機(jī)器人用精密軸承的技術(shù)趨勢(shì)與特點(diǎn)

　　***近，機(jī)器人市場(chǎng)異?；钴S，需求量日益高漲。機(jī)器人技術(shù)涉及到各種類型的機(jī)械設(shè)備（例如減速齒輪），應(yīng)用到很多軸承。NTN制造各種適用于機(jī)器人的精密薄壁軸承。本文根據(jù)行業(yè)技術(shù)趨勢(shì)，介紹機(jī)器人用軸承的特點(diǎn)。

　　1、引言

　　機(jī)器***致分為工業(yè)機(jī)器人、野戰(zhàn)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。

　　工業(yè)機(jī)器人用于許多生產(chǎn)工廠，包括汽車、電氣和電子設(shè)備。到目前為止，這種機(jī)器人主要從事相對(duì)簡(jiǎn)單的重復(fù)性工作，但是需要努力實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的生產(chǎn)和自動(dòng)化水平。日本企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人競(jìng)爭(zhēng)激烈，預(yù)計(jì)未來將利用這一優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步發(fā)展。此外，野戰(zhàn)機(jī)器人在農(nóng)田、海洋、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)等戶外作業(yè)。因此，期待開發(fā)出投入現(xiàn)場(chǎng)充分發(fā)揮作用的機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人在福利、醫(yī)療、護(hù)理等家庭、職場(chǎng)、與人交流等環(huán)境中使用。近年來，通過準(zhǔn)確捕捉用戶需求（例如提高服務(wù)行業(yè)的生產(chǎn)率和保護(hù)醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域工人的安全等），預(yù)計(jì)機(jī)器人的使用率將會(huì)提高。我們期待下一代機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)擴(kuò)大。

　　在全世界，機(jī)器人用作代替人類工作的機(jī)器，預(yù)計(jì)這是一個(gè)很具發(fā)展前景的領(lǐng)域。NTN制造各種機(jī)器人用軸承，本文介紹工業(yè)機(jī)器人軸承的技術(shù)動(dòng)向、適用部位及其特點(diǎn)。

　　2、工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)需求

　　工業(yè)機(jī)器人除了具有對(duì)確定位置的物體進(jìn)行精確抓取和工作的基本功能外，還能廣泛滲透到工業(yè)領(lǐng)域。①性價(jià)比優(yōu)越；②可獲得與目標(biāo)工作相適應(yīng)的精度和運(yùn)動(dòng)，且易于進(jìn)行教學(xué)和糾正操作（精度和可操作性）；③體積小、重量輕、安裝空間?。ü?jié)省空間）；④需要保持較高的線路可用性（可靠性和可維護(hù)性）。

　　近年來，在工業(yè)領(lǐng)域中，越來越需要使用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化操作以補(bǔ)償制造現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力的短缺，并穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。例如，由于與loT（物聯(lián)網(wǎng)）相關(guān)的需求增加，裝配和運(yùn)輸過程中對(duì)機(jī)器人的需求正在增加，主要集中在智能手機(jī)、汽車相關(guān)行業(yè)和電子元件相關(guān)行業(yè)的資本投資上。此外，與人合作的協(xié)作機(jī)器人的需求也在上升，工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模也在擴(kuò)大。在這些背景下，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的性能要求比以往任何時(shí)候都多。①通過縮短作業(yè)時(shí)間提高生產(chǎn)率；②在工件轉(zhuǎn)移過程中，通過提高機(jī)器人剛度、改進(jìn)定位和重復(fù)性，實(shí)現(xiàn)精密的加工性；③通過縮小機(jī)器人的尺寸和減少安裝面積來保障工作區(qū)域的安全性；④隨著市場(chǎng)需求的增加，通過延長(zhǎng)維修間隔來提高可維護(hù)性。表1給出近年來工業(yè)機(jī)器人所需性能的市場(chǎng)趨勢(shì)。

　　減速齒輪和氣體平衡器等設(shè)備安裝在工業(yè)機(jī)器人上，軸承用于運(yùn)動(dòng)部件。在這些市場(chǎng)趨勢(shì)下，人們?cè)絹碓綇?qiáng)烈地要求軸承比以往任何時(shí)候都更緊湊、剛度更高、承載能力更高、使用壽命更長(zhǎng)。

　　3、工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和軸承的應(yīng)用部分

　　3.1工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

　　工業(yè)機(jī)器人種類很多，***典型的是能進(jìn)行與人從肩膀到手腕相同運(yùn)動(dòng)的垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人（圖2）。當(dāng)操作帶有重物的機(jī)器人時(shí)，每個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置都需要很大的扭矩，因此使用減速齒輪，來放大伺服電機(jī)的輸出扭矩。特別是，大型機(jī)器人包含平衡器。該平衡器在與重力負(fù)載相反的方向上產(chǎn)生平衡力，作為輔助伺服電機(jī)的動(dòng)力，并有助于節(jié)能。

