經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人因其重復(fù)精度高、可靠性好、抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車制造等多個(gè)域廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人的普及應(yīng)用是汽車企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，節(jié)約勞動(dòng)力和制造成本、增強(qiáng)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有手段。內(nèi)工業(yè)機(jī)器人制造產(chǎn)業(yè)從20世紀(jì)80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在家科技攻關(guān)項(xiàng)目“863”計(jì)劃的支持下，經(jīng)過十幾年的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，使中的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)從無到有，跨出了大步。
目前，從中工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)來看，外進(jìn)口的工業(yè)機(jī)器人所占重比較大，與外資品相比，造成產(chǎn)機(jī)器人在無故障運(yùn)行時(shí)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(shù)不達(dá)標(biāo)。工業(yè)機(jī)器人軸承作為工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵配套元件，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、重復(fù)定位精度、回轉(zhuǎn)度以及工作的可靠性等關(guān)鍵性能指標(biāo)具有重要影響。
工業(yè)機(jī)器人用配套軸承的類型與點(diǎn)
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)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(jié)構(gòu)。由于軸承要在有限的安裝空間內(nèi)滿足工業(yè)機(jī)器人主機(jī)對(duì)軸承承載能力、精度、剛度和摩擦力矩的怍能要求，選用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)等優(yōu)良性能，能夠很好地解決這問題。工業(yè)機(jī)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(jī)軸承及諧波減速器用軸承等，它們大多采用非標(biāo)準(zhǔn)、多滾動(dòng)體等設(shè)計(jì)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(gè)系列中橫截面大多為正方形，且尺寸被設(shè)計(jì)為固定值（見圖1)：在同個(gè)系列中橫截面尺寸是不變的，它不隨內(nèi)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(diǎn)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(yīng)用于工業(yè)機(jī)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(nèi)徑尺寸相同的情況下，薄壁等截面球軸承比標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承裝的鋼球數(shù)多，因此改善了軸承內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)采用滾子呈90°相互垂直交叉排列，單個(gè)軸承能同時(shí)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(jié)構(gòu)可以避免滾子的鎖死現(xiàn)象；同時(shí)又因?yàn)檩S承內(nèi)外圈是分割的結(jié)構(gòu)，間隙可調(diào)，即使被施加壓力，也能獲得較高的旋轉(zhuǎn)精度。十字交叉滾子軸承以其輕型復(fù)合結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)精度高、剛性好、摩擦力矩穩(wěn)定等良好的性能廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人腰部回轉(zhuǎn)、關(guān)節(jié)式機(jī)器人肩部、臂、手腕等回轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)減速器，它以其體積小，抗沖擊力強(qiáng)，扭矩大，定位精度髙等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。對(duì)干RV減速器，軸承的外形結(jié)構(gòu)、精密定位是其結(jié)構(gòu)緊湊、剛性優(yōu)良、傳動(dòng)精密關(guān)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(jī)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(chǎn)生可控彈性變形，利用柔性軸承可控的彈性變形來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，其點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)比大，多用于中小轉(zhuǎn)矩的機(jī)器人關(guān)節(jié)。
