近年來，各行各業(yè)將更多工業(yè)機器人納入生產(chǎn)線的需求不斷增加，從現(xiàn)代汽車制造到3C（計算機，通信和消費電子）產(chǎn)品制造。與傳統(tǒng)生產(chǎn)線上的自動化專用設(shè)備相比，機器人操作靈活而且能力出眾，因此特別適用于多品種和小批量生產(chǎn)，以便快速響應(yīng)市場變化和消費者需求。
　　工業(yè)機器人是用自動可編程控制器控制的三軸或多軸的多用途機械臂。使用工業(yè)機器人的經(jīng)濟和社會優(yōu)勢有以下幾點，提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品一致性，節(jié)省原材料，縮短產(chǎn)品交貨時間，以及降低長期總制造成本。此外，它們還將工人從高度重復(fù)性的任務(wù)、骯臟和危險環(huán)境中解放出來。　　在過去幾年中，為應(yīng)對顯著增長的應(yīng)用需求，工業(yè)機器人的裝機數(shù)量快速增長，正在釋放技術(shù)的全部潛力。在精密運動控制行業(yè)，工業(yè)機器人正在越來越多地被用于制造業(yè)，以最大化提高生產(chǎn)率和產(chǎn)能（見圖1）。如今，越來越多的工業(yè)和科技致力于設(shè)計先進的下一代工業(yè)機器人。　　在執(zhí)行器和控制技術(shù)方面的顯著進步，已經(jīng)促成了先進的模塊化機器人關(guān)節(jié)的發(fā)展。作為模塊化關(guān)節(jié)，其必須是標(biāo)準(zhǔn)化的獨立工作單元，同時能夠與各種其他部件和系統(tǒng)接口匹配，以創(chuàng)建復(fù)雜的機器人系統(tǒng)。模塊化能夠滿足設(shè)計和機械制造的多樣化，根據(jù)用戶需要進行調(diào)整的能力，以及便于裝配。通常，高度集成的機電模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計比傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)相比有若干優(yōu)點，包括高功率密度，更輕的重量，高動態(tài)性能和可靠性。這種設(shè)計可以提高機器人的靈活性，減少制造時間和總體成本（圖2）。
　　雖然將機器人集成到企業(yè)中會顯著增加前期投資成本，但使用工業(yè)機器人可以顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率。在考慮使用機器人替換技術(shù)熟練和日益昂貴的人工時，有幾個重要的決定性因素：（a）資本投資的回收期，（b）機器人的使用壽命。很顯然，投資回收期短和長使用壽命將會讓投資機器人變得具有吸引力。　　憑借超過100多年的行業(yè)經(jīng)驗，科爾摩根生產(chǎn)了數(shù)十萬個用于機器人行業(yè)的伺服運動部件。通過利用一個或多個模塊化關(guān)節(jié)，可以顯著優(yōu)化輕型載荷機器人（Cobot）的設(shè)計和裝配；并且這些模塊化機器人關(guān)節(jié)使用科爾摩根優(yōu)化設(shè)計后的無框力矩電機，LVDC驅(qū)動器，專用諧波減速機，制動器，雙反饋系統(tǒng)，以及熱傳感器。模塊化機器人關(guān)節(jié)集成了科爾摩根無框伺服電機，這使得機器人的開發(fā)變得簡單，快速和安全。精益化的工程設(shè)計使得科爾摩根能夠提供針對空間，重量，性能，可靠性和使用壽命都獲得優(yōu)化的無框電機。　　本文的目的是討論影響工業(yè)機器人關(guān)節(jié)使用壽命和性能的各種因素。　　熱效應(yīng)　　溫度是影響工業(yè)機器人使用壽命的主要因素。作為機電一體化技術(shù)的范例，機器人關(guān)節(jié)模塊將大量組件，包括無框電機，伺服驅(qū)動器，專用減速機系統(tǒng)，制動器，編碼器/旋轉(zhuǎn)變壓器，轉(zhuǎn)矩傳感器，連接電纜等，集成到單一外殼中以最大限度減小占用空間。在正常工作中，機器人關(guān)節(jié)外殼內(nèi)存在各種熱源，比如齒輪傳動系統(tǒng)，電機繞組，制動線圈（如適用），以及其他電氣/電子部件。