工业机器人专用轴承的现状与发展趋势

　1.工业机器人配套轴承设计原则

　　通常，通用轴承结构形式及主参数的确定是以额定动载荷为目标函数，在一定的约束条件下，通过优化得到。薄壁轴承在使用过程中，不仅要有较大的额定动载荷以保证轴承有足够的承载能力，还要有较强的刚度和较小的摩擦力矩以保证机器人主机的定位精度、灵活运转。因此，在轴承设计分析过程中，应将额定动载荷、刚度和摩擦力矩3个指标作为目标函数进行多目标优化设计，同时着重考虑这些参数的变化对轴承性能方面所产生的不同影响。

　　柔性轴承属于特殊的薄壁球轴承，部分设计可参照薄壁球轴承的设计方法，如主参数钢球直径、沟曲率系数、沟径的选择和计算、材料的选择、热处理及车、磨加工工艺等。但由于它的特殊使用要求，其主参数如钢球数量、球组节圆直径、挡边直径、填球角、保持架球兜直径和形状、游隙的选取和计算公式需要作相应改变。

　　2.机器人用轴承关键技术

　　（1）薄壁轴承负游隙的精准控制技术。工业机器人轴承要求运转平稳，要有合适的启动摩擦力矩，因此轴承生产、装配时要有合适量的负游隙。轴承的负游隙过大或过小会直接影响轴承的噪声、振动与寿命，由于机器人用薄壁轴承内外套圈的壁厚较薄，采用加载加载方式测量游隙时，易导致套圈变形，负游隙的量很难控制，需要采用特殊的加工装配方法和工艺，并使用特殊的装配工具。

　　（2）薄壁角接触球轴承装配高度的精确控制。机器人结构紧凑，安装空间精确，要求轴承的装配高的偏差严格，而且国外同类轴承的装配高也控制极为严格。由于薄壁角接触球轴承套圈壁厚很小，极易产生变形，各尺寸精度难以精确控制，内外圈及滚动体选配尺寸难以严格控制，造成轴承装配后装配高偏差过大。因此，要想实现薄壁角接触球轴承装配高的精确控制，甚至达到万能配对的目的，必须对轴承进行特殊的沟位置设计、磨加工工艺制订、精确的选配等，同时增加轴承凸出量的修磨工艺。

　　（3）薄壁轴承的精准装配技术。由于机器人专用系列精密轴承壁厚超薄，刚度差，采用普通的装配方法及模具，在加热装配合套时极易变形。因此，要实现薄壁轴承的精密装配，达到成品的各项指标，必须采用针对薄壁轴承的装配尺寸选配、装配工艺制订和特殊的装配模具及附件，对选配好的轴承套圈进行严格的修磨，制定详细、严格的装配工艺，并研制专用的装配合套工具及附件，以保证轴承装配后的精度。

　　（4）薄壁轴承套圈内外径非接触测量技术。薄壁轴承套圈壁厚非常薄，需要精密车和磨来达到所要求的公差，同时薄壁轴承套圈轮廓参数的测量精度要求也极高，采用传统的检测手段，如标准轴承外径测量使用的D913仪器，用0.001的扭簧表测量，要求有一定的测力，但是表的测力人为很难精确控制，直接影响薄壁套圈的外径测量精度，无法满足检测的需求。因此，需要对薄壁轴承套圈内外径测量方法进行研究，以非接触光学精密测量技术为基础，综合运动计算机主动视觉、图像处理、精密运动控制及计算机控制等相关技术，研制开发一套薄壁轴承套圈外轮廓专用测量仪器。

　　（5）基于机器人工况条件的轴承综合性能试验技术。为了考核和评价机器人轴承的性能、寿命及可靠性，装机前必须进行模拟试验或批量生产时抽样试验，以确保装机的轴承性能稳定可靠。由于机器人轴承结构的特殊性，需要研制专用的轴承的试验装置，并进行模拟工况试验，检测轴承的振动、温度、载荷、转速、摩擦力矩及旋转精度等性能，根据所配套的机器人的用途及使用要求，制定相应的试验规范，完成规定数量和时限的寿命试验，并对试验后各项检测与实验前数据进行对比分析，从而评估轴承的使用性能、寿命及可靠性是否满足要求。

