工业机器人的血液,你对减速机润滑油品知多少?

作者:陈永光 文章来源:弗戈工业在线 点击数:212 发布时间:2018-01-17
工业机器人的三大关键核心部件中,精密减速机被公认是工业机器人中技术壁垒最高的部件,又称“机器人的关节”,其成本约占机器人整体成本的1/3。无论对于RV减速机和谐波减速机,良好的润滑都是其发挥作用的关键因素。好比汽车一样,如果没有良好的润滑,汽车将无法正常工作。有人将润滑油之于汽车比喻为血液之于人体,足见润滑的重要性。这个比喻同样适用于机器人的精密减速机。
工业机器人的血液,你对减速机润滑油品知多少?

2017年8月26日,《中国机器人产业发展报告(2017年)》在北京发布。报告指出,我国机器人市场已经进入高速增长期。自2013年中国成为全球第一大工业机器人应用市场以来,连续5年稳居第一把交椅,2017年我国工业机器人产量超过12万台,约占全球市场的1/3。

近年来,我国劳动力成本不断攀升、劳动力供给趋于下降,与此同时,产业要求转型升级,这些因素成为中国制造业用工业机器人替代人工的重要驱动力,也助推了我国工业机器人需求的飞速增长。

目前,中国的制造业正迈入“智能制造”时代,工业机器人作为“中国制造2025”规划的十大重点领域之一,更是受到了政府和产业界的高度重视。同时,工业机器人也是资金密集、技术密集和人才密集的行业。其三大核心关键部件伺服系统、精密减速机和控制器的技术随着机器人技术的进步及创新应用在不断进步(之前,MM现代工业机器人的微信公众号推出了“工业机器人关键核心部件市场及国产替代分析”三连弹,受到业界的广泛关注。工业机器人伺服电机市场及国产替代分析;工业机器人精密减速机市场机遇巨大,国产替代在加速进行;工业机器人控制器市场现状及国产替代分析)。

这三大关键核心部件中,精密减速机被公认是工业机器人中技术壁垒最高的部件,又称“机器人的关节”,其成本约占机器人整体成本的1/3。它的主要作用是用来精确控制机器人的操作精度,起到把电动机、内燃机等高速运转动力通过齿轮来减速并传递更大转矩的目的,其性能的好坏直接影响工业机器人的性能。其重要性不言而喻。一般情况下,一台通用机器人需要的减速机个数为4~8套。目前应用于工业机器人领域的减速机主要有两种,一种是RV减速机,另一种是谐波减速机。

工业机器人的三大关键核心部件中,精密减速机被公认是工业机器人中技术壁垒最高的部件

 

无论对于RV减速机和谐波减速机,良好的润滑都是其发挥作用的关键因素。好比汽车一样,如果没有良好的润滑,汽车将无法正常工作。有人将润滑油之于汽车比喻为血液之于人体,足见润滑的重要性。这个比喻同样适用于机器人的精密减速机。今天我们重点来谈一谈工业机器人精密减速机的国内外润滑油品应用及未来趋势。

无论对于RV减速机和谐波减速机,良好的润滑都是其发挥作用的关键因素

 

目前,大约有80%的零件损坏是由于摩擦和磨损引起。当然,可以通过合理地选择摩擦副配对材料等材料学方法达到减小磨损,而润滑油具有冷却、冲洗、保护、密封、防锈、卸荷、减震、对添加剂起载体及起结构材料等作用,因而采用合理润滑不失为减摩的一种有效方法。对于工业机器人减速机而言,机械摩擦离不开润滑,合适的润滑产品会使机械获得充分的润滑和保护,延长机械寿命,提高工作效率和机械稳定性,防止磨损、划痕、点蚀、发热等带来的维护成本。

虽然中国已成为全球最大的工业机器人应用市场,但“四大家族”凭借着核心技术和市场策略,占据了中国工业机器人市场的70%。与我国工业机器人关键核心部件技术缺失同样尴尬的是,高性能的工业机器人专用油品也面临类似的处境。工业机器人配套油品,同样大部分被外国公司,如日本协同、美孚、壳牌和嘉实多等垄断。这使得工业机器人配套用油的研发成为近年来国内相关企业的关注热点和发力点。

 

工业机器人减速机对润滑的特定要求

工业机器人减速机对润滑有着特定的要求。目前,工业机器人减速机中可以使用润滑油或润滑脂作为润滑介质。不同的机器人供应商针对不同的客户,侧重点有所不同。对于使用润滑油作为润滑介质来说,它具有诸多优点,如热量分配平衡,利于冷却;添加剂的消耗量慢;易于更换;清洁,沉积物控制好等,但也存在易泄漏、与其他类型的油不能混用、与个别密封材料及喷漆有可能不适应等缺点。一般来说,欧系机器人供应商更侧重于润滑介质的清洁冷却性以及易更换性,多数推荐油润滑。而润滑脂润滑相较于润滑油来说,不易泄漏、不易污染,但也存在不易更换、易老化、添加剂损耗快等缺点,日系机器人供应商侧重考虑的是润滑介质的不易渗漏性,故多数推荐脂润滑。

对于采用润滑油作为润滑介质的减速机来说,由于柔轮和钢轮高速啮合的过程中,齿面间相对滑动速度大,其配套润滑油的作用在于减少齿轮摩擦副在传动过程中产生的热量,起到散热作用,保证齿轮充分润滑,减少摩擦,防止齿轮发生磨损甚至胶合,达到提高传动效果和承载力的目的。而随着工业机器人减速机趋于小型化、轻量化、高速化和重载化的发展趋势,其工况条件势必更加苛刻,对其配套用油提出了更高的性能要求。归纳起来,主要有以下几点:

