關節機器人—環境因素如何影響工業機器人關節？

導讀：工業機器人通常在復雜的環境中運行，同時與人類工作人員密切互動并執行各種各樣的任務。影響工業機器人關節壽命和性能的環境因素都有哪些？今天我們來梳理一下！

UR + SFK LIFTKIT碼垛是考慮到機器人環境影響的應用示例。資料來源：Universal Robots

從汽車制造到計算機，通信和消費電子產品的“3C”，工業自動化的需求持續增長。與傳統生產線中的專用設備相比，機器人具有出色的操作靈活性和功能。它們特別適用于多品種和小批量生產，以快速響應市場和消費者需求的變化。

回顧一下，工業機器人是自動控制的可編程多用途機械手，可以在三個或更多軸上移動負載。致動器和控制技術的重大進步使得復雜的模塊化機器人關節得以發展。模塊化機器人關節是標準化的，但能夠與無數其他部件和系統連接。

工業機器人越來越多地用于運動控制行業，以最大化制造生產率和產量。來源：運動控制技巧

模塊化允許設計和機器能力的多樣性，適應性和易于組裝。集成的機電一體化模塊化接頭也優于傳統的機器人 - 具有更高的功率密度，動態性能和可靠性以及更輕的重量。

需要注意的是，工業機器人可能會產生大量的前期投資。考慮機器人取代昂貴的人力勞動時的決定性因素是資本投資和機器人使用壽命的回收期。快速回報和長使用壽命最大化回報。

框架永磁電機是許多關節機器人關節設計的首選電機選擇。它們具有緊湊性和最小化重量，可降低整體系統慣性 - 有助于使機器人臂更靈活，更可靠。來源：運動控制技巧

某些運動部件制造商精通機器人行業中使用的伺服運動部件。通過包含一個或多個模塊化機器人關節，可以優化具有輕載荷的OEM 協作機器人（cobot）設計。一些模塊化機器人接頭集成了無框架扭矩電機，采用交流永磁（PMAC）伺服電機的形式，可實現簡單安全的設計。精心設計意味著一些無框電機經過優化，可以滿足空間或重量限制或性能和可靠性要求。

現在讓我們概述影響工業機器人關節壽命和性能的各種環境因素：

熱環境影響降低了機器人部件的壽命

高溫會降低工業機器人的使用壽命。例如，機電一體化機器人關節模塊在單個緊湊的外殼中包含無框電機，伺服驅動器，專用齒輪系統，制動器，編碼器或旋轉變壓器，扭矩傳感器，連接電纜等。

正常運行會在此外殼內產生熱量 - 主要來自傳動裝置，電機繞組和制動線圈（如果適用） - 以及其他電氣和電子組件。如果使用應變波傳動裝置，齒輪傳動是最重要的環境熱源。由于齒輪嚙合摩擦，粘性潤滑劑剪切摩擦以及每次旋轉反復扭曲金屬柔性花鍵所消耗的能量，它可以貢獻高達總功率損失的30％。無效的散熱會導致機器人變熱并且性能下降。

常見的機器人關節:應變波傳動

機器人關節的輸出軸通常以10至40rpm的速度旋轉。在機器人關節運動期間，電動機通常以1,000至4,000rpm的速度旋轉以進行短時間的爆發。因此，相對于其尺寸足跡（每單位體積的扭矩）和特定扭矩（每單位質量的扭矩），齒輪傳動降低了速度并增加了輸出處的加速扭矩。

變波傳動裝置在機器人應用中是必不可少的，但并非沒有挑戰。來源：運動控制技巧

應變波齒輪機構具有明顯的優勢，可證明其在工業應用和機器人中的應用。它們包括單級高齒輪比，零齒隙或接近零齒隙，結構簡單，扭矩傳遞精確，定位精度高，重復性好。

應變波傳動裝置包括橢圓形波發生器，柔性花鍵和圓形花鍵。flexspline是生命限制子組件。在操作過程中，它看到橢圓形波發生器的旋轉不斷變化的彈性變形量 - 并且必須以最小的角度偏轉旋轉。因此，柔性花鍵必須在徑向方向上是柔性的，但在切向方向上是剛性的，以準確地傳遞旋轉運動。

