NTN机器人用轴承的技术趋势与特点

        工业机器人用于许多生产工厂，包括汽车、电气和电子设备。到目前为止，这种机器人主要从事相对简单的重复性工作，但是需要努力实现更先进的生产和自动化水平。日本企业的工业机器人竞争激烈，预计未来将利用这一优势进一步发展。此外，野战机器人在农田、海洋、灾害现场等户外作业。因此，期待开发出投入现场充分发挥作用的机器人。服务机器人在福利、医疗、护理等家庭、职场、与人交流等环境中使用。近年来，通过准确捕捉用户需求（例如提高服务行业的生产率和保护医疗服务领域工人的安全等），预计机器          人的使用率将会提高。我们期待下一代机器人的应用领域会扩大。
        在全世界，机器人用作代替人类工作的机器，预计这是一个很具发展前景的领域。NTN制造各种机器人用轴承，本文介绍工业机器人轴承的技术动向、适用部位及其特点。
2 工业机器人的市场需求
        工业机器人除了具有对确定位置的物体进行精确抓取和工作的基本功能外，还能广泛渗透到工业领域。①性价比优越；②可获得与目标工作相适应的精度和运动，且易于进行教学和纠正操作（精度和可操作性）；③体积小、重量轻、安装空间小（节省空间）；④需要保持较高的线路可用性（可靠性和可维护性）。
        近年来，在工业领域中，越来越需要使用机器人进行自动化操作以补偿制造现场劳动力的短缺，并稳定产品质量。例如，由于与loT（物联网）相关的需求增加，装配和运输过程中对机器人的需求正在增加，主要集中在智能手机、汽车相关行业和电子元件相关行业的资本投资上。此外，与人合作的协作机器人的需求也在上升，工业机器人的市场规模也在扩大。在这些背景下，对工业机器人的性能要求比以往任何时候都多。①通过缩短作业时间提高生产率；②在工件转移过程中，通过提高机器人刚度、改进定位和重复性，实现精密的加工性；③通过缩小机器人的尺寸和减少安装面积来保障工作区域的安全性；④随着市场需求的增加，通过延长维修间隔来提高可维护性。表1给出近年来工业机器人所需性能的市场趋势。

        减速齿轮和气体平衡器等设备安装在工业机器人上，轴承用于运动部件。在这些市场趋势下，人们越来越强烈地要求轴承比以往任何时候都更紧凑、刚度更高、承载能力更高、使用寿命更长。
3 工业机器人的结构和轴承的应用部分
3.1 工业机器人的结构 

        工业机器人种类很多，最典型的是能进行与人从肩膀到手腕相同运动的垂直关节机器人（图2）。当操作带有重物的机器人时，每个关节驱动装置都需要很大的扭矩，因此使用减速齿轮，来放大伺服电机的输出扭矩。特别是，大型机器人包含平衡器。该平衡器在与重力负载相反的方向上产生平衡力，作为辅助伺服电机的动力，并有助于节能。
3.2 工业机器人减速器和轴承应用部分
        近年来，机器人尺寸多样化，并且可以根据尺寸适当地使用精密减速齿轮。本文以适合大尺寸的①偏心差动式减速器和适合小尺寸的②波形齿轮减速器为例，说明轴承应用部分。
①偏心差动式减速器   
        偏心差动式减速齿轮的一个例子是由NABTESCO公司制造的精密减速齿轮RV。图3显示精密减速齿轮RV的结构。该减速器由直齿轮一级减速器和带销齿轮机构的偏心摆动式二级减速器组成。当曲轴旋转一圈时，RV齿轮偏心移动，通过与内齿轮齿数差沿与输入方向相反的方向旋转，这是一种输出机制。因为啮合齿数多、齿隙小、振动小、扭矩传递平稳准确，所以该结构具有重量轻、刚性高、防过载能力强的特点。

        该减速器曲轴偏心部分采用滚针轴承，轴颈部分采用圆锥滚子轴承，要求各轴承具有高刚性、高承载能力的特点。此外，主轴承采用薄壁角接触球轴承，要求高刚度（力矩刚度）以保证定位精度，这是机器人的一个重要特点。
②波形齿轮减速器
        波形齿轮减速器主要使用了小型减速器结构（外径100mm以下）。图4显示结构示意图。一个带有薄壁弹性球轴承的椭圆轴插入一个薄壁弹性齿轮中，切断一个薄而柔韧的金属环，并与长轴侧的厚而刚性的内齿轮接触。这是一种独特的减速机制，可充分利用弹性变形。图5显示工作原理。在内齿轮固定的情况下，椭圆轴顺时针转动一圈，薄壁弹性齿轮逆时针旋转，转数由薄壁弹性齿轮与内齿轮之间的齿数差决定（例如，2个薄壁弹性齿轮转数较少）。这是一种薄壁弹性齿轮逆时针转动并将其作为输出的机制。应当指出的是，图5所示的椭圆轴是半旋转的，其中一个薄壁弹性齿轮逆时针移动。除了具有同轴、简单和紧凑的特征之外，该减速齿轮还可以获得1/30至1/320的大减速比。此外，由于两个齿面同时进入楔形啮合，因此没有齿隙，啮合比大，齿轮误差平均，角度传动精度高，扭矩容量大。