　　机器人轴承共性技术研究现状

　　国内工业机器人配套轴承大部分依靠进口，少数厂家虽然生产制造工业机器人配套轴承，但批量小、品种规格少，零部件通用化程度低，供货周期长，成本高，而且质量不稳定，这些因素严重制约了国内工业机器人产业的正常发展。

　　目前，我国从事工业机器人配套轴承研发的单位大多集中在河南洛阳。洛阳轴研科技股份有限公司（轴研所）早在“七五”期间首次展开机器人技术攻关，承担了其中的子课题《机器人专用轴承的开发研究》，对焊接、喷涂、装配机器人用薄壁四点接触球轴承和薄壁交叉圆柱滚子轴承进行了设计、试制、性能检测及寿命试验，与德国YAO及日本THK同类轴承对比结果，达到了国际同类产品技术水平。研制产品应用于大连组合机床研究所12公斤焊接机器人、广州机床研究所50公斤搬运机器人、机械工业自动化研究所75公斤焊接机器人均满足主机要求。近年来，轴研科技股份有限公司对薄壁轴承的结构特点、刚度、精度、摩擦力矩、预紧和应用等进行探讨，定性分析了薄壁轴承设计要考虑的问题和轴系支承刚度对轴承变形的影响，为国内工业机器人专用配套轴承的系列开发提供了有力的技术支撑和研究基础。

　　洛阳LYC轴承公司针对谐波传动用柔性轴承的类型、结构特点、轴承材料及热处理工艺、尺寸公差和旋转精度、滚动体精度、游隙、检验方法等进行了深入研究。河南科技大学提出了轻量化绿色化长寿命薄壁四点接触球轴承的结构设计方法，研究了轴承有效壁厚与承载能力、启动摩擦力矩等关键性能指标之间的关系，找到了保证寿命与可靠性条件下的最小壁厚，从而提高轴承材料利用率、降低轴承重量，节约能源，性能指标超过了国外同类产品。

　　北京谐波技术研究所在考虑到柔性轴承工作特点、滚动体离心力作用以及EHL油膜影响的前提下，提出了一种分析计算柔性轴承载荷分布和接触应力的方法，对于按照动负荷能力来计算柔性轴承的许用载荷具有一定意义。

　　洛阳维斯格轴承、洛阳鸿元轴承、上海烈力轴承等单位也都凭借自己研发生产的工业机器人专用配套轴承或应用工程项目活跃在当今国内外工业机器人专用轴承市场上。此外，一些科研院所和大学也均在进行高端工业机器人轴承制造技术及应用项目方面的研发工作。

　　我国工业机器人配套轴承发展趋势

　　尽管我国轴承行业的发展规模已经非常庞大，但是国内工业机器人配套轴承中，大部分依靠进口。目前国内少数厂家虽然生产制造工业机器人配套轴承，也因批量小、品种规格少，零部件通用化程度低，供货周期长，成本高等原因，在国内市场的销售额占总销售额的比例不到10％。我国从20世纪80年代开始，连续投进数亿元资金，花了几十年的时间，对机器人核心零部件进行攻关和研发。从产品设计上来看，国内工业机器人配套轴承的应满足轻量化、高精度、高可靠性三大指标，从行业发展上来看，国产机器人轴承需要向产品要多样化、规模化和国际化发展，在提高轴承质量的同时完善的试验规范及标准，早日完成工业机器人配套轴承国产化的目标。

　　结语

　　轴承是工业机器人重要的关键零部件之一，它的国产化关系到国产机器人产业的整体竞争力。针对国产机器人产业发展需求，迫切需要开展工业机器人配套轴承研制以及产业化关键技术研发，确保轴承各项性能指标均达到国际先进水平的前提下降低生产成本，为进一步完善工业机器人产业体系做准备，争取在2020年培育3～5家具有国际竞争力的龙头企业和8～10个配套产业集群，以提高国产机器人的市场竞争力，推动智能装备产业发展。