應變波傳動中的功率損耗是由于  各種機制造成的，包括：

?柔性花鍵齒與剛性圓花鍵嚙合時，在嚙合進、嚙合和嚙合出三個階段，由于齒輪嚙合而產生的摩擦損失。與傳統齒輪傳動不同，橫波機構中的齒面運動主要是由于嚙合時相應齒面間的小相移而發生滑動。在齒間滑動會造成能量損失，并將總成加熱到60至70°C的平衡溫度。

?由于潤滑劑中的粘性摩擦導致分子摩擦損失  。

?軸承在交叉滾子軸承，波發生器軸承和其他軸承中的摩擦損失。

?由于柔性花鍵的扭轉和徑向變形導致的周期性重復的彈性應變能量導致的機械損失。

其中一些功率損耗受環境工作溫度的強烈影響。

傳統的齒輪系統通常表現出某種程度的反彈。齒隙降低了齒輪系統的精度，但提供了潤滑和熱膨脹的空間。鑒于應變波傳動固有地具有幾乎零的間隙，在高溫下，其齒輪元件上的熱膨脹可能刺激嚙合齒輪之間的干涉 - 并且增加齒接觸壓力和嚙合摩擦。

應變波傳動的磨損特性在很大程度上取決于潤滑劑的狀況，進而受工作溫度的影響。過高的溫度可能會刺激潤滑劑膜的破裂，這又會對齒輪齒接觸表面造成磨損。

應變波傳動的效率與負載百分位數（負載轉矩到允許的平均轉矩）和允許的工作溫度成比例 - 并且與輸入速度（齒輪比）成反比。最高溫度額定值為50至70°C，具體取決于制造商和潤滑劑額定值。

電動制動器是另一種熱源

電動制動器在工業機器人上很常見。這些應用中的制動器通常包括具有機械彈簧機構的電磁感應線圈，以在從線圈移除電壓時接合保持摩擦（干涉）狀態。在電機運動期間通電的制動線圈產生熱量。

然后，線圈電阻隨著線圈電阻R c  在溫度T下增加，線性電阻R c與工作溫度T和環境溫度T a之間的溫差線性變化， 定義如下：

其中α=材料溫度系數（對于銅磁線α= 0.00393 /°C）和  T a  =環境溫度并且：

=線圈在環境溫度下的電阻......因此，如果溫度比環境溫度高30°C，則線圈電阻增加12％。

環境溫度和無框電機

無框電機適用于尺寸和重量均為頂級設計目標的應用。與封裝電機相比，這種電機類型可為最終用戶提供商業和技術競爭優勢 - 包括高扭矩密度，增強的散熱能力和定制設計的靈活性。

將無框架（定子和轉子）電機直接集成到已經支撐傳動部件的軸承上，最大限度地減少了機器人的整體接頭尺寸并消除了冗余部件。后者可能包括額外的軸承來支撐轉子，分離軸和電機軸與齒輪組波發生器之間的耦合。

電機制造商目錄中列出的額定連續轉矩值基于設定的環境溫度 - 通常為40°C。當實際環境溫度超過額定值時，電機性能會下降，而在低速停機時，其輸出轉矩會降低：

中  t max  =最大電機繞組溫度，  t a  =額定環境溫度，  t a，r  =實際環境溫度，  T c  =額定連續（低速）轉矩，T c，d  =實際環境溫度下的降  額轉矩。因此，當  t max  = 80°C，t a  = 40°C，并且  t a，r = 60°C時，降額轉矩是原始連續轉矩的70.7％。

