Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Коллаборативные роботы (коботы) Universal Robots и FANUC CRX занимают ведущие позиции в промышленной автоматизации. Эти 6-осевые манипуляторы спроектированы для безопасной работы рядом с человеком без защитных ограждений, что предъявляет особые требования к точности, компактности и надёжности каждого сустава.
В конструкции каждого сустава кобота ключевую роль играют три компонента: подшипники качения, обеспечивающие опору вращения; волновые (strain wave) редукторы, передающие крутящий момент от серводвигателя к звену манипулятора; система силовой обратной связи, контролирующая усилия для обеспечения безопасного взаимодействия с оператором. Состояние подшипников напрямую влияет на повторяемость позиционирования, люфт в суставах, плавность хода и ресурс робота.
В данной статье рассмотрены конструкции подшипниковых узлов и приводных систем коботов серий Universal Robots UR3e-UR30 и FANUC CRX-5iA/CRX-10iA/CRX-20iA/CRX-25iA, типы применяемых подшипников для редуктора, волновых редукторов Harmonic Drive и встроенных систем безопасности.
Universal Robots (Дания) выпускает серию 6-осевых коботов e-Series (UR3e, UR5e, UR10e, UR16e) и модели нового поколения UR20 и UR30 с переработанной архитектурой суставов. Все модели имеют 6 вращательных степеней свободы, встроенный датчик силы/момента на фланце инструмента и 17 настраиваемых функций безопасности. Данные приведены по официальному коллективному даташиту Universal Robots (ред. декабрь 2024).
* -- расширенная грузоподъёмность при граничных условиях согласно руководству (обновление PolyScope 5.19).
Серия e-Series (UR3e-UR16e) оснащена безкорпусными (frameless) серводвигателями с двойными энкодерами, волновыми редукторами с нулевым обратным зазором во всех шести суставах и встроенным датчиком силы/момента на фланце инструмента. Модели UR20 и UR30 построены на архитектуре суставов нового поколения, обеспечивающей увеличение скорости до 65% и прирост крутящего момента до 25% по сравнению с e-Series.
В каждом суставе коботов Universal Robots применяются перекрёстные роликовые тонкосекционные подшипники (crossed roller bearings). Выбор данного типа обусловлен необходимостью одновременного восприятия радиальных, осевых и моментных нагрузок в компактном корпусе сустава.
На оси 1 (база) и оси 2 (плечо) действуют максимальные нагрузки: масса всех последующих звеньев, полезная нагрузка и динамические силы при разгоне/торможении. Здесь устанавливаются перекрёстные роликовые подшипники увеличенного типоразмера с наружным диаметром от 80 до 120 мм (в зависимости от модели). Скорость базовых осей составляет 180 градусов/с для UR3e/UR5e и 120 градусов/с для UR10e/UR16e/UR20/UR30.
Ось 3 поднимает и опускает верхнее звено манипулятора. Нагрузки здесь ниже, чем на базовых осях, однако подшипник должен обеспечивать высокую жёсткость на опрокидывание. Применяются перекрёстные роликовые подшипники среднего типоразмера. Скорость локтевого сустава -- 180 градусов/с (e-Series) и 150 градусов/с (UR20/UR30).
Три оси запястья обеспечивают ориентацию инструмента. Пространство для размещения подшипников здесь наиболее ограничено, поэтому используются тонкосекционные перекрёстные роликовые подшипники с наружным диаметром от 50 до 80 мм. Малая ширина подшипника (от 5 до 13 мм) позволяет реализовать компактную конструкцию. Скорости запястья существенно различаются: 360 градусов/с (UR3e), 180 градусов/с (UR5e-UR16e), 210 градусов/с (UR20/UR30).
FANUC (Япония) выпускает серию коллаборативных роботов CRX, отличающихся повышенной надёжностью -- производитель заявляет 8 лет эксплуатации без планового технического обслуживания. Данные приведены по официальным даташитам FANUC.
* -- CRX-25iA при грузоподъёмности 30 кг имеет сокращённый радиус 1756 мм.** -- модель CRX-25iA заменена на CRX-30iA.
Все модели FANUC CRX оснащены встроенной системой обнаружения контакта (Contact Stop), функцией Push-to-Escape (отведение при воздействии оператора), функцией Retract (отвод после столкновения с жёстким объектом) и тормозами на всех осях.
