转载｜新华社《瞭望》特稿报道智同科技：一条曲线背后的制造自由
2024年06月06日
以下内容转载自《瞭望》2024年第23期特稿）
◇在RV减速机的齿轮传动中，上一级1微米大小误差传导到下一级齿轮上可能会放大数十倍，经过6个关节层层放大，最后误差可能被放大至几百倍◇造出来的核心，是找到并固化工艺——将加工过程形成标准作业规范，保证每一位不懂得这条曲线的工人只要按工艺操作，就能生产出合格的产品◇机器换人是小环境，科技自立自强是大潮流。当下，对每一个致力于自主创新的中国创造团队，都是黄金期
（2022 年 10 月 17 日摄）智同科技供图花费了北京智同精密传动科技有限责任公司（简称智同科技）和北京工业大学团队成千上万个日夜的这条“曲线”，是RV减速机摆线轮的外齿廓曲线，也是RV减速机的“核心线”，这些安装在关节处的减速机，决定了工业机器人的使用精度、寿命。从2015年起，智同科技从头开始，正向设计，掌握了摆线轮的核心技术，实现了国产RV减速机的“制造自由”。这一工业机器人中制造难度最大、成本最高的核心零部件，一度使RV减速机在过去很长一段时间70%以上依赖进口，特别是高精度摆线齿轮设计和生产制造，是中国工业机器人生产“卡脖子”的卡点。2022年底，国家相关部门负责人曾表示，从整个行业看，我国RV减速机已经不再受制于人。这正是近年来以智同科技为代表的我国许多制造企业，在RV减速机设计制造的各个环节正面攻坚，打破外国技术垄断地位的鲜明成果。从追赶者逆向工程“步步受卡”，到如今正向研发全链条突破实现制造自由，就像工业机器人一样，中国制造在日积月累的突破中踏入无人区，变身为并跑者甚至领跑者。中国制造的思维模式、创新模式、发展模式正在发生根本改变。
常用的工业机器人一般有6个关节，一个减速机带动一个关节运动，在RV减速机的齿轮传动中，上一级1微米大小误差传导到下一级齿轮上可能会放大数十倍，经过6个关节层层放大，最后误差可能被放大至几百倍，可谓牵一发动全身。“设计的核心，是如何尽量减小误差，提高RV减速机的精度与寿命。”北京工业大学机械与能源工程学院教授张跃明说。一台RV减速机包括大大小小二十几个零件：行星架盖、主轴承、滚针轴承、行星底座、摆线轮、针齿壳、偏心轴等。这些零部件中，有5到6个齿轮，起到降低电机速度和增加力矩的作用。第一级行星齿轮可实现小速比传动；第二级摆线轮可实现小体积、大速比传动，摆线轮外圈的形状决定了减速机的精度和寿命。换言之，提高工业机器人的精度与寿命，核心在于设计好摆线轮的外齿廓，这个齿廓，就是“那条线”。设计好这条线并非易事。难点在于理论设计的曲线是静态值，一旦RV减速机工作起来，齿轮实际受力变形各不相同，需要在设计环节预先把各种变形考虑在内，预判工作中的受力情况和变形量。工业机器人的特点，是经常来回摆动，时快时慢，急加速急减速，运动方向不确定、运动速度不均匀。这种运动模式在其他机械运动中较为少见，和汽车轮胎那种均匀磨损不同，满足这种特殊运动方式需要特别的齿廓。如果齿廓设计不准，工作中受力不均，齿轮磨损经过几百倍放大后，精度会受到较大影响。“此外，还要考虑材料热变形弹性变形、齿轮啮合原理、齿轮传动位移、运动角度等多个影响精度的要素，将这些要素转化为公式定量分析后，用数学方法找到最优解。”张跃明说。RV减速机刚出厂时的初始精度一般要求误差在1弧分以内，即减速机转一圈，输出端的角度偏差应控制在1/60度以内。以往国内大多数相关企业基本能达到该要求，但使用寿命不足，用一段时间精度明显下降，比不上进口产品，企业不认可。20世纪80年代，日本研制RV减速机，率先遇到这个问题并通过长时间实践摸索找到答案，满足了精度高、寿命长的要求，逐渐占领了全球工业机器人市场。当中国制造业进入“机器换人”阶段后，造出这条“曲线”，成为卡住中国企业脖子的核心技术。