工業(yè)機(jī)器人專用軸承的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

■洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司 （河南 471039） 焦葉凡 劉 揚(yáng) 馮武雷

工業(yè)機(jī)器人專用軸承的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

■洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司 （河南 471039） 焦葉凡 劉 揚(yáng) 馮武雷

焦葉凡

經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人因其重復(fù)精度高、可靠性好、抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車制造等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人的普及應(yīng)用是汽車企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動(dòng)力和制造成本、增強(qiáng)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。

國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人制造產(chǎn)業(yè)從20世紀(jì)80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“863”計(jì)劃的支持下，經(jīng)過(guò)十幾年的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，使中國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有，跨出了一大步。目前，從中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)來(lái)看，國(guó)外進(jìn)口的工業(yè)機(jī)器人所占重比較大，與外資品牌相比，造成國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間、定位精度、定位速度以及精度保持度方面的差距主要體現(xiàn)在核心零部件技術(shù)不達(dá)標(biāo)。工業(yè)機(jī)器人軸承作為工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵配套元件，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、重復(fù)定位精度、回轉(zhuǎn)精確度以及工作的可靠性等關(guān)鍵性能指標(biāo)具有重要影響。

工業(yè)機(jī)器人專用配套軸承的特點(diǎn)與分類

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的方向發(fā)展趨于輕型化，這就要求與其配套的軸承具有更加輕便的結(jié)構(gòu)。由于軸承要在有限的安裝空間里滿足工業(yè)機(jī)器人主機(jī)對(duì)軸承承載能力、精度、剛度和摩擦力矩的性能要求，選用標(biāo)準(zhǔn)的通用軸承很難滿足這種要求，而薄壁軸承追求外形極限尺寸，具有重量輕、體積小、精度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)良性能，能夠很好地解決這一問(wèn)題。

工業(yè)機(jī)器人專用軸承主要有等截面薄壁軸承、薄壁交叉圓柱滾子軸承、RV減速器用軸承及諧波減速器用柔性軸承等，它們大多采用非標(biāo)準(zhǔn)、多滾動(dòng)體等設(shè)計(jì)原則。

1. 等截面薄壁軸承

圖1　等截面薄壁軸承

與普通軸承不同，該種軸承每個(gè)系列中橫截面大多為正方形，且尺寸被設(shè)計(jì)為固定值（見(jiàn)圖1）：在同一個(gè)系列中橫截面尺寸是不變的，它不隨內(nèi)徑尺寸增大而增大，故稱之為等截面薄壁軸承。等截面薄壁球軸承包括薄壁四點(diǎn)接觸球軸承系列，薄壁角

接觸球軸承系列和薄壁深溝球軸承系列三種系列，多被應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的腰部、肘部、腕部。在內(nèi)徑尺寸相同的情況下，薄壁等截面球軸承比標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承裝的鋼球數(shù)多，因此改善了軸承內(nèi)部受力分布，減小了鋼球與溝道接觸處的彈性變形，提高軸承的承載能力。

2. 薄壁交叉圓柱滾子軸承

薄壁交叉圓柱滾子軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用滾子呈90°相互垂直交叉排列，單個(gè)軸承能同時(shí)承受徑向力、雙向軸向力與傾覆力矩的共同作用，滾子之間裝有間隔保持器或者隔離塊，可以防止?jié)L子的傾斜或滾子間的相互磨察，有效防止了摩擦力矩的增加（見(jiàn)圖2）。另外，滾子垂直交叉排列的結(jié)構(gòu)可以避免滾子的鎖死現(xiàn)象；同時(shí)又因?yàn)檩S承內(nèi)外圈是分割的結(jié)構(gòu)，間隙可調(diào)，即使被施加壓力，也能獲得較高的旋轉(zhuǎn)精度。薄壁交叉滾子軸承以其輕型結(jié)構(gòu)與良好的性能主要用于機(jī)械手臂、關(guān)鍵式機(jī)器人肩部、腰部、臀部等。

