工業(yè)機器人關(guān)鍵部件工況分析及潤滑脂選用

韓鵬 陳芳蕾 劉建龍

中國石化潤滑油有限公司潤滑脂研究院

供圖/韓鵬

自從20世紀60年代人類創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機器人以后，工業(yè)機器人就顯示出其強大的生命力，工業(yè)機器人技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展[1]。據(jù)國際機器人聯(lián)合會統(tǒng)計，目前全球工業(yè)機器人的保有量已經(jīng)超過150萬臺[2，3]。同時，工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷得到拓展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電器行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域中[4，5]。

工業(yè)機器人關(guān)鍵部件概況

根據(jù)國際標準化組織（ISO）的定義，工業(yè)機器人是一種自動的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有一個或多個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件和工具，以執(zhí)行各種任務(wù)[6]。

按照工業(yè)機器人的幾何結(jié)構(gòu)和運動形式進行分類，可將工業(yè)機器人分為直角坐標型機器人（圖1）、柱面（或球面）坐標型機器人（圖2）和關(guān)節(jié)型機器人（圖3），不同類型機器人的結(jié)構(gòu)特點、性能特點及關(guān)鍵部件見表1[7～9]。

圖1 直角坐標型機器人（碼垛機器人）

圖2 柱面坐標型機器人（點焊機器人）

圖3 關(guān)節(jié)型機器人（汽車裝配機器人）

表1 不同類型工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵部件

工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動-傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成，其中需要潤滑脂潤滑的是驅(qū)動-傳動系統(tǒng)，主要包括驅(qū)動電機軸承、減速器、導(dǎo)軌和絲杠以及一些附屬設(shè)備。相比于車輛、機床等常規(guī)機械設(shè)備。通常一臺機器人的服務(wù)期限是10～20年，這與機器人的潤滑維護保養(yǎng)存在著密切的關(guān)系。選擇合適的潤滑油脂，做好相關(guān)日常維護，能夠保證和延長工業(yè)機器人的使用壽命[10]。

工業(yè)機器人驅(qū)動電機軸承工況分析及潤滑脂選用

驅(qū)動電機是機器人的動力來源，目前工業(yè)機器人大多采用電伺服驅(qū)動系統(tǒng)，主要包括交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機[11]。其中，交流伺服電動機和直流伺服電動機一般應(yīng)用于高精度、高速度的機器人驅(qū)動系統(tǒng)中；步進電動機多適用于對精度和速度要求不高的小型簡易機器人[12]。機器人對伺服電機的要求包括[11，13，14]：

◇響應(yīng)速度快，控制精度高。工業(yè)機器人在運行過程中是通過伺服電機的驅(qū)動實現(xiàn)多自由度的運動的。如果對工業(yè)機器人運行的動作速度、精度要求高的話，實際上就是要求伺服電機的響應(yīng)速度足夠快、控制精度要足夠高。

◇起動轉(zhuǎn)矩大，同時轉(zhuǎn)動慣量小。伺服電機的起動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量是伺服驅(qū)動中非常重要的關(guān)鍵點，在機械系統(tǒng)加速運行的時候，伺服電機不僅要給負載提供加速轉(zhuǎn)矩，而且要給自身提供加速轉(zhuǎn)矩，所以要求伺服電機在具有大的起動轉(zhuǎn)矩的同時，轉(zhuǎn)動慣量要盡可能小。

◇發(fā)熱量小。工業(yè)機器人一般運行在頻繁加速、啟停的情況下，這種特殊的運行方式會帶來很大的發(fā)熱量。這就要求伺服電機改進結(jié)構(gòu)與潤滑，盡可能減少發(fā)熱。

◇體積小，質(zhì)量小，軸向尺寸短，便于布局與安裝。

◇在不同轉(zhuǎn)速、不同負載下使用均能保持穩(wěn)定運行，可以進行頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內(nèi)承受過載。