        在薄壁弹性球轴承中，拉伸压缩应力幅度反复作用在外圈外径表面上，除了伴随内部椭圆变形的预加载外，扭矩传递作用引起的啮合反作用力也起作用。设计薄壁弹性球轴承时，使外圈的裂纹疲劳强度和滚动疲劳寿命兼容很重要。此外，在选择能承受高应力幅度的最佳厚度和热处理规范后，还必须计入角部形状、表面粗糙度、表面残余应力等。

        图6显示机器人用平衡器的结构示例。在机器人的手臂伸展和收缩时，该设备用于辅助伺服电机的动力并节省电力。近年来，由于要求紧凑性，平衡器从线圈型转换为气体型，并且要求紧凑性和高负载能力。此外，对高可用性的需求也要求延长维护间隔。
        考虑到该平衡器杆缸支撑部分的嵌入性，可以使用自调心滚子轴承。在该应用中，由于载荷大且摇摆角度小，难以形成油膜，并且除了承载能力大以外，还需要选择计入异常磨损和微动损坏的轴承。
4 工业机器人轴承的技术趋势和特点
4.1 工业机器人轴承的技术趋势
        如上所述，工业机器人轴承的应用场所主要是减速齿轮和平衡器。这些轴承要求“紧凑”、“高刚性”、“高承载能力”和“长寿命”。特别是，尽管使轴承紧凑很重要，但是也意味着由于横截面积的减小，滚动元件的尺寸也减小了，这导致刚性、承载能力和寿命降低。换句话说，在紧凑化、高刚性、高负载能力和长寿命之间存在折衷。对于轴承，重要的是在不降低刚性、承载能力和寿命的情况下实现紧凑性。表2显示工业机器人轴承要求的性能。

        机器人减速齿轮要求高刚性、高输出扭矩、高效率等，但还往往要求紧凑性。用于主轴的角接触球轴承要求具有刚性、薄壁等特点，同时确保使用寿命。用于曲轴的滚针轴承要求节省空间并且具有高刚性和高负载能力。此外，机器人平衡器除了要求紧凑性外，还要求高可靠性；用于杆式气缸支撑的自调心滚子轴承要求具有长寿命性能。为响应最近的技术趋势，NTN设计和开发各种轴承以满足市场需求。
4.2 角接触球轴承的紧凑化
        NTN设计、制造和销售用于精密减速齿轮主轴的紧凑型薄壁角接触球轴承。

        图7显示与79系列标准产品横截面的比较（每个轴承外径尺寸统一设计）。NTN的薄壁角接触球轴承，作为截面比，在径向上节省了约30％的空间，在轴向上节省了约25％的空间，并且作为质量比，重量减轻约55％，实现了显著的小型化。
        为了实现紧凑化，必须减小轴承套圈的厚度，而这使得制造过程中轴承套圈变形（扭转、翘曲）成为主要问题。NTN建立专有的加工技术（包括优化抑制变形的热处理条件），实现薄壁角接触球轴承的批量生产（图8）。

        此外，关于对刚度（力矩刚度）和寿命（滚动疲劳寿命）的权衡方面，为了增加力矩刚度，增加轴承的工作点距离，我们建立了一种优化的设计技术，可以抑制轴承内部的接触应力，并且不会缩短寿命。图9显示力矩刚度比、寿命比与预加载比的关系。可以看出，与79系列标准产品相比，尽管薄壁角接触球轴承更紧凑，但滚动疲劳寿命相当，并且力矩刚度提高了约40％。
4.3 滚针轴承的高刚性与高承载能力
        NTN已经销售用于精密减速齿轮曲轴的高刚性、高承载能力的滚针轴承（HWT（J）型）。
        表3给出HWT（J）型和标准规范（PK型）的比较情况。HWT（J）的主要特点是，与PK型相比，通过消除保持架内径侧的支柱，可以增加滚子的数量，从而实现高刚性、高承载能力和长寿命等性能（表4）。
        此外，通过对滚子表面进行碳氮共渗，可以增强润滑油中异物咬合引起的表面损伤和滚动接触表面上的油膜破裂，这也有助于提高可靠性和轴承寿命。

4.4 自调心滚子轴承的长寿命化
         NTN开发了Altage系列“EA型”自动调心滚子轴承，用于机器人平衡器的杆缸支撑。与NTN常规产品相比，“EA型”的承载能力（基本额定动载荷）提高65%（图10），达到世界顶级水平（图11）。此外，在“Altage”系列中，有密封型（WA型）的排列，两侧都有密封件（图12），可以封装和运输具有优异耐磨损和耐摩擦性能的特殊润滑脂，有助于提高可维护性和轴承寿命。
5 小结
         NTN制造多种机器人用轴承。本文介绍了工业机器人用轴承的技术趋势和特点。未来，随着应用领域的大发展，机器人的需求将随之扩大，我们将像大家熟悉的那样更加活跃。NTN将继续开发和改进机器人轴承，为机器人行业的发展做出贡献。