其中，如果采用諧波減速器，那么這種傳動系統(tǒng)通常是主要的發(fā)熱源，其總功率損耗高達30%，這主要是由于齒輪嚙合摩擦，潤滑劑中的粘性剪切摩擦，以及金屬柔輪在每圈多次重復(fù)形變的能量。其他主要熱源包括電機繞組和制動線圈。如果無法有效散熱，將會導(dǎo)致機器人快速升溫，使得各種關(guān)鍵部件的性能降低。　　應(yīng)變波傳動　　機器人關(guān)節(jié)模塊的輸出軸通常以10-40 rpm的低速旋轉(zhuǎn)。電機通常以高速旋轉(zhuǎn)（例如，在機器人關(guān)節(jié)運動期間的短時間內(nèi)為1000-4000 rpm），因此在機器人中使用減速機。這種減速機系統(tǒng)被用于機器人以降低速度和顯著提高減速機輸出側(cè)的加速轉(zhuǎn)矩。這種減速機系統(tǒng)實現(xiàn)了相對于其緊湊尺寸極高的轉(zhuǎn)矩密度（單位體積的轉(zhuǎn)矩）和轉(zhuǎn)矩比（單位質(zhì)量的轉(zhuǎn)矩）。應(yīng)變波傳動結(jié)構(gòu)的獨特性能，使得它廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，特別是機器人中的使用，這是由于它具有單級高傳動比，幾乎零背隙，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩傳遞精確，以及高定位精度/可重復(fù)性。應(yīng)變波齒輪由三個主要部件組成：橢圓形波發(fā)生器，柔性齒輪，以及剛性齒輪（圖3）。其中，柔性齒輪是實現(xiàn)傳動系統(tǒng)長使用壽命最關(guān)鍵的部件。在運行過程中，它將受到不斷變化的橢圓形波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的彈性變形量的影響，并且還必須以最小的角度偏轉(zhuǎn)進行旋轉(zhuǎn)。因此，柔性齒輪必須在徑向上是柔性的，但在切向方向上是剛性的，以便準(zhǔn)確傳遞旋轉(zhuǎn)運動。
　　應(yīng)變波傳動裝置會由于各種機制導(dǎo)致功率損耗【1】，包括：　　由于柔輪和剛輪的齒之間的齒輪嚙合在三個齒嚙合階段導(dǎo)致摩擦損耗：嚙入，嚙合，和嚙出。與傳統(tǒng)齒輪不同，應(yīng)變波結(jié)構(gòu)中齒的運動主要是滑動，這是因為在咬合過程中對應(yīng)的齒之間小的相位偏移。齒之間的滑動效應(yīng)導(dǎo)致能量損耗，使裝置溫度升高至約60-70oC [2]。　　由于潤滑劑中的粘性摩擦所導(dǎo)致的分子摩擦損耗。　　交叉滾子軸承，波發(fā)生器軸承，以及其他軸承中的軸承摩擦損耗。　　柔性齒輪扭轉(zhuǎn)和徑向變形所導(dǎo)致的周期性重復(fù)彈性應(yīng)變能量機械損耗。　　其中一些功率損耗受到工作溫度的強烈影響。　　傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)通常具有一定程度的背隙。雖然背隙會降低傳動系統(tǒng)的精度，但是它也為潤滑提供了空間并允許熱膨脹。鑒于應(yīng)變波傳動固有地幾乎零背隙，在高溫下，其齒輪部件上的熱膨脹可能會導(dǎo)致嚙合齒輪之間的干涉，從而增加齒接觸壓力和嚙合摩擦。　　應(yīng)變波傳動的磨損特性受到潤滑劑狀態(tài)的強烈影響，而潤滑劑狀態(tài)會受到工作溫度的影響。過高的溫度可能會導(dǎo)致潤滑膜破裂，導(dǎo)致齒輪齒接觸表面損壞。　　通常，應(yīng)變波齒輪的效率正比于負(fù)載率（負(fù)載轉(zhuǎn)矩/允許平均轉(zhuǎn)矩）和可允許工作溫度，并與輸入速度（傳動比）成反比。最高額定溫度范圍50 - 70 oC，取決于制造商和潤滑劑額定值。　　電動制動器　　電動制動器通常用于工業(yè)機器人。制動器通常包括電磁感應(yīng)線圈結(jié)合機械彈簧結(jié)構(gòu)，當(dāng)電壓從線圈上移除時，該結(jié)構(gòu)將會處于保持摩擦/干涉狀態(tài)。作為機器人中的熱源之一，當(dāng)線圈在電機運動過程中通電時將會產(chǎn)生熱量。由于線圈變熱，線圈的電阻增加。在溫度T時的線圈阻抗Rc隨工作溫度T和定義的環(huán)境溫度Ta之差呈現(xiàn)線性變化，表示為