3. RV減速器軸承

RV減速器又稱精密軸承減速器，它以其體積小，抗沖擊力強(qiáng)，扭矩大，定位精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。對(duì)于RV減速器，軸承的外形結(jié)構(gòu)、精密定位是其結(jié)構(gòu)緊湊、剛性優(yōu)良、傳動(dòng)精密關(guān)鍵因素，RV減速器軸承包括多種薄壁軸承系列及圓柱滾子保持架組件系列（見(jiàn)圖3）。

4. 諧波減速器

諧波減速器是一種靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，利用柔性軸承可控的彈性變形來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)比大，多用于中小轉(zhuǎn)矩的機(jī)器人關(guān)節(jié)。柔性軸承是諧波減速器的核心部件，通過(guò)軸承的彈性變形達(dá)到高減速比的要求，而且，諧波減速器壽命主要取決于柔性軸承壽命（見(jiàn)圖4）。柔性軸承工作中隨柔輪的彈性變形不斷的發(fā)生變化，不僅承受循環(huán)應(yīng)力載荷，而且承受交變應(yīng)力載荷。

圖2　薄壁交叉圓柱滾子軸承

圖3　RV減速器及軸承組件

圖4　諧波減速器及柔性軸承

工業(yè)機(jī)器人專用配套軸承現(xiàn)有技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人專用配套軸承軸承不僅是工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)的核心部件，作為承載元件，其整體性能優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的安全、高效的運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。薄壁軸承柔性特征對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能、載荷能力及運(yùn)動(dòng)精度的影響已不容忽視。

1. 工業(yè)機(jī)器人配套軸承設(shè)計(jì)原則

通常, 通用軸承結(jié)構(gòu)形式及主參數(shù)的確定是以額定動(dòng)載荷為目標(biāo)函數(shù)，在一定的約束條件下，通過(guò)優(yōu)化得到。薄壁軸承在使用過(guò)程中，不僅要有較大的額定動(dòng)載荷以保證軸承有足夠的承載能力，還要有較強(qiáng)的剛度和較小的摩擦力矩以保證機(jī)器人主機(jī)的定位精度、靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。因此, 在軸承設(shè)計(jì)分析過(guò)程中, 應(yīng)將額定動(dòng)載荷、剛度和摩擦力矩3個(gè)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)著重考慮這些參數(shù)的變化對(duì)軸承性能方面所產(chǎn)生的不同影響。

柔性軸承屬于特殊的薄壁球軸承，部分設(shè)計(jì)可參照薄壁球軸承的設(shè)計(jì)方法，如主參數(shù)鋼球直徑、溝曲率系數(shù)、溝徑的選擇和計(jì)算、材料的選擇、熱處理及車、磨加工工藝等。但由于它的特殊使用要求，其主參數(shù)如鋼球數(shù)量、球組節(jié)圓直徑、擋邊直徑、填球角、保持架球兜直徑和形狀、游隙的選取和計(jì)算公式需要作相應(yīng)改變。

2. 機(jī)器人用軸承關(guān)鍵技術(shù)

（1） 薄壁軸承負(fù)游隙的精準(zhǔn)控制技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人軸承要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，要有合適的啟動(dòng)摩

擦力矩，因此軸承生產(chǎn)、裝配時(shí)要有合適量的負(fù)游隙。軸承的負(fù)游隙過(guò)大或過(guò)小會(huì)直接影響軸承的噪聲、振動(dòng)與壽命，由于機(jī)器人用薄壁軸承內(nèi)外套圈的壁厚較薄，采用加載加載方式測(cè)量游隙時(shí)，易導(dǎo)致套圈變形，負(fù)游隙的量很難控制，需要采用特殊的加工裝配方法和工藝，并使用特殊的裝配工具。

（2）薄壁角接觸球軸承裝配高度的精確控制。機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，安裝空間精確，要求軸承的裝配高的偏差嚴(yán)格，而且國(guó)外同類軸承的裝配高也控制極為嚴(yán)格。由于薄壁角接觸球軸承套圈壁厚很小，極易產(chǎn)生變形，各尺寸精度難以精確控制，內(nèi)外圈及滾動(dòng)體選配尺寸難以嚴(yán)格控制，造成軸承裝配后裝配高偏差過(guò)大。因此，要想實(shí)現(xiàn)薄壁角接觸球軸承裝配高的精確控制，甚至達(dá)到萬(wàn)能配對(duì)的目的，必須對(duì)軸承進(jìn)行特殊的溝位置設(shè)計(jì)、磨加工工藝制訂、精確的選配等，同時(shí)增加軸承凸出量的修磨工藝。

