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打破壟斷，工業機器人有了國產“關節”

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

據悉，該項目屬于“863計劃”先進制造技術領域“工業機器人核心基礎部件應用示范”主題項目，王家序教授為主題項目首席科學家，項目已經通過科技部專家組驗收。

減速器是工業機器人關鍵部件

工業機器人的研發、制造與應用是衡量一個國家科技創新和高端制造實力與水平的重要標志。工業機器人主要由減速器、伺服電機及控制系統三大核心部件組成，精密減速器是工業機器人中最關鍵的功能部件，也是目前制約我國機器人產業發展的瓶頸之一。

“打個比方，如果把工業機器人當成人的手臂，減速器就是手臂的關節。”王家序說，減速器是連接動力源和執行機構的中間機構，具有匹配轉速和傳遞轉矩的作用。工業機器人需要高強度重復運動，關節的好壞就決定了工業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。

工業機器人關節主要有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，嚴重制約了國產工業機器人的產業發展。

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。面對國產機器人發展急需的精密減速器，一直從事減速器研究的他，2005年帶領團隊開始了科研攻關，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、質量輕、傳動比高、精密度高等優勢，在輕負載精密減速器領域占有主導地位，不過諧波減速器技術壁壘高，要實現諧波減速器的自主研發和國產化，就要突破齒形設計、材料、加工技術、測試評價等方面的關鍵技術瓶頸。

提升我國機器人核心競爭力

在機械傳動國家重點實驗室，記者看到應用了重慶大學自主研發的諧波減速器的機器人。“它已經在這里運轉了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計與修形十分困難，齒面易產生磨損，精度保持性差。另外柔輪加工工藝性差，在周期交變應力左右下容易發生疲勞斷裂，也使高精度與高剛度、高可靠之間的調控成為突出矛盾。因此，諧波傳動實現多齒嚙合的原理對設計及加工制造工藝提出了非常苛刻的技術要求，這也是制約國產諧波減速器性能提升的主要原因。

針對上述問題，王家序帶領團隊根據國家重大需求，瞄準學科發展前沿，在長期堅實的研究基礎上，通過嚙合原理、界面力學、傳動摩擦學、系統動力學和材料科學等多學科創新優化設計研究，系統攻克了精密諧波減速器設計、制造、測試、試驗評價技術，建立了共軛參數驅動的圓弧齒廓諧波傳動設計、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規模，完成了近1萬臺套的諧波減速器銷售規模。高可靠精密諧波減速器產品已推廣應用于工業機器人，衛星指向機構、掃描機構、展開機構、控制力矩陀螺等空間機構，以及無人機等裝備。

經過專家組驗收認定，該項目攻克了諧波減速器這一工業機器人核心基礎部件的設計、制造、測試、試驗評價以及批量生產、裝配過程中產品可靠性和一致性等關鍵共性技術，形成了具有自主知識產權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。為提高我國企業自主創新能力，大跨度地提高國產工業機器人技術水平，提升我國工業機器人核心競爭力，滿足我國先進制造和戰略新興產業等工程領域對國產機器人產業化發展的重大需求提供了關鍵技術條件支撐。本報記者 雍 黎