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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(chē)制造等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人的普及應(yīng)用是汽車(chē)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)效率,節(jié)約勞動(dòng)力和制造成本、增強(qiáng)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。
國(guó)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(kāi)始起步,在國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“863”計(jì)劃的支持下,經(jīng)過(guò)十幾年的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用,使中國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有,跨出了一大步。目前,從中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)來(lái)看,國(guó)外進(jìn)口的工業(yè)機(jī)器人所占重比較大,與外資品牌相比,造成國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在無(wú)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)精確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)器人專(zhuān)用配套軸承的特點(diǎn)與分類(lèi)
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里滿足工業(yè)機(jī)器人主機(jī)對(duì)軸承承載能力、精度、剛度和摩擦力矩的性能要求,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極限尺寸,具有重量輕、體積小、精度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)良性能,能夠很好地解決這一問(wèn)題。
工業(yè)機(jī)器人軸承,準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該叫做用于工業(yè)機(jī)器人的軸承,主要包括:薄壁球軸承、 交叉圓柱滾子軸承、諧波減速機(jī)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.等截面薄壁軸承
與普通軸承不同,該種軸承每個(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(jiàn)圖1):在同一個(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(chēng)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。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。
2.薄壁交叉圓柱滾子軸承
薄壁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,有效防止了摩擦力矩的增加(見(jiàn)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。薄壁交叉滾子軸承以其輕型結(jié)構(gòu)與良好的性能主要用于機(jī)械手臂、關(guān)鍵式機(jī)器人肩部、腰部、臀部等。
3.RV減速器軸承
RV減速器又稱(chēng)精密軸承減速器,它以其體積小,抗沖擊力強(qiáng),扭矩大,定位精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。對(duì)于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(jiàn)圖3)。
4.諧波減速器
諧波減速器是一種靠波發(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(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的,其特點(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)。柔性軸承是諧波減速器的核心部件,通過(guò)軸承的彈性變形達(dá)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(jiàn)圖4)。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。
工業(yè)機(jī)器人軸承的發(fā)展現(xiàn)狀
工業(yè)機(jī)器人軸承作為工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵配套基礎(chǔ)零部件之一,在我國(guó)還是一個(gè)相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)?,F(xiàn)有的軸承國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不能滿足和指導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人軸承的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢驗(yàn)。
洛陽(yáng)佰納公司多年來(lái)一直致力于工業(yè)機(jī)器人軸承的研究與開(kāi)發(fā),現(xiàn)已形成交叉圓柱滾子軸承、諧波減速器軸承、交叉滾子轉(zhuǎn)盤(pán)軸承三大類(lèi)型系列產(chǎn)品,產(chǎn)品從內(nèi)徑中20mm到外徑 1000mm,精度從P5到P2級(jí)均可生產(chǎn)制造,完全能夠滿足工業(yè)機(jī)器人主機(jī)廠的需要。
