未來(lái)是屬于協(xié)作機(jī)器人的，至少當(dāng)ABI Research和Interact Analysis等分析師的觀點(diǎn)是可信的：自動(dòng)化的趨勢(shì)和靈活的應(yīng)用可能性將使這個(gè)市場(chǎng)在未來(lái)5~10年內(nèi)大幅增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）的數(shù)據(jù)，目前在所有工業(yè)機(jī)器人中，協(xié)作機(jī)器人的份額僅占5%。然而，預(yù)計(jì)到2030年，這一比例將上升到29%。
圖1 協(xié)作機(jī)器人（Cobot）屬于未來(lái)。這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)也因此會(huì)呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的營(yíng)業(yè)額
因此，這一領(lǐng)域有望增加營(yíng)業(yè)額，而且不僅是對(duì)機(jī)器人制造商而言，也不僅在工業(yè)領(lǐng)域，供應(yīng)商也將受益。此外，非工業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)得更快。這些前景也使新的參與者出現(xiàn)。因此，作為一個(gè)例子，我們想仔細(xì)了解為機(jī)器人提供齒輪的領(lǐng)域，因?yàn)樵谶^(guò)去的2~3年中，市場(chǎng)上出現(xiàn)了新的供應(yīng)商和新的產(chǎn)品。
波動(dòng)齒輪裝置最適合用于協(xié)作機(jī)器人
協(xié)作機(jī)器人，也被稱為 “Cobot”，屬于輕量級(jí)機(jī)器人的范疇。它們與人類一起工作，因此，它們的行進(jìn)速度和加速度必須與人類–機(jī)器人合作所允許的程度相匹配。就驅(qū)動(dòng)力而言，重量起著主要作用：自重越低，質(zhì)量慣性矩越低，因此動(dòng)力性也就越強(qiáng)。
重量同樣是齒輪箱的一個(gè)決定性因素，因?yàn)樗鼈儽仨氁缘椭亓刻峁└吲ぞ亍＿@就是輕型機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人主要使用波動(dòng)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(zhǎng)使用壽命的理想組合。這種類型的齒輪箱是由3個(gè)部分組成的。
波發(fā)生器（Wave Generator）：一個(gè)裝有可變形滾子軸承的橢圓盤；齒輪箱通過(guò)波發(fā)生器與電機(jī)軸相連柔性圈（Flexspline）——一個(gè)有外齒的圓柱形的、可變形的套筒。傳遞波發(fā)生器的橢圓運(yùn)動(dòng)外環(huán)（Circular Spline）：具有內(nèi)齒的剛性環(huán)與柔性圈的外齒相比，多波動(dòng)齒輪箱的優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)使用壽命內(nèi)絕對(duì)沒(méi)有背隙，在整個(gè)扭矩范圍內(nèi)具有高扭轉(zhuǎn)剛性、高減速比和重復(fù)精度。由于這些特性，機(jī)器人制造商長(zhǎng)期使用這種類型的齒輪箱作為軸驅(qū)動(dòng)。
圖2 撥動(dòng)齒輪箱由三個(gè)要素組成：外環(huán)，柔性圈和波發(fā)生器
Harmonic Drive是波動(dòng)齒輪箱市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，幾年前就已經(jīng)感受到了人們對(duì)機(jī)器人越來(lái)越多的興趣。其結(jié)果是，該公司為所有知名以及全球活躍的機(jī)器人制造商生產(chǎn)的齒輪出現(xiàn)了供應(yīng)瓶頸。為此，從2017年到2019年，它在德國(guó)和美國(guó)的工廠的產(chǎn)能增加了一倍。
許多知名的機(jī)器人制造商經(jīng)常在其小型變體中使用諧波傳動(dòng)軸齒輪。根據(jù)他們自己的信息，這不僅是由于高質(zhì)量的產(chǎn)品，幾十年的諧波齒輪箱生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和在德國(guó)、美國(guó)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(chǎn)的特別輕的CPL-2A齒輪安裝套件就注定要用于協(xié)作機(jī)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(fù)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(jìn)一步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源線，軸和電纜得以通過(guò)。