諧波傳動(dòng)用十字交叉滾子軸承，依據(jù)諧波減速器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上稍有不同，基本結(jié)構(gòu)形式類似，采用外圈分割型，內(nèi)圈整體結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)交叉滾子軸承相比，內(nèi)外套圈上加工有很多安裝孔，尤其是內(nèi)圈，從外到內(nèi)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(zhì)都采用GCr15軸承鋼，外圈熱處理采用整體淬火工藝，而內(nèi)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(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩的平穩(wěn)性和精度對(duì)諧波減速器齒嚙合力及運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhì)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(nèi)圈均為整體結(jié)構(gòu)，安裝對(duì)性能沒有任何影響，能夠獲得穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)精度（高可達(dá)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(nèi)圈也都為整體結(jié)構(gòu)，但其內(nèi)圈與諧波減速器剛輪為體結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(dá)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(yīng)力載荷，而且承受交變應(yīng)力載荷。
圖7：柔性軸承
工業(yè)機(jī)器人用配套軸承現(xiàn)有技術(shù)
工業(yè)機(jī)器人用配套軸承軸承不僅是工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)的核心部件，作為承載元件，其整體性能優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的安、高的運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。薄壁軸承柔性征對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能、載荷能力及運(yùn)動(dòng)精度的影響已不容忽視。
1.工業(yè)機(jī)器人配套軸承設(shè)計(jì)原則
通常，通用軸承結(jié)構(gòu)形式及主參數(shù)的確定是以額定動(dòng)載荷為目標(biāo)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(dòng)載荷以保證軸承有足夠的承載能力，還要有較強(qiáng)的剛度和較小的摩擦力矩以保證機(jī)器人主機(jī)的定位精度、靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在軸承設(shè)計(jì)分析過程中.應(yīng)將額定動(dòng)載荷、剛度和摩擦力矩3個(gè)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)著重考慮這些參數(shù)的變化對(duì)軸承性能方面所產(chǎn)生的不同影響。
柔性軸承屬于殊的薄壁球軸承，部分設(shè)計(jì)可參照薄壁球軸承的設(shè)計(jì)方法，如主參數(shù)鋼球直徑、溝曲率系數(shù)、溝徑的選擇和計(jì)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(jì)算公式需要作相應(yīng)改變。
2.機(jī)器人用軸承關(guān)鍵技術(shù)
(1)薄壁軸承負(fù)游隙的準(zhǔn)確控制技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人軸承要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，要有合適的啟動(dòng)摩擦力矩，因此軸承生產(chǎn)、裝配時(shí)要有合適量的負(fù)游隙。軸承的負(fù)游隙過大或過小會(huì)直接影響軸承的噪聲、振動(dòng)與壽命，由干機(jī)器人用薄壁軸承內(nèi)外套圈的壁厚較薄，采用加載方式測(cè)量游隙時(shí)，易導(dǎo)致套圈變形，負(fù)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(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，安裝空間，要求軸承的裝配髙的偏范嚴(yán)格，而且外同類軸承的裝配高也控制為嚴(yán)格。由于薄壁角接觸球軸承壁厚很小，易產(chǎn)生變形，各尺寸精度難以控制，內(nèi)外圈及滾動(dòng)體選配尺寸難以嚴(yán)格控制，造成軸承裝配后裝配高偏差過大。因此，耍想實(shí)現(xiàn)薄壁角接觸球軸承裝酏高的控制，基至達(dá)到自由配對(duì)的目的，必須對(duì)軸承進(jìn)行殊的溝位置設(shè)計(jì)、磨加工工藝制訂、的選配等，同時(shí)增加軸承凸出量的修磨工藝。
(3)薄壁軸承的裝配技術(shù)。由于機(jī)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(shí)易變形。因此，要實(shí)現(xiàn)薄壁軸承的精密裝配，達(dá)到成品各項(xiàng)指標(biāo)，必須采用針對(duì)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(duì)選配好的軸承套圈進(jìn)行嚴(yán)格的修磨，制定詳細(xì)、嚴(yán)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(nèi)外徑非接觸測(cè)量技術(shù)。薄壁軸承套圈壁厚非常薄.需要精密車和磨來達(dá)到所要求的公差，同時(shí)薄壁軸承套圈輪廓參數(shù)的測(cè)量精度要求也高，采用傳統(tǒng)的檢測(cè)手段，如標(biāo)準(zhǔn)軸承外徑測(cè)量使用的D913儀器，用0.001的扭簧表測(cè)量，要求有定的測(cè)力，但是表的測(cè)力人為很難控制，直接影響薄壁套圈的外徑測(cè)量精度，無法滿足檢測(cè)的需求。因此，需要對(duì)薄壁軸承套圈內(nèi)外徑測(cè)量方法進(jìn)行研究，以非接觸光學(xué)精密測(cè)鼉技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)主動(dòng)視覺、圖像處理、精密運(yùn)動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)控制等相關(guān)技術(shù)，研制開發(fā)套薄壁軸承套圈外輪廓用測(cè)量?jī)x器。
(5)基干機(jī)器人工況條件的軸承綜合性能試驗(yàn)技術(shù)。為了考核和評(píng)價(jià)機(jī)器人軸承的性能，壽命及可靠性，裝機(jī)前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)或批量生產(chǎn)時(shí)抽樣試驗(yàn)，以確保裝機(jī)的軸承性能穩(wěn)定可靠。由于機(jī)器人軸承結(jié)構(gòu)的殊性，需要研制用的軸承的試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行模擬工況試驗(yàn)，檢測(cè)軸承的振動(dòng)、溫度.載荷、轉(zhuǎn)速、摩擦力矩及旋轉(zhuǎn)精度等性能，根椐所配套的機(jī)器人的用途及使用要求，制定相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范，完成規(guī)定數(shù)量和時(shí)限的壽命試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)后各項(xiàng)檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而評(píng)估軸承的使用性能、壽命及可靠性是否滿足要求。
