工业4.0机器人减速机的技术发展及润滑应用浅谈

国际金属加工网 2019年12月20日

工业4.0时代离不开工业机器人的大力发展。而我国工业机器人发展最关键的减速机部还受制于国外,本文简单介绍了RV减速机的重要性,并从润滑的角度,浅析了RV减速机的工况及所需润滑剂的性能要求等。

工业4.0时代机器人的重要性及发展

现阶段,我国机器人制造水平有了一定的突破,但工业机器人中最关键的部件一一精密减速机,仍是目前制约我国机器人产业发展的瓶颈之一

减速机对于机器人的重要性及国产化的迫切性

应用在关节型机器人上的减速机主要有两类:RV减速机和谐波减速机。相比于谐波减速机,RV减速机具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中,一般将RV减速机放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置;而将谐波减速机放置在小臂、腕部或手部;RV减速机较谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命,而且回差精度稳定,丨不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著降低,故世界上许多国家高精度机器人传动多采用RV减速机,因此,RV减速机在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速机的发展趋势。

一般机器人第一关节到第四关节全部使用RV减速机,轻载机器人第五关节和第六关节有可能使用谐波减速机。重载机器人所有关节都需要使用RV减速机。平均而言,每台机器人使用4.5台RV减速机,占成本较高。一般工业机器人成本结构大致如下:本体22%、伺服系统25%、减速机38%、控制系统10%以及其他5%。简单拆分国内6轴工业机器人成本(总成本25万元),可以看出减速机和伺服电机两项成本接近13万元,主要以进口为主,一旦完成国产化成本将大幅下降。

在减速机领域,国际供应商主要有纳博特斯克和Harmonic两家。在工业用机器人关节上的精密减速机上,纳博特斯克的Nabtesco产品的全球市场占有率达60%,特别在中/重负荷机器人上,其RV减速机市场占有率高达90%。

相对于减速机,伺服电机和控制系统市场未形成主要厂商垄断现象,而且几大国际厂商在中国也建立了分工厂,供应充足,产品价格相对合理。可见,精密减速机特别是RV减速机的国产化已经迫在眉睫!

RV减速机的常见问题及润滑浅谈

RV减速机常见的问题有:减速机发热和漏油、齿轮磨损、轴承损坏等。这些问题很多都与润滑息息相关。所以,选择正确的润滑剂与润滑保养方式对于RV减速机非常重要。

润滑剂在RV减速机中主要起着减少摩擦和磨损的作用,同时还有防锈、密封、冷却等辅助作用。正确选择润滑我们一般是根据LETS原则,即主要根据L-负载(LOAD)、E-环境(ENVIRONMENT)、T-温度(TEMPERATURE)、S-速度(SPEED)等因素来综合选择。这就要求我们对RV减速机的结构原理及工况有一定的了解。

RV减速机工作原理可以简单地理解为:行星齿轮传动+曲柄轴+摆线针轮传动。润滑剂填充在减速机空间中,减速机中所有的运动零部件都是通过一种润滑剂来润滑的。润滑的零部件主要有:齿轮、轴承、针销。

以帝人RV系列减速机为例。工业机器人由交流伺服电机提供动力源,但一般转速≤2000转/分钟;负载则由机器人用途决定,一般在7—5000牛米之间,并常伴随有冲击载荷,特别是装载、运输类机器人最为典型;环境温要求一般是-10℃—40℃,低温启动前润滑剂一般要求加热到0℃以上。

RV减速机的润滑剂需要具备以下性能要求:

1、合适的粘度

粘度是选择油品的关键指标之一。粘度小了,其形成的油膜薄,强度低,易造成设备磨损,缩短设备使用寿命。粘度过大,则会增大设备运转的阻力,易发热且增加能耗。

2、良好的极压抗磨性能

RV减速机加工精度很高,摩擦面之间的间隙很小,而工业机器人越来越多地用于髙负载的工况,故工作中常处于边界润滑状态,这就要求润滑剂具有足够的油膜厚度和良好的极压性能,以防齿轮轴承等磨损过大,出现间隙过大,精度降低。

3、减振降噪

流体脂比润滑油具有更好的减振降噪效果,同时也具有更好的抗冲击载荷性能。

4、良好的高温稳定性和氧化安定性

工业机器人关节紧凑,用于此处的RV减速机散热较差,且需要长时间的工作,造成工业机器人关节部位温度髙,要求润滑脂具有良好的高温稳定性和氧化安定性,以避免在高温下流失和变质;同时,氧化安定性好还能保证润滑剂长寿命,不频繁更换。工业机器人维护周期长,换脂周期一般是半年到一年。

5、优异的抗微动磨损性能

工业机器人关节部位的工作特点是频繁地启动和在较小的空间里进行往复运动,容易造成微动磨损,因此要求润滑剂具有优异的抗微动磨损性能。

传统的减速机用油一般是用齿轮油润滑,这样散热更好,阻力更小,加注也更方便,还能较方便地带走磨屑和杂质。

但油润滑最大的缺点是要求密封性很好,否则容易泄漏。

同时,油润滑的减振降噪效果不及脂润滑,抗冲击载荷能力、抗微动磨损能力也不及脂润滑。

考虑到还要润滑轴承及针销等,润滑剂还需要一定的流动性和渗透性,所以综合这一系列的因素,流体脂未来在RV减速机上的使用会越来越普遍。

目前国外也开始使用流体脂润滑,如纳博特斯克Nabtesco,其帝人RV系列减速机使用的润滑剂就是00号流体脂。 其主要性能参数如下表

增稠剂 - 锂皂
基础油 - 合成烃油+矿油
基础油运动粘度(40℃) m㎡/3 美国实验材料协会 D 445 32.1
外观 - 黄色,半流质
工作针入度 美国实验材料协会 D 217 415
滴点 美国实验材料协会 D 566 193
铜条腐蚀(100℃,24小时) 美国实验材料协会 D 4048 通过
蒸汽损失(99℃,22小时) 质量百分比 美国实验材料协会 D 972 0.82
氧化安定性(99℃,100小时) 千帕斯卡 美国实验材料协会 D 942 20
工作稳定性 FTMS 791C-313 410
低温扭矩 (-30℃)启动扭矩 旋转扭矩 Ncm 美国实验材料协会 D 1478-63 11,2.0
(-40℃)启动扭矩 旋转扭矩 Ncm 美国实验材料协会 D 1478-64 35, 5.1
四球极压 L.N.S.L. N 美国实验材料协会 D 2596 1.236
W.P. 3.089
L.W.I. 569

理论上, 与上述性能参数接近的流体脂可以替代更换。但因为设备制造商常采用捆绑销售方法,更换润滑脂可能不给维保,这样,实际更换有一定难度。但我们RV减速机在国产化时却可以照此性能参数选择类似产品,目前优润也在针对RV减速机构进行专门的产品研发,如优润的流体脂,其特殊的添加剂使极压性能更好,减振降噪功能更强。

结束语:在经济转型升级和我国人口老龄化进程日益加快的情况下,我国机器人产业的发展迎来一个需求快速发展的阶段。我国要在五年内形成较为完善的机器人产业体系一定要突破国外垄断RV减速机核心技术的局面。我们相信这一天一定会到来!


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