早在10多年前，当知道国内工业机器人发展受到RV减速机制约时，潜心于机械设计与制造的张跃明就下定决心要改变这种状况，但投资巨大、研究过程复杂是摆在眼前的现实难题。伴随工业机器人市场需求不断扩大，智同科技董事长陈绍龙找到张跃明，力邀与其共同创业。“从认识到对产品研发细节探讨，我们大概谈了一年时间，才决定一起研发试制。”陈绍龙说，2015年底，智同科技与北京工业大学正式开始合作。在张跃明的带领下，团队7个人正向研发，开展RV减速机设计技术、零件误差分配理论、齿形修形技术、关键零部件制造工艺等大量研究，从确定传动比和输出转速，到选择齿轮材料和齿数、选择齿轮参数和轴的位置，再到绘制零部件图纸、组装图纸……每一个步骤，团队都从零起步，不断试错、纠错。这条路很艰辛，常常没有灵感。“有一次去威海出差，夜晚在海边散步时，思考RV减速机的设计问题，吹着海风，问题突然就想通了。”张跃明回忆。灵感的涌现，得益于张跃明日复一日往返于学校和工厂之间，坐得住冷板凳，对他而言，“最难忘的经历发生在2018年。”这一年，团队完成了摆线轮理论初步设计。在试制阶段，精度要求未达预期，“那时，我们已经投入7000万元左右资金，研发失败将给智同科技和科研团队带来很大损失。”张跃明说。团队不分昼夜泡在实验室，反复研究判断工业机器人的运动特点，不断调整材料、轴承的参数，修正实验室产品。经过反复的理论研究和计算，最终在一项运动参数中找到突破口。2018年，原型样机下线，RV减速机中摆线轮上的精密“曲线”全部设计完成，通过正向设计，张跃明团队全面掌握了RV减速机的设计原理。如果说设计是0-1，1-10这第二道关，就是将这条曲线由图纸变为现实，造出来。其核心，是找到并固化工艺——将加工过程形成标准作业规范，保证每一位不懂得这条曲线的工人只要按工艺操作，就能生产出合格产品。为保证成功，试制阶段制造团队选用最好的设备和材料，通过缜密细致的分析计算，不惜一切力求精度最高化。由智同科技总经理向力军领衔的制造团队，根据张跃明团队的理论图纸开展工艺设计，包括选择设备、刀具、量检具等，自主设计、加工各种工装，确定加工顺序、制定加工和检验标准等。制造工序则大致分为下料、粗加工、半精加工、热处理和精加工五步。按此步骤，智同科技起初试制3个产品。向力军介绍，为制造好这条曲线，工艺设计的关键是找到点、定准量。即找到各个工艺环节影响精度的控制点、确定各因素对精度的影响量。简单而言，就是工艺的各个环节都要找到一个平衡点。工艺的各参数不是越大越好，也不是越小越好，重点是控制好量。操作中，制造团队为了找准和控制好这些平衡点，需要考虑人员、机器、原料、方法、环境各个因素。以夹紧为例，夹紧力越大，工艺系统刚性越好，但工件变形也会越大；夹紧力越小，工件变形越小，但工艺系统刚性会越差。具体多少能既保证工艺系统刚性又能减小变形，团队要反复尝试调整找到最优解。再如环境温度的控制，向力军介绍，要对机床周围环境空间、机床、冷却液、工装夹具、量检具等温度从早到晚、从春到冬进行统计，判断每一项温度变化对产品精度的可能影响，找到变化规律和控制方法。记者在2023年盛夏时节走入智同科技的生产车间，外面骄阳如火，而精加工车间一年四季始终保持20摄氏度恒温。“2018年上半年第一代RV减速机试制品出厂后，我们对齿隙空程、传动误差、刚度等性能进行检测，寿命测试每天进行9000次，连续两个月，共检测50万次左右。”向力军说。测试完成后，拆解RV减速机，分析研判磨损原因。若发现零件某个部位磨损严重超出预期，制造团队就要分析——是材料硬度不匹配，还是热处理工艺不合适？或者润滑油的种类、粘度、供油方式影响齿轮润滑效果？抑或是运动角度等参数选择考虑不全面？等等。结合研判结果，理论、制造团队反复沟通，修改参数、工艺方式等。技术研发部经理张凯介绍，这个过程要反复迭代多次，直至找到磨损较大的核心原因，并在下一步工艺设计上修改调整并固定下来。“这个过程很容易放弃，有时候实在坚持不下去，我们就暂时休息几天，情绪放松、心态调整好后，回过头来再继续。团队成员沮丧时，我们也相互鼓励。能把这件事做成，离不开整个团队的意志力。”向力军说。最初，第一代试制品各项指标性能和日本的RV减速机相比存在差距，寿命为日本产品的80%左右。经过反复改进，2018年底，第二批RV减速机试制下线，各项性能指标通过检测。现在客户反馈，智同科技的产品品质与日本同类产品没有明显区别。
