工业机器人关键部件工况分析及润滑脂选用

韩鹏 陈芳蕾 刘建龙

中国石化润滑油有限公司润滑脂研究院

供图/韩鹏

自从20世纪60年代人类创造了第一台工业机器人以后，工业机器人就显示出其强大的生命力，工业机器人技术得到了迅猛的发展[1]。据国际机器人联合会统计，目前全球工业机器人的保有量已经超过150万台[2，3]。同时，工业机器人的应用领域也不断得到拓展，已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电器行业、橡胶及塑料工业、食品工业等领域中[4，5]。

工业机器人关键部件概况

根据国际标准化组织（ISO）的定义，工业机器人是一种自动的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有一个或多个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件和工具，以执行各种任务[6]。

按照工业机器人的几何结构和运动形式进行分类，可将工业机器人分为直角坐标型机器人（图1）、柱面（或球面）坐标型机器人（图2）和关节型机器人（图3），不同类型机器人的结构特点、性能特点及关键部件见表1[7～9]。

图1 直角坐标型机器人（码垛机器人）

图2 柱面坐标型机器人（点焊机器人）

图3 关节型机器人（汽车装配机器人）

表1 不同类型工业机器人的结构特点及关键部件

工业机器人通常由执行机构、驱动-传动系统和控制系统三大部分组成，其中需要润滑脂润滑的是驱动-传动系统，主要包括驱动电机轴承、减速器、导轨和丝杠以及一些附属设备。相比于车辆、机床等常规机械设备。通常一台机器人的服务期限是10～20年，这与机器人的润滑维护保养存在着密切的关系。选择合适的润滑油脂，做好相关日常维护，能够保证和延长工业机器人的使用寿命[10]。

工业机器人驱动电机轴承工况分析及润滑脂选用

驱动电机是机器人的动力来源，目前工业机器人大多采用电伺服驱动系统，主要包括交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机[11]。其中，交流伺服电动机和直流伺服电动机一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中；步进电动机多适用于对精度和速度要求不高的小型简易机器人[12]。机器人对伺服电机的要求包括[11，13，14]：

◇响应速度快，控制精度高。工业机器人在运行过程中是通过伺服电机的驱动实现多自由度的运动的。如果对工业机器人运行的动作速度、精度要求高的话，实际上就是要求伺服电机的响应速度足够快、控制精度要足够高。

◇起动转矩大，同时转动惯量小。伺服电机的起动转矩和转动惯量是伺服驱动中非常重要的关键点，在机械系统加速运行的时候，伺服电机不仅要给负载提供加速转矩，而且要给自身提供加速转矩，所以要求伺服电机在具有大的起动转矩的同时，转动惯量要尽可能小。

◇发热量小。工业机器人一般运行在频繁加速、启停的情况下，这种特殊的运行方式会带来很大的发热量。这就要求伺服电机改进结构与润滑，尽可能减少发热。

◇体积小，质量小，轴向尺寸短，便于布局与安装。

◇在不同转速、不同负载下使用均能保持稳定运行，可以进行频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。

伺服电机轴承一般选用润滑脂进行润滑，且一般为终生免维护润滑，这就要求润滑脂具有优异的性能。根据伺服电机的工况，伺服电机轴承对润滑脂有以下要求：

◇具有良好的机械安定性能，长时间使用润滑脂不流失；

◇具有良好的氧化安定性能，润滑脂长时间使用不发生明显氧化劣化；

◇具有良好的减磨性能和抗微动磨损性能；

◇具有良好的低温性能，在较低温度下仍可以正常启动和运转；

◇具有良好的减振性能，能降低轴承运转时产生的噪音；

◇具有良好的防锈性能，在潮湿环境下可有效避免轴承的锈蚀。

工业机器人伺服电机轴承选用的润滑脂一般都为全合成基础油型的锂基或聚脲润滑脂。润滑脂选用的基础油多为PAO（聚α烯烃）和多元醇酯类油。这两种基础油具有优异的润滑性能和低温流动性能，在苛刻的工作环境下，可以对轴承进行有效的润滑和防护，同时具有优异的高温氧化安定性能，能满足伺服电机轴承终生润滑的要求。目前市场应用比较成功的工业机器人伺服电机轴承用润滑脂实例见表2。

表2 工业机器人伺服电机轴承用润滑脂实例

工业机器人减速器工况分析及润滑脂选用

减速器是工业机器人的动力传达机构，它位于伺服电机与机器人的执行机构之间，利用自身的速度转换器，将伺服电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩。减速器是机器人的核心部件之一，以六轴工业机器人为例，减速器占成本的比例高达30%，代表产品包括日本帝人（Nabtesco）公司生产的RV减速器（图4）和日本Harmonic公司生产的谐波减速器（图5）[15,16]。