（3）薄壁軸承的精準(zhǔn)裝配技術(shù)。由于機(jī)器人專用系列精密軸承壁厚超薄，剛度差，采用普通的裝配方法及模具，在加熱裝配合套時(shí)極易變形。因此，要實(shí)現(xiàn)薄壁軸承的精密裝配，達(dá)到成品的各項(xiàng)指標(biāo)，必須采用針對(duì)薄壁軸承的裝配尺寸選配、裝配工藝制訂和特殊的裝配模具及附件，對(duì)選配好的軸承套圈進(jìn)行嚴(yán)格的修磨，制定詳細(xì)、嚴(yán)格的裝配工藝，并研制專用的裝配合套工具及附件，以保證軸承裝配后的精度。

（4）薄壁軸承套圈內(nèi)外徑非接觸測(cè)量技術(shù)。薄壁軸承套圈壁厚非常薄,需要精密車和磨來(lái)達(dá)到所要求的公差，同時(shí)薄壁軸承套圈輪廓參數(shù)的測(cè)量精度要求也極高，采用傳統(tǒng)的檢測(cè)手段，如標(biāo)準(zhǔn)軸承外徑測(cè)量使用的D913儀器，用0.001的扭簧表測(cè)量，要求有一定的測(cè)力，但是表的測(cè)力人為很難精確控制，直接影響薄壁套圈的外徑測(cè)量精度，無(wú)法滿足檢測(cè)的需求。因此，需要對(duì)薄壁軸承套圈內(nèi)外徑測(cè)量方法進(jìn)行研究，以非接觸光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)主動(dòng)視覺(jué)、圖像處理、精密運(yùn)動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)控制等相關(guān)技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)一套薄壁軸承套圈外輪廓專用測(cè)量?jī)x器。

（5）基于機(jī)器人工況條件的軸承綜合性能試驗(yàn)技術(shù)。為了考核和評(píng)價(jià)機(jī)器人軸承的性能、壽命及可靠性，裝機(jī)前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)或批量生產(chǎn)時(shí)抽樣試驗(yàn)，以確保裝機(jī)的軸承性能穩(wěn)定可靠。由于機(jī)器人軸承結(jié)構(gòu)的特殊性，需要研制專用的軸承的試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行模擬工況試驗(yàn)，檢測(cè)軸承的振動(dòng)、溫度、載荷、轉(zhuǎn)速、摩擦力矩及旋轉(zhuǎn)精度等性能，根據(jù)所配套的機(jī)器人的用途及使用要求，制定相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范，完成規(guī)定數(shù)量和時(shí)限的壽命試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)后各項(xiàng)檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而評(píng)估軸承的使用性能、壽命及可靠性是否滿足要求。

機(jī)器人軸承共性技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人配套軸承大部分依靠進(jìn)口，少數(shù)廠家雖然生產(chǎn)制造工業(yè)機(jī)器人配套軸承，但批量小、品種規(guī)格少，零部件通用化程度低，供貨周期長(zhǎng)，成本高，而且質(zhì)量不穩(wěn)定，這些因素嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展。

目前，我國(guó)從事工業(yè)機(jī)器人配套軸承研發(fā)的單位大多集中在河南洛陽(yáng)。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司（軸研所）早在“七五”期間首次展開(kāi)機(jī)器人技術(shù)攻關(guān)，承擔(dān)了其中的子課題《機(jī)器人專用軸承的開(kāi)發(fā)研究》，對(duì)焊接、噴涂、裝配機(jī)器人用薄壁四點(diǎn)接

