韓鵬 陳芳蕾 劉建龍

中國石化潤滑油有限公司潤滑脂研究院

供圖/韓鵬

自從20世紀60年代人類創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機器人以后，工業(yè)機器人就顯示出其強大的生命力，工業(yè)機器人技術得到了迅猛的發(fā)展[1]。據(jù)國際機器人聯(lián)合會統(tǒng)計，目前全球工業(yè)機器人的保有量已經(jīng)超過150萬臺[2，3]。同時，工業(yè)機器人的應用領域也不斷得到拓展，已經(jīng)廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電器行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)等領域中[4，5]。

工業(yè)機器人關鍵部件概況

根據(jù)國際標準化組織（ISO）的定義，工業(yè)機器人是一種自動的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有一個或多個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件和工具，以執(zhí)行各種任務[6]。

按照工業(yè)機器人的幾何結構和運動形式進行分類，可將工業(yè)機器人分為直角坐標型機器人（圖1）、柱面（或球面）坐標型機器人（圖2）和關節(jié)型機器人（圖3），不同類型機器人的結構特點、性能特點及關鍵部件見表1[7～9]。

圖1 直角坐標型機器人（碼垛機器人）

圖2 柱面坐標型機器人（點焊機器人）

圖3 關節(jié)型機器人（汽車裝配機器人）

表1 不同類型工業(yè)機器人的結構特點及關鍵部件

工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構、驅動-傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成，其中需要潤滑脂潤滑的是驅動-傳動系統(tǒng)，主要包括驅動電機軸承、減速器、導軌和絲杠以及一些附屬設備。相比于車輛、機床等常規(guī)機械設備。通常一臺機器人的服務期限是10～20年，這與機器人的潤滑維護保養(yǎng)存在著密切的關系。選擇合適的潤滑油脂，做好相關日常維護，能夠保證和延長工業(yè)機器人的使用壽命[10]。

工業(yè)機器人驅動電機軸承工況分析及潤滑脂選用

驅動電機是機器人的動力來源，目前工業(yè)機器人大多采用電伺服驅動系統(tǒng)，主要包括交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機[11]。其中，交流伺服電動機和直流伺服電動機一般應用于高精度、高速度的機器人驅動系統(tǒng)中；步進電動機多適用于對精度和速度要求不高的小型簡易機器人[12]。機器人對伺服電機的要求包括[11，13，14]：

◇響應速度快，控制精度高。工業(yè)機器人在運行過程中是通過伺服電機的驅動實現(xiàn)多自由度的運動的。如果對工業(yè)機器人運行的動作速度、精度要求高的話，實際上就是要求伺服電機的響應速度足夠快、控制精度要足夠高。

◇起動轉矩大，同時轉動慣量小。伺服電機的起動轉矩和轉動慣量是伺服驅動中非常重要的關鍵點，在機械系統(tǒng)加速運行的時候，伺服電機不僅要給負載提供加速轉矩，而且要給自身提供加速轉矩，所以要求伺服電機在具有大的起動轉矩的同時，轉動慣量要盡可能小。

◇發(fā)熱量小。工業(yè)機器人一般運行在頻繁加速、啟停的情況下，這種特殊的運行方式會帶來很大的發(fā)熱量。這就要求伺服電機改進結構與潤滑，盡可能減少發(fā)熱。

◇體積小，質量小，軸向尺寸短，便于布局與安裝。

◇在不同轉速、不同負載下使用均能保持穩(wěn)定運行，可以進行頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受過載。

伺服電機軸承一般選用潤滑脂進行潤滑，且一般為終生免維護潤滑，這就要求潤滑脂具有優(yōu)異的性能。根據(jù)伺服電機的工況，伺服電機軸承對潤滑脂有以下要求：

◇具有良好的機械安定性能，長時間使用潤滑脂不流失；

◇具有良好的氧化安定性能，潤滑脂長時間使用不發(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和運轉；

◇具有良好的減振性能，能降低軸承運轉時產(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)機器人伺服電機軸承選用的潤滑脂一般都為全合成基礎油型的鋰基或聚脲潤滑脂。潤滑脂選用的基礎油多為PAO（聚α烯烴）和多元醇酯類油。這兩種基礎油具有優(yōu)異的潤滑性能和低溫流動性能，在苛刻的工作環(huán)境下，可以對軸承進行有效的潤滑和防護，同時具有優(yōu)異的高溫氧化安定性能，能滿足伺服電機軸承終生潤滑的要求。目前市場應用比較成功的工業(yè)機器人伺服電機軸承用潤滑脂實例見表2。

表2 工業(yè)機器人伺服電機軸承用潤滑脂實例

工業(yè)機器人減速器工況分析及潤滑脂選用

減速器是工業(yè)機器人的動力傳達機構，它位于伺服電機與機器人的執(zhí)行機構之間，利用自身的速度轉換器，將伺服電機的回轉數(shù)減速到所要的回轉數(shù)，并得到較大轉矩。減速器是機器人的核心部件之一，以六軸工業(yè)機器人為例，減速器占成本的比例高達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

