机器人中运动组件的环境影响

在这里，我们概述了影响工业机器人关节寿命和性能的主要因素。此功能是贡献的Kollmorgen工程人员．链接是指在特征结束时列出的支持研究。

近年来在众多行业的持续需求 - 汽车制造到计算机，通信和消费电子（3C）产品制造 - 用于工业机器人。与传统生产线中的自动专用设备相比，机器人具有卓越的操作灵活性和能力。因此，它们特别适用于多种品种和小批量生产 - 以便快速响应市场变化和消费者需求。

回到基础：是什么让工业机器人

要审查，工业机器人是自动控制的可编程多用途操纵器，可在三个或更多轴中移动负载。使用工业机器人的优势包括质量和生产率的改善;减少制造变异性;储蓄原料;减少产品铅时间;减少长期总制造成本。此外，它们已被广泛用于自由人工从重复的任务和肮脏或危险环境中释放人工。

增加了工业机器人的使用刺激了利用该技术的全部潜力。案例分数：工业机器人越来越多地用于运动控制行业，以优化制造吞吐量。这已经推动了推动的工业和科学努力设计下一代工业机器人。

执行器和控制技术的显着进展使得复杂的模块化机器人关节的演变。模块化机器人关节标准化尚未与Myriad其他零件和系统相互作用。模块化允许在设计和机器功能中进行多功能性;适应性;和易于装配。集成的机电调整模块化关节优于传统的机器人，以及更高的功率密度，动态性能和可靠性以及较低的重量。

一个警告是，工业机器人可以产生重大的前期投资。在考虑机器人替代昂贵的人工劳动力时，决定性因素是资本投资和机器人服务生活中的投资期。快速回报和长期使用寿命最大化回报。

某些动作组件制造商在机器人行业中使用的伺服运动组件中良好。OEM协作机器人（COBOT）设计具有光有效载荷的设计是通过包含一个或多个模块化机器人关节的优化;一些这种模块化机器人接头以交流的永磁体（PMAC）伺服电机的形式集成无框架扭矩电动机，用于简单安全的设计。仔细的工程意味着某些无框架电机被优化，可粘附到空间或重量限制或性能和可靠性要求。

现在让我们概述影响工业机器人关节长寿和性能的各种因素。

热量效应减少机器人组件的寿命

高温会降低工业机器人的寿命。考虑一个机电机器人关节模块:它包含一个无框电机、伺服驱动器、专用传动系统、制动器、编码器或解析器、扭矩传感器、连接电缆等，在一个紧凑的外壳中。正常的操作会在壳体内产生热量——大部分来自传动装置、电机绕组和制动线圈(如果适用)——以及其他电气和电子元件。如果使用应变波传动装置，传动装置是最重要的热源——由于齿轮啮合摩擦、粘性润滑剂剪切摩擦和每次旋转反复扭曲金属柔轮所投入的能量，传动装置贡献了高达30%的总功率损失。散热无效会导致机器人发热，性能下降。

在机器人关节中常见：应变波齿轮

机器人关节的输出轴通常以10到40转/分的速度旋转。在机器人关节运动过程中，电机通常以1000到4000转/分的转速进行短暂的旋转。因此，齿轮传动降低了速度并增加了输出端的加速扭矩…相对于其尺寸足迹（单位体积的扭矩）和比扭矩（单位质量的扭矩），扭矩密度较高。

应变波动齿轮机构提供了独特的优势，可以证明其在工业应用和机器人中的用途证明，例如在单个阶段中的高档比例;在零间隙或近零间隙和结构简单;精确的扭矩传递;和高定位精度和重复性。应变波齿轮传动装置包括椭圆形波发生器，柔性件和圆形样条。Flexspline是寿命限制的子组件。在操作期间，从椭圆形波发生器的旋转期间，不断变化的弹性变形量 - 并且必须以最小的角度偏转旋转。因此，Flexspline必须在径向方向上是柔性的，但在切向方向上坚硬，以精确地传递旋转运动。

