我國工業機器人配套軸承發展趨勢

    盡管我國軸承行業的發展規模已經非常龐大，但是國內工業機器人配套軸承中，大部分依靠進口。目前國內少數廠家雖然生產制造工業機器人配套軸承，也因批量小、品種規格少，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本高等原因，在國內市場的銷售額占總銷售額的比例不到10％。我國從20世紀80年代開始，連續投進數億元資金，花了幾十年的時間，對機器人核心零部件進行攻關和研發。從產品設計上來看，國內工業機器人配套軸承的應滿足輕量化、高精度、高可靠性三大指標，從行業發展上來看，國產機器人軸承需要向產品要多樣化、規模化和國際化發展，在提高軸承質量的同時完善的試驗規范及標準，早日完成工業機器人配套軸承國產化的目標。

    軸承是工業機器人重要的關鍵零部件之一，它的國產化關系到國產機器人產業的整體競爭力。針對國產機器人產業發展需求，迫切需要開展工業機器人配套軸承研制以及產業化關鍵技術研發，確保軸承各項性能指標均達到國際先進水平的前提下降低生產成本，為進一步完善工業機器人產業體系做準備，爭取在2020年培育3～5家具有國際競爭力的龍頭企業和8～10個配套產業集群，以提高國產機器人的市場競爭力，推動智能裝備產業發展。

    工業機器人發展輕型化配套軸承技術還需加強

    國內工業機器人制造產業從20世紀80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家科技攻關項目“863”計劃的支持下，經過十幾年的研制、生產和應用，使中國的機器人產業從無到有，跨出了一大步。目前，從中國工業機器人市場來看，國外進口的工業機器人所占重比較大，與外資品牌相比，造成國產機器人在無故障運行時間、定位精度、定位速度以及精度保持度方面的差距主要體現在核心零部件技術不達標。工業機器人軸承作為工業機器人的關鍵配套元件，對機器人的運轉平穩性、重復定位精度、回轉精確度以及工作的可靠性等關鍵性能指標具有重要影響。

    工業機器人專用配套軸承的特點與分類

    現代工業機器人的方向發展趨于輕型化，這就要求與其配套的軸承具有更加輕便的結構。由于軸承要在有限的安裝空間里滿足工業機器人主機對軸承承載能力、精度、剛度和摩擦力矩的性能要求，選用標準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、壽命長等優良性能，能夠很好地解決這一問題。

    工業機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，它們大多采用非標準、多滾動體等設計原則。

    1.等截面薄壁軸承

    與普通軸承不同，該種軸承每個系列中橫截面大多為正方形，且尺寸被設計為固定值：在同一個系列中橫截面尺寸是不變的，它不隨內徑尺寸增大而增大，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，多被應用于工業機器人的腰部、肘部、腕部。在內徑尺寸相同的情況下，薄壁等截面球軸承比標準滾動軸承裝的鋼球數多，因此改善了軸承內部受力分布，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部結構采用滾子呈90？相互垂直交叉排列，單個軸承能同時承受徑向力、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，可以防止滾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（見圖2）。另外，滾子垂直交叉排列的結構可以避免滾子的鎖死現象；同時又因為軸承內外圈是分割的結構，間隙可調，即使被施加壓力，也能獲得較高的旋轉精度。薄壁交叉滾子軸承以其輕型結構與良好的性能主要用于機械手臂、關鍵式機器人肩部、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，扭矩大，定位精度高等諸多優點被廣泛應用于工業機器人。對于RV減速器，軸承的外形結構、精密定位是其結構緊湊、剛性優良、傳動精密關鍵因素，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。

    4.諧波減速器

    諧波減速器是一種靠波發生器使柔輪產生可控彈性變形，利用柔性軸承可控的彈性變形來傳遞運動和動力的，其特點是結構緊湊、運動精度高、傳動比大，多用于中小轉矩的機器人關節。柔性軸承是諧波減速器的核心部件，通過軸承的彈性變形達到高減速比的要求，而且，諧波減速器壽命主要取決于柔性軸承壽命（見圖4）。柔性軸承工作中隨柔輪的彈性變形不斷的發生變化，不僅承受循環應力載荷，而且承受交變應力載荷。

    工業機器人專用配套軸承現有技術

    工業機器人專用配套軸承軸承不僅是工業機器人關節系統轉動與運動的核心部件，作為承載元件，其整體性能優劣對系統的安全、高效的運行有著至關重要的作用。薄壁軸承柔性特征對機器人動態性能、載荷能力及運動精度的影響已不容忽視。

    1.工業機器人配套軸承設計原則

    通常，通用軸承結構形式及主參數的確定是以額定動載荷為目標函數，在一定的約束條件下，通過優化得到。薄壁軸承在使用過程中，不僅要有較大的額定動載荷以保證軸承有足夠的承載能力，還要有較強的剛度和較小的摩擦力矩以保證機器人主機的定位精度、靈活運轉。因此，在軸承設計分析過程中，應將額定動載荷、剛度和摩擦力矩3個指標作為目標函數進行多目標優化設計，同時著重考慮這些參數的變化對軸承性能方面所產生的不同影響。

    柔性軸承屬于特殊的薄壁球軸承，部分設計可參照薄壁球軸承的設計方法，如主參數鋼球直徑、溝曲率系數、溝徑的選擇和計算、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，其主參數如鋼球數量、球組節圓直徑、擋邊直徑、填球角、保持架球兜直徑和形狀、游隙的選取和計算公式需要作相應改變。