公司在工業(yè)機(jī)器人軸承研制和生產(chǎn)實(shí)踐中,為使工業(yè)機(jī)器人軸承生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,先后編制了工業(yè)機(jī)器人用 諧波減速機(jī)軸承樣本、十字交叉圓柱滾子軸承樣本、交叉滾子轉(zhuǎn)盤(pán)軸承樣本,制定了產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)專(zhuān)家論證、質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局備案,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,并與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌。
目前,洛陽(yáng)佰納專(zhuān)業(yè)從事工業(yè)機(jī)器人軸承研究與開(kāi)發(fā),幾年來(lái)累計(jì)生產(chǎn)銷(xiāo)售各種機(jī)器人軸承近10萬(wàn)套,遠(yuǎn)銷(xiāo)歐美、日本、韓國(guó)、新加坡、中國(guó)臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū),同時(shí)也為國(guó)內(nèi)多家從事工業(yè)機(jī)器人及零部件研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)、科研單位提供產(chǎn)品配套和技術(shù)支持服務(wù)。
機(jī)器人用軸承關(guān)鍵技術(shù)
(1)薄壁軸承負(fù)游隙的精準(zhǔn)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(guò)大或過(guò)小會(huì)直接影響軸承的噪聲、振動(dòng)與壽命,由于機(jī)器人用薄壁軸承內(nèi)外套圈的壁厚較薄,采用加載加載方式測(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(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊,安裝空間精確,要求軸承的裝配高的偏差嚴(yán)格,而且國(guó)外同類(lèi)軸承的裝配高也控制極為嚴(yán)格。由于薄壁角接觸球軸承套圈壁厚很小,極易產(chǎn)生變形,各尺寸精度難以精確控制,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(guò)大。因此,要想實(shí)現(xiàn)薄壁角接觸球軸承裝配高的精確控制,甚至達(dá)到萬(wàn)能配對(duì)的目的,必須對(duì)軸承進(jìn)行特殊的溝位置設(shè)計(jì)、磨加工工藝制訂、精確的選配等,同時(shí)增加軸承凸出量的修磨工藝。
(3)薄壁軸承的精準(zhǔn)裝配技術(shù)。由于機(jī)器人專(zhuān)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)極易變形。因此,要實(shí)現(xiàn)薄壁軸承的精密裝配,達(dá)到成品的各項(xiàng)指標(biāo),必須采用針對(duì)薄壁軸承的裝配尺寸選配、裝配工藝制訂和特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,并研制專(zhuān)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(chē)和磨來(lái)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)量精度要求也極高,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,要求有一定的測(cè)力,但是表的測(cè)力人為很難精確控制,直接影響薄壁套圈的外徑測(cè)量精度,無(wú)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)量技術(shù)為基礎(chǔ),綜合運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)主動(dòng)視覺(jué)、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(kāi)發(fā)一套薄壁軸承套圈外輪廓專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器。
(5)基于機(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)的特殊性,需要研制專(zhuān)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,根據(jù)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。
工業(yè)機(jī)器人是一種新型的可以代替部分人工進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的高科技的智能機(jī)器設(shè)備。作為工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人,無(wú)非可以用三個(gè)字來(lái)形容其要求:快、準(zhǔn)、穩(wěn)。
對(duì)于現(xiàn)在的機(jī)器人生產(chǎn)技術(shù)來(lái)說(shuō),快、準(zhǔn)都更容易辦到,而如果在做到快、穩(wěn)的同時(shí)還要做到準(zhǔn),那就相對(duì)來(lái)說(shuō)比較難了。
這里就定義了一個(gè)詞:工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度——工業(yè)機(jī)器人重復(fù)做某個(gè)動(dòng)作(一般10--20次),每次與計(jì)劃的位置的偏差的均值是它的重復(fù)定位精度,一般需用激光干涉儀來(lái)測(cè)量。
對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō),精度是相當(dāng)重要的因素,它直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。而影響工業(yè)機(jī)器人的精度的主要因素就是軸承,那么什么樣的軸承能使工業(yè)機(jī)器人會(huì)有較高的精度呢?
