В промышленной и коллаборативной робототехнике к механике предъявляются требования, недостижимые для стандартного машиностроения. Допустимая погрешность позиционирования инструмента современного манипулятора составляет сотые доли миллиметра. Для обеспечения такой точности узлы вращения должны обладать предельной радиальной жесткостью, практически полным отсутствием люфтов и минимальной массой.
Это позволяет не создавать излишнюю инерцию при реверсивных старт-стопных режимах работы.
Борьба с люфтами при эксплуатации оборудования
Главная инженерная проблема при проектировании робота — кинематический люфт. Микронный зазор в подшипнике у основания манипулятора из-за эффекта рычага превращается в отклонение инструмента на несколько миллиметров на конце стрелы. Для выборки монтажных зазоров устанавливаются подшипники с заводским предварительным натягом. В этом состоянии тела качения плотно зажаты между кольцами, что гарантирует высокую жесткость шарнира при любых векторах нагрузки.
Вторая специфика отрасли — жесткая экономия веса. Чем тяжелее шарниры, тем мощнее требуются серводвигатели для их разгона и торможения. Для снижения массы конструкторы отказываются от общепромышленных серий в пользу узкоспециализированных тонкостенных подшипников. У них разница между наружным и внутренним диаметрами сведена к минимуму, что позволяет разместить опорный узел в жестко ограниченном пространстве роботизированного сустава.
Основные типы опорных узлов для робототехники
Комплектация шарниров базируется на решениях, способных воспринимать комбинированные нагрузки при минимальных габаритах посадочного места. Основные виды:
- Перекрестно-роликовые подшипники (стандарты ISO/DIN). Индустриальный стандарт для большинства роботизированных суставов. Цилиндрические ролики в них расположены крест-накрест под углом 90 градусов друг к другу. Один такой узел одновременно воспринимает радиальные, осевые и опрокидывающие нагрузки, заменяя собой пару радиально-упорных подшипников.
- Тонкостенные шарикоподшипники (международные размерные серии). Применяются в локтевых сочленениях и запястьях коллаборативных роботов (коботов). Характеризуются сверхмалым постоянным поперечным сечением колец, что критически снижает общую массу манипулятора.
- Гибкие шарикоподшипники (ТУ производителей редукторов). Узкоспециализированные детали волновых передач. Их наружное и внутреннее кольца обладают упругой податливостью и деформируются в форме эллипса при каждом обороте вала.
- Опорно-поворотные устройства. Устанавливаются в основание тяжелых промышленных манипуляторов. Воспринимают массу всей конструкции и сильный опрокидывающий момент от вытянутой стрелы с грузом.
Основные места установки
Выбор подшипников жестко привязан к конкретной оси робота и типу используемого понижающего редуктора.
Чаще всего они устанавливаются в следующих узлах робототехнического оборудования:
- Основание и плечо (оси J1–J3). Здесь действуют максимальные опрокидывающие моменты. В этих сочленениях используются циклоидальные редукторы (RV), главные валы которых опираются на массивные перекрестно-роликовые подшипники. Они гарантируют жесткую фиксацию всей консольной конструкции относительно пола.
- Локтевые шарниры и запястье (оси J4–J6). На последних осях манипулятора, отвечающих за наклон и вращение инструмента, габариты узлов минимальны. Сюда устанавливаются компактные волновые редукторы. Они комплектуются встроенными гибкими подшипниками и поддерживающими тонкостенными шарикоподшипниками, обеспечивая прецизионную точность сварочной горелки или захвата.
- Системы линейного перемещения. Если робот установлен на подвижной рельсовой тележке (седьмая ось), для его перемещения применяются профильные рельсовые направляющие с каретками на базе циркулирующих шариковых или роликовых систем.
Вопрос-ответ
Зачем в шарнире применять один перекрестно-роликовый подшипник, если можно поставить два классических радиально-упорных?
Использование двух радиально-упорных подшипников требует длинного посадочного места на валу и сложной системы регулировки преднатяга с помощью стопорных гаек. Перекрестно-роликовый узел объединяет их функции в одном компактном корпусе, сокращая длину шарнира почти в два раза и заметно снижая общий вес сочленения.
Что происходит с гибким подшипником внутри волнового редуктора?
В отличие от стандартного узла, который сохраняет круглую форму, гибкий подшипник принудительно деформируется овальным кулачком (генератором волн). При вращении вала двигателя кольца постоянно изгибаются, передавая волну деформации на зубчатый венец. Для такой работы применяется специальная усталостно-прочная сталь, выдерживающая миллионы циклов изгиба.
Как обслуживаются подшипники внутри суставов манипулятора?
Опоры в шарнирах современных роботов смазываются консистентными синтетическими пастами на весь расчетный срок службы. Благодаря надежным встроенным уплотнениям и отсутствию агрессивной внешней среды замена смазки в подшипниках совпадает с регламентной заменой самого редуктора через 20 000-30 000 часов наработки.
Технико-коммерческий инженер ГК Индатэк Смирнов А. В.
