韓鵬 陳芳蕾 劉建龍

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司潤(rùn)滑脂研究院

供圖/韓鵬

自從20世紀(jì)60年代人類創(chuàng)造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以后，工業(yè)機(jī)器人就顯示出其強(qiáng)大的生命力，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展[1]。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，目前全球工業(yè)機(jī)器人的保有量已經(jīng)超過(guò)150萬(wàn)臺(tái)[2，3]。同時(shí)，工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人關(guān)鍵部件概況

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有一個(gè)或多個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)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(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行分類，可將工業(yè)機(jī)器人分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人（圖1）、柱面（或球面）坐標(biāo)型機(jī)器人（圖2）和關(guān)節(jié)型機(jī)器人（圖3），不同類型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能特點(diǎn)及關(guān)鍵部件見表1[7～9]。

圖1 直角坐標(biāo)型機(jī)器人（碼垛機(jī)器人）

圖2 柱面坐標(biāo)型機(jī)器人（點(diǎn)焊機(jī)器人）

圖3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人（汽車裝配機(jī)器人）

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

工業(yè)機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成，其中需要潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑的是驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)，主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)床等常規(guī)機(jī)械設(shè)備。通常一臺(tái)機(jī)器人的服務(wù)期限是10～20年，這與機(jī)器人的潤(rùn)滑維護(hù)保養(yǎng)存在著密切的關(guān)系。選擇合適的潤(rùn)滑油脂，做好相關(guān)日常維護(hù)，能夠保證和延長(zhǎng)工業(yè)機(jī)器人的使用壽命[10]。

工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承工況分析及潤(rùn)滑脂選用

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源，目前工業(yè)機(jī)器人大多采用電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要包括交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)[11]。其中，交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多適用于對(duì)精度和速度要求不高的小型簡(jiǎn)易機(jī)器人[12]。機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)的要求包括[11，13，14]：

◇響應(yīng)速度快，控制精度高。工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中是通過(guò)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)的。如果對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的動(dòng)作速度、精度要求高的話，實(shí)際上就是要求伺服電機(jī)的響應(yīng)速度足夠快、控制精度要足夠高。

◇起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。伺服電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是伺服驅(qū)動(dòng)中非常重要的關(guān)鍵點(diǎn)，在機(jī)械系統(tǒng)加速運(yùn)行的時(shí)候，伺服電機(jī)不僅要給負(fù)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(jī)在具有大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要盡可能小。

◇發(fā)熱量小。工業(yè)機(jī)器人一般運(yùn)行在頻繁加速、啟停的情況下，這種特殊的運(yùn)行方式會(huì)帶來(lái)很大的發(fā)熱量。這就要求伺服電機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)與潤(rùn)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(fù)載下使用均能保持穩(wěn)定運(yùn)行，可以進(jìn)行頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)載。

伺服電機(jī)軸承一般選用潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑，且一般為終生免維護(hù)潤(rùn)滑，這就要求潤(rùn)滑脂具有優(yōu)異的性能。根據(jù)伺服電機(jī)的工況，伺服電機(jī)軸承對(duì)潤(rùn)滑脂有以下要求：

◇具有良好的機(jī)械安定性能，長(zhǎng)時(shí)間使用潤(rùn)滑脂不流失；

◇具有良好的氧化安定性能，潤(rùn)滑脂長(zhǎng)時(shí)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(dòng)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(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)；

◇具有良好的減振性能，能降低軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)器人伺服電機(jī)軸承選用的潤(rùn)滑脂一般都為全合成基礎(chǔ)油型的鋰基或聚脲潤(rùn)滑脂。潤(rùn)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(rùn)滑性能和低溫流動(dòng)性能，在苛刻的工作環(huán)境下，可以對(duì)軸承進(jìn)行有效的潤(rùn)滑和防護(hù)，同時(shí)具有優(yōu)異的高溫氧化安定性能，能滿足伺服電機(jī)軸承終生潤(rùn)滑的要求。目前市場(chǎng)應(yīng)用比較成功的工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)軸承用潤(rùn)滑脂實(shí)例見表2。

表2 工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)軸承用潤(rùn)滑脂實(shí)例

工業(yè)機(jī)器人減速器工況分析及潤(rùn)滑脂選用

減速器是工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，它位于伺服電機(jī)與機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，利用自身的速度轉(zhuǎn)換器，將伺服電機(jī)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(jī)器人的核心部件之一，以六軸工業(yè)機(jī)器人為例，減速器占成本的比例高達(dá)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(jī)器人的每一個(gè)自由度就是一臺(tái)伺服電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)一根軸執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，因此減速器是機(jī)器人非常重要的組成部分。機(jī)器人對(duì)減速器有很多特殊的要求[17]：

◇要求其減速比大。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)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(jī)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(dá)到額定負(fù)載時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的位移偏差，以保證機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)中，該要求更為重要。