機器人的每一個自由度就是一臺伺服電機通過減速器帶動一根軸執(zhí)行運動，因此減速器是機器人非常重要的組成部分。機器人對減速器有很多特殊的要求[17]：

◇要求其減速比大。伺服電機的轉速可達每分鐘幾千轉，但要求減速后的輸出為每分鐘幾百甚至幾十轉，這就要求減速機有非常大的減速比。

◇要求減速器回差小，也就是減速器從空載達到額定負載時，不會產(chǎn)生過大的位移偏差，以保證機器人的位置精度。

◇要求減速器的尺寸小、重量輕，尤其在結構復雜的機器人系統(tǒng)中，該要求更為重要。

根據(jù)工業(yè)機器人減速器的工況，其對潤滑脂有以下要求：

◇具有良好的氧化安定性能，潤滑脂長時間使用不發(fā)生明顯氧化劣化；

◇具有優(yōu)異的抗微動磨損性能，機器人減速機需頻繁啟停且經(jīng)常往復運動，易產(chǎn)生微動磨損，為此要求潤滑脂具有優(yōu)異的抗微動磨損性能；

◇具有優(yōu)異的極壓抗磨性能，減速機上承受的轉矩大，容易產(chǎn)生磨損，因此要求潤滑脂具有優(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和運轉。

工業(yè)機器人減速器一般選用潤滑脂潤滑，也有個別廠家采用潤滑油進行潤滑。由于使用溫度一般不高，大部分工業(yè)機器人減速器潤滑脂選用了鋰基稠化劑。為保證較長的換油周期，基礎油一般選用合成基礎油或半合成基礎油。目前市場應用比較成功的工業(yè)機器人伺服電機軸承用潤滑脂實例見表3。

表3 工業(yè)機器人減速器用潤滑脂實例

中國石化潤滑油公司受工信部委托，以中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟平臺為依托，開展了工業(yè)機器人高精密減速器潤滑產(chǎn)品的開發(fā)工作。經(jīng)過多年工作，成功開發(fā)了長城SPI-B潤滑脂等產(chǎn)品，獲得了知名工業(yè)機器人減速器廠家的認可。

工業(yè)機器人導軌和滾珠絲杠工況分析及潤滑脂選用

對于直角坐標型工業(yè)機器人，或者工業(yè)機器人需要某個方向的較長的行程時，一般會使用導軌和滾珠絲杠實現(xiàn)機器人的運動[18]。

機器人對導軌和滾珠絲杠的要求一般包括以下幾點[19,20]：

◇高速度、高精度和高可靠性，運行過程尤其是加減速過程平穩(wěn)；

◇可承受載荷大，可以承受沖擊載荷，可以應用于高溫、低溫、潮濕等惡劣環(huán)境；

◇易于安裝、操作和維護，結構緊湊、耐用，自動化程度高。

根據(jù)工業(yè)機器人導軌和滾珠絲杠的工況特點，工業(yè)機器人導軌和滾珠絲杠對潤滑脂的具體要求一般包括以下幾個方面：

◇潤滑脂具有良好的潤滑性能和黏附性能，能在導軌和滾珠絲杠表面形成穩(wěn)定的油膜；

◇潤滑脂具有良好的機械安定性能，長時間使用無明顯的軟化流失現(xiàn)象；

◇潤滑脂要具有良好的氧化安定性，可有效地防止?jié)櫥趸冑|；

◇潤滑脂要有適宜的黏度和良好低溫性能，在較低溫度下設備可以正常啟動和運轉；

◇潤滑脂具有良好的防銹性能，能有效防止導軌和滾珠絲杠的銹蝕；

◇應用在高溫環(huán)境的潤滑脂要有良好的耐高溫性能，防止高溫下潤滑脂軟化流失。

機器人導軌和滾珠絲杠可以采用潤滑油或潤滑脂潤滑，但為使結構簡單，一般采用潤滑脂潤滑。根據(jù)使用工況不同，機器人導軌和滾珠絲杠潤滑脂的配方有較大差異。機器人導軌和滾珠絲杠潤滑脂采用的稠化劑一般為鋰基或聚脲，基礎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)生振動的場所、無塵室、真空、低溫或高溫等特殊條件，應使用滿足這些特殊環(huán)境條件下潤滑要求的潤滑脂。目前市場上常見的工業(yè)機器人導軌和滾珠絲杠潤滑脂多為日本公司產(chǎn)品，其主要性能特點見表4。

表4 市場常見工業(yè)機器人導軌和滾珠絲杠潤滑脂

工業(yè)機器人用潤滑脂未來趨勢展望

近年來，工業(yè)機器人技術得到了迅猛的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和人們日常生活中得到了廣泛的應用，良好的潤滑是工業(yè)機器人正常運行的關鍵因素之一。通過對當前工業(yè)機器人關鍵部件工況和潤滑脂選用現(xiàn)狀的分析調研，可以發(fā)現(xiàn)工業(yè)機器人用潤滑脂在未來會呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

☆工業(yè)機器人使用的潤滑脂產(chǎn)品中，全合成型及半合成型潤滑脂產(chǎn)品所占比例逐步提高。隨著工業(yè)機器人生產(chǎn)及使用企業(yè)對潤滑工作重視程度的提高，使用性能更優(yōu)良、使用壽命及維護周期更長的全合成型及半合成型潤滑脂產(chǎn)品越來越受到青睞。

☆工業(yè)機器人配套潤滑油脂的技術標準和規(guī)范不斷完善。近年來，中國石化潤滑油公司受工信部委托，以中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟平臺為依托，開展高精密減速器、機器人用伺服電機和機器人用控制器“一條龍”應用計劃相關工作，牽頭進行了《機器人擺線針輪(RV)減速器潤滑油》和《機器人擺線針輪（RV）減速器潤滑脂》石化行業(yè)用油規(guī)范制定，從而促進國內工業(yè)機器人用潤滑油脂的規(guī)范生產(chǎn)和應用。