工业机器人轴承

工业机器人轴承

工业机器人轴承作为工业机器人的关键配套件之一，主要包括两大类用于工业机器人的轴承，一是等截面薄壁轴承，另一类是十字交叉圆柱滚子轴承。另外还有谐波减速器轴承、直线轴承、关节轴承等，但主要是前两种轴承。

工业机器人轴承特点：

1. 可承受轴向、径向、倾覆等方向综合载荷；

2. 薄壁型轴承；

3. 高回转定位精度。

任何可满足此种设计需求的轴承都可用于工业机器人手臂、回转关节、底盘等部位。

工业机器人轴承的关键技术

现代工业机器人的发展趋于轻量化，轴承要安装在有限的空间，必须体积小、重量轻，也就是轻量化。但同时，机器人的高载荷、高回转精度、高运转平稳性、高定位速度、高重复定位精度、长寿命、高可靠性的性能，要求配套的机器人轴承必须具备高承载能力、高精度、高刚度、低摩擦力矩、长寿命、高可靠性的性能。轻量化和高性能是一对矛盾。

1）设计技术

工业机器人用薄壁轴承不仅要保证有足够的承载能力，而且要求精确定位、运转灵活，因此，轴承设计分析、主参数的确定，不能单以额定动载荷为目标函数，而要以额定动载荷、刚度和摩擦力矩等指标作为目标函数进行多目标优化设计，同时要采用基于套圈和机架变形的薄壁轴承有限元分析方法。

2）制造技术

· 机器人轴承动态质量高精度检测技术；

· 薄壁轴承套圈微变形热处理工艺；

· 基于磨削变质层控制的轴承套圈精磨加工工艺；

· 薄壁轴承负游隙的精确控制技术；

· 薄壁角接触球轴承凸出量的精确控制技术；

· 薄壁轴承的精密装配技术；

· 薄壁轴承套圈非接触测量技术。

趋于轻量化的发展，这就要求与其配套的轴承具有更加轻便的结构。由于轴承要在有限的安装空间内满足工业机器人主机对轴承承载能力、精度、钢度和摩擦力矩的作能要求，选用标砖的通用轴承很难满足，而薄壁轴承追求外形极限尺寸，具有重量轻、体积小、精度高、  寿命长等优良性能，能够很好地解决这一问题。

工业机器人专用轴承主要有等截面薄壁轴承、薄壁十字交叉滚子轴承、RV减速器轴承及谐波减速器用轴承，它们大多采用非标准、多滚动体等设计原则。

1、薄壁等截面轴承

与普通轴承不同，等截面薄壁轴承毎个系列中横截面大多为正方形，且尺寸被设计为固定值：在同一个系列中横截面尺寸是不变的，它不随内径尺寸增大而增大，故称之为等截面薄壁轴承。等截面薄壁球轴承包括薄壁四点接触球轴承系列，薄壁角接触球轴承系列和薄壁深沟球轴承系列三种系列，多被应用于工业机器人的腰部、肘部、腕部等要求截面尺寸小、有限制的部位。在内径尺寸相同的情况下，薄壁等截面球轴承比标准滚动轴承装的钢球数多，因此改善了轴承内部受力分布，减小了钢球与沟道接触处的弹性变形，提高轴承的承载能力。

2、薄壁十字交叉滚子轴承

薄壁十字交叉圆柱滚子轴承内部结构采用滚子呈90°相互垂直交叉排列，单个轴承能同时承受径向力、双向轴向力与倾覆力矩的共同作用，滚子之间装有间隔保持器或者隔离块，可以防止滚子的倾斜或滚子间的相互磨察，有效防止了摩擦力矩的增加（见图2）。另外，滚子垂直交叉排列的结构可以避免滚子的锁死现象；同时又因为轴承内外圈是分割的结构，间隙可调，即使被施加压力，也能获得较高的旋转精度。十字交叉滚子轴承以其轻型复合结构、回转精度高、刚性好、摩擦力矩稳定等良好的性能广泛应用于工业机器人腰部回转、关节式机器人肩部、臂、手腕等回转部位。