造得出还要价格合适，让客户用得起，这是批量生产阶段第三关考虑的主要问题——通过规模化生产降本增效。批量生产核心有二，一是验证工艺设计能否满足一致性和稳定性要求。一致性指加工出来的零部件各项性能符合出厂标准；稳定性指在标准的加工条件下，能够保持稳定生产的能力。更重要的是，验证工艺能否在保证精度的前提下攻克成本关。向力军说：“前期试制用最好的机床、材料，成本较高，是理论验证性的。批量生产阶段，要对工艺重新评估设计，综合考虑产品质量和成本，选择更合适、更高效率的机床、工装、刀具、工艺、检测方法等。”“摆线轮的制造精度要控制在4微米以内，相当于头发丝直径的1/20～1/15。为达到这么高的制造精度，最后一道工序中必须用到磨齿工艺。”北京工业大学机械与能源工程学院副教授纪姝婷说，高精度摆线齿轮展成磨齿机国产化的难点，就在于机床的刀具设计，过去，国内相关企业没有独立设计该刀具的能力。刀具齿形的设计需要依托摆线齿轮的齿形，同时需要考虑加工工艺中各个加工参数的相互影响。影响刀具精度的因素很多，其中哪个因素影响什么，怎么调整是关键，需要反复计算与验证。“我们要考虑的包括刀具的材料、刀具的成形工艺、刀具的装卡方法，还有机床加工时的中心距、刀具的倾角、刀具的压力角、加工温度……”纪姝婷说，更复杂的情况是，在加工过程中，切削刀刃由于磨损，直径会由大变小，这需要我们把直径变化范围、单位时间变化量等各种动态因素都考虑在内，确保刀具能够在由大到小的使用范围内，始终保证摆线齿轮的加工精度。基于类似的考量，团队反复修正各参数，最终敲定了一套合理的设计参数与加工工艺，以保障摆线齿轮磨齿机高精度、高效率地加工。参数排列组合方式众多，需要花费大量的时间对每一项参数逐一验证调整，能保证成功吗？对于这个疑惑，纪姝婷表示，一般情况下，通过理论知识能够判断各个参数的大致范围，即便试制精度不达预期，也对哪里出了问题有大致的方向，这也是我们需要不断学习理论知识的原因。“科研工作不可能一次性成功，这种重复性的工作是我们的常态。”此前，摆线轮的生产长期依赖于国外机床，应用于这种机床的加工刀具设计方法也掌握在国外企业手中，机床价格昂贵，刀具供货周期长，每把刀具还要收取高额设计费。2023年底，纪姝婷团队成功研制出加工高精度摆线齿轮的刀具，并依托国产机床，设计出独有的高精度摆线齿轮加工工艺。将高精密摆线齿轮的生产成本降低至原来的1/3，生产效率提高2～3倍。目前，智同科技已经将该项技术投入工厂应用。“过去我们很多装备生产线从国外进口，很多时候改进产品需要外方允许和配合。而智同科技RV减速机生产线从零开始一步步探索过关，对每一个环节都知其然更知其所以然，可以根据不同需求，随时对加工工艺、加工路线进行个性化改造，把制造主动权掌握在自己手里。”向力军说。工艺基本固定、机床国产化后，智同科技新产品接连下线。截至目前，公司共有40余种产品型号，既有小巧的6公斤机器人用减速机，也有500公斤重载机器人用RV减速机，形成标准化、定制化产品矩阵，实现了标准化产品的进口替代，填补了定制化产品的空白。自主设计、正向研发，是从知其然到知其所以然的跨越。全流程掌握技术工艺，才能释放出设计自由，实现制造自由，彻底摆脱“卡脖子”忧虑。