觸球軸承和薄壁交叉圓柱滾子軸承進(jìn)行了設(shè)計(jì)、試制、性能檢測(cè)及壽命試驗(yàn)，與德國(guó)YAO及日本THK同類軸承對(duì)比結(jié)果，達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品技術(shù)水平。研制產(chǎn)品應(yīng)用于大連組合機(jī)床研究所12公斤焊接機(jī)器人、廣州機(jī)床研究所50公斤搬運(yùn)機(jī)器人、機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所75公斤焊接機(jī)器人均滿足主機(jī)要求。近年來(lái)，軸研科技股份有限公司對(duì)薄壁軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、剛度、精度、摩擦力矩、預(yù)緊和應(yīng)用等進(jìn)行探討，定性分析了薄壁軸承設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題和軸系支承剛度對(duì)軸承變形的影響，為國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人專用配套軸承的系列開(kāi)發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐和研究基礎(chǔ)。

洛陽(yáng)LYC軸承公司針對(duì)諧波傳動(dòng)用柔性軸承的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、軸承材料及熱處理工藝、尺寸公差和旋轉(zhuǎn)精度、滾動(dòng)體精度、游隙、檢驗(yàn)方法等進(jìn)行了深入研究。河南科技大學(xué)提出了輕量化綠色化長(zhǎng)壽命薄壁四點(diǎn)接觸球軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，研究了軸承有效壁厚與承載能力、啟動(dòng)摩擦力矩等關(guān)鍵性能指標(biāo)之間的關(guān)系，找到了保證壽命與可靠性條件下的最小壁厚，從而提高軸承材料利用率、降低軸承重量，節(jié)約能源，性能指標(biāo)超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品。

北京諧波技術(shù)研究所在考慮到柔性軸承工作特點(diǎn)、滾動(dòng)體離心力作用以及EHL油膜影響的前提下，提出了一種分析計(jì)算柔性軸承載荷分布和接觸應(yīng)力的方法，對(duì)于按照動(dòng)負(fù)荷能力來(lái)計(jì)算柔性軸承的許用載荷具有一定意義。

洛陽(yáng)維斯格軸承、洛陽(yáng)鴻元軸承、上海烈力軸承等單位也都憑借自己研發(fā)生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人專用配套軸承或應(yīng)用工程項(xiàng)目活躍在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人專用軸承市場(chǎng)上。此外，一些科研院所和大學(xué)也均在進(jìn)行高端工業(yè)機(jī)器人軸承制造技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目方面的研發(fā)工作。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人配套軸承發(fā)展趨勢(shì)

盡管我國(guó)軸承行業(yè)的發(fā)展規(guī)模已經(jīng)非常龐大，但是國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人配套軸承中，大部分依靠進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)少數(shù)廠家雖然生產(chǎn)制造工業(yè)機(jī)器人配套軸承，也因批量小、品種規(guī)格少，零部件通用化程度低，供貨周期長(zhǎng)，成本高等原因，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的銷售額占總銷售額的比例不到10%。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，連續(xù)投進(jìn)數(shù)億元資金，花了幾十年的時(shí)間，對(duì)機(jī)器人核心零部件進(jìn)行攻關(guān)和研發(fā)。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上來(lái)看，國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人配套軸承的應(yīng)滿足輕量化、高精度、高可靠性三大指標(biāo)，從行業(yè)發(fā)展上來(lái)看，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人軸承需要向產(chǎn)品要多樣化、規(guī)?；蛧?guó)際化發(fā)展，在提高軸承質(zhì)量的同時(shí)完善的試驗(yàn)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，早日完成工業(yè)機(jī)器人配套軸承國(guó)產(chǎn)化的目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

軸承是工業(yè)機(jī)器人重要的關(guān)鍵零部件之一，它的國(guó)產(chǎn)化關(guān)系到國(guó)產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。針對(duì)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，迫切需要開(kāi)展工業(yè)機(jī)器人配套軸承研制以及產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，確保軸承各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的前提下降低生產(chǎn)成本，為進(jìn)一步完善工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系做準(zhǔn)備，爭(zhēng)取在2020年培育3～5家具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的龍頭企業(yè)和8～10個(gè)配套產(chǎn)業(yè)集群，以提高國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

注釋：本論文屬于洛陽(yáng)市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目

項(xiàng)目名稱：機(jī)器人專用軸承關(guān)鍵技術(shù)研究

項(xiàng)目編號(hào)：1401018A

項(xiàng)目類別：科技支撐計(jì)劃

收稿日期：（20141017）