伺服電機軸承一般選用潤滑脂進行潤滑，且一般為終生免維護潤滑，這就要求潤滑脂具有優(yōu)異的性能。根據(jù)伺服電機的工況，伺服電機軸承對潤滑脂有以下要求：

◇具有良好的機械安定性能，長時間使用潤滑脂不流失；

◇具有良好的氧化安定性能，潤滑脂長時間使用不發(fā)生明顯氧化劣化；

◇具有良好的減磨性能和抗微動磨損性能；

◇具有良好的低溫性能，在較低溫度下仍可以正常啟動和運轉(zhuǎn)；

◇具有良好的減振性能，能降低軸承運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的噪音；

◇具有良好的防銹性能，在潮濕環(huán)境下可有效避免軸承的銹蝕。

工業(yè)機器人伺服電機軸承選用的潤滑脂一般都為全合成基礎(chǔ)油型的鋰基或聚脲潤滑脂。潤滑脂選用的基礎(chǔ)油多為PAO（聚α烯烴）和多元醇酯類油。這兩種基礎(chǔ)油具有優(yōu)異的潤滑性能和低溫流動性能，在苛刻的工作環(huán)境下，可以對軸承進行有效的潤滑和防護，同時具有優(yōu)異的高溫氧化安定性能，能滿足伺服電機軸承終生潤滑的要求。目前市場應(yīng)用比較成功的工業(yè)機器人伺服電機軸承用潤滑脂實例見表2。

表2 工業(yè)機器人伺服電機軸承用潤滑脂實例

工業(yè)機器人減速器工況分析及潤滑脂選用

減速器是工業(yè)機器人的動力傳達機構(gòu)，它位于伺服電機與機器人的執(zhí)行機構(gòu)之間，利用自身的速度轉(zhuǎn)換器，將伺服電機的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩。減速器是機器人的核心部件之一，以六軸工業(yè)機器人為例，減速器占成本的比例高達30%，代表產(chǎn)品包括日本帝人（Nabtesco）公司生產(chǎn)的RV減速器（圖4）和日本Harmonic公司生產(chǎn)的諧波減速器（圖5）[15,16]。

圖4 RV減速器

圖5 諧波減速器

機器人的每一個自由度就是一臺伺服電機通過減速器帶動一根軸執(zhí)行運動，因此減速器是機器人非常重要的組成部分。機器人對減速器有很多特殊的要求[17]：

◇要求其減速比大。伺服電機的轉(zhuǎn)速可達每分鐘幾千轉(zhuǎn)，但要求減速后的輸出為每分鐘幾百甚至幾十轉(zhuǎn)，這就要求減速機有非常大的減速比。

◇要求減速器回差小，也就是減速器從空載達到額定負載時，不會產(chǎn)生過大的位移偏差，以保證機器人的位置精度。

◇要求減速器的尺寸小、重量輕，尤其在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機器人系統(tǒng)中，該要求更為重要。

根據(jù)工業(yè)機器人減速器的工況，其對潤滑脂有以下要求：

◇具有良好的氧化安定性能，潤滑脂長時間使用不發(fā)生明顯氧化劣化；

◇具有優(yōu)異的抗微動磨損性能，機器人減速機需頻繁啟停且經(jīng)常往復(fù)運動，易產(chǎn)生微動磨損，為此要求潤滑脂具有優(yōu)異的抗微動磨損性能；

◇具有優(yōu)異的極壓抗磨性能，減速機上承受的轉(zhuǎn)矩大，容易產(chǎn)生磨損，因此要求潤滑脂具有優(yōu)異的極壓抗磨性能；

◇具有良好的低溫性能，在較低溫度下仍可以正常啟動和運轉(zhuǎn)。

工業(yè)機器人減速器一般選用潤滑脂潤滑，也有個別廠家采用潤滑油進行潤滑。由于使用溫度一般不高，大部分工業(yè)機器人減速器潤滑脂選用了鋰基稠化劑。為保證較長的換油周期，基礎(chǔ)油一般選用合成基礎(chǔ)油或半合成基礎(chǔ)油。目前市場應(yīng)用比較成功的工業(yè)機器人伺服電機軸承用潤滑脂實例見表3。

表3 工業(yè)機器人減速器用潤滑脂實例

中國石化潤滑油公司受工信部委托，以中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟平臺為依托，開展了工業(yè)機器人高精密減速器潤滑產(chǎn)品的開發(fā)工作。經(jīng)過多年工作，成功開發(fā)了長城SPI-B潤滑脂等產(chǎn)品，獲得了知名工業(yè)機器人減速器廠家的認可。

