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工程技术人员．链接参考功能结论中列出的支持研究。
近年来，从汽车制造到计算机、通信和消费电子(3C)产品制造，许多行业都对工业机器人有持续的需求。与传统生产线上的自动化专用设备相比，机器人具有优越的操作灵活性和操作能力。因此，它们特别适合多品种和小批量生产，以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
回顾一下，工业机器人是自动控制的可编程多用途机械手，可以在三个或多个轴上移动负载。使用工业机器人的好处包括提高质量和生产率;减少制造的可变性;节约原材料;缩短产品前置时间;降低长期的总制造成本。此外，它们还被广泛用于将人类工人从重复性工作和肮脏或危险的环境中解放出来。
这里展示的是在工厂流水线上使用的工业机器人。工业机器人越来越多地用于运动控制行业，以最大限度地提高生产效率和吞吐量。
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。
模块化机器人关节设计可以提高机器人的灵活性，减少制造时间。
执行器和控制技术的显著进步使得复杂的模块化机器人关节得以发展。模块化机器人关节是标准化的，但能够与无数其他部件和系统连接。模块化允许在设计和机器功能的多功能性;适应性;易于组装。集成机电模块化关节也优于传统机器人-更高的功率密度，动态性能，可靠性和更低的重量。
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。
无框永磁电机是许多机器人关节设计的首选电机。他们提供了紧凑和最小化重量的整体系统惯性，以帮助使机械臂更灵活和更可靠。
某些运动部件制造商非常精通机器人工业中使用的伺服运动部件。OEM合作机器人(cobot)设计具有轻有效载荷，可通过包含一个或多个模块化机器人关节进行优化;一些这样的模块化机器人关节集成了交流永磁(PMAC)伺服电机形式的无框架扭矩电机，以实现简单和安全的设计。精心的工程设计意味着一些无框电机的优化，以坚持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寿命和性能的各种因素。
热效应会降低机器人部件的寿命
高温降低了工业机器人的生活。考虑机电机器人联合模块：这包含一个无框架电机，伺服驱动器，专用传动系统，制动器，编码器或旋转变压器，扭矩传感器，连接电缆等，在一个紧凑的外壳中。正常操作导致该壳体内的发热 - 如果适用，主要来自传动装置，电动机绕组和制动卷 - 以及其他电气元件。如果使用了应变波齿轮齿轮，则齿轮传动是最重要的热源 - 由于齿轮网摩擦，粘性润滑剂剪切摩擦而导致的总功率损失的高达30％，并且投入的能量反复扭曲金属柔性纤维线每次旋转。无效的散热会导致机器人变热并表现出的性能降低。
应变波传动装置在机器人应用中是必不可少的，但也并非没有挑战。
在机器人关节中常见的:应变波传动装置
机器人接头的输出轴通常以10至40rpm旋转。电动机通常在机器人关节运动期间以1,000至4,000rpm旋转，以便短脉冲。因此，齿轮传动减小速度并增加输出时的加速扭矩......相对于其尺寸占地面积（每单位体积的扭矩）和特定扭矩（每单位质量扭矩）。
应变波齿轮传动机构具有明显的优势，证明其在工业应用和机器人中的应用是合理的…例如在单个阶段的高齿轮传动比;在或接近零齿隙，结构简单;精确的扭矩传输;定位精度高，重复性好。应变波传动装置包括椭圆波形发生器、柔花键和圆形花键。柔花键是极限寿命的子部件。在运行过程中，它的弹性变形量会随着椭圆波发生器的旋转而不断变化，并且旋转时必须保持最小的角偏转。因此，柔轮必须在径向上具有柔性，而在切向上具有刚性，才能准确地传递旋转运动。
应变波传动装置中的功率损耗是由于各种机制包含：
由于齿轮啮合引起的摩擦损失在三颗牙齿啮合阶段的Flexspline齿和刚性圆形样条之间 - 接合，接合和接合。与传统的齿轮不同，由于相应的齿在接合中的相应齿之间的小相移，齿在污渍波机构中的齿移动主要是滑动的。在牙齿之间滑动导致能量损失并将组装加热到平衡60到70°C．