　　其中α是材料溫度系數(shù)（針對銅磁線，α = 0.00393/oC），Ta是定義的環(huán)境溫度，Rc,Ta是線圈在環(huán)境溫度下的電阻。例如，如果工作溫度上升至比環(huán)境溫度高30oC，則線圈電阻將會增加12%。　　無框電機　　無框電機（圖4）的開發(fā)旨在用于尺寸和重量是主要因素的應(yīng)用。與有框電機相比，這種類型的電機可以在商業(yè)和技術(shù)方面為客戶提供競爭優(yōu)勢，包括更高的轉(zhuǎn)矩密度，更強的散熱能力，以及針對定制系統(tǒng)的靈活性。將無框電機套件（僅限定子和轉(zhuǎn)子）直接集成到支撐傳動組件的同一軸承系統(tǒng)，可以最大限度縮小整個關(guān)節(jié)組件的尺寸，并消除冗余部件。　　例如，使用集成無框電機套件可以消除支撐轉(zhuǎn)子的軸承，單獨的軸以及讓電機軸接合應(yīng)變波軸承輸入（波發(fā)生器）的聯(lián)軸器。
　　電機制造商產(chǎn)品目錄中列出的額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩是基于特定的環(huán)境溫度，該溫度通常為40oC。當(dāng)實際環(huán)境溫度超過額定環(huán)境溫度時，電機性能將會下降，并且其輸出轉(zhuǎn)矩將會相應(yīng)降低，使用的公式為
　　其中，tmax是最大電機繞組溫度，ta是額定環(huán)境溫度，ta,r是實際環(huán)境溫度，Tc是額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩，Tc,d是實際環(huán)境溫度下的降額轉(zhuǎn)矩。例如，當(dāng)tmax = 80°C, ta = 40°C, 以及 ta,r = 60°C時，降額轉(zhuǎn)矩將會變?yōu)樵歼B續(xù)轉(zhuǎn)矩的70.7%。值得注意的是，該公式并未考慮非I2R損耗，在一定轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)損耗將會導(dǎo)致比該計算預(yù)測值更明顯的轉(zhuǎn)矩降額。　　如同制動線圈電阻一樣，電機繞組電阻Rw是機器人中產(chǎn)生熱量的主要因素之一。如方程（1）所示，更高的溫度直接導(dǎo)致更高的繞組電阻，反過來也導(dǎo)致機器人關(guān)節(jié)臂中更高的功率損耗。事實上，連續(xù)轉(zhuǎn)矩與電機繞組電阻和熱阻乘積的平方根成反比。　　由繞組電阻導(dǎo)致的功率損耗Pl與電流i以及電繞組電阻Rw相關(guān)，功率損耗的增加直接導(dǎo)致電機效率降低。
　　傳感器　　機器人中使用了各種傳感器，比如編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，和扭矩傳感器。傳感器的關(guān)鍵特性之一是它們對于溫度的敏感性。實際上，溫度對不同類型的傳感器具有不同的影響。對于光學(xué)編碼器，溫度的升高會導(dǎo)致LED光輸出減少。熱膨脹是另一個影響光學(xué)編碼器性能的重要因素。據(jù)報道，熱膨脹可能會使圓盤與源/探測器之間的氣隙縮小0.020英寸（0.51 毫米）。在極端溫度下，這種熱膨脹會使部件相互接觸，從而導(dǎo)致編碼器損壞甚至災(zāi)難性故障【3】。對于磁編碼器，磁輪的熱膨脹和收縮可能會改變磁極的間距，從而改變輸出。　　伺服驅(qū)動器和其他電子元件　　伺服驅(qū)動器在各種機器人中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，包括協(xié)作機器人，工業(yè)多關(guān)節(jié)機器人，醫(yī)療機器人等。已經(jīng)證明，電子元件故障率在高溫下會大幅增加。Arrhenius定律指出，工作溫度每超過額定溫度10℃，預(yù)期使用壽命就將減半。　　作為電氣噪聲的主要來源之一，熱噪聲源于導(dǎo)體內(nèi)電子密度的熱波動，因此在電子電路中始終存在。它高度依賴于溫度，即溫度越高，熱噪聲水平就越高。降低熱噪聲的唯一方法就是降低工作溫度。　　