应变波传动装置中的功率损耗是由于各种机制包括：

由于齿轮啮合而导致的摩擦损失在柔轮齿和刚性圆花键之间的三个齿啮合阶段-啮合入、啮合和啮合出。与传统的齿轮传动不同，由于啮合中相应齿之间的小相移，应变波机构中的齿运动主要是滑动。在齿之间滑动会导致能量损失，并将总成加热到60至70°C．

分子摩擦损失润滑剂中的粘性摩擦．

轴承摩擦损失在交叉滚子轴承，波发生器轴承和其他轴承中。

机械损失由于柔性折平的扭转和径向变形，由于周期性重复的弹性应变能量。

这些功率损耗中的一些受到操作温度的强烈影响。

传统的齿轮系统通常表现出一定程度的间隙。间隙降低了齿轮系统的准确性，但为润滑和热膨胀提供空间。考虑到应变波动传动装置固有地具有几乎零间隙，在高温下，其齿轮元件上的热膨胀可以促进啮合齿轮之间的干扰 - 并增加齿接触压力和啮合摩擦。

应变波齿轮的磨损特性在很大程度上取决于润滑剂的条件，又受到工作温度的影响。过高的温度可以促使润滑剂薄膜的击穿，这又允许在齿轮齿接触表面上磨损损坏。

应变波齿轮传动的效率与负荷百分位数（负载扭矩到允许的平均扭矩）和允许操作温度成比例 - 并且与输入速度（齿轮比）成反比。根据制造商和润滑剂额定值，最大升温额定值为50至70°C。

电动制动器是另一个热源

电动制动器在工业机器人上很常见。这些应用中的制动器通常包括具有机械弹簧机构的电磁感应线圈，以在从线圈移除时接合保持摩擦（干扰）状态。在电动机运动期间发电的制动线圈产生热量。然后线圈电阻随线圈电阻r增加_c温度T随工作温度T与环境温度T之间的温差线性变化_一个定义为:

其中α=材料温度系数（用于铜磁线α= 0.00393 /°C）和T_一个=环境温度和：

=线圈在环境温度下的电阻…所以如果温度高于环境温度30°C，线圈电阻增加12%。

无框架电机温度考虑

无框架电机适用于尺寸和重量是首要设计目标的应用场合。与封闭式电机相比，这种电机类型可能为最终用户提供商业和技术竞争优势，包括高转矩密度、增强散热能力和定制设计的灵活性。将无框架（定子和转子）电机直接集成到已经支撑传动部件的轴承上，可最大限度地减小机器人的整体关节尺寸，并消除冗余部件。后者可能包括额外的轴承，以支持转子，分离轴和耦合之间的电机轴和齿轮组的波发生器。

电机制造商目录中列出的额定连续转矩值是基于设置的环境温度-通常是40°c。当实际环境温度超过额定值时，电机性能下降，在低速接近失速时，其输出转矩降低:

在哪里？t_最大限度=最大电机绕组温度，t_一个=额定环境温度，t_A，R.=真实环境温度，T_c=额定连续（低速）扭矩和T_光盘=实际环境温度下降级扭矩。所以，有t_最大限度= 80°C，T_一个= 40°C，和t_A，R.= 60°C，降级的扭矩是原始连续扭矩的70.7％。在低速时，无框架电动机电源损耗由电机绕组中的Coper损耗主导。由于绕组阻力导致的功率损耗P_l与当前有关我和电气绕组电阻R_w:

如图所示R_C，T.与制动线圈相关的前面讨论的等式，更高的温度直接导致较高的绕组阻力R_w…而这又会导致机器人关节臂的功率损失更大。

扭矩排放式公式不会占非 -我^2.R电机损耗，如铁损耗…因此，随着这些铁损耗作为速度的函数增加，转矩降额将比此计算预测的更为明显。

电机铁心的铁损是电机磁路的基频和磁通密度的函数。电机的极数决定基频，定子铁芯和永磁体的设计决定磁通密度水平。特别地，涡流铁损是基频平方和磁通密度平方的函数。

机器人应用的运行速度是无框架电动机的电磁设计中的关键因素，因为选择的电机杆计数和定子核心的设计决定了平衡我^2.R和铁损失。优化的电磁设计导致机器人运行速度范围内的最佳电机效率。