機(jī)器人軸承共性技術(shù)研究現(xiàn)狀
內(nèi)工業(yè)機(jī)器人配套軸承大部分依靠進(jìn)口，少數(shù)廠家雖然生產(chǎn)制造工業(yè)機(jī)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(zhǎng)，成本髙，
盡管我軸承行業(yè)的發(fā)展規(guī)模已經(jīng)非常龐大，但是內(nèi)工業(yè)機(jī)器人配套軸承中，大部分依靠進(jìn)口。目前內(nèi)少數(shù)廠家雖然生產(chǎn)制造工業(yè)機(jī)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(zhǎng)，成本高等原因，而且質(zhì)量不穩(wěn)定，這些因素嚴(yán)重制約了內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展，在內(nèi)市場(chǎng)的銷售額占總銷售額的比例不到10%。我從20世紀(jì)80年代開始，連續(xù)投進(jìn)數(shù)億元資金，花了幾十年的時(shí)間，對(duì)機(jī)器人核心零部件進(jìn)行攻關(guān)和研發(fā)。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上來看，內(nèi)工業(yè)機(jī)器人配套軸承應(yīng)滿足輕量化、高精度、高可靠性三大指標(biāo)，從行業(yè)發(fā)展上來看，產(chǎn)機(jī)器人軸承需要向產(chǎn)品多樣化、規(guī)?；碗H化發(fā)展，在提高軸承質(zhì)量的同時(shí)完善試驗(yàn)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，早日完成工業(yè)機(jī)器人配套軸承產(chǎn)化的目標(biāo)。
目前，我從事工業(yè)機(jī)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(jī)器人技術(shù)攻關(guān)，承擔(dān)了其中的子課題《機(jī)器人用軸承的開發(fā)研究》，對(duì)焊接、噴涂、裝配機(jī)器人用薄壁四點(diǎn)接觸球軸承和薄壁交叉圓柱滾子軸承進(jìn)行了設(shè)計(jì)、試制、性能檢測(cè)及壽命試驗(yàn)，與德INA及日本THK同類軸承對(duì)比結(jié)果，達(dá)到了際同類產(chǎn)品技術(shù)水平。研制產(chǎn)品應(yīng)用于大連組合機(jī)床研究所12公斤焊接機(jī)器人、廣州機(jī)床研究所50公斤搬運(yùn)機(jī)器人、機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所75公斤焊接機(jī)器人均滿足主機(jī)要求。近年來，軸研科技股份有限公同對(duì)薄壁軸承的結(jié)構(gòu)點(diǎn)、剛度、精度、摩擦力矩、預(yù)緊和應(yīng)用等進(jìn)行探討，定性分析了薄壁軸承設(shè)計(jì)要考慮的問題和軸系支承剛度對(duì)軸承變形的影響，為內(nèi)工業(yè)機(jī)器人用配套軸承的系列開發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐和研究基礎(chǔ)。
洛陽軸承集團(tuán)有限公司針對(duì)諧波傳動(dòng)用柔性軸承的類型、結(jié)構(gòu)點(diǎn)、軸承材料及熱處理工藝、尺寸公差和旋轉(zhuǎn)精度、滾動(dòng)體精度、游隙、檢驗(yàn)方法等進(jìn)行了深入研究。河南科技大學(xué)提出了輕量化綠色化長(zhǎng)壽命薄壁四點(diǎn)接觸球軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，研究了軸承有壁厚與承載能力、啟動(dòng)摩擦力矩等關(guān)鍵性能指標(biāo)之間的關(guān)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(biāo)超過了外同類產(chǎn)品。
北京諧波技術(shù)研究所在考慮到柔性軸承工作點(diǎn)、滾動(dòng)體離心力作用以及EHL油膜影響的前提下，提出了種分析計(jì)算柔性軸承載荷分布和接觸應(yīng)力的方法，對(duì)于按照動(dòng)負(fù)荷能力來計(jì)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(xué)的科技研發(fā)資源，憑借自己十幾年間對(duì)精密軸承的工藝實(shí)踐，注研發(fā)生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人系列諧波減速器用配套軸承，已經(jīng)打破外的壟斷，形成批量化生產(chǎn)，基本替代日本THK、IKO和德INA系列進(jìn)口軸承，自公司創(chuàng)立以來普瑞森軸承公司已經(jīng)為內(nèi)外機(jī)器人關(guān)節(jié)部位批量配套兩萬余套精密軸承，為工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)化做出了應(yīng)有的努力。
結(jié)語
軸承是工業(yè)機(jī)器人重要的關(guān)鍵零部件之-，它的產(chǎn)化關(guān)系到產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。針對(duì)產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，迫切需要開展工業(yè)機(jī)器人配套軸承研制以及產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，確保軸承各項(xiàng)性能指均達(dá)到際先進(jìn)水平的前提下降低生產(chǎn)成本，為進(jìn)步完善工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系做準(zhǔn)備，爭(zhēng)取在2020年培育3~5家具有際競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)和8~10個(gè)配套產(chǎn)業(yè)集群，以提高產(chǎn)機(jī)器人的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
