工業機器人用減速器軸承的開發與應用

張振強， 王東峰， 趙洋， 焦春照， 張浩洋， 王寶磊

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽471039）

0 引言

機器人的所有核心零部件中，減速器最為關鍵；而在減速器中，軸承和擺線輪最為關鍵。

圖1 減速器

全球75%市場份額由兩家日本減速器公司壟斷，分別為提供RV擺線針輪減速器的日本Nabtesc和提供高性能諧波減速器的日本Harmonic Drive，國內目前尚無與國外相媲美的減速器產品。

1 機器人減速器軸承的開發

軸承作為減速器的核心零部件，一直為國內減速器的研發提供強有力的支持。洛陽軸研科技股份有限公司（原洛陽軸承研究所）作為中國軸承行業的鼻祖，自20世紀80年代起就開始從事機器人軸承的研究與開發工作，承擔了“七五”國家科技攻關項目《機器人專用軸承的開發研究》，從2014年起，公司又申報并承擔了國家的863項目《機器人用精密軸承研制及應用示范》，在機器人軸承的開發與應用方面積累了大量豐富經驗，而洛陽也已成為機器人軸承的產業聚集區。

2 減速器軸承種類及應用

工業機器人用減速器軸承鑒于其有限的安裝空間與高承載要求，往往被設計成薄壁、非標軸承，又由于減速器運動的高精度要求，軸承的加工制造要求極為嚴格。依據其應用不同，主要分為以下幾類：RV減速器軸承、諧波減速器軸承、擺線針輪減速器用軸承等［1-4］。

2.1 RV減速器軸承

RV減速器是在擺線針輪傳動基礎上發展起來的，使用二級減速和中心圓盤支承結構。具有傳動比大、傳動效率高、運動精度高、回差小、低振動、剛性大和高可靠性等優點，是機器人的“御用”減速器。其減速器的關鍵在于軸承的精密定位，要求軸承輸出力矩大、精度高、負載大、體積小、重量輕、剛性高、低噪聲、長壽命、運轉平穩、安全可靠性大等優良性能，能在惡劣的工作環境長期連續工作，并具有高的抗沖擊能力。主要用于機器人、焊接變位臺（翻轉臺）、數控機床、精密雷達驅動控制等要求空間小、速比大的精密傳動行業。RV減速器軸承包含以下4類［5-7］：

1）薄壁角接觸球軸承，該類型軸承主要用作減速器的主軸承，具有較大接觸角，通常為40°～50°，具有高精度、高剛性，對減速器的力矩剛性具有重要影響；軸承內外圈通常不等高，這一方面是由于減速器緊湊的結構限制，避免軸承在安裝過程中出現干涉；另一方面也是為了軸承的潤滑與散熱方便；軸承保持架通常采用PA66注塑成型的冠型保持架［5］。

2）薄壁深溝球軸承，該類軸承主要用在減速器的輸出部位，要求精度高，輸出平穩。

圖2 薄壁球軸承

3）薄壁圓錐滾子軸承，該類軸承分為曲柄支撐用和主體支撐用兩種，曲柄支撐用薄壁圓錐滾子軸承通常較小，置于曲柄兩側，起到支撐曲柄的作用；主體支撐用薄壁圓錐滾子軸承和薄壁角接觸球軸承功能類似，用作減速器的主軸承。

圖3 薄壁圓錐滾子軸承

4）圓柱滾子（滾針）及保持架組件，該類軸承沒有內外圈，使用時將其置于曲柄中間部位，以與之相配套的軸和孔為軸承的內外圈和滾道，起到支撐曲柄擺線輪的作用，結構非常緊湊。

圖4 曲柄軸及保持架組件

2.2 諧波減速器軸承

諧波減速器［8-10］曾經是用于機器人關節傳動的主要裝置，通過柔輪的彈性變形實現運動傳遞，彈性變形大。由于彈性變形會引起較大的彈性回差，導致機器人運動的準確性受到影響，主要應用于機器人小臂、腕部或手部等部位。諧波減速器在傳遞負載時，變形的柔輪與剛輪并非是共軛齒廓嚙合，造成其保證運動精度壽命較低。因此近年來，在很多高精度機器人傳動中有逐漸被RV減速器取代的趨勢。諧波減速器所需要的柔性軸承是使其能夠運動起來的關鍵零部件，此類軸承在使用過程中會產生周期性的交變應力，加之軸承壁厚較薄，對軸承材料及加工制造都提出了極高的要求。

圖5 諧波減速器原理及柔性軸承

2.3 擺線針輪減速器用軸承

擺線針輪減速器是一種應用行星式傳動原理，采用擺線針齒嚙合的傳動裝置。在其輸入軸上裝有一個錯位180°的雙偏心套，在偏心套上裝有兩個稱為轉臂的滾柱軸承，形成H機構，該滾柱軸承沒有軸承外圈，兩個擺線輪的中心孔充當偏心套上轉臂軸承外圈及滾道。

圖6 滾柱軸承

除上述三類減速器之外，還有其它種類的減速器，如行星減速器等，但是工業機器人用減速器要求結構緊湊、輸出功率大、傳動鏈短、質量輕并且易于控制等，大量應用在工業機器人減速器上的主要有RV減速器和諧波減速器，這兩類代表了目前機器人減速器的最高水平，掌握與之相配套的軸承技術，也就掌握了工業機器人減速器軸承的最高技術。

3結語

軸承作為減速器的關鍵零部件，根據各類減速器的性能特點，必須做出相應的優化調整，以滿足機器人減速器苛刻的性能要求。洛陽軸研科技股份有限公司作為國內最早研究機器人軸承的科技型公司，現已成功研制多系列工業機器人減速器專用軸承，以及等截面薄壁軸承、交叉圓柱滾子軸承、轉臺軸承等。

［1］ 劉成斌.工業機器人軸承的研究與應用建議［J］.機器人技術與應用，2013（2）：6-7.

［2］ 朱臨宇.RV減速器綜合性能實驗與仿真［D］.天津：天津大學，2013.

［3］ 劉鳴熙.擺線針輪傳動與小型RV二級減速器的研究［D］.北京：北京交通大學，2008.

［4］ 吳俊飛，周桂蓮，付平.機器人關節驅動裝置研究進展［J］.青島化工學院學報：自然科學版，2002，23（3）：54-58.

［5］ 賈秋生，王朝光，吳紅慶，等.RV減速機非標準超輕系列精密角接觸球軸承的研制［J］.哈爾濱軸承，2011，32（2）：5-7.

［6］ 蔡素然，陳原，葉軍，等.工業機器人專用薄壁密封軸承結構設計分析［J］.軸承，2007（12）：10-13.

［7］ 曾獻智，王獻鋒，孫立明，等.工業機器人用薄壁四點接觸球軸承的設計分析［J］.軸承，2010（6）：6-8.

［8］ 于鵬飛.機器人用短筒柔輪諧波減速器研制與性能測試［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

［9］ 閻昌春，李興林，鄭建華，等.一種柔性軸承研制的關鍵技術［J］.軸承，2010（3）：1-4.

［10］ 趙濱海，劉正士，宋春磊，等.諧波傳動薄壁柔性軸承力學分析［J］.軸承，2002（10）：1-3.