3、RV减速器轴承

RV减速器又称精密关节减速器，它以体积小、抗冲击力强、扭矩大、定位精度高等诸多优点被广泛应用于工业机器人。对于RV减速器轴承的外观结构、精密定位是其结构紧凑、刚性优良、传动精密关键因素，RV减速器轴承包括多种薄壁轴承系列及圆柱滚子保持架组件系列。

4.谐波减速器专用轴承

谐波减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，利用柔性轴承可控的弹性变形来传递运动和动力的，其特点是结构紧凑、运动精度高、传动比大，多用于中小转矩的机器人关节。依据谐波减速器结构的不同，可分为：CSF系列谐波减速器轴承、CSG系列谐波减速器轴承、SHF系列谐波减速器轴承、SHG系列谐波减速器轴承、CSD系列谐波减速器轴承、SHD系列谐波减速器轴承等系列。

根据使用场合，可分为外圈分体、内圈整体的CSF/CSG系列谐波减速器轴承和内外圈整体的SHF/SHG系列谐波减速器轴承两大类。其滚动体为圆柱滚子，其分布在互成90度垂直排列的V型滚道里；其结构特点使得一个谐波减速器轴承就可以同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩等各方向的承受载荷，并具有很高的刚度、旋转精度及复合承载能力；机器人谐波减速器轴承亦属交叉滚子轴承系列，轴承精度高、运转灵活、游隙小、误差小；外形紧凑，轴承自带有安装孔，便于客户直接安装，适合于各种不同类型谐波减速器。

CSF/CSG系列

谐波减速器专用交叉滚子轴承与普通的交叉滚子轴承结构上稍有不同，基本结构形式类似，采用外圈分割型，内圈整体结构，与标准交叉滚子轴承相比，内外套圈上加工有很多安装孔，尤其是内圈，从外到内一般有三层不通尺寸和数量的安装螺纹孔，这是外观上与基本型交叉滚子轴承最大的却别。材质都采用GCr15轴承钢，外圈热处理采用整体淬火工艺，而内圈采用滚道表面高频淬火工艺，这是与普通交叉滚子轴承工艺相比最大的区别之处；该谐波减速器用交叉滚子轴承运转摩擦力矩的平稳性和精度对谐波减速器齿啮合力及运转的稳定性具有直接的影响，更直接影响了谐波减速器的使用寿命，因此，谐波减速器专用十字交叉滚子轴承的质量好坏直接决定了谐波减速器的使用效果和寿命。

SHF/SHG系列

谐波减速器专用交叉滚子轴承，其外圈和内圈均为整体结构，安装对性能没有任何影响，能够获得稳定的旋转精度（最高可达0.002mm）和摩擦力矩；适用于SHF/SHG系列、CSD系列谐波减速器。

SHD系列

谐波减速器专用交叉滚子轴承（见图6），外圈和内圈也都为整体结构，但其内圈与谐波减速器刚轮为一体结构，进一步减小了谐波减速器的厚度和重量，采用特殊的材料和热处理工艺，使其具有优异的性能，适用于SHD系列谐波减速器。

柔性轴承

是谐波减速器的核心部件之一，通过柔性轴承的弹性变形达到高减速比的要求，而且谐波减速器的寿命也很大程度上取决于柔性轴承(见图7)寿命。柔性轴承工作中随柔轮的弹性变形不断的发生变化，不仅承受循环应力载荷，而且承受交变应力载荷。

工业机器人轴承基本均属于薄壁型高精度轴承，此类轴承精度在P5级以上，部分轴承精度达P2级要求，属于超高精密级轴承，加工生产难度大，国内需求很大程度上依赖国外进口，随着机器人产业的发展壮大，机器人轴承产业也处于高速发展期，在洛阳等轴承产业基地出现了多家专业精密薄壁轴承制造商，填补了国内市场空白。

工业机器人轴承不仅限于使用在工业机器人领域，在精密测量设备、航空航天、天文科研、医疗器械等高精尖领域，此类轴承同样具有重要发展应用潜力。