　　3.2工業(yè)機(jī)器人減速器和軸承應(yīng)用部分

　　近年來，機(jī)器人尺寸多樣化，并且可以根據(jù)尺寸適當(dāng)?shù)厥褂镁軠p速齒輪。本文以適合大尺寸的①偏心差動(dòng)式減速器和適合小尺寸的②波形齒輪減速器為例，說明軸承應(yīng)用部分。

　　①偏心差動(dòng)式減速器

　　偏心差動(dòng)式減速齒輪的一個(gè)例子是由NABTESCO公司制造的精密減速齒輪RV。圖3顯示精密減速齒輪RV的結(jié)構(gòu)。該減速器由直齒輪一級(jí)減速器和帶銷齒輪機(jī)構(gòu)的偏心擺動(dòng)式二級(jí)減速器組成。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，RV齒輪偏心移動(dòng)，通過與內(nèi)齒輪齒數(shù)差沿與輸入方向相反的方向旋轉(zhuǎn)，這是一種輸出機(jī)制。因?yàn)閲Ш淆X數(shù)多、齒隙小、振動(dòng)小、扭矩傳遞平穩(wěn)準(zhǔn)確，所以該結(jié)構(gòu)具有重量輕、剛性高、防過載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

　　RV減速器曲軸偏心部分采用滾針軸承，軸頸部分采用圓錐滾子軸承，要求各軸承具有高剛性、高承載能力的特點(diǎn)。此外，主軸承采用薄壁角接觸球軸承，要求高剛度（力矩剛度）以保證定位精度，這是機(jī)器人的一個(gè)重要特點(diǎn)。

　?、诓ㄐ锡X輪減速器

　　波形齒輪減速器主要使用了小型減速器結(jié)構(gòu)（外徑100mm以下）。一個(gè)帶有薄壁彈性球軸承的橢圓軸插入一個(gè)薄壁彈性齒輪中，切斷一個(gè)薄而柔韌的金屬環(huán)，并與長(zhǎng)軸側(cè)的厚而剛性的內(nèi)齒輪接觸。這是一種獨(dú)特的減速機(jī)制，可充分利用彈性變形。圖5顯示工作原理。在內(nèi)齒輪固定的情況下，橢圓軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，薄壁彈性齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)數(shù)由薄壁彈性齒輪與內(nèi)齒輪之間的齒數(shù)差決定（例如，2個(gè)薄壁彈性齒輪轉(zhuǎn)數(shù)較少）。這是一種薄壁彈性齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并將其作為輸出的機(jī)制。應(yīng)當(dāng)指出的是，圖5所示的橢圓軸是半旋轉(zhuǎn)的，其中一個(gè)薄壁彈性齒輪逆時(shí)針移動(dòng)。除了具有同軸、簡(jiǎn)單和緊湊的特征之外，該減速齒輪還可以獲得1/30***1/320的大減速比。此外，由于兩個(gè)齒面同時(shí)進(jìn)入楔形嚙合，因此沒有齒隙，嚙合比大，齒輪誤差平均，角度傳動(dòng)精度高，扭矩容量大。

　　在薄壁彈性球軸承中，拉伸壓縮應(yīng)力幅度反復(fù)作用在外圈外徑表面上，除了伴隨內(nèi)部橢圓變形的預(yù)加載外，扭矩傳遞作用引起的嚙合反作用力也起作用。設(shè)計(jì)薄壁彈性球軸承時(shí)，使外圈的裂紋疲勞強(qiáng)度和滾動(dòng)疲勞壽命兼容很重要。此外，在選擇能承受高應(yīng)力幅度的***佳厚度和熱處理規(guī)范后，還必須計(jì)入角部形狀、表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力等。

　　3.3工業(yè)機(jī)器人平衡器和軸承應(yīng)用部分

　　在機(jī)器人的手臂伸展和收縮時(shí)，該設(shè)備用于輔助伺服電機(jī)的動(dòng)力并節(jié)省電力。近年來，由于要求緊湊性，平衡器從線圈型轉(zhuǎn)換為氣體型，并且要求緊湊性和高負(fù)載能力。此外，對(duì)高可用性的需求也要求延長(zhǎng)維護(hù)間隔。

　　考慮到該平衡器桿缸支撐部分的嵌入性，可以使用自調(diào)心滾子軸承。在該應(yīng)用中，由于載荷大且搖擺角度小，難以形成油膜，并且除了承載能力大以外，還需要選擇計(jì)入異常磨損和微動(dòng)損壞的軸承。

　　4、工業(yè)機(jī)器人軸承的技術(shù)趨勢(shì)和特點(diǎn)

