NHBB機器人用軸承的技術(shù)趨勢與特點
后疫情時代，機器人市場異常活躍，需求量日益高漲。機器人技術(shù)涉及到各種類型的機械設(shè)備（例如減速齒輪），應(yīng)用到很多軸承。NHBB制造各種適用于機器人的軸承。
1 引言
機器人大致分為工業(yè)機器人、野戰(zhàn)機器人和服務(wù)機器人
工業(yè)機器人用于許多生產(chǎn)工廠，包括汽車、電氣和電子設(shè)備。到目前為止，這種機器人主要從事相對簡單的重復(fù)性工作，但是需要努力實現(xiàn)更先進(jìn)的生產(chǎn)和自動化水平。日本企業(yè)的工業(yè)機器人競爭激烈，預(yù)計未來將利用這一優(yōu)勢進(jìn)一步發(fā)展。此外，野戰(zhàn)機器人在農(nóng)田、海洋、災(zāi)害現(xiàn)場等戶外作業(yè)。因此，期待開發(fā)出投入現(xiàn)場充分發(fā)揮作用的機器人。服務(wù)機器人在福利、醫(yī)療、護(hù)理等家庭、職場、與人交流等環(huán)境中使用。近年來，通過準(zhǔn)確捕捉用戶需求（例如提高服務(wù)行業(yè)的生產(chǎn)率和保護(hù)醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域工人的安全等），預(yù)計機器人的使用率將會提高。我們期待下一代機器人的應(yīng)用領(lǐng)域會擴大。

在全**，機器人用作代替人類工作的機器，預(yù)計這是一個很具發(fā)展前景的領(lǐng)域。NHBB制造各種機器人用軸承，本文介紹工業(yè)機器人軸承的技術(shù)動向、適用部位及其特點。

2 工業(yè)機器人的市場需求

工業(yè)機器人除了具有對確定位置的物體進(jìn)行精確抓取和工作的基本功能外，還能廣泛滲透到工業(yè)領(lǐng)域。①性價比優(yōu)越；②可獲得與目標(biāo)工作相適應(yīng)的精度和運動，且易于進(jìn)行教學(xué)和糾正操作（精度和可操作性）；③體積小、重量輕、安裝空間小（節(jié)省空間）；④需要保持較高的線路可用性（可靠性和可維護(hù)性）。

近年來，在工業(yè)領(lǐng)域中，越來越需要使用機器人進(jìn)行自動化操作以補償制造現(xiàn)場勞動力的短缺，并穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。例如，由于與loT（物聯(lián)網(wǎng)）相關(guān)的需求增加，裝配和運輸過程中對機器人的需求正在增加，主要集中在智能手機、汽車相關(guān)行業(yè)和電子元件相關(guān)行業(yè)的資本投資上。此外，與人合作的協(xié)作機器人的需求也在上升，工業(yè)機器人的市場規(guī)模也在擴大。在這些背景下，對工業(yè)機器人的性能要求比以往任何時候都多。①通過縮短作業(yè)時間提高生產(chǎn)率；②在工件轉(zhuǎn)移過程中，通過提高機器人剛度、改進(jìn)定位和重復(fù)性，實現(xiàn)精密的加工性；③通過縮小機器人的尺寸和減少安裝面積來保障工作區(qū)域的安全性；④隨著市場需求的增加，通過延長維修間隔來提高可維護(hù)性。表1給出近年來工業(yè)機器人所需性能的市場趨勢。

減速齒輪和氣體平衡器等設(shè)備安裝在工業(yè)機器人上，軸承用于運動部件。在這些市場趨勢下，人們越來越強烈地要求軸承比以往任何時候都更緊湊、剛度更高、承載能力更高、使用壽命更長。

3 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)和軸承的應(yīng)用部分

3.1 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)

工業(yè)機器人種類很多，**典型的是能進(jìn)行與人從肩膀到手腕相同運動的垂直關(guān)節(jié)機器人（圖2）。當(dāng)操作帶有重物的機器人時，每個關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置都需要很大的扭矩，因此使用減速齒輪，來放大伺服電機的輸出扭矩。特別是，大型機器人包含平衡器。該平衡器在與重力負(fù)載相反的方向上產(chǎn)生平衡力，作為輔助伺服電機的動力，并有助于節(jié)能。