CSG-2A系列同樣也適用于較小的機(jī)器人，它是為高動(dòng)態(tài)應(yīng)用而開發(fā)的。與標(biāo)準(zhǔn)軸傳動(dòng)相比，它的扭矩高出30%。這意味著在應(yīng)用中可以有更高的加速度，并且可以減少周期循環(huán)時(shí)間。另外，如果重量很重要，在相同負(fù)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(jù)客戶要求開發(fā)波動(dòng)齒輪箱
Nabtesco是機(jī)器人齒輪箱全球市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者之一。該公司為經(jīng)典工業(yè)機(jī)器人提供擺線齒輪箱。這些產(chǎn)品已經(jīng)非常緊湊，并提供高功率密度，但這對(duì)較小的協(xié)作機(jī)器人來(lái)說(shuō)是不夠的。
“當(dāng)涉及到極小的模型時(shí)，我們不可避免地會(huì)遇到物理上的限制。”Nabtesco Precision Europe GmbH公司的通用工業(yè)銷售主管Daniel Obladen解釋道。然而，自2017年以來(lái)，Nabtesco還擁有Ovalo品牌——一家自2006年以來(lái)一直為大批量應(yīng)用（汽車行業(yè)）生產(chǎn)波動(dòng)齒輪箱的制造商。這些Ovalo波動(dòng)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(jù)該公司稱，協(xié)作機(jī)器人制造商不應(yīng)該在價(jià)格或質(zhì)量上妥協(xié)。齒輪箱是按照汽車標(biāo)準(zhǔn)制造的，正如Obladen報(bào)告的那
樣：數(shù)量大，質(zhì)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(dòng)化制造工藝。此外，它們?cè)谝粋€(gè)重要的點(diǎn)上與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不同，據(jù)Obladen說(shuō)：“所有的波動(dòng)齒輪箱都是完全按照客戶的要求來(lái)開發(fā)。不是應(yīng)用去適應(yīng)齒輪箱，而是齒輪箱來(lái)適應(yīng)應(yīng)用要求。”
為了能夠向客戶提供完整的系統(tǒng)，Ovalo的產(chǎn)品涵蓋與傳動(dòng)概念相關(guān)的所有范圍，包括無(wú)背隙波動(dòng)齒輪箱、無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和所有相關(guān)的附加部件和傳感器。
圖3 機(jī)器人市場(chǎng)將在未來(lái)幾年內(nèi)增長(zhǎng)，但更為明顯的是協(xié)作型機(jī)器人市場(chǎng)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(xié)作機(jī)器人齒輪箱市場(chǎng)的一個(gè)新成員。該公司是著名的軸承制造商 – 也是機(jī)器人制造商 – 在這里可以畫上重點(diǎn)：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(jī)器人關(guān)節(jié)的現(xiàn)有技術(shù)水平）至少高出25%的剛性。其原因是，在兩個(gè)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(dòng)元件數(shù)量較多。
這種滾動(dòng)軸承被用作輕型機(jī)器人的鉸接臂軸承，同時(shí)也是新型RTWH系列軸齒輪箱的主軸承。這改善了系統(tǒng)的剛性和摩擦性能，同時(shí)使設(shè)計(jì)更加緊湊，工業(yè)機(jī)械業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人Michael Heid在2020年初的產(chǎn)品發(fā)布會(huì)上解釋道。
Schaeffler專門為協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)開發(fā)了這種Durawave波動(dòng)齒輪箱，并利用了其在汽車領(lǐng)域的波動(dòng)齒輪箱的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。Schaeffler集團(tuán)機(jī)器人業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人Nicolai H?mmerle說(shuō)，該齒輪箱采用了特殊材料和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的制造工藝。例如，柔性圈作為齒輪箱的核心部件，是通過(guò)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(yōu)化的摩擦性能，以提高機(jī)器人的定位精度，減少末端位置的擺動(dòng)。”H?mmerle解釋說(shuō)。