(1) 优异的黏温性能和低温性能,保证在减速机温度变化时,能充分润滑齿轮摩擦副,并能清洁齿面;

(2)更低的摩擦系数和牵引系数,良好的油性,带来减速机传动效率的提升和能耗的降低;

(3)优异的极压抗磨性,提供优异的抗磨性能和承载能力,降低齿轮间的磨损;

(4)优良的防锈防腐性,提供良好的防锈保护,对铜等有色金属部件无腐蚀;

(5)优良的氧化安定性和热安定性,更长的油品使用寿命,满足工业机器人减速机24000~48000小时的换油周期;

(6)优良的抗泡性能,抑制泡沫的产生并使泡沫迅速消失,保证工业机器人安全运行;

(7)优异的清净性能和可生物降解性,抑制油泥沉积且不污染环境。

 

从以上配套用油的性能要求来看,传统矿物油、合成烃油以及合成酯油通常8000~12000小时的换油周期与目前大部分型号工业机器人多轴减速机所要求的24000~48000小时的换油周期还有较大差距,工业机器人减速机配套用油多采用黏度指数大于180的进口产品,其性能中极低的摩擦系数和极低的油泥沉积等特色也是上述3种传统润滑油无法比拟的。因此,工业机器人配套用油的基础油选型及配比,也成了开发此类产品的关键技术之一。 

下面对谐波减速机和RV减速机的工作原理以及对润滑油的特定需要为例,进行介绍:

谐波减速机

减速机原理:柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动(无滑动)圆环一样,两者在任何瞬间,在节圆上转过弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距,所以柔轮在啮合过程中,就必须相对刚轮转过两个齿距角位移,这个角位移正是减速机输出轴的转动,从而实现了减速目的。

结构特点:体积小、重量轻、传动比大、精度高、传动平稳、效率高

应用领域:轻型工业机器人/机械臂、精密测量装置、对体积有要求的精密传动系统

零部件构成:

谐波减速机润滑要求

极压抗磨性:谐波减速机需频繁启停且经常往复运动,易产生磨损,导致精度降低,所以要求润滑脂必须具有优异的极压抗磨性能。

热稳定性能:工业机器人关节结构紧凑,散热性较差,长时间连续工作造成关节部位温度较高。要求润滑脂具有良好的热稳定性和氧化安定性。

长寿命:谐波减速机需要频繁地启动和在较小的空间里进行往复运动,承受高速高负荷运行,由此要求油脂必须具备长寿命润滑,不积碳、不变色,不分油。

降噪性:谐波减速机由于传动齿轮的摩擦、振动以及碰撞会产生强烈的噪音,要求润滑脂必须要有极强的油膜 厚度和附着力,有效降低噪音。

 

RV减速机

RV减速机原理:RV减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备,把电动机、内燃机或其它高速运转动力通过减速机输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的。

结构特点:传动比大、精度高、效率高、寿命长

应用领域:机械手、机床、装配装置、搬运装置

 

RV减速机润滑要求

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。

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,以防齿轮磨损过大,出现间隙过大,精度降低。

减震降噪: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。

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升高,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。

 

国内外工业机器人减速机用润滑油现状

国外工业机器人用油的研究应用起步较早,伴随着传动技术及啮合理论的发展而迅速发展,油品类型也由传统的矿物油、合成烃油向聚亚烷基二醇型合成油转化。其中,聚亚烷基二醇型合成油以其优越的减摩、耐高温性能等诸多优点在欧系工业机器人品牌中广泛采用。有代表性的国外合成型工业机器人油有TMO150、S4WE150等产品。

而国内公司由于工业机器人及其核心部件减速机大部分均依赖进口,其初装油和指定用油均被国外公司垄断。据调研,国产品牌机器人专用油的研发还基本处于空白,市面上也很少有对应的国产机器人专用油产品。

在工业机器人配套用油方面,值得一提的是,中国石油润滑油公司近年来坚持在合成型顶级产品的架构和优化升级,紧跟国际先进水平的步伐。自2014年以来,就已着手工业机器人减速机配套用油的开发工作,目前已成功开发了KG/R150工业机器人专用油,产品具有优异的黏温性能、极压抗磨性能、极低的摩擦系数、良好的抗泡性能和氧化安定性能,其质量达到国外同类先进水平,并成功应用于国内某品牌汽车OEM制造商的工业机器人中。

 

工业机器人减速机用润滑油市场容量及趋势

工信部牵头制订的“机器人十三五规划”指出,未来5~10年中国工业机器人行业将呈现高速发展态势。到2020年,中国的工业机器人保有量约为80万台。按照每台工业机器人用油需求量大约在25~30升,平均换油周期约为2年计,可推算出到2020年,机器人专用油需求量约5000吨。

从工业机器人减速机用油类型来看,聚亚烷基二醇合成型工业机器人用油由于具有更为优异的润滑性和低牵引力,以及优异的低温流动性,在苛刻的运行条件下,能够改进减速机的效率,满足机器人多轴减速机超长周期润滑的要求,将逐渐取代矿物型和合成烃型机器人用油产品。

从工业机器人减速机用油性能要求来看,随着工业机器人减速机趋于小型化、轻量化、高速化、重载化,其配套用油需要更为优异的极压抗磨性能、抗泡性能、防锈防腐性能、抑制油泥沉积以及更长的换油周期。

最后,低毒、可生物降解的工业机器人配套用油产品将是未来满足环保法规不断严格要求的必然趋势。