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人減速器的工況，其對(duì)潤(rùn)滑脂有以下要求：

◇具有良好的氧化安定性能，潤(rùn)滑脂長(zhǎng)時(shí)間使用不發(fā)生明顯氧化劣化；

◇具有優(yōu)異的抗微動(dòng)磨損性能，機(jī)器人減速機(jī)需頻繁啟停且經(jīng)常往復(fù)運(yùn)動(dòng)，易產(chǎn)生微動(dòng)磨損，為此要求潤(rùn)滑脂具有優(yōu)異的抗微動(dòng)磨損性能；

◇具有優(yōu)異的極壓抗磨性能，減速機(jī)上承受的轉(zhuǎn)矩大，容易產(chǎn)生磨損，因此要求潤(rùn)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(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)。

工業(yè)機(jī)器人減速器一般選用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，也有個(gè)別廠家采用潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑。由于使用溫度一般不高，大部分工業(yè)機(jī)器人減速器潤(rùn)滑脂選用了鋰基稠化劑。為保證較長(zhǎng)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(chǎng)應(yīng)用比較成功的工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)軸承用潤(rùn)滑脂實(shí)例見表3。

表3 工業(yè)機(jī)器人減速器用潤(rùn)滑脂實(shí)例

中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司受工信部委托，以中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟平臺(tái)為依托，開展了工業(yè)機(jī)器人高精密減速器潤(rùn)滑產(chǎn)品的開發(fā)工作。經(jīng)過(guò)多年工作，成功開發(fā)了長(zhǎng)城SPI-B潤(rùn)滑脂等產(chǎn)品，獲得了知名工業(yè)機(jī)器人減速器廠家的認(rèn)可。

工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠工況分析及潤(rùn)滑脂選用

對(duì)于直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，或者工業(yè)機(jī)器人需要某個(gè)方向的較長(zhǎng)的行程時(shí)，一般會(huì)使用導(dǎo)軌和滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)[18]。

機(jī)器人對(duì)導(dǎo)軌和滾珠絲杠的要求一般包括以下幾點(diǎn)[19,20]：

◇高速度、高精度和高可靠性，運(yùn)行過(guò)程尤其是加減速過(guò)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(hù)，結(jié)構(gòu)緊湊、耐用，自動(dòng)化程度高。

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠的工況特點(diǎn)，工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠對(duì)潤(rùn)滑脂的具體要求一般包括以下幾個(gè)方面：

◇潤(rùn)滑脂具有良好的潤(rùn)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(rùn)滑脂具有良好的機(jī)械安定性能，長(zhǎng)時(shí)間使用無(wú)明顯的軟化流失現(xiàn)象；

◇潤(rùn)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(rùn)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(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)；

◇潤(rùn)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(rùn)滑脂要有良好的耐高溫性能，防止高溫下潤(rùn)滑脂軟化流失。

機(jī)器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠可以采用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，但為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。根據(jù)使用工況不同，機(jī)器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠潤(rùn)滑脂的配方有較大差異。機(jī)器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠潤(rùn)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(dòng)的場(chǎng)所、無(wú)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(rùn)滑要求的潤(rùn)滑脂。目前市場(chǎng)上常見的工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠潤(rùn)滑脂多為日本公司產(chǎn)品，其主要性能特點(diǎn)見表4。

表4 市場(chǎng)常見工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌和滾珠絲杠潤(rùn)滑脂

工業(yè)機(jī)器人用潤(rùn)滑脂未來(lái)趨勢(shì)展望

近年來(lái)，工業(yè)機(jī)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(rùn)滑是工業(yè)機(jī)器人正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。通過(guò)對(duì)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵部件工況和潤(rùn)滑脂選用現(xiàn)狀的分析調(diào)研，可以發(fā)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人用潤(rùn)滑脂在未來(lái)會(huì)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

☆工業(yè)機(jī)器人使用的潤(rùn)滑脂產(chǎn)品中，全合成型及半合成型潤(rùn)滑脂產(chǎn)品所占比例逐步提高。隨著工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)及使用企業(yè)對(duì)潤(rùn)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(hù)周期更長(zhǎng)的全合成型及半合成型潤(rùn)滑脂產(chǎn)品越來(lái)越受到青睞。

☆工業(yè)機(jī)器人配套潤(rùn)滑油脂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不斷完善。近年來(lái)，中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司受工信部委托，以中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟平臺(tái)為依托，開展高精密減速器、機(jī)器人用伺服電機(jī)和機(jī)器人用控制器“一條龍”應(yīng)用計(jì)劃相關(guān)工作，牽頭進(jìn)行了《機(jī)器人擺線針輪(RV)減速器潤(rùn)滑油》和《機(jī)器人擺線針輪（RV）減速器潤(rùn)滑脂》石化行業(yè)用油規(guī)范制定，從而促進(jìn)國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人用潤(rùn)滑油脂的規(guī)范生產(chǎn)和應(yīng)用。