工業(yè)機(jī)器人用減速器軸承的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張振強(qiáng)， 王東峰， 趙洋， 焦春照， 張浩洋， 王寶磊

（洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南洛陽(yáng)471039）

0 引言

機(jī)器人的所有核心零部件中，減速器最為關(guān)鍵；而在減速器中，軸承和擺線輪最為關(guān)鍵。

圖1 減速器

全球75%市場(chǎng)份額由兩家日本減速器公司壟斷，分別為提供RV擺線針輪減速器的日本Nabtesc和提供高性能諧波減速器的日本Harmonic Drive，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)與國(guó)外相媲美的減速器產(chǎn)品。

1 機(jī)器人減速器軸承的開(kāi)發(fā)

軸承作為減速器的核心零部件，一直為國(guó)內(nèi)減速器的研發(fā)提供強(qiáng)有力的支持。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司（原洛陽(yáng)軸承研究所）作為中國(guó)軸承行業(yè)的鼻祖，自20世紀(jì)80年代起就開(kāi)始從事機(jī)器人軸承的研究與開(kāi)發(fā)工作，承擔(dān)了“七五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目《機(jī)器人專用軸承的開(kāi)發(fā)研究》，從2014年起，公司又申報(bào)并承擔(dān)了國(guó)家的863項(xiàng)目《機(jī)器人用精密軸承研制及應(yīng)用示范》，在機(jī)器人軸承的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面積累了大量豐富經(jīng)驗(yàn)，而洛陽(yáng)也已成為機(jī)器人軸承的產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。

2 減速器軸承種類及應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人用減速器軸承鑒于其有限的安裝空間與高承載要求，往往被設(shè)計(jì)成薄壁、非標(biāo)軸承，又由于減速器運(yùn)動(dòng)的高精度要求，軸承的加工制造要求極為嚴(yán)格。依據(jù)其應(yīng)用不同，主要分為以下幾類：RV減速器軸承、諧波減速器軸承、擺線針輪減速器用軸承等［1-4］。

2.1 RV減速器軸承

RV減速器是在擺線針輪傳動(dòng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，使用二級(jí)減速和中心圓盤支承結(jié)構(gòu)。具有傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)精度高、回差小、低振動(dòng)、剛性大和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)器人的“御用”減速器。其減速器的關(guān)鍵在于軸承的精密定位，要求軸承輸出力矩大、精度高、負(fù)載大、體積小、重量輕、剛性高、低噪聲、長(zhǎng)壽命、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、安全可靠性大等優(yōu)良性能，能在惡劣的工作環(huán)境長(zhǎng)期連續(xù)工作，并具有高的抗沖擊能力。主要用于機(jī)器人、焊接變位臺(tái)（翻轉(zhuǎn)臺(tái)）、數(shù)控機(jī)床、精密雷達(dá)驅(qū)動(dòng)控制等要求空間小、速比大的精密傳動(dòng)行業(yè)。RV減速器軸承包含以下4類［5-7］：

1）薄壁角接觸球軸承，該類型軸承主要用作減速器的主軸承，具有較大接觸角，通常為40°～50°，具有高精度、高剛性，對(duì)減速器的力矩剛性具有重要影響；軸承內(nèi)外圈通常不等高，這一方面是由于減速器緊湊的結(jié)構(gòu)限制，避免軸承在安裝過(guò)程中出現(xiàn)干涉；另一方面也是為了軸承的潤(rùn)滑與散熱方便；軸承保持架通常采用PA66注塑成型的冠型保持架［5］。

2）薄壁深溝球軸承，該類軸承主要用在減速器的輸出部位，要求精度高，輸出平穩(wěn)。

圖2 薄壁球軸承

3）薄壁圓錐滾子軸承，該類軸承分為曲柄支撐用和主體支撐用兩種，曲柄支撐用薄壁圓錐滾子軸承通常較小，置于曲柄兩側(cè)，起到支撐曲柄的作用；主體支撐用薄壁圓錐滾子軸承和薄壁角接觸球軸承功能類似，用作減速器的主軸承。

圖3 薄壁圓錐滾子軸承

4）圓柱滾子（滾針）及保持架組件，該類軸承沒(méi)有內(nèi)外圈，使用時(shí)將其置于曲柄中間部位，以與之相配套的軸和孔為軸承的內(nèi)外圈和滾道，起到支撐曲柄擺線輪的作用，結(jié)構(gòu)非常緊湊。

圖4 曲柄軸及保持架組件

2.2 諧波減速器軸承

諧波減速器［8-10］曾經(jīng)是用于機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)的主要裝置，通過(guò)柔輪的彈性變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞，彈性變形大。由于彈性變形會(huì)引起較大的彈性回差，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性受到影響，主要應(yīng)用于機(jī)器人小臂、腕部或手部等部位。諧波減速器在傳遞負(fù)載時(shí)，變形的柔輪與剛輪并非是共軛齒廓嚙合，造成其保證運(yùn)動(dòng)精度壽命較低。因此近年來(lái)，在很多高精度機(jī)器人傳動(dòng)中有逐漸被RV減速器取代的趨勢(shì)。諧波減速器所需要的柔性軸承是使其能夠運(yùn)動(dòng)起來(lái)的關(guān)鍵零部件，此類軸承在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生周期性的交變應(yīng)力，加之軸承壁厚較薄，對(duì)軸承材料及加工制造都提出了極高的要求。

圖5 諧波減速器原理及柔性軸承

2.3 擺線針輪減速器用軸承

擺線針輪減速器是一種應(yīng)用行星式傳動(dòng)原理，采用擺線針齒嚙合的傳動(dòng)裝置。在其輸入軸上裝有一個(gè)錯(cuò)位180°的雙偏心套，在偏心套上裝有兩個(gè)稱為轉(zhuǎn)臂的滾柱軸承，形成H機(jī)構(gòu)，該滾柱軸承沒(méi)有軸承外圈，兩個(gè)擺線輪的中心孔充當(dāng)偏心套上轉(zhuǎn)臂軸承外圈及滾道。

圖6 滾柱軸承

除上述三類減速器之外，還有其它種類的減速器，如行星減速器等，但是工業(yè)機(jī)器人用減速器要求結(jié)構(gòu)緊湊、輸出功率大、傳動(dòng)鏈短、質(zhì)量輕并且易于控制等，大量應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人減速器上的主要有RV減速器和諧波減速器，這兩類代表了目前機(jī)器人減速器的最高水平，掌握與之相配套的軸承技術(shù)，也就掌握了工業(yè)機(jī)器人減速器軸承的最高技術(shù)。

3結(jié)語(yǔ)

軸承作為減速器的關(guān)鍵零部件，根據(jù)各類減速器的性能特點(diǎn)，必須做出相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，以滿足機(jī)器人減速器苛刻的性能要求。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司作為國(guó)內(nèi)最早研究機(jī)器人軸承的科技型公司，現(xiàn)已成功研制多系列工業(yè)機(jī)器人減速器專用軸承，以及等截面薄壁軸承、交叉圓柱滾子軸承、轉(zhuǎn)臺(tái)軸承等。

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