　　4.1工業(yè)機(jī)器人軸承的技術(shù)趨勢(shì)

　　如上所述，工業(yè)機(jī)器人軸承的應(yīng)用場(chǎng)所主要是減速齒輪和平衡器。這些軸承要求“緊湊”、“高剛性”、“高承載能力”和“長(zhǎng)壽命”。特別是，盡管使軸承緊湊很重要，但是也意味著由于橫截面積的減小，滾動(dòng)元件的尺寸也減小了，這導(dǎo)致剛性、承載能力和壽命降低。換句話說，在緊湊化、高剛性、高負(fù)載能力和長(zhǎng)壽命之間存在折衷。對(duì)于軸承，重要的是在不降低剛性、承載能力和壽命的情況下實(shí)現(xiàn)緊湊性?！?/p>

　　機(jī)器人減速齒輪要求高剛性、高輸出扭矩、高效率等，但還往往要求緊湊性。用于主軸的角接觸球軸承要求具有剛性、薄壁等特點(diǎn)，同時(shí)確保使用壽命。用于曲軸的滾針軸承要求節(jié)省空間并且具有高剛性和高負(fù)載能力。此外，機(jī)器人平衡器除了要求緊湊性外，還要求高可靠性；用于桿式氣缸支撐的自調(diào)心滾子軸承要求具有長(zhǎng)壽命性能。為響應(yīng)***近的技術(shù)趨勢(shì)，NTN設(shè)計(jì)和開發(fā)各種軸承以滿足市場(chǎng)需求。

　　4.2角接觸球軸承的緊湊化

　　NTN設(shè)計(jì)、制造和銷售用于精密減速齒輪主軸的緊湊型薄壁角接觸球軸承。

　　NTN的薄壁角接觸球軸承，作為截面比，在徑向上節(jié)省了約30％的空間，在軸向上節(jié)省了約25％的空間，并且作為質(zhì)量比，重量減輕約55％，實(shí)現(xiàn)了顯著的小型化。

　　為了實(shí)現(xiàn)緊湊化，必須減小軸承套圈的厚度，而這使得制造過程中軸承套圈變形（扭轉(zhuǎn)、翹曲）成為主要問題。NTN建立專有的加工技術(shù)（包括優(yōu)化抑制變形的熱處理?xiàng)l件），實(shí)現(xiàn)薄壁角接觸球軸承的批量生產(chǎn)。

　　此外，關(guān)于對(duì)剛度（力矩剛度）和壽命（滾動(dòng)疲勞壽命）的權(quán)衡方面，為了增加力矩剛度，增加軸承的工作點(diǎn)距離，我們建立了一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)技術(shù)，可以抑制軸承內(nèi)部的接觸應(yīng)力，并且不會(huì)縮短壽命?？梢钥闯?，與79系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品相比，盡管薄壁角接觸球軸承更緊湊，但滾動(dòng)疲勞壽命相當(dāng)，并且力矩剛度提高了約40％。

　　4.3滾針軸承的高剛性與高承載能力

　　NTN已經(jīng)銷售用于精密減速齒輪曲軸的高剛性、高承載能力的滾針軸承（HWT（J）型）。

　　HWT（J）的主要特點(diǎn)是，與PK型相比，通過消除保持架內(nèi)徑側(cè)的支柱，可以增加滾子的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)高剛性、高承載能力和長(zhǎng)壽命等性能。

　　此外，通過對(duì)滾子表面進(jìn)行碳氮共滲，可以增強(qiáng)潤(rùn)滑油中異物咬合引起的表面損傷和滾動(dòng)接觸表面上的油膜破裂，這也有助于提高可靠性和軸承壽命。

　　4.4自調(diào)心滾子軸承的長(zhǎng)壽命化

　　NTN開發(fā)了Altage系列“EA型”自動(dòng)調(diào)心滾子軸承，用于機(jī)器人平衡器的桿缸支撐。與NTN常規(guī)產(chǎn)品相比，“EA型”的承載能力（基本額定動(dòng)載荷）提高65%，達(dá)到世界***水平（圖11）。此外，在“Altage”系列中，有密封型（WA型）的排列，兩側(cè)都有密封件，可以封裝和運(yùn)輸具有優(yōu)異耐磨損和耐摩擦性能的特殊潤(rùn)滑脂，有助于提高可維護(hù)性和軸承壽命。

　　5、小結(jié)

　　NTN制造多種機(jī)器人用精密薄壁軸承。本文介紹了工業(yè)機(jī)器人用軸承的技術(shù)趨勢(shì)和特點(diǎn)。未來，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的大發(fā)展，機(jī)器人的需求將隨之?dāng)U大，我們將像大家熟悉的那樣更加活躍。NTN將繼續(xù)開發(fā)和改進(jìn)機(jī)器人軸承，為機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。