稀土磁體　　如今，在制造同步電機時使用稀土永磁體在電機制造商中已變得非常普遍。在過去的幾十年中，兩種類型的稀土磁體，釹鐵硼（NdFeB）和釤鈷（SmCo）磁體已廣泛用于伺服電機，因為它們具有出色的性能和磁性。然而，需要注意的是，稀土磁體的性能，特別是NdFeB（取決于重稀土元素在整體構(gòu)成中的百分比），對溫度非常敏感。例如，溫度每升高1攝氏度，NdFeB磁體材料的磁通密度會快速降低約0.11%。如果所使用牌號的NdFeB矯頑力過低，可能會發(fā)生永久性退磁，從而有可能喪失材料功能【4】。NdFeB制造商提供不同的材料等級，添加更高比例的重稀土元素（Dy等），以提高矯頑力等級，以便使其在更高溫度應(yīng)用中運行，而不會導(dǎo)致退磁的風(fēng)險。SmCo 2-17材料具有更高的溫度穩(wěn)定性和抗退磁性，但是其Br（剩余磁通密度）值遠低于許多最高性能等級的NdFeB。因此，如果電機性能或所需的轉(zhuǎn)矩密度要求高于30-35 MGOe磁能產(chǎn)品，則SmCo 2-17材料不能提供所需的磁通密度，而必須使用NdFeB材料。　　軸承潤滑　　潤滑是機器人的一個關(guān)鍵要素，并且對于電機和諧波傳動的性能具有顯著影響。多種類型的軸承被用于機器人，包括交叉滾子軸承，波發(fā)生器軸承，以及常規(guī)深溝球軸承。這些軸承通過礦物油基潤滑劑潤滑。已經(jīng)獲得廣泛公認(rèn)的是，軸承潤滑效果受到多種因素的影響，比如溫度，速度，載荷，潤滑劑特性，以及運行條件。溫度變化會導(dǎo)致潤滑脂粘度的變化，進而會導(dǎo)致分子摩擦。例如，高溫可能會將油分子剪切/裂解成較小的分子，從而導(dǎo)致粘度降低。這可能會導(dǎo)致軸承油脂泄露或損失。相比之下，低溫會顯著降低潤滑脂的釋油特性，導(dǎo)致潤滑不足，并且可能會導(dǎo)致磨損，最終導(dǎo)致設(shè)備故障。高溫會引發(fā)許多不同的潤滑脂失效機制，直接影響潤滑脂的有效使用壽命。在高溫下，可能會出現(xiàn)兩種導(dǎo)致潤滑脂失效的機制【5】：　　第一種機制是油氧化，這會導(dǎo)致油粘性增加，沉積，以及失去形成保護潤滑膜的能力。第二種機制是潤滑脂獨有的，即喪失增稠劑保持油相的能力。這種溫度驅(qū)動的趨勢在極端情況下會導(dǎo)致潤滑油的永久性損失。　　根據(jù)經(jīng)驗，溫度每升高10oC，化學(xué)反應(yīng)速率（包括氧化和熱降解）將會變化2倍，例如，溫度升高10oC會使反應(yīng)速率加倍，從而使預(yù)期壽命減半。隨著溫度的升高，潤滑脂將很快失效。　　嚴(yán)苛環(huán)境　　某些類型的工業(yè)機器人被設(shè)計在嚴(yán)苛環(huán)境下工作，比如噴漆機器人，焊接機器人，以及拋光/打磨機器人。比如潮濕或泥濘環(huán)境，灰塵，濕度，振動/沖擊，腐蝕，有毒條件（例如輻射）等極端條件，會顯著影響機器人的性能和使用壽命。　　工業(yè)機器人耐受嚴(yán)苛條件的能力各有不同。這取決于外部涂裝，材料選擇，以及密封方法。大部分機器人在到達客戶手中時已經(jīng)由機器人制造商進行了密封。經(jīng)過長時間使用之后，熱循環(huán)可能會導(dǎo)致壓力變化和密封失效，從而為外部碎屑進入機器人創(chuàng)造了一條路徑。　　光學(xué)編碼器依靠光電元件來檢測旋轉(zhuǎn)運動，因此它們可能會受到污染的嚴(yán)重?fù)p害。當(dāng)編碼器部件（比如細間距刻度，LED，和光電探測器）受到灰塵，污垢，水，或油的長期污染時，編碼器可能會部分或完全失效。光學(xué)編碼器通常很容易受到多種類型的損壞。因為光學(xué)編碼器受到高水平的振動或沖擊時，光盤可能會破裂甚至破碎，特別是使用玻璃光盤。　　軸承對污染也很敏感。當(dāng)污垢，灰塵和其他異物進入軸承時，它們會在滾道表面導(dǎo)致劃痕，凹痕以及磨損。暴露于潮濕環(huán)境中的軸承可能會在其暴露的表面上造成腐蝕或遭到蝕刻，從而導(dǎo)致單獨的腐蝕斑點。這種腐蝕模式會降低正常的軸承性能，并導(dǎo)致腐蝕區(qū)域產(chǎn)生過大的噪音，間隙，或腐蝕疲勞。　　從電機到電子元件的所有其他機器人部件在暴露于嚴(yán)苛環(huán)境時可能會發(fā)生腐蝕。