在低速時，無框架電機功率損耗主要由電機繞組中的銅損耗決定。由繞組電阻P l引起的功率損耗 與電流  i  和電繞組電阻R w有關：

前面討論的  R c，T 方程所示，與制動線圈相關，較高的溫度直接導致較高的繞組電阻  R w  ...并且這反過來導致機器人關節臂中的較高功率損耗。

扭矩降額公式未考慮非I 2 R電機損耗，例如鐵損。隨著這些鐵損隨速度的增加而增加，扭矩降額將比該計算預測的更加明顯。

電機鐵芯中的鐵損是電機磁路的基本電氣頻率和磁通密度水平的函數。電機的極數決定了基頻，定子鐵心和永磁鐵的設計設定了磁通密度水平。特別是，渦流鐵損是基頻平方和磁通密度平方的函數。

機器人應用的運行速度是無框電機電磁設計的關鍵因素，因為電機極數的選擇和定子鐵芯的設計決定了I 2 R 和鐵損的平衡  。優化的電磁設計可在機器人運行速度范圍內實現最佳電機效率。

機器人傳感器對熱敏感

機器人使用許多傳感器 - 包括編碼器，旋轉變壓器和扭矩傳感器。這些傳感器的一個關鍵特性是它們對環境溫度的敏感性。對于光學編碼器，溫度的升高會導致LED的光輸出降低。熱膨脹還會影響光學編碼器的性能。

事實上，在某些情況下，熱膨脹可以使磁盤和光源（探測器）之間的氣隙縮小0.020英寸（0.51毫米）。這種熱膨脹的極端情況會使子組件接觸并導致編碼器損壞甚至災難性故障。對于磁編碼器，磁輪的熱膨脹和收縮可以改變磁極的間距，從而改變輸出。

伺服驅動器和其他電子元件

伺服驅動器是各種機器人的關鍵，包括cobots，工業鉸接式機器人和醫療機器人。但電子元件故障率在高溫下飆升。Arrhenius定律指出，每升高10°C的工作溫度超過額定溫度，預期壽命將減半。

作為電噪聲的主要來源之一，熱噪聲源于導體內電子密度的熱波動，因此總是存在于電子電路中。它高度依賴于溫度 - 換句話說，溫度越高，熱噪聲水平越高。降低熱噪聲含量的唯一方法是降低操作溫度。

機器人關節中的軸承潤滑

潤滑對電機和應變波傳動的性能有重要影響。機器人中使用了多種軸承類型 - 交叉滾子軸承，波發生器軸承和常規深溝球軸承。這些軸承由礦物油基潤滑脂潤滑。

當然，軸承摩擦受多種因素影響 - 包括溫度，速度，載荷，潤滑劑性能和環境條件。溫度變化導致顯著的油脂粘度和分子摩擦變化。冷卻會顯著降低潤滑脂的釋油特性并導致潤滑不足 - 可能導致磨損和系統故障。

作為比較，高溫可以將油分子剪切或裂化成較小的分子以降低粘度。這可能導致軸承漏油。事實上，高溫還會引發另外兩種油脂失效  機制：

油氧化會導致油粘度增加，沉積物和形成保護性潤滑膜的能力喪失。潤滑脂特有的第二種失效機理是增稠劑保留油相的能力逐漸下降。在極端條件下，后者會引起潤滑油的永久性損失。

根據經驗，每升溫10°C，化學反應的速度（包括氧化和熱降解）就會改變兩倍。這意味著將溫度提高10°C會使反應速度加倍 - 使預期壽命減半。升高的溫度會隨著溫度的升高而迅速推動油脂失效模式

惡劣的環境對機器人的影響

某些類型的工業機器人設計用于在惡劣的環境條件下操作，例如噴漆機器人，焊接機器人以及拋光和研磨機器人。潮濕或泥濘的地形，灰塵，潮濕，振動和沖擊，腐蝕，有毒條件（如輻射）等極端條件會對機器人的性能和壽命產生重大影響。