1、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人的軸承具有長(zhǎng)壽命、高剛性、低摩擦的使用要求,所以在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的時(shí)候不僅要考慮盡可能大的額定動(dòng)載荷,還需要精心選擇每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的值,以改善軸承零件接觸應(yīng)力分布,達(dá)到有利于潤(rùn)滑油膜形成的接觸狀態(tài),提高軸承的使用壽命。
2、套圈溝道位置
工業(yè)機(jī)器人的接觸球軸承內(nèi)、外圈采用整體結(jié)構(gòu),而且一般截面積只有相同內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)軸承20%,所以就造成了保持架的徑向壁厚取值很有限,如果把溝道位置設(shè)計(jì)在軸承寬度的中心,這樣軸承就成了對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),同時(shí)保持架兜孔底部強(qiáng)度和密封圈的安裝位置就將受到限制。因此,為保證軸承保持架具有足夠的強(qiáng)度和密封圈有足夠的安裝空間,溝位置采取對(duì)兩側(cè)端面不對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)。
3、擋邊高度的確定
工業(yè)機(jī)器人的接觸球軸承處于工作狀態(tài)時(shí),在承受一定的徑向載荷時(shí),同時(shí)還要承受一定的軸向載荷。若承受的軸向載荷過(guò)大,可能造成鋼球與內(nèi)、外圈擋邊邊緣接觸或擋邊與滾道之間的接觸橢圓被截?cái)?,這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,軸承套圈就會(huì)受到磨損,從而影響精度。
因此,擋邊高設(shè)計(jì)時(shí),需根據(jù)軸承承受軸向載荷大小利用Hertz接觸應(yīng)力理論推算出軸承套圈最小擋邊高度J,從而計(jì)算出套圈擋邊直徑。而在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到接觸球軸承截面積較小,在滿足使用要求前提下,擋邊高系數(shù)取值可以比深溝球軸承小。
4、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人的軸承的早起破壞一般是因?yàn)槊芊庑圆缓茫驗(yàn)槊芊庑圆缓?,空氣中的雜物或者其他污染物就容易進(jìn)入軸承,從而使?jié)櫥饾u失效,導(dǎo)致軸承損壞。所以軸承的密封性很關(guān)鍵。因此設(shè)計(jì)密封軸承時(shí),既要考慮到密封,同時(shí)要考慮到軸承的具體工作要求和軸承的具體結(jié)構(gòu)形式。
工業(yè)機(jī)器人正在朝小型化、輕量化、精密化發(fā)展。因此工業(yè)機(jī)器人用軸承的潤(rùn)滑采用帶密封結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑方式進(jìn)行脂潤(rùn)滑。
5、針對(duì)工業(yè)機(jī)器人軸承壁薄的特點(diǎn)
軸承內(nèi)圈與密封唇的配合方式一般有兩種:
(1)內(nèi)圈密封唇與內(nèi)圈擋邊接觸的接觸式密封
(2)內(nèi)圈密封唇與內(nèi)圈擋邊接觸的非接觸式密封
接觸式密封相對(duì)于非接觸式密封防塵漏脂效果要好,但其摩擦力矩較大,溫升較高,考慮到摩擦力矩較大,對(duì)機(jī)器人主機(jī)有不利影響,設(shè)計(jì)時(shí)一般采用非接觸式密封結(jié)構(gòu)。
另外由于軸承套圈壁很薄,軸承內(nèi)、外圈易變形,所以內(nèi)圈擋邊可采用無(wú)槽結(jié)構(gòu),但要嚴(yán)格控制密封間隙。
機(jī)器人軸承共性技術(shù)研究現(xiàn)狀
國(guó)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),成本高,而且質(zhì)量不穩(wěn)定,這些因素嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展。
目前,我國(guó)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(yáng)。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司(軸研所)早在“七五”期間首次展開(kāi)機(jī)器人技術(shù)攻關(guān),承擔(dān)了其中的子課題《機(jī)器人專(zhuān)用軸承的開(kāi)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),與德國(guó)YAO及日本THK同類(lèi)軸承對(duì)比結(jié)果,達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)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(lái),軸研科技股份有限公司對(duì)薄壁軸承的結(jié)構(gòu)特點(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(wèn)題和軸系支承剛度對(duì)軸承變形的影響,為國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)用配套軸承的系列開(kāi)發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐和研究基礎(chǔ)。
洛陽(yáng)LYC軸承公司針對(duì)諧波傳動(dòng)用柔性軸承的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)特點(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,研究了軸承有效壁厚與承載能力、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(jié)約能源,性能指標(biāo)超過(guò)了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。
北京諧波技術(shù)研究所在考慮到柔性軸承工作特點(diǎn)、滾動(dòng)體離心力作用以及EHL油膜影響的前提下,提出了一種分析計(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(lái)計(jì)算柔性軸承的許用載荷具有一定意義。
洛陽(yáng)維斯格軸承、洛陽(yáng)鴻元軸承、上海烈力軸承等單位也都憑借自己研發(fā)生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)用配套軸承或應(yīng)用工程項(xiàng)目活躍在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)用軸承市場(chǎng)上。此外,一些科研院所和大學(xué)也均在進(jìn)行高端工業(yè)機(jī)器人軸承制造技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目方面的研發(fā)工作。
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