集成到機器人關(guān)節(jié)的伺服驅(qū)動器的小型化設(shè)計，大幅減小了電子部件之間的空間，使其更容易集成到機器人中，然而也使得它們暴露于腐蝕性環(huán)境的風(fēng)險上升。在實踐中，在機器人的整個使用壽命過程中都可能發(fā)生腐蝕，包括機器人的制造，組裝，運輸和存儲，以及現(xiàn)場運行的各個階段【6】。　　運行條件　　機器人有效載荷和系統(tǒng)整體慣量是影響機器人動態(tài)特性和位置控制精度的關(guān)鍵因素。機器人有效載荷是指機器人除了自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量外還可以提升和移動的重量。當(dāng)機器人承受非常高的載荷時，齒輪齒可能會發(fā)生斷裂。事實上，齒斷裂通常是由于機械過載超出了齒輪材料的拉伸強度所導(dǎo)致。　　系統(tǒng)的總慣量被定義為負(fù)載慣量與機器人慣量之和。它在旋轉(zhuǎn)動力學(xué)中起關(guān)鍵作用，并且代表著加載物體和機器人抵抗運動變化的趨勢，更具體地說，是速度和移動方向。通常，系統(tǒng)整體慣量越高，定位控制精度越低。但是，當(dāng)今最新的帶有高分辨率反饋設(shè)備的高帶寬（BW）驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)將其中的許多影響和限制降至最低。　　在運行中，取決于其位置，朝向和運動速度，機器人的機械臂將會受到各種外部負(fù)載和慣性力的影響。當(dāng)機器人執(zhí)行某些任務(wù)時，比如搬運超出其額定值的有效載荷，執(zhí)行快速操縱，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下與較大的力/力矩相互作用時，機器人可能會失去其動態(tài)平衡和運動穩(wěn)定性。值得注意的是，當(dāng)機器人經(jīng)歷可以接受的有效載荷但具有非常高慣性的時候，可能會導(dǎo)致機器人緩慢加速，無法正常工作，甚至導(dǎo)致無法做出指令動作。為了確保安全的機器人運行，必須仔細考慮有效載荷/慣性和有效的接觸力控制。　　應(yīng)變波齒輪可能具有多種類型的失效模式。柔性齒輪的疲勞斷裂是最常見的失效模式【7】。應(yīng)變波齒輪測試結(jié)果顯示，當(dāng)達到400萬輸入旋轉(zhuǎn)（對于以3000 rpm運轉(zhuǎn)的電機，這相當(dāng)于22.2個工作小時）時，齒形在柔輪齒的整個寬度上，以及剛性齒輪的大部分寬度上由于不當(dāng)操作而完全擦除或損壞【8】。此外，應(yīng)變波齒輪的一個重要特征就是輸出轉(zhuǎn)矩信號的高頻振蕩，稱為轉(zhuǎn)矩抖動。這主要是由齒輪嚙合振動所導(dǎo)致。　　每個機器人系統(tǒng)都有自己的共振頻率，在該頻率上將會發(fā)生振動。對于旋轉(zhuǎn)激發(fā)的振動，共振頻率被稱為臨界速度。在運行期間，避免在其固有共振頻率附近操作機器人非常重要。　　每個工業(yè)機器人的系統(tǒng)，通常都在復(fù)雜環(huán)境中運行，同時與人類同時進行密切交互，以及執(zhí)行各種任務(wù)。事實上，動態(tài)穩(wěn)定性是影響機器人性能和工作場所安全最關(guān)鍵的因素之一，特別是對于具有高有效載荷，寬運動范圍，以及高移動速度的機器人。　　氫脆化　　氫脆化是指由于原子氫的存在而導(dǎo)致高強度材料（例如，鋼，鈦合金和鋯合金）的延展性損失/降低的現(xiàn)象。氫脆化可能會在預(yù)鍍工藝中（比如清潔和酸洗）發(fā)生。此外，當(dāng)機器人在富氫環(huán)境（例如焊接）中運行時，氫原子可能會穿透機器人部件。　　出于美觀原因和耐腐蝕性，許多工業(yè)機器人使用電鍍緊固螺釘。因此，這些螺釘具有由于氫脆化而突然失效的風(fēng)險。為了避免這種風(fēng)險，建議對工業(yè)機器人使用黑色氧化緊固件【9】，或者電鍍后立即通過精心設(shè)計/控制的烘烤工藝的電鍍緊固件。　　參考文獻Schafer, I. et. al. 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