3.2 工業(yè)機器人減速器和軸承應(yīng)用部分

近年來，機器人尺寸多樣化，并且可以根據(jù)尺寸適當(dāng)?shù)厥褂镁軠p速齒輪。本文以適合大尺寸的①偏心差動式減速器和適合小尺寸的②波形齒輪減速器為例，說明軸承應(yīng)用部分。

①偏心差動式減速器

偏心差動式減速齒輪的一個例子是由NABTESCO公司制造的精密減速齒輪RV。圖3顯示精密減速齒輪RV的結(jié)構(gòu)。該減速器由直齒輪一級減速器和帶銷齒輪機構(gòu)的偏心擺動式二級減速器組成。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)一圈時，RV齒輪偏心移動，通過與內(nèi)齒輪齒數(shù)差沿與輸入方向相反的方向旋轉(zhuǎn)，這是一種輸出機制。因為嚙合齒數(shù)多、齒隙小、振動小、扭矩傳遞平穩(wěn)準(zhǔn)確，所以該結(jié)構(gòu)具有重量輕、剛性高、防過載能力強的特點。

該減速器曲軸偏心部分采用滾針軸承，軸頸部分采用圓錐滾子軸承，要求各軸承具有高剛性、高承載能力的特點。此外，主軸承采用薄壁角接觸球軸承，要求高剛度（力矩剛度）以保證定位精度，這是機器人的一個重要特點。

②波形齒輪減速器

波形齒輪減速器主要使用了小型減速器結(jié)構(gòu)（外徑100mm以下）。圖4顯示結(jié)構(gòu)示意圖。一個帶有薄壁彈性球軸承的橢圓軸插入一個薄壁彈性齒輪中，切斷一個薄而柔韌的金屬環(huán)，并與長軸側(cè)的厚而剛性的內(nèi)齒輪接觸。這是一種獨特的減速機制，可充分利用彈性變形。圖5顯示工作原理。在內(nèi)齒輪固定的情況下，橢圓軸順時針轉(zhuǎn)動一圈，薄壁彈性齒輪逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)數(shù)由薄壁彈性齒輪與內(nèi)齒輪之間的齒數(shù)差決定（例如，2個薄壁彈性齒輪轉(zhuǎn)數(shù)較少）。這是一種薄壁彈性齒輪逆時針轉(zhuǎn)動并將其作為輸出的機制。應(yīng)當(dāng)指出的是，圖5所示的橢圓軸是半旋轉(zhuǎn)的，其中一個薄壁彈性齒輪逆時針移動。除了具有同軸、簡單和緊湊的特征之外，該減速齒輪還可以獲得1/30至1/320的大減速比。此外，由于兩個齒面同時進(jìn)入楔形嚙合，因此沒有齒隙，嚙合比大，齒輪誤差平均，角度傳動精度高，扭矩容量大。

在薄壁彈性球軸承中，拉伸壓縮應(yīng)力幅度反復(fù)作用在外圈外徑表面上，除了伴隨內(nèi)部橢圓變形的預(yù)加載外，扭矩傳遞作用引起的嚙合反作用力也起作用。設(shè)計薄壁彈性球軸承時，使外圈的裂紋疲勞強度和滾動疲勞壽命兼容很重要。此外，在選擇能承受高應(yīng)力幅度的**厚度和熱處理規(guī)范后，還必須計入角部形狀、表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力等。

圖6顯示機器人用平衡器的結(jié)構(gòu)示例。在機器人的手臂伸展和收縮時，該設(shè)備用于輔助伺服電機的動力并節(jié)省電力。近年來，由于要求緊湊性，平衡器從線圈型轉(zhuǎn)換為氣體型，并且要求緊湊性和高負(fù)載能力。此外，對高可用性的需求也要求延長維護(hù)間隔。

考慮到該平衡器桿缸支撐部分的嵌入性，可以使用自調(diào)心滾子軸承。在該應(yīng)用中，由于載荷大且搖擺角度小，難以形成油膜，并且除了承載能力大以外，還需要選擇計入異常磨損和微動損壞的軸承。