机器人的传感器对热量敏感

机器人使用许多传感器 - 包括编码器，拆分器和扭矩传感器。这些传感器的关键特性是它们对温度的敏感性。对于光学编码器，温度的增加导致LED光输出的减少。热膨胀也会影响光学编码器性能。实际上，热膨胀可以在一些情况下将盘和源（检测器）之间的气隙缩小0.020。（0.51毫米）。这种热膨胀的极端实例可以使子组件接触并导致编码器损坏或甚至灾难性的失败．对于磁性编码器，磁轮的热膨胀和收缩可以改变磁极的间距，从而改变输出。

伺服驱动和其他电子元件

伺服驱动器是各种机器人的关键，包括Cobots，工业铰接式机器人和医疗机器人。但电子元件故障利率在高温下飙升。Arrhenius法律规定，每10°C增加工作温度超过额定温度，预期寿命将减半。

热噪声是电噪声的主要来源之一，它是由导体内部电子密度的热起伏引起的，因此一直存在于电子电路中。它在很大程度上取决于温度-换句话说，温度越高，热噪声水平越高。降低运行温度是降低热噪声含量的唯一途径。

在机器人关节中润滑

润滑对电机和应变波传动的性能都有重要影响。几种轴承类型用于机器人-交叉滚子轴承，波发生器轴承，和常规深沟球轴承。这些轴承由矿物油基润滑脂润滑。

当然，轴承摩擦受到几个因素的影响——包括温度、速度、负载、润滑剂性能和操作条件。温度的变化会引起油脂粘度和分子摩擦的显著变化。冷可以显著降低油脂的油脂释放特性，导致润滑不足，有磨损和系统故障的潜在风险。作为一个比较，高温可以使油分子变得更小的分子，从而降低粘度。这可能导致轴承漏油。事实上，高温还会引发其他两种情况油脂失败机制:

机油氧化会导致机油粘度增加、沉积，并丧失形成保护性润滑膜的能力。润滑脂特有的第二种失效机制是增稠剂保留油相的能力减弱。在极端条件下，后者会导致润滑油的永久损失。

通常，化学反应（包括氧化和热降解）的化学反应速率（包括氧化和热降解）每10℃的温度变化为两个倍数。这意味着将温度提高10°C使反应速度加倍 - 减半的预期寿命。升高的温度随着它们的增加而快速驱动润滑脂衰竭模式。

恶劣环境中的机器人运动组件

某些类型的工业机器人旨在在恶劣的环境中运行，例如喷涂机器人，焊接机器人和抛光机器人。这种极端条件如潮湿或泥泞的地形，灰尘，湿度，振动和休克，腐蚀，毒性条件（如辐射）等可能会显着影响机器人的性能和生活。

工业机器人具有不同的外部涂层、材料和密封件，它们承受恶劣环境的能力也不同。大多数机器人到达终端用户时已经密封了。但是在长时间的使用后，热循环可能会导致压力变化和密封失效——外部碎片进入机器人内部的入口路径和地方。

光学编码器通过污染严重损害的光电元件（包括细间距尺度，LED和光电探测器）检测旋转运动。暴露于灰尘，污垢，水或油可以随着时间的推移导致部分或完全的编码器失效。如果光盘裂缝或碎屑的显着振动或震动的光学编码器也会失败 - 尤其是使用玻璃盘的那些。

轴承对污染也很敏感。污垢、灰尘和其他异物进入轴承会导致滚道表面出现划痕、凹坑和研磨，以及过早损坏。湿气可以通过几种方式使轴承劣化。暴露在湿气中的轴承可能会腐蚀或在其暴露表面上蚀刻局部腐蚀点。这种腐蚀模式反过来又会导致过度噪音、计划外间隙和腐蚀区的腐蚀疲劳。

从电动机到电子元件的所有其他机器人部件都可以在暴露于恶劣环境时腐蚀。集成在机器人关节中的伺服驱动器的小型化设计在电子元件之间大大降低了空间，使其更容易集成到机器人中。但这种设计也提高了腐蚀设置中曝光的风险。在实践中，在机器人的制造，装配，运输和存储的各个阶段以及机器人的各个阶段，以及机器人的整个生命周期中可能会发生腐蚀，以及现场操作．