Конструкция суставов FANUC CRX основана на той же принципиальной схеме, что и у большинства современных 6-осевых коботов: серводвигатель -- волновой редуктор -- выходной подшипник -- звено манипулятора. FANUC, обладая собственным производством серводвигателей и контроллеров, интегрирует все компоненты в единую систему.
В базовых и плечевых суставах (оси 1-2) серии CRX применяются перекрёстные роликовые подшипники повышенной жёсткости, воспринимающие комбинированные нагрузки. Суставы осей 3-4 оснащаются перекрёстными роликовыми подшипниками меньшего типоразмера с высокой жёсткостью на опрокидывание. В суставах запястья (оси 5-6) используются тонкосекционные подшипники для минимизации габаритов.
FANUC применяет волновые редукторы (Harmonic Drive) в роботах различных классов на протяжении десятилетий. Силовая обратная связь в серии CRX реализована через проприетарные датчики, измеряющие электрический ток в серводвигателях суставов, что позволяет обнаруживать столкновения без отдельного датчика силы/момента на фланце инструмента.
Волновой редуктор (strain wave gear, Harmonic Drive) -- ключевой элемент привода всех шести осей коботов Universal Robots и FANUC CRX. Принцип действия основан на упругой деформации гибкого зубчатого колеса (flexspline), вращаемого эллиптическим генератором волн (wave generator), внутри жёсткого зубчатого колеса (circular spline).
Волновой генератор, установленный на валу серводвигателя, деформирует тонкостенное гибкое колесо в эллиптическую форму. Зубья гибкого колеса входят в зацепление с зубьями жёсткого колеса по большой оси эллипса. Поскольку гибкое колесо имеет на два зуба меньше жёсткого, при полном обороте генератора волн гибкое колесо поворачивается на величину, определяемую разницей в числе зубьев. Это обеспечивает высокое передаточное отношение в одной ступени.
В коботах преимущественно применяются компонентные наборы серий CSF (стандартный крутящий момент) и CSG (повышенный крутящий момент), а также ультратонкая серия CSD для осей запястья. Данные приведены по каталогам Harmonic Drive LLC.
В коботах Universal Robots e-Series применяются волновые редукторы с передаточным отношением 101:1 во всех суставах. S-профиль зуба обеспечивает одновременное зацепление около 30% от общего числа зубьев, что повышает крутильную жёсткость, нагрузочную способность и ресурс по сравнению с классическим эвольвентным профилем.
Редукторные блоки CSF-2UH и CSG-2UH оснащены встроенным перекрёстным роликовым подшипником на выходном фланце. Этот подшипник воспринимает осевые, радиальные и моментные нагрузки от звена манипулятора, исключая необходимость установки отдельного опорного подшипника. Для смазки подшипника применяется Harmonic Grease 4B No.2. Такие блоки востребованы в конструкции коботов, где критично минимизировать число деталей и габариты.
Обеспечение безопасности при взаимодействии с оператором -- ключевое отличие кобота от промышленного робота. Стандарт ISO/TS 15066:2016 (интегрирован в ISO 10218-2:2025) определяет предельные значения силы и давления при контакте робота с частями тела человека.
Все модели Universal Robots оснащены встроенным 6-компонентным датчиком силы/момента на фланце инструмента (J6). Диапазоны измерений существенно различаются в зависимости от модели. Данные по официальному даташиту Universal Robots (декабрь 2024):
Дополнительно в каждом суставе установлены двойные энкодеры -- один на валу двигателя, второй на выходном валу редуктора. Разница показаний позволяет косвенно оценивать крутящий момент в суставе через измерение тока серводвигателя.
В коботах FANUC CRX обнаружение контакта реализовано через проприетарную систему измерения электрического тока в серводвигателях суставов. Это позволяет определять силу и направление внешнего воздействия без отдельного датчика силы/момента на фланце. Такой подход упрощает конструкцию и повышает надёжность. Функции безопасности серии CRX: Contact Stop (остановка при касании), Push-to-Escape (отведение робота рукой оператора), Retract (автоматический отвод после контакта с жёстким объектом).
Перекрёстные роликовые подшипники (crossed roller bearings) -- доминирующий тип подшипников в суставах коботов и промышленных роботов. Конструктивно они состоят из внутреннего и наружного колец, между которыми расположены цилиндрические ролики, установленные поочерёдно под углом 90 градусов друг к другу.
Чередующееся расположение роликов обеспечивает линейный контакт между роликами и дорожками качения (в отличие от точечного контакта в шариковых подшипниках), что кратно повышает жёсткