發布日期：2022-04-26 點擊率：45
未來是屬于協作機器人的，至少當ABI Research和Interact Analysis等分析師的觀點是可信的：自動化的趨勢和靈活的應用可能性將使這個市場在未來5~10年內大幅增長。根據國際機器人聯合會（IFR）的數據，目前在所有工業機器人中，協作機器人的份額僅占5%。然而，預計到2030年，這一比例將上升到29%。
圖1 協作機器人（Cobot）屬于未來。這個細分市場也因此會呈現出增長的營業額
因此，這一領域有望增加營業額，而且不僅是對機器人制造商而言，也不僅在工業領域，供應商也將受益。此外，非工業應用的領域預計將增長得更快。這些前景也使新的參與者出現。因此，作為一個例子，我們想仔細了解為機器人提供齒輪的領域，因為在過去的2~3年中，市場上出現了新的供應商和新的產品。
波動齒輪裝置最適合用于協作機器人
協作機器人，也被稱為 “Cobot”，屬于輕量級機器人的范疇。它們與人類一起工作，因此，它們的行進速度和加速度必須與人類–機器人合作所允許的程度相匹配。就驅動力而言，重量起著主要作用：自重越低，質量慣性矩越低，因此動力性也就越強。
重量同樣是齒輪箱的一個決定性因素，因為它們必須以低重量提供高扭矩。這就是輕型機器人和協作機器人主要使用波動齒輪裝置的原因，它們最能滿足緊湊尺寸和低重量的要求，還提供了零背隙、高剛性、高精度和長使用壽命的理想組合。這種類型的齒輪箱是由3個部分組成的。
波發生器（Wave Generator）：一個裝有可變形滾子軸承的橢圓盤；齒輪箱通過波發生器與電機軸相連柔性圈（Flexspline）——一個有外齒的圓柱形的、可變形的套筒。傳遞波發生器的橢圓運動外環（Circular Spline）：具有內齒的剛性環與柔性圈的外齒相比，多波動齒輪箱的優點是在整個使用壽命內絕對沒有背隙，在整個扭矩范圍內具有高扭轉剛性、高減速比和重復精度。由于這些特性，機器人制造商長期使用這種類型的齒輪箱作為軸驅動。
圖2 撥動齒輪箱由三個要素組成：外環，柔性圈和波發生器
Harmonic Drive是波動齒輪箱市場的領導者，幾年前就已經感受到了人們對機器人越來越多的興趣。其結果是，該公司為所有知名以及全球活躍的機器人制造商生產的齒輪出現了供應瓶頸。為此，從2017年到2019年，它在德國和美國的工廠的產能增加了一倍。
許多知名的機器人制造商經常在其小型變體中使用諧波傳動軸齒輪。根據他們自己的信息，這不僅是由于高質量的產品，幾十年的諧波齒輪箱生產經驗和在德國、美國和日本的制造，也是由于Harmonic Drive提供的合格建議。例如，Harmonic Drive公司生產的特別輕的CPL-2A齒輪安裝套件就注定要用于協作機器人。該系列有5種尺寸，減速比為50∶1、80∶1、100∶1、120∶1和160∶1，可重復的峰值扭矩為18~372??N·m，功率密度為340~735??N·m/kg。如果需要，也可以提供定制版本。較大的中空軸，使用于進一步驅動系統的電源線，軸和電纜得以通過。
CSG-2A系列同樣也適用于較小的機器人，它是為高動態應用而開發的。與標準軸傳動相比，它的扭矩高出30%。這意味著在應用中可以有更高的加速度，并且可以減少周期循環時間。另外，如果重量很重要，在相同負載的條件下，還可以選擇較小的齒輪箱尺寸。該系列涵蓋了廣泛的扭矩范圍，并且有10種尺寸可供選擇。
根據客戶要求開發波動齒輪箱
Nabtesco是機器人齒輪箱全球市場的領導者之一。該公司為經典工業機器人提供擺線齒輪箱。這些產品已經非常緊湊，并提供高功率密度，但這對較小的協作機器人來說是不夠的。
“當涉及到極小的模型時，我們不可避免地會遇到物理上的限制。”Nabtesco Precision Europe GmbH公司的通用工業銷售主管Daniel Obladen解釋道。然而，自2017年以來，Nabtesco還擁有Ovalo品牌——一家自2006年以來一直為大批量應用（汽車行業）生產波動齒輪箱的制造商。這些Ovalo波動齒輪箱適用于較低的扭矩范圍，而Nabtesco擺線齒輪箱主要覆蓋較高的扭矩范圍。
據該公司稱，協作機器人制造商不應該在價格或質量上妥協。齒輪箱是按照汽車標準制造的，正如Obladen報告的那
樣：數量大，質量要求高，以及具有高度的工藝可靠性和完整的可追溯性的自動化制造工藝。此外，它們在一個重要的點上與競爭對手不同，據Obladen說：“所有的波動齒輪箱都是完全按照客戶的要求來開發。不是應用去適應齒輪箱，而是齒輪箱來適應應用要求。”
為了能夠向客戶提供完整的系統，Ovalo的產品涵蓋與傳動概念相關的所有范圍，包括無背隙波動齒輪箱、無刷電動機和所有相關的附加部件和傳感器。
圖3 機器人市場將在未來幾年內增長，但更為明顯的是協作型機器人市場正在崛起
采用滾針軸承使更緊湊的齒輪箱成為可能
Schaeffler是協作機器人齒輪箱市場的一個新成員。該公司是著名的軸承制造商 – 也是機器人制造商 – 在這里可以畫上重點：新的角接觸滾針軸承XZU已于2020年上市，它比XRB系列的交叉滾子軸承（機器人關節的現有技術水平）至少高出25%的剛性。其原因是，在兩個滾道中呈X形排列的滾針（45°傾斜），以及，由于是滾針而不是滾子，所以承載的滾動元件數量較多。
這種滾動軸承被用作輕型機器人的鉸接臂軸承，同時也是新型RTWH系列軸齒輪箱的主軸承。這改善了系統的剛性和摩擦性能，同時使設計更加緊湊，工業機械業務部負責人Michael Heid在2020年初的產品發布會上解釋道。
Schaeffler專門為協作機器人關節開發了這種Durawave波動齒輪箱，并利用了其在汽車領域的波動齒輪箱的開發經驗。Schaeffler集團機器人業務部負責人Nicolai H?mmerle說，該齒輪箱采用了特殊材料和經過優化的制造工藝。例如，柔性圈作為齒輪箱的核心部件，是通過冷成型制造的，并使用了全新的表面處理方法。
Durawave齒輪箱目前有四種尺寸：14、17、25和32，齒輪比從100~160，額定扭矩從25??N·m到近900??N·m。“XZU角接觸滾針軸承作為主軸承的整合也保證了最大的剛性和優化的摩擦性能，以提高機器人的定位精度，減少末端位置的擺動。”H?mmerle解釋說。
Durawave齒輪箱可與UPRS電機系列相結合，后者也是專門為機器人技術而開發的。采用PCB電路板技術設計的，帶定子的軸向磁通機實現了具有高高性能的同時，只需要較小的安裝空間及較低的重量。與類似直徑的機器相比，這種電機節省了1/4的重量，總的安裝長度減少了30%。正如H?mmerle所報告的，一款集成到變速箱中的扭矩傳感器目前也正在開發中。這使協作機器人的關節傳感器化，而不需要考慮其安裝空間。
圖4 Schaeffler推出了自己的用于協作機器人（Cobot）的精密齒輪箱，旨在通過高剛性和高精確度為其加分
用于低成本市場的塑料齒輪箱
Igus公司正在采取一種有點不同的方法來處理機器人技術上的問題：低成本。波動齒輪通常是高價的精密齒輪。近年來，塑料專家一直在推動“低成本自動化”的話題，從而也推動了低成本的機器人解決方案。這方面的部件可以在Robolink模塊化系統中找到，包括完全由塑料制成的波動齒輪箱。由于使用了高性能的塑料，Igus的波動齒輪不需要像金屬材料那樣進行額外的潤滑。摩擦和磨損可以通過干式運行的三合一聚合物得到優化。同時，塑料的使用使其結構極為緊湊，且生產成本低廉；但用戶須接受精度和剛性方面的限制。Igus公司一直在積極研究和開發波動齒輪箱。特別是在最新一代產品中，該公司通過設計優化和材料選擇，進一步改善了其運行的平穩性、反向間隙和使用壽命。
應用領域的重點是服務型機器人，因為輕質塑料齒輪箱確保服務型機器人有較少的自重，因此有更大的裝載能力。“我們看到了我們的輕質塑料波紋齒輪在整體重量小于8??kg的機器人市場中的機會。”Igus公司低成本自動化部主管Alexander Mühlens解釋說。“因為對于低成本自動化的機器人來說，除了有效載荷和便宜的價格外，自重也常常是很重要的。”應用場景包括餐飲業或護理機器人，以及物流業。
新版的塑料波動齒輪箱已于2020年4月上市。2021年春季，Igus公司還推出了一種模塊化齒輪箱系統，該系統帶有尺寸為80和105的波動齒輪，并集成了電機控制器、力控制電子設備、絕對值編碼器和電機。
圖5 由于采用了免潤滑的高性能塑料，Igus的波動齒輪箱的重量輕、維護少，而且耐用
幾乎是一個用于機器人的擺線齒輪箱
擺線齒輪箱也可以傳輸高扭矩，并實現更高的效率。對于協作機器人的問題前面已經提到過。然而，Sumitomo Cyclo Drive在上一屆Automatica 2018上展示了擺線齒輪和軸齒輪的組合。E-Cyclo齒輪箱（"E "代表 "彈性"）實現了無背隙動力傳輸，同時具有高剛性和傳輸精度。而且，它又小又輕：例如，最小的E-Cyclo型號ECY103，外徑為74mm，長度為52.5mm。它的空心軸直徑為19mm，重量為0.9kg。
通過使用大型空心軸，電源供應線或者軸之類的組件可以被牽引。該齒輪箱涵蓋25~63??N·m的額定工作扭矩，甚至可以加載高達137??N·m的加速扭矩。
齒輪箱的選擇正在隨協作機器人應用領域的擴大而增長。趨勢仍然是：越來越輕，越來越小，越來越強大 – 而且越來越數字化。最終，協作機器人也應該能與人類交流。在這個方向上，格拉茨科技大學的一位研究人員為機器人開發了一種智能齒輪箱，它不需要環繞旋轉的齒輪。這個概念被稱為“智能齒輪”，這也顯示出齒輪箱的發展還遠未結束。
