已连续四年成为全球第一大工业机器人市场。“市场涨得飞快,订单源源不断,出乎我们的意料。”彭胜良说,国产工业机器人减速器产品的成功上市,犹如打通了一支阻塞多时的产业发展脉络,“17年上半年到现在,整个行业一直处于供不上货的状态。来福月月满产,现在下订单,交货都要排到两个多月以后。”。”

市场的热烈反应让来福和双环感受到了实现量产、扩增产能的迫切性。去年,来福实现量产一万两千台,并进行了新一轮融资,“产能提升正在不断进行中,目前来福的四条生产线已经达到一年生产6至7万台谐波减速器的规模。”彭胜良告诉记者,再过一个多月,来福的产能就能扩充至12万台一年,“我们争取用一年半的时间,也就是到明年年末后年年初,实现10条生产线、年产20万台的产能目标。”

“经过去年生产8000台的小量市场试探,今年双环也将实现年产6万台RV减速器的产能目标。”张靖说,“国内RV减速器生产厂家的单月出货量,目前双环已是最大的。”

年产一百万,销售全球,相比已走过三十余年发展历程的日本企业,只有三四年沉淀的中国企业追赶之路还长。“人家已经是参天大树了,我们还是个小苗。但至少,我们已经破土而出。

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