經過半個世紀的發(fā)展，工業(yè)機器人因其重復精度高、可靠性好、抗惡劣環(huán)境能力強等優(yōu)點，已經在汽車制造等多個域廣泛應用。工業(yè)機器人的普及應用是汽車企業(yè)實現(xiàn)自動化生產，提高產品質量和生產率，節(jié)約勞動力和制造成本、增強行業(yè)競爭力的有手段。內工業(yè)機器人制造產業(yè)從20世紀80年代“七五”科技攻關開始起步，在家科技攻關項目“863”計劃的支持下，經過十幾年的研制、生產和應用，使中的機器人產業(yè)從無到有，跨出了大步。
目前，從中工業(yè)機器人市場來看，外進口的工業(yè)機器人所占重比較大，與外資品相比，造成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(xiàn)在核心零部件技術不達標。工業(yè)機器人軸承作為工業(yè)機器人的關鍵配套元件，對機器人的運轉平穩(wěn)性、重復定位精度、回轉度以及工作的可靠性等關鍵性能指標具有重要影響。
工業(yè)機器人用配套軸承的類型與點
現(xiàn)代工業(yè)機器人的方向發(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構。由于軸承要在有限的安裝空間內滿足工業(yè)機器人主機對軸承承載能力、精度、剛度和摩擦力矩的怍能要求，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限尺寸，具有重量輕、體枳小、精度高、壽命長等優(yōu)良性能，能夠很好地解決這問題。工業(yè)機器人用軸承主要有等截面薄壁軸承、薄壁十字交叉滾子軸承、RV減速機軸承及諧波減速器用軸承等，它們大多采用非標準、多滾動體等設計原則。
1、薄壁等截面軸承
與普通軸承不同，等截面薄壁軸承毎個系列中橫截面大多為正方形，且尺寸被設計為固定值（見圖1)：在同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(yè)機器人的腰部、肘部、腕部等要求截面尺寸小、有限制的部位。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(shù)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。
圖1.等截面薄壁軸承
2、薄壁十字交叉滾子軸承
薄壁十字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?jié)L子的傾斜或滾子間的相互磨察，有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(xiàn)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。十字交叉滾子軸承以其輕型復合結構、回轉精度高、剛性好、摩擦力矩穩(wěn)定等良好的性能廣泛應用于工業(yè)機器人腰部回轉、關節(jié)式機器人肩部、臂、手腕等回轉部位。
圖2：十字交
叉滾子軸承
3.RV減速器軸承
RV減速器又稱精密關節(jié)減速器，它以其體積小，抗沖擊力強，扭矩大，定位精度髙等諸多優(yōu)點被廣泛應用于工業(yè)機器人。對干RV減速器，軸承的外形結構、精密定位是其結構緊湊、剛性優(yōu)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(見圖3)。
圖3：RV減速機軸承
4.諧波減速器用軸承
諧波減速器是種靠波發(fā)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(jié)。
諧波傳動用十字交叉滾子軸承，依據(jù)諧波減速器結構的不同，可分為
CSF系列諧波減速器用交叉滾子軸承、
CSG系列諧波減速器用交叉滾子軸承、
SHF系列諧波減速器用交叉滾子軸承、
SHG系列諧波減速器用交叉滾子軸承、
CSD系列諧波減速器用交叉滾子軸承、
SHD系列諧波減速器用交叉滾子軸承等系列。
CSF/CSG系列諧波減速器用交叉滾子軸承（見圖4）與普通的交叉滾子軸承結構上稍有不同，基本結構形式類似，采用外圈分割型，內圈整體結構，與標準交叉滾子軸承相比，內外套圈上加工有很多安裝孔，尤其是內圈，從外到內般有三層不通尺寸和數(shù)量的安裝螺紋孔，這是外觀上與基本型交叉滾子軸承的卻別。材質都采用GCr15軸承鋼，外圈熱處理采用整體淬火工藝，而內圈采用滾道表面高頻淬火工藝，這是與普通交叉滾子軸承工藝相比的區(qū)別之處；該諧波減速器用交叉滾子軸承運轉摩擦力矩的平穩(wěn)性和精度對諧波減速器齒嚙合力及運轉的穩(wěn)定性具有直接的影響，更直接影響了諧波減速器的使用壽命，因此，諧波減速器用十字交叉滾子軸承的質量好壞直接決定了諧波減速器的使用果和壽命。
圖4：CSF/CSG諧波減速器用十字交叉滾子軸承
SHF/SHG系列諧波減速器用交叉滾子軸承（見圖5），其外圈和內圈均為整體結構，安裝對性能沒有任何影響，能夠獲得穩(wěn)定的旋轉精度（高可達0.002mm）和摩擦力矩；適用于SHF/SHG系列、CSD系列諧波減速器。
圖5：SHF/SHG系列諧波減速器用十字交叉滾子軸承
SHD系列諧波減速器用交叉滾子軸承（見圖6），外圈和內圈也都為整體結構，但其內圈與諧波減速器剛輪為體結構，進步減小了諧波減速器的厚度和重量，采用殊的材料和熱處理工藝，使其具有優(yōu)異的性能，適用于SHD系列諧波減速器。
圖6：SHD系列諧波減速器用十字交叉滾子軸承
柔性軸承是諧波減速器的核心部件之，通過柔性軸承的彈性變形達到高減速比的要求，而且諧波減速器的壽命也很大程度上取決于柔性軸承(見圖7)壽命。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)應力載荷，而且承受交變應力載荷。
圖7：柔性軸承
工業(yè)機器人用配套軸承現(xiàn)有技術
工業(yè)機器人用配套軸承軸承不僅是工業(yè)機器人關節(jié)系統(tǒng)轉動與運動的核心部件，作為承載元件，其整體性能優(yōu)劣對系統(tǒng)的安、高的運行有著至關重要的作用。薄壁軸承柔性征對機器人動態(tài)性能、載荷能力及運動精度的影響已不容忽視。
1.工業(yè)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(shù)的確定是以額定動載荷為目標函數(shù)，在-定的約束條件下，通過優(yōu)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(shù)進行多目標優(yōu)化設計，同時著重考慮這些參數(shù)的變化對軸承性能方面所產生的不同影響。