制造业创新艰辛而枯燥，是一个很容易放弃的过程，需要一个团队聚力向前。与智同科技各环节多位负责人的对话中，这是他们的共同感慨。这条曲线的背后，是一个资深制造团队的聚合——以张跃明为代表的设计人才，以向力军为代表的制造人才，以陈绍龙为代表的企业家，以北京工业大学为代表的高等院校，一群人，面对一件事，同心合力，不断前行。张跃明在国产RV减速机领域的突破，是他三十多年科研工作的成果之一。1997年，张跃明从清华大学精密仪器及机械学系博士毕业，长期从事齿轮啮合原理、机构运动学及数字化设计与制造的理论研究工作。在他看来，除了前期的深厚积累和经验沉淀，始终坚守在实践一线，不断探索和创新，是他取得这些成绩的关键。从副教授到评上教授职称，张跃明用了整整20年。20年间，张跃明几乎用90%的时间投身设计制造，把工厂当做自己的第二个家。“实现制造业源头突破和创新，仅有理论支撑不够，‘泡在工厂里’的精神也很重要，理论和实际深度交互是实现技术突破的关键。”张跃明说，中国不乏精通齿轮啮合原理的学者，然而，具备丰富工厂实践经验的专家却相对稀缺。纪姝婷作为张跃明的学生，自2010年起参与研制数控加工中心自动换刀装置等工作，浸淫机械传动、机构学及齿轮啮合领域十余年。她能在短短两年时间内实现刀具国产化，同样在于既做白领又做蓝领。她说：“学生期间，我不仅有充足的时间研究齿轮啮合理论，而且有机会走进企业，看到企业需求，接触市场前沿，把理论和产业紧密结合。”向力军反复强调的关键词是“积累”。2017年到智同科技之前，向力军从事机床精密零部件加工20余年，“机床主轴、电主轴精度要求非常高，这一段经历使我积累了精密加工经验。到智同科技后，即使制作的零部件不同，但理论依据、工艺原理、误差分析等是共通的。”向力军说。深耕是制造业人才的共性特点。中国在70余年工业化进程中积累了丰厚的人才队伍，他们长期训练的逻辑思维能力、问题的分析解决能力、制造经验，在不同制造领域横向迁移，不断发挥出创新能量。能够把张跃明、向力军等人才聚集在一起，离不开智同科技董事长陈绍龙。2013年前后，互联网成为投资的重要风口，陈绍龙认为，关键核心技术是国之重器，对推动我国经济高质量发展、保障国家安全意义重大。秉承该理念，即使机械制造回报周期长，陈绍龙也未曾放弃，每年都拿出一定资金保证项目持续推进，自2015年以来，智同科技8年中累计投入8亿元。他坚信一年不行两年，两年不行三年，三年不行五年……这样一定能做成。“专精特新企业需要掌握核心技术，在领域内拥有可持续的研发能力，只有这样才有信心不断投入、不断克服更多正向研发的困难。”陈绍龙说。有骨气、有志气、有底气，有远见、有投入、有团队，创新突破只在于时间早晚。而这样的人和，被天时、地利放大。多年来，全球工业机器人的安装量整体呈上升趋势。2023世界机器人大会数据显示，2022年，全球工业机器人的装机量为55.31万台，我国工业机器人装机量29.03万台，占全球比重超50%，稳居全球第一大工业机器人市场。根据高工产业研究院（GGII）最新统计数据，我国国产品牌工业机器人销量持续快速增长，2023年达到16万台以上，从销量口径上首次实现对外资品牌的反超。以工业机器人为代表，新一轮科技革命和产业变革不断深入。过去，中国制造呈现追赶姿态，那时，逆向工程及技术引进能够提高创新效率，是阶段性的合理选择。但随着中国向强国目标挺进，逐渐在各领域步入无人区。在这里，很多答案无可传授，正向研发成为制造业的必然选择，中国正迈入一个加速实现高水平自立自强的新阶段。在这一进程中，智同科技团队凭借其对基础研究的重视、对原始创新的突破，以及在实现制造自由方面的努力，与其他致力于攻关工业机器人核心技术的团队一道，共同迎来了一个爆发性的发展机遇。就在同一时间段，中国的秦川高精传动、巨轮智能、埃夫特、环动科技、恒工精密等多家企业实现了工业机器人领域相关核心技术突破，这不是巧合。机器换人是小环境，科技自立自强是大潮流。当下，对每一个致力于自主创新的中国创造团队，都是黄金期。
