工业机器人专用薄壁密封交叉滚子轴承结构设计

洛阳鸿元轴承

  近年来, 随着先进制造业的发展, 对代表现代制造技术的各类机器人的需求日益增加。如大型工程机械、汽 车、家电等自动化生产 线, 以及提升国家高科技战略地位的深海载人潜水器、仿人仿生机器人和喷漆、弧焊点焊、装配、搬运工业机器人等。作为机器人的关键配套专用 轴承, 对机器人的运转平稳性、重复定位精度、 动作精确度以及工作的可靠性等关键性能指标具有重要影响。目前, 机器人用轴承种类较多, 如薄壁深沟球轴承、薄壁角接触球轴承、薄壁四点接触球轴承和薄壁交叉滚子轴承等。由于薄壁四点接触球轴承和薄壁交叉滚子轴承具有承受联合载 荷能力强、 精度高、摩擦力矩小、重量轻、运转平稳等特点, 因此大多被应用于 工业机 器人 的腰部、 肘部、 腕部 等部位。
    自从 20 世纪 6 0年代机器人进入工业领域以来, 无论是机器人的数量, 还是机器人的技术都有了迅猛的发展。作为机器人关键零配件的专用配套轴承, 国外一 些轴承 公司如日 本的 I KO 、 T HK 、N S K 和美国 K o ydon 等在 20 世纪 80 年代就已研制出用于机器人各部位的系 列化专用配套轴承,为机器人产业提供了 80 % 左右能满足机器人需要的基础元器件, 为工 业机器人的迅速发展奠定了坚实的配套技术基础。国内工业机器人配套轴承大部分依靠进口, 少 数厂家虽然生产制造工业机器人配套轴承, 但批量小、品种规格 少, 零部件通用化程度低, 供货周期长, 成本高, 而且质量不稳定, 这些因素严重制 约了国内工业机器人产业的正 常发展。 为促进国内工业机器人专用轴承设计。

    工业机器人专用薄壁四点接触球轴承通常有带密封圈和不带密封圈的结构形式 。其主要由内圈、 外圈、 保持 架、 钢球或非接触式密 封圈组成。内、外圈均为整体结构, 钢球与内、外 圈沟道呈四点接触, 保持架为冠形插入式结构。适合安装在 工业 机器人 的腕部、 肘 部等关 节部位。薄壁交叉滚子轴承通常有满滚子结构和带冲压保持架或隔离 件的 结构 形式 。为 便于 装配, 交叉滚子轴承外圈或内圈采用双半结构, 用螺钉连接内、外圈滚道与轴承轴线呈 45 角, 滚道之间交替放置互成 90 的圆柱滚子, 滚子直径一般应大于滚子长度, 可承受径向载荷及两个方向的 轴向载荷以及倾覆力矩, 相当于两套接触角
= 45的角接触轴承背靠背安装的组配。特别适合安装在工业机器人的腰部、肩部等关节部位。
薄壁密封四点接触球轴承特点
( 1) 外径与内径之比较小, 滚动体直径小, 数量多, 与相同内径的标准轴承相比, 其重量约为标准轴承的 5 % , 横截面积约为标准轴承的 20 % 。
( 2 ) 定截面轴承: 薄壁四点接触球轴承系列,轴承横截面尺寸相同, 不随内、外径的变化而改变。
( 3) 能承受径向载荷、 双向推力载荷和倾覆力矩, 相当于两套背对背安装的角接触球轴承, 但其宽度只相当于一套角接触球轴承的宽度。
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薄壁密封交叉滚子轴承特点
( 1) 滚子与滚道的接触形式为线接触, 与球轴承相比, 其载荷容量较大, 一般是相同尺寸球轴承额定载荷的 5 ~ 15 倍, 因此承载能力强, 工作可靠性高, 寿命较长。
( 2 ) 滚子直径相对较大、 有效接触长度适当增加, 因此, 滚子在外载荷作用下, 轴承的轴向和径向刚性均较高。
( 3 ) 采用大直径、 小截面, 可以节省径向和轴向空间, 有利于主机结构的紧凑化, 能简化主机结构。
( 4 ) 采用双半外圈结构, 通过修磨或研磨两个半外圈接合面, 即可达到预定的游隙, 调整游隙非常方便。

轴承主 参数的 确定是 设计过 程中 的重 要环节, 薄壁四点接触球轴承主参数 ( 钢球直径 D w、 钢球数量 Z、 球组节圆直径 D p w ) 的选取, 应在保证轴承使用性能如最大刚性、 最小摩擦力矩等要求的前提下, 使轴承的寿命最长。工业机器人轴承主要失效形式是接触疲劳失效或精度丧失, 在设计中不仅要考 虑尽可能大的额定动载荷, 同时针对薄壁轴承横 截面较小的特点, 要精心选 择每个结构参数的最 佳值, 以改善轴承零件接触 应力分布, 达到有利于润滑油膜形成的最佳接触 状态, 提高轴承的使用寿命。

内、 外套圈沟道 曲率半径系数的大小直接 影响轴承的载荷容量、 寿命、刚性以及摩擦力矩等性能参数。例如沟曲率半 径系数增大, 摩擦力矩 减小, 载荷容量减小, 寿命 缩短; 沟曲率半径系数 减小则相反。因此沟曲率半径系数选取应根据使用性能要求而定。

由于薄壁四点接触球轴承内、 外圈采用整体结构, 而且截面积只有相同内径标准轴承的 20 % ,所以保持架径向壁厚取值有限, 如果按通用轴承那样, 沟道位置设计在轴承宽度中心, 轴承形成对称结构, 保持架兜孔底部强度将受到影响, 同时密封圈的安装位置也将受到限制, 因此, 为保证轴承保持架具有足够的强度和密封圈有足够的安装空间, 沟位置采取对两侧端面不对称的设计。

工业机器人用四点接触球轴承处于工作状态时, 除承受一定的径向载荷外, 还承受一定的轴向载荷。在承受轴向载荷时, 钢球与滚道之间将形成接触椭圆, 若 轴向载 荷过大, 可能 造成钢 球与内、 外圈挡边边缘接 触或挡边与滚道之间的接触椭圆被截断, 产生应力集中, 使轴承套圈发生疲劳磨损, 早期失效。因此, 挡边高设计时, 需根据轴
承承受轴向载荷大小, 利用 H er tz接触应力理论推算出轴承套圈最小挡边高度, 从而计算出套圈挡边直径。实际设计时考虑到四点接触球轴承截面积较小, 套圈壁较薄, 在满 足使用要求前提下,挡边高系数取值要比深沟球轴承小。

保持架的作用是等距离地分隔滚动 体, 引导滚动体的运动, 减少摩 擦, 改善润滑等。设计时,应使其兜孔形状有利于轴承的润 滑、降低摩擦力矩的同时又具有足够的强度 以便于加工和装配。根据这些要求, 工业 机器人用四点接触球轴承保持架可以选用尼龙 66 加 25 % 玻璃纤维的塑料冠形保持架或车制黄铜实体保持架。目前国内工业
机器人用轴承批量较小, 采用较多的还是车制黄铜实体保持架。由于轴承的 内外圈为整体结构,并且截面空间有限, 为了增加保持架的强度, 同时考虑到轴承球数较多, 便于装配, 保持架设计时,采取两个或三个球兜孔不带锁量, 一个球兜孔留有锁量的特殊冠形保持架结构。