由于的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。
机械损失由于周期性重复弹性应变能，由于柔轮的扭转和径向变形。
其中一些功率损失受到操作温度的强烈影响。
传统的传动系统通常表现出一定程度的齿隙。齿隙降低了传动系统的精度，但为润滑和热膨胀提供了空间。考虑到应变波传动装置固有的几乎零齿隙，在高温下，齿轮元件上的热膨胀可能刺激啮合齿轮之间的干涉-并增加齿接触压力和啮合摩擦。
应变波传动装置的磨损特性在很大程度上取决于润滑剂的状态，而润滑剂的状态又受工作温度的影响。过高的温度可能会刺激润滑膜的破裂，从而导致齿轮齿接触表面的磨损损坏。
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。
电动制动器是另一种热源
电动制动器在工业机器人上很常见。在这些应用中，制动器通常包括一个带有机械弹簧机构的电磁感应线圈，以在线圈电压移除时保持摩擦(干扰)状态。制动线圈在电机运动时通电，产生热量。线圈电阻随线圈电阻R的增大而增大C在温度下，随着操作温度T与环境温度T之间的温度差异而变化。一种定义为：
其中α =材料温度系数(对于铜磁性线α = 0.00393 /°C)和T.一种=环境温度和：
=线圈在环境温度下的电阻......因此，如果温度上升30°C以上，环境温度高于环境温度，螺旋电阻增加了12％。
Frameless-motor温度因素
无框架电机适合尺寸和重量是顶级设计目标的应用。与采用的电机相比，这种电机类型可以提供最终用户的商业和技术竞争优势 - 包括高扭矩密度，增强的散热能力，以及定制设计的灵活性。将无框架（定子和转子）电机直接集成到已经支撑齿轮组件的轴承上，最大限度地减少了整体机器人关节尺寸并消除了冗余部件。后者可能包括额外的轴承，以支撑转子，单独的轴和耦合到电动机轴和齿轮组波发生器之间。
在电机制造商目录中列出的额定连续扭矩值基于设定的环境温度 - 通常40°C。当实际环境温度超过额定值时，电机性能劣化，靠近停滞的低速，其输出扭矩降低：
在哪里T.最大限度=最大电机绕组温度，T.一种=额定环境温度，T.一个右=实际环境温度，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一种= 40°C，和T.一个右= 60℃时，降额转矩为原始连续转矩的70.7%。低速时，无帧电机功率损耗主要由电机绕组中的铜损耗控制。绕组电阻造成的功率损失P.L.与当前有关一世电阻电阻rW.：
如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.......反过来，机器人关节臂中的功率损耗更高。
扭矩降低公式不考虑非一世2R.电动机损耗如铁损失......因此，随着这些铁损耗随着速度的函数而增加，扭矩降价将比该计算预测更加明显。
电机芯中的铁损是电机磁路的基本电气频率和磁通密度水平的函数。电动机的极计数决定了定子芯和永磁体的基部频率和设计设定了磁通密度水平。特别地，涡流铁损是基本频率平方和磁通密度平方的函数。
机器人应用的运行速度是框架电机电磁设计的关键因素，电机极数的选择和定子铁芯的设计决定了电机的平衡一世2R.和铁的损失。优化的电磁设计使机器人在运行速度范围内获得最佳的电机效率。
机器人的传感器对热量的敏感性
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．对于磁编码器，磁轮的热膨胀和收缩可以改变磁极的螺距，从而改变输出。
伺服驱动器和其他电子元件
伺服驱动是各种机器人的关键，包括合作机器人、工业铰接机器人和医疗机器人。但在高温下，电子元件的故障率急剧上升。阿伦尼乌斯定律指出，工作温度高于额定温度每增加10°C，预期寿命将减半。
作为电噪声的主要源之一，热噪声由导体内的电子密度中的热噪声产生，因此总是存在于电子电路中。它高度取决于温度 - 换句话说，温度越高，热噪声水平越高。降低热噪声内容的唯一方法是降低操作的温度。
在机器人关节中润滑