Durawave齒輪箱可與UPRS電機(jī)系列相結(jié)合，后者也是專門為機(jī)器人技術(shù)而開發(fā)的。采用PCB電路板技術(shù)設(shè)計(jì)的，帶定子的軸向磁通機(jī)實(shí)現(xiàn)了具有高高性能的同時(shí)，只需要較小的安裝空間及較低的重量。與類似直徑的機(jī)器相比，這種電機(jī)節(jié)省了1/4的重量，總的安裝長(zhǎng)度減少了30%。正如H?mmerle所報(bào)告的，一款集成到變速箱中的扭矩傳感器目前也正在開發(fā)中。這使協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)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(xié)作機(jī)器人（Cobot）的精密齒輪箱，旨在通過(guò)高剛性和高精確度為其加分
用于低成本市場(chǎng)的塑料齒輪箱
Igus公司正在采取一種有點(diǎn)不同的方法來(lái)處理機(jī)器人技術(shù)上的問(wèn)題：低成本。波動(dòng)齒輪通常是高價(jià)的精密齒輪。近年來(lái)，塑料專家一直在推動(dòng)“低成本自動(dòng)化”的話題，從而也推動(dòng)了低成本的機(jī)器人解決方案。這方面的部件可以在Robolink模塊化系統(tǒng)中找到，包括完全由塑料制成的波動(dòng)齒輪箱。由于使用了高性能的塑料，Igus的波動(dòng)齒輪不需要像金屬材料那樣進(jìn)行額外的潤(rùn)滑。摩擦和磨損可以通過(guò)干式運(yùn)行的三合一聚合物得到優(yōu)化。同時(shí)，塑料的使用使其結(jié)構(gòu)極為緊湊，且生產(chǎn)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(fā)波動(dòng)齒輪箱。特別是在最新一代產(chǎn)品中，該公司通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化和材料選擇，進(jìn)一步改善了其運(yùn)行的平穩(wěn)性、反向間隙和使用壽命。
應(yīng)用領(lǐng)域的重點(diǎn)是服務(wù)型機(jī)器人，因?yàn)檩p質(zhì)塑料齒輪箱確保服務(wù)型機(jī)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(zhì)塑料波紋齒輪在整體重量小于8??kg的機(jī)器人市場(chǎng)中的機(jī)會(huì)。”Igus公司低成本自動(dòng)化部主管Alexander Mühlens解釋說(shuō)。“因?yàn)閷?duì)于低成本自動(dòng)化的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，除了有效載荷和便宜的價(jià)格外，自重也常常是很重要的。”應(yīng)用場(chǎng)景包括餐飲業(yè)或護(hù)理機(jī)器人，以及物流業(yè)。
新版的塑料波動(dòng)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(tǒng)，該系統(tǒng)帶有尺寸為80和105的波動(dòng)齒輪，并集成了電機(jī)控制器、力控制電子設(shè)備、絕對(duì)值編碼器和電機(jī)。
圖5 由于采用了免潤(rùn)滑的高性能塑料，Igus的波動(dòng)齒輪箱的重量輕、維護(hù)少，而且耐用
幾乎是一個(gè)用于機(jī)器人的擺線齒輪箱
擺線齒輪箱也可以傳輸高扭矩，并實(shí)現(xiàn)更高的效率。對(duì)于協(xié)作機(jī)器人的問(wèn)題前面已經(jīng)提到過(guò)。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(shí)現(xiàn)了無(wú)背隙動(dòng)力傳輸，同時(shí)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(hào)ECY103，外徑為74mm，長(zhǎng)度為52.5mm。它的空心軸直徑為19mm，重量為0.9kg。
通過(guò)使用大型空心軸，電源供應(yīng)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(dá)137??N·m的加速扭矩。
齒輪箱的選擇正在隨協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大而增長(zhǎng)。趨勢(shì)仍然是：越來(lái)越輕，越來(lái)越小，越來(lái)越強(qiáng)大 – 而且越來(lái)越數(shù)字化。最終，協(xié)作機(jī)器人也應(yīng)該能與人類交流。在這個(gè)方向上，格拉茨科技大學(xué)的一位研究人員為機(jī)器人開發(fā)了一種智能齒輪箱，它不需要環(huán)繞旋轉(zhuǎn)的齒輪。這個(gè)概念被稱為“智能齒輪”，這也顯示出齒輪箱的發(fā)展還遠(yuǎn)未結(jié)束。