柔性軸承屬于殊的薄壁球軸承，部分設計可參照薄壁球軸承的設計方法，如主參數(shù)鋼球直徑、溝曲率系數(shù)、溝徑的選擇和計算、材料的選擇、熱處理及車、磨加工工藝等。但由干它的殊使用要求，其主參數(shù)如鋼球數(shù)量、球組節(jié)圓直徑、檔邊直徑、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)薄壁軸承負游隙的準確控制技術。工業(yè)機器人軸承要求運轉平穩(wěn)，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，由干機器人用薄壁軸承內外套圈的壁厚較薄，采用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，需要采用殊的加工裝配方法和工藝，并使用殊的裝配工具。
(2)薄壁角接觸球軸承裝配高度的控制。機器人結構緊湊，安裝空間，要求軸承的裝配髙的偏范嚴格，而且外同類軸承的裝配高也控制為嚴格。由于薄壁角接觸球軸承壁厚很小，易產生變形，各尺寸精度難以控制，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，耍想實現(xiàn)薄壁角接觸球軸承裝酏高的控制，基至達到自由配對的目的，必須對軸承進行殊的溝位置設計、磨加工工藝制訂、的選配等，同時增加軸承凸出量的修磨工藝。
(3)薄壁軸承的裝配技術。由于機器人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，在加熱裝配合套時易變形。因此，要實現(xiàn)薄壁軸承的精密裝配，達到成品各項指標，必須采用針對薄壁軸承的裝配尺寸選配、裝配工藝制制訂和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(shù)的測量精度要求也高，采用傳統(tǒng)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，要求有定的測力，但是表的測力人為很難控制，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鼉技術為基礎，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(fā)套薄壁軸承套圈外輪廓用測量儀器。
(5)基干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(wěn)定可靠。由于機器人軸承結構的殊性，需要研制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，根椐所配套的機器人的用途及使用要求，制定相應的試驗規(guī)范，完成規(guī)定數(shù)量和時限的壽命試驗，并對試驗后各項檢測與實驗前數(shù)據(jù)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(xiàn)狀
內工業(yè)機器人配套軸承大部分依靠進口，少數(shù)廠家雖然生產制造工業(yè)機器人配套軸承，但批量小、品種規(guī)格少，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本髙，
盡管我軸承行業(yè)的發(fā)展規(guī)模已經非常龐大，但是內工業(yè)機器人配套軸承中，大部分依靠進口。目前內少數(shù)廠家雖然生產制造工業(yè)機器人配套軸承，但因批量小、品種規(guī)格少，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本高等原因，而且質量不穩(wěn)定，這些因素嚴重制約了內工業(yè)機器人產業(yè)的正常發(fā)展，在內市場的銷售額占總銷售額的比例不到10%。我從20世紀80年代開始，連續(xù)投進數(shù)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(fā)。從產品設計上來看，內工業(yè)機器人配套軸承應滿足輕量化、高精度、高可靠性三大指標，從行業(yè)發(fā)展上來看，產機器人軸承需要向產品多樣化、規(guī)?；碗H化發(fā)展，在提高軸承質量的同時完善試驗規(guī)范及標準，早日完成工業(yè)機器人配套軸承產化的目標。
目前，我從事工業(yè)機器人配套軸承研發(fā)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”期間次展開機器人技術攻關，承擔了其中的子課題《機器人用軸承的開發(fā)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INA及日本THK同類軸承對比結果，達到了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(yè)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同對薄壁軸承的結構點、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，為內工業(yè)機器人用配套軸承的系列開發(fā)提供了有力的技術支撐和研究基礎。
洛陽軸承集團有限公司針對諧波傳動用柔性軸承的類型、結構點、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下F的小壁厚，從而提高軸承材料利用率、降低軸承重量，節(jié)約能源，性能指標超過了外同類產品。
北京諧波技術研究所在考慮到柔性軸承工作點、滾動體離心力作用以及EHL油膜影響的前提下，提出了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定意義。
洛陽普瑞森軸承依靠洛陽軸承研究所和河南科技大學的科技研發(fā)資源，憑借自己十幾年間對精密軸承的工藝實踐，注研發(fā)生產的工業(yè)機器人系列諧波減速器用配套軸承，已經打破外的壟斷，形成批量化生產，基本替代日本THK、IKO和德INA系列進口軸承，自公司創(chuàng)立以來普瑞森軸承公司已經為內外機器人關節(jié)部位批量配套兩萬余套精密軸承，為工業(yè)機器人的產化做出了應有的努力。
結語
軸承是工業(yè)機器人重要的關鍵零部件之-，它的產化關系到產機器人產業(yè)的整體競爭力。針對產機器人產業(yè)發(fā)展需求，迫切需要開展工業(yè)機器人配套軸承研制以及產業(yè)化關鍵技術研發(fā)，確保軸承各項性能指均達到際先進水平的前提下降低生產成本，為進步完善工業(yè)機器人產業(yè)體系做準備，爭取在2020年培育3~5家具有際競爭力的企業(yè)和8~10個配套產業(yè)集群，以提高產機器人的市場競爭力，推動智能裝備產業(yè)發(fā)展。