润滑对电机和应变波齿轮传动的性能产生了重大影响。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，轴承摩擦受几种因素的影响 - 包括温度，速度，负荷，润滑剂性能和操作条件。温度变化导致显着的润滑脂粘度和分子摩擦变化。冷可显着降低油脂的油释放特性，导致润滑不足 - 磨损潜力和系统故障。作为比较，高温可以沉重或裂成油分子成较小的分子以降低粘度。这可能会诱导轴承漏油。事实上，高温也可以触发另外两个润滑脂衰竭机制：
油氧化可以导致油粘度增加，沉积物和形成保护性润滑膜的能力。润滑脂独特的第二种故障机制是增稠剂保持油相的衰弱能力。在极端条件下，后者可以诱导永久性润滑油。
根据经验，温度每变化10°C，化学反应(包括氧化和热降解)的速率就会变化2倍。这意味着温度升高10°C，反应速度就会加倍，预期寿命减半。随着温度升高，润滑脂失效模式会迅速增加。
恶劣环境下的机器人运动部件
一些类型的工业机器人被设计用于在恶劣环境下操作，如喷漆机器人、焊接机器人、抛光和打磨机器人。诸如潮湿或泥泞的地形、灰尘、湿度、振动和冲击、腐蚀、有毒条件(如辐射)等极端条件都能显著影响机器人的性能和寿命。
具有不同外部涂层，材料和密封件的工业机器人在其经济抵御条件的能力方面有所不同。大多数机器人到达最终用户已经密封。但是在延长的服务期间，热循环可能会导致压力变化和密封故障 - 用于进入路径和允许外部碎片进入机器人内部的地方。
光学编码器通过光电元件(包括细距刻度、发光二极管和光电探测器)检测可能被污染严重损害的旋转运动。随着时间的推移，暴露在灰尘、污垢、水或油中会导致部分或完全的编码器故障。如果光盘破裂或碎裂，特别是使用玻璃光盘的光盘，受到严重振动或冲击的光学编码器也会失败。
轴承对污染也敏感。进入轴承的污垢，灰尘和其他异物可以造成划痕，凹坑和滚道表面上的研磨 - 以及过早损坏。水分可以通过几种方式降解轴承。暴露于水分的轴承可能腐蚀或在其暴露的表面上蚀刻或蚀刻，用于腐蚀的局部斑点。这种腐蚀模式又为过度的噪音，无计划的间隙和腐蚀区域的腐蚀疲劳。
所有其他机器人部件，从电动机到电子部件，暴露在恶劣环境下都会腐蚀。集成到机器人关节的伺服驱动的小型化设计，大大减少了电子元件之间的空间，使它们更容易集成到机器人中。但这种设计也增加了暴露在腐蚀性环境中的风险。实际上，在机器人的整个生命周期中，在机器人的制造、装配、运输和储存的各个阶段都可能发生腐蚀现场操作．
运行过程中装载和振动
机器人的有效载荷和整体系统惯性影响着机器人的动态特性和位置控制精度。机器人的有效载荷是指机器人能够举起的重量，并且超出其自身的结构质量。当机器人承受很高的负载时，传动装置的齿可能会发生断裂。事实上，齿断裂往往是由机械过载超过齿轮材料的抗拉强度造成的。
文章特征图片:通用机器人提供的UR+SFK LIFTKIT码垛实例
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。
根据其位置，方向和移动速度，机器人臂在操作中受到各种外部载荷和惯性力。当机器人执行某些任务时 - 例如携带有效载荷超过其发布的评级，执行快速演习和在非结构化环境中的大型力或时刻 - 机器人可能失去其动态平衡和运动稳定性。在机器人体验到可接受的有效载荷但是一个非常高的惯性的情况下，它可能导致机器人缓慢加速，而不是正常工作，甚至使机器人无法制作命令移动。因此，安全的机器人操作取决于仔细考虑有效载荷（惯性）和有效接触力控制。
应变波齿轮可以具有若干类型的故障模式。Flexspline的疲劳骨折是最常见的故障模式．在应变波齿轮齿轮上的测试表明，早在400万个输入转旋转（对于3,000 rpm运行的电机相当于22.2服务时间），牙齿曲线完全被击穿并损坏了柔性孔牙齿的整个宽度 - 以及大多数圆形花键的宽度 - 来自操作不当．应变波传动装置的输出转矩出现高频振荡(转矩脉动)。这主要是由齿轮啮合振动引起的。
每个机器人系统都有其自身的谐振频率，在此时发生振动。对于旋转激励振动，谐振被称为临界速度。最终用户必须避免在固有谐振频率附近的操作机器人。
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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