工業(yè)機器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠工況分析及潤滑脂選用

對于直角坐標型工業(yè)機器人，或者工業(yè)機器人需要某個方向的較長的行程時，一般會使用導(dǎo)軌和滾珠絲杠實現(xiàn)機器人的運動[18]。

機器人對導(dǎo)軌和滾珠絲杠的要求一般包括以下幾點[19,20]：

◇高速度、高精度和高可靠性，運行過程尤其是加減速過程平穩(wěn)；

◇可承受載荷大，可以承受沖擊載荷，可以應(yīng)用于高溫、低溫、潮濕等惡劣環(huán)境；

◇易于安裝、操作和維護，結(jié)構(gòu)緊湊、耐用，自動化程度高。

根據(jù)工業(yè)機器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠的工況特點，工業(yè)機器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠對潤滑脂的具體要求一般包括以下幾個方面：

◇潤滑脂具有良好的潤滑性能和黏附性能，能在導(dǎo)軌和滾珠絲杠表面形成穩(wěn)定的油膜；

◇潤滑脂具有良好的機械安定性能，長時間使用無明顯的軟化流失現(xiàn)象；

◇潤滑脂要具有良好的氧化安定性，可有效地防止?jié)櫥趸冑|(zhì)；

◇潤滑脂要有適宜的黏度和良好低溫性能，在較低溫度下設(shè)備可以正常啟動和運轉(zhuǎn)；

◇潤滑脂具有良好的防銹性能，能有效防止導(dǎo)軌和滾珠絲杠的銹蝕；

◇應(yīng)用在高溫環(huán)境的潤滑脂要有良好的耐高溫性能，防止高溫下潤滑脂軟化流失。

機器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠可以采用潤滑油或潤滑脂潤滑，但為使結(jié)構(gòu)簡單，一般采用潤滑脂潤滑。根據(jù)使用工況不同，機器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠潤滑脂的配方有較大差異。機器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠潤滑脂采用的稠化劑一般為鋰基或聚脲，基礎(chǔ)油可以選用礦物油或合成油。在一些特殊環(huán)境下，如經(jīng)常產(chǎn)生振動的場所、無塵室、真空、低溫或高溫等特殊條件，應(yīng)使用滿足這些特殊環(huán)境條件下潤滑要求的潤滑脂。目前市場上常見的工業(yè)機器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠潤滑脂多為日本公司產(chǎn)品，其主要性能特點見表4。

表4 市場常見工業(yè)機器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠潤滑脂

工業(yè)機器人用潤滑脂未來趨勢展望

近年來，工業(yè)機器人技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛的應(yīng)用，良好的潤滑是工業(yè)機器人正常運行的關(guān)鍵因素之一。通過對當前工業(yè)機器人關(guān)鍵部件工況和潤滑脂選用現(xiàn)狀的分析調(diào)研，可以發(fā)現(xiàn)工業(yè)機器人用潤滑脂在未來會呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

☆工業(yè)機器人使用的潤滑脂產(chǎn)品中，全合成型及半合成型潤滑脂產(chǎn)品所占比例逐步提高。隨著工業(yè)機器人生產(chǎn)及使用企業(yè)對潤滑工作重視程度的提高，使用性能更優(yōu)良、使用壽命及維護周期更長的全合成型及半合成型潤滑脂產(chǎn)品越來越受到青睞。

☆工業(yè)機器人配套潤滑油脂的技術(shù)標準和規(guī)范不斷完善。近年來，中國石化潤滑油公司受工信部委托，以中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟平臺為依托，開展高精密減速器、機器人用伺服電機和機器人用控制器“一條龍”應(yīng)用計劃相關(guān)工作，牽頭進行了《機器人擺線針輪(RV)減速器潤滑油》和《機器人擺線針輪（RV）減速器潤滑脂》石化行業(yè)用油規(guī)范制定，從而促進國內(nèi)工業(yè)機器人用潤滑油脂的規(guī)范生產(chǎn)和應(yīng)用。