图4 RV减速器

图5 谐波减速器

机器人的每一个自由度就是一台伺服电机通过减速器带动一根轴执行运动，因此减速器是机器人非常重要的组成部分。机器人对减速器有很多特殊的要求[17]：

◇要求其减速比大。伺服电机的转速可达每分钟几千转，但要求减速后的输出为每分钟几百甚至几十转，这就要求减速机有非常大的减速比。

◇要求减速器回差小，也就是减速器从空载达到额定负载时，不会产生过大的位移偏差，以保证机器人的位置精度。

◇要求减速器的尺寸小、重量轻，尤其在结构复杂的机器人系统中，该要求更为重要。

根据工业机器人减速器的工况，其对润滑脂有以下要求：

◇具有良好的氧化安定性能，润滑脂长时间使用不发生明显氧化劣化；

◇具有优异的抗微动磨损性能，机器人减速机需频繁启停且经常往复运动，易产生微动磨损，为此要求润滑脂具有优异的抗微动磨损性能；

◇具有优异的极压抗磨性能，减速机上承受的转矩大，容易产生磨损，因此要求润滑脂具有优异的极压抗磨性能；

◇具有良好的低温性能，在较低温度下仍可以正常启动和运转。

工业机器人减速器一般选用润滑脂润滑，也有个别厂家采用润滑油进行润滑。由于使用温度一般不高，大部分工业机器人减速器润滑脂选用了锂基稠化剂。为保证较长的换油周期，基础油一般选用合成基础油或半合成基础油。目前市场应用比较成功的工业机器人伺服电机轴承用润滑脂实例见表3。

表3 工业机器人减速器用润滑脂实例

中国石化润滑油公司受工信部委托，以中国机器人产业联盟平台为依托，开展了工业机器人高精密减速器润滑产品的开发工作。经过多年工作，成功开发了长城SPI-B润滑脂等产品，获得了知名工业机器人减速器厂家的认可。

工业机器人导轨和滚珠丝杠工况分析及润滑脂选用

对于直角坐标型工业机器人，或者工业机器人需要某个方向的较长的行程时，一般会使用导轨和滚珠丝杠实现机器人的运动[18]。

机器人对导轨和滚珠丝杠的要求一般包括以下几点[19,20]：

◇高速度、高精度和高可靠性，运行过程尤其是加减速过程平稳；

◇可承受载荷大，可以承受冲击载荷，可以应用于高温、低温、潮湿等恶劣环境；

◇易于安装、操作和维护，结构紧凑、耐用，自动化程度高。

根据工业机器人导轨和滚珠丝杠的工况特点，工业机器人导轨和滚珠丝杠对润滑脂的具体要求一般包括以下几个方面：

◇润滑脂具有良好的润滑性能和黏附性能，能在导轨和滚珠丝杠表面形成稳定的油膜；

◇润滑脂具有良好的机械安定性能，长时间使用无明显的软化流失现象；

◇润滑脂要具有良好的氧化安定性，可有效地防止润滑脂氧化变质；

◇润滑脂要有适宜的黏度和良好低温性能，在较低温度下设备可以正常启动和运转；

◇润滑脂具有良好的防锈性能，能有效防止导轨和滚珠丝杠的锈蚀；

◇应用在高温环境的润滑脂要有良好的耐高温性能，防止高温下润滑脂软化流失。

机器人导轨和滚珠丝杠可以采用润滑油或润滑脂润滑，但为使结构简单，一般采用润滑脂润滑。根据使用工况不同，机器人导轨和滚珠丝杠润滑脂的配方有较大差异。机器人导轨和滚珠丝杠润滑脂采用的稠化剂一般为锂基或聚脲，基础油可以选用矿物油或合成油。在一些特殊环境下，如经常产生振动的场所、无尘室、真空、低温或高温等特殊条件，应使用满足这些特殊环境条件下润滑要求的润滑脂。目前市场上常见的工业机器人导轨和滚珠丝杠润滑脂多为日本公司产品，其主要性能特点见表4。

表4 市场常见工业机器人导轨和滚珠丝杠润滑脂

工业机器人用润滑脂未来趋势展望

近年来，工业机器人技术得到了迅猛的发展，在工业生产和人们日常生活中得到了广泛的应用，良好的润滑是工业机器人正常运行的关键因素之一。通过对当前工业机器人关键部件工况和润滑脂选用现状的分析调研，可以发现工业机器人用润滑脂在未来会呈现以下发展趋势：

☆工业机器人使用的润滑脂产品中，全合成型及半合成型润滑脂产品所占比例逐步提高。随着工业机器人生产及使用企业对润滑工作重视程度的提高，使用性能更优良、使用寿命及维护周期更长的全合成型及半合成型润滑脂产品越来越受到青睐。

☆工业机器人配套润滑油脂的技术标准和规范不断完善。近年来，中国石化润滑油公司受工信部委托，以中国机器人产业联盟平台为依托，开展高精密减速器、机器人用伺服电机和机器人用控制器“一条龙”应用计划相关工作，牵头进行了《机器人摆线针轮(RV)减速器润滑油》和《机器人摆线针轮（RV）减速器润滑脂》石化行业用油规范制定，从而促进国内工业机器人用润滑油脂的规范生产和应用。