    2.機器人用軸承關鍵技術

    （1）薄壁軸承負游隙的精準控制技術。工業機器人軸承要求運轉平穩，要有合適的啟動摩擦力矩，因此軸承生產、裝配時要有合適量的負游隙。軸承的負游隙過大或過小會直接影響軸承的噪聲、振動與壽命，由于機器人用薄壁軸承內外套圈的壁厚較薄，采用加載加載方式測量游隙時，易導致套圈變形，負游隙的量很難控制，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。機器人結構緊湊，安裝空間精確，要求軸承的裝配高的偏差嚴格，而且國外同類軸承的裝配高也控制極為嚴格。由于薄壁角接觸球軸承套圈壁厚很小，極易產生變形，各尺寸精度難以精確控制，內外圈及滾動體選配尺寸難以嚴格控制，造成軸承裝配后裝配高偏差過大。因此，要想實現薄壁角接觸球軸承裝配高的精確控制，甚至達到萬能配對的目的，必須對軸承進行特殊的溝位置設計、磨加工工藝制訂、精確的選配等，同時增加軸承凸出量的修磨工藝。

    （3）薄壁軸承的精準裝配技術。由于機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，在加熱裝配合套時極易變形。因此，要實現薄壁軸承的精密裝配，達到成品的各項指標，必須采用針對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，對選配好的軸承套圈進行嚴格的修磨，制定詳細、嚴格的裝配工藝，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）薄壁軸承套圈內外徑非接觸測量技術。薄壁軸承套圈壁厚非常薄，需要精密車和磨來達到所要求的公差，同時薄壁軸承套圈輪廓參數的測量精度要求也極高，采用傳統的檢測手段，如標準軸承外徑測量使用的D913儀器，用0.001的扭簧表測量，要求有一定的測力，但是表的測力人為很難精確控制，直接影響薄壁套圈的外徑測量精度，無法滿足檢測的需求。因此，需要對薄壁軸承套圈內外徑測量方法進行研究，以非接觸光學精密測量技術為基礎，綜合運動計算機主動視覺、圖像處理、精密運動控制及計算機控制等相關技術，研制開發一套薄壁軸承套圈外輪廓專用測量儀器。

    （5）基于機器人工況條件的軸承綜合性能試驗技術。為了考核和評價機器人軸承的性能、壽命及可靠性，裝機前必須進行模擬試驗或批量生產時抽樣試驗，以確保裝機的軸承性能穩定可靠。由于機器人軸承結構的特殊性，需要研制專用的軸承的試驗裝置，并進行模擬工況試驗，檢測軸承的振動、溫度、載荷、轉速、摩擦力矩及旋轉精度等性能，根據所配套的機器人的用途及使用要求，制定相應的試驗規范，完成規定數量和時限的壽命試驗，并對試驗后各項檢測與實驗前數據進行對比分析，從而評估軸承的使用性能、壽命及可靠性是否滿足要求。

    機器人軸承共性技術研究現狀

    國內工業機器人配套軸承大部分依靠進口，少數廠家雖然生產制造工業機器人配套軸承，但批量小、品種規格少，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本高，而且質量不穩定，這些因素嚴重制約了國內工業機器人產業的正常發展。

    目前，我國從事工業機器人配套軸承研發的單位大多集中在河南洛陽。洛陽軸研科技股份有限公司（軸研所）早在“七五”期間首次展開機器人技術攻關，承擔了其中的子課題《機器人專用軸承的開發研究》，對焊接、噴涂、裝配機器人用薄壁四點接觸球軸承和薄壁交叉圓柱滾子軸承進行了設計、試制、性能檢測及壽命試驗，與德國YAO及日本THK同類軸承對比結果，達到了國際同類產品技術水平。研制產品應用于大連組合機床研究所12公斤焊接機器人、廣州機床研究所50公斤搬運機器人、機械工業自動化研究所75公斤焊接機器人均滿足主機要求。近年來，軸研科技股份有限公司對薄壁軸承的結構特點、剛度、精度、摩擦力矩、預緊和應用等進行探討，定性分析了薄壁軸承設計要考慮的問題和軸系支承剛度對軸承變形的影響，為國內工業機器人專用配套軸承的系列開發提供了有力的技術支撐和研究基礎。

    洛陽LYC軸承公司針對諧波傳動用柔性軸承的類型、結構特點、軸承材料及熱處理工藝、尺寸公差和旋轉精度、滾動體精度、游隙、檢驗方法等進行了深入研究。河南科技大學提出了輕量化綠色化長壽命薄壁四點接觸球軸承的結構設計方法，研究了軸承有效壁厚與承載能力、啟動摩擦力矩等關鍵性能指標之間的關系，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，節約能源，性能指標超過了國外同類產品。

    北京諧波技術研究所在考慮到柔性軸承工作特點、滾動體離心力作用以及EHL油膜影響的前提下，提出了一種分析計算柔性軸承載荷分布和接觸應力的方法，對于按照動負荷能力來計算柔性軸承的許用載荷具有一定意義。

    洛陽維斯格軸承、洛陽鴻元軸承、上海烈力軸承等單位也都憑借自己研發生產的工業機器人專用配套軸承或應用工程項目活躍在當今國內外工業機器人專用軸承市場上。此外，一些科研院所和大學也均在進行高端工業機器人軸承制造技術及應用項目方面的研發工作。