操作过程中的加载和振动

机器人有效载荷和整体系统惯性会影响机器人动态特性和位置控制精度。机器人有效载荷是指机器人可以抬起并超越自身结构质量的重量。当机器人承载非常高的负荷时，缝隙的齿部可能发生裂缝。事实上，牙齿破损通常由超过齿轮材料的拉伸强度的机械过载引起的。

整体系统惯性是负载惯量和机器人惯性的总和。它在旋转动力学中起着关键作用，并且代表了装载物体和机器人抵抗运动变化的趋势 - 即速度和方向。更高的系统惯性通常用于降低定位控制精度。也就是说，今天具有高分辨率反馈设备的最新高带宽驱动技术，最大限度地减少了许多这些影响和局限性。

操作中的机器人手臂受各种外部载荷和惯量的力，这取决于它的位置、方向和移动速度。当机器人执行某些任务时——例如携带超过其公布的额定载荷、执行快速机动、在非结构化环境中相互作用大的力或力矩——机器人可能会失去动态平衡和运动稳定性。当一个机器人经历了一个可接受的有效载荷，但一个非常高的惯性，它可能会导致机器人加速缓慢，不能正常工作，甚至使机器人无法做出命令的移动。因此，机器人的安全运行取决于认真考虑有效载荷(惯性)和有效接触力控制。

应变波齿轮可能有几种失效模式。柔性花键的疲劳断裂是最常见的故障模式．测试应变波传动装置表明,早在四百万年输入革命(电动机运行在3000 rpm这相当于22.2服务时间)齿廓完全淹没,破坏整个宽柔的牙齿,最宽的圆形样条——从操作不当．更重要的是，应变波动齿轮件在其输出扭矩中表现出高频振荡（扭矩波动）。这主要是齿轮啮合振动。

每一个机器人系统都有它自己的共振频率。对于旋转激励振动，共振称为临界转速。最终用户必须避免在接近其固有共振频率的情况下操作机器人。

工业机器人经常在复杂的环境中运行，同时与人工互动并进行各种各样的任务。事实上，动态稳定性是影响机器人性能和工作场所安全的最关键因素之一，特别是对于具有大有效载荷，宽移动范围和高移动速度的机器人。

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支持本文的参考：

[1] Schafer，I.等。al。（2005）。空间润滑和谐波驱动性能。第11届ESMATS研讨会，第11届综合作品。65-72，瑞士卢塞恩

[2] Kircanski，N. M.和Goldenberg，A. A. A. 1997.一种具有谐波驱动和扭矩传感器的机器人关节中的非线性刚度，滞后和摩擦效应的实验研究。国际机关。机器人研究学报16（2）：214-230。

[3] Dynapar：温度和湿度如何影响编码器性能．

[4] Bilgin, B.， Sathyan, A.(2014)。电机基础，在高级电力驱动车辆(Ali Emadi编辑)。CRC Press: Boca Raton, FL。

[5]埃克森美孚公司。2012年：润滑脂基础知识．

[6]洛基，A.和Kakitis，A. 2012。评估影响Greenhouses机器人的环境因素。第11届INTL的诉讼程序。科学会议 - 农村发展，PP。151-156。果冻，拉脱维亚..

[7] Schafer，I，Bourlier P，Hantschack，F，Roberts，E. W.，Lewis，S. D，Forster，D. J.等人。2005.空间润滑和谐波驱动齿轮的性能。第11届ESMATS研讨会，第65-72页的诉讼程序。瑞士卢塞恩。

[8] Johnson，M. R.，Gehling，R.和Head，R. 2006.谐波齿轮在验证马斯侦察轨道飞船的双轴万向节期间的谐波齿轮失效。38航空航天机制研讨会的诉讼程序。威廉斯堡，弗吉尼亚州。

[9]巴迪西亚，H. K. D. H. 2016。防止钢中的氢脆。国际电工技术学报。56(1):24-36。

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