4 工業(yè)機器人軸承的技術(shù)趨勢和特點

4.1 工業(yè)機器人軸承的技術(shù)趨勢

如上所述，工業(yè)機器人軸承的應(yīng)用場所主要是減速齒輪和平衡器。這些軸承要求“緊湊”、“高剛性”、“高承載能力”和“長壽命”。特別是，盡管使軸承緊湊很重要，但是也意味著由于橫截面積的減小，滾動元件的尺寸也減小了，這導(dǎo)致剛性、承載能力和壽命降低。換句話說，在緊湊化、高剛性、高負(fù)載能力和長壽命之間存在折衷。對于軸承，重要的是在不降低剛性、承載能力和壽命的情況下實現(xiàn)緊湊性。表2顯示工業(yè)機器人軸承要求的性能。

機器人減速齒輪要求高剛性、高輸出扭矩、高效率等，但還往往要求緊湊性。用于主軸的角接觸球軸承要求具有剛性、薄壁等特點，同時確保使用壽命。用于曲軸的滾針軸承要求節(jié)省空間并且具有高剛性和高負(fù)載能力。此外，機器人平衡器除了要求緊湊性外，還要求高可靠性；用于桿式氣缸支撐的自調(diào)心滾子軸承要求具有長壽命性能。為響應(yīng)**近的技術(shù)趨勢，NHBB設(shè)計和開發(fā)各種軸承以滿足市場需求。
4.2 角接觸球軸承的緊湊化

NHBB設(shè)計、制造和銷售用于精密減速齒輪主軸的緊湊型薄壁角接觸球軸承。
圖7顯示與79系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品橫截面的比較（每個軸承外徑尺寸統(tǒng)一設(shè)計）。NHBB的薄壁角接觸球軸承，作為截面比，在徑向上節(jié)省了約30％的空間，在軸向上節(jié)省了約25％的空間，并且作為質(zhì)量比，重量減輕約55％，實現(xiàn)了顯著的小型化。


為了實現(xiàn)緊湊化，必須減小軸承套圈的厚度，而這使得制造過程中軸承套圈變形（扭轉(zhuǎn)、翹曲）成為主要問題。NHBB建立專有的加工技術(shù)（包括優(yōu)化抑制變形的熱處理條件），實現(xiàn)薄壁角接觸球軸承的批量生產(chǎn)（圖8）。

此外，關(guān)于對剛度（力矩剛度）和壽命（滾動疲勞壽命）的權(quán)衡方面，為了增加力矩剛度，增加軸承的工作點距離，我們建立了一種優(yōu)化的設(shè)計技術(shù)，可以抑制軸承內(nèi)部的接觸應(yīng)力，并且不會縮短壽命。圖9顯示力矩剛度比、壽命比與預(yù)加載比的關(guān)系。可以看出，與79系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品相比，盡管薄壁角接觸球軸承更緊湊，但滾動疲勞壽命相當(dāng)，并且力矩剛度提高了約40％。

4.3 滾針軸承的高剛性與高承載能力

NHBB已經(jīng)銷售用于精密減速齒輪曲軸的高剛性、高承載能力的滾針軸承（HWT（J）型）。

表3給出HWT（J）型和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（PK型）的比較情況。HWT（J）的主要特點是，與PK型相比，通過消除保持架內(nèi)徑側(cè)的支柱，可以增加滾子的數(shù)量，從而實現(xiàn)高剛性、高承載能力和長壽命等性能（表4）。

此外，通過對滾子表面進(jìn)行碳氮共滲，可以增強潤滑油中異物咬合引起的表面損傷和滾動接觸表面上的油膜破裂，這也有助于提高可靠性和軸承壽命。
4.4 自調(diào)心滾子軸承的長壽命化

NHBB開發(fā)了Altage系列“EA型”自動調(diào)心滾子軸承，用于機器人平衡器的桿缸支撐。與NHBB常規(guī)產(chǎn)品相比，“EA型”的承載能力（基本額定動載荷）提高65%（圖10），達(dá)到****水平（圖11）。此外，在“Altage”系列中，有密封型（WA型）的排列，兩側(cè)都有密封件（圖12），可以封裝和運輸具有優(yōu)異耐磨損和耐摩擦性能的特殊潤滑脂，有助于提高可維護(hù)性和軸承壽命。

5 小結(jié)

NHBB制造多種機器人用軸承。本文介紹了工業(yè)機器人用軸承的技術(shù)趨勢和特點。未來，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的大發(fā)展，機器人的需求將隨之?dāng)U大，我們將像大家熟悉的那樣更加活躍。NHBB將繼續(xù)開發(fā)和改進(jìn)機器人軸承，為機器人行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。