具有不同外部涂層，材料和密封件的工業機器人在承受這種環境條件方面的能力不同。大多數機器人到達已經密封的最終用戶。但經過長時間的使用后，熱循環可能會導致壓力變化和密封失效 - 進入路徑和允許外部碎屑進入機器人的地方。

光學編碼器利用光電元件（包括細間距刻度，LED和光電探測器）檢測旋轉運動，這些元件可能會受到污染的嚴重損害。暴露在灰塵，污垢，水或油中會導致編碼器部分或完全失效。如果光盤破裂或破碎，特別是使用玻璃盤的光學編碼器也會因震動或震動而發生故障。

軸承對污染也很敏感。進入軸承的污垢，灰塵和其他異物可能會導致滾道表面出現劃痕，凹坑和研磨 - 以及過早損壞。水分會以多種方式降低軸承的性能。暴露在潮濕環境中的軸承可能會腐蝕或蝕刻在其暴露的表面上，以獲得局部腐蝕斑點。這種腐蝕模式反過來會在腐蝕區域產生過大的噪音，無計劃的間隙和腐蝕疲勞。

所有其他機器人部件，從電動機到電子元件，在暴露于環境因素時都會腐蝕。集成到機器人關節中的伺服驅動器的小型化設計極大地減小了電子部件之間的空間，使其更容易集成到機器人中。

但是這樣的設計也增加了在腐蝕性環境中暴露的風險。在實踐中，在機器人的制造，組裝，運輸和存儲的各個階段以及現場操作期間，整個機器人的整個生命周期中可能發生腐蝕。

運行期間的負載和振動

機器人有效負載和整體系統慣性會影響機器人動態特性和位置控制精度。機器人有效載荷是指機器人可以提升并超出其自身結構質量的重量。當機器人承受非常高的載荷時，齒輪的齒可能會發生斷裂。實際上，齒斷裂通常是由超過齒輪材料抗拉強度的機械過載引起的。

整體系統慣性是負載慣量和機器人慣性的總和。它在旋轉動力學中起著關鍵作用，并且表示裝載物體和機器人抵抗運動變化的趨勢 - 即速度和方向。較高的系統慣性通常會降低定位控制精度。也就是說，今天采用高分辨率反饋設備的最新高帶寬驅動技術最大限度地減少了許多這些影響和限制。

操作中的機器人臂受到各種外部載荷和慣性力的影響，具體取決于其位置，方向和移動速度。當機器人執行某些任務時 - 例如攜帶有效載荷超過其公布的等級，執行快速機動，以及在非結構化環境中交互大的力或力矩 - 機器人可能會失去其動態平衡和運動穩定性。

如果機器人經歷了可接受的有效載荷但是慣性很大，則可能導致機器人緩慢加速，無法正常工作，甚至使機器人無法進行指令移動。因此安全的機器人操作取決于仔細考慮有效載荷（慣性）和有效的接觸力控制。

應變波齒輪可具有幾種類型的故障模式。柔性花鍵的疲勞斷裂是最常見的  失效模式。對應變波傳動的測試表明，早在400萬次輸入轉速（對于運行在3,000轉/分的電機，這相當于22.2小時），齒形在柔性花鍵齒的整個寬度上完全消失和損壞 - 并且大多數圓形花鍵的寬度 - 來自  不正確的操作。此外，應變波傳動裝置在其輸出扭矩中表現出高頻振蕩（扭矩波動）。這主要源于齒輪嚙合振動。

每個機器人系統都有自己的振動頻率。對于旋轉激勵的振動，共振被稱為臨界速度。最終用戶必須避免在其固有共振頻率附近操作機器人。

工業機器人通常在復雜的環境中運行，同時與人類工作人員密切互動并執行各種各樣的任務。事實上，動態穩定性是影響機器人性能和工作場所安全的最關鍵因素之一，特別是對于具有大載荷，寬運動范圍和高移動速度的機器人。

來源：來源 | therobotreport，編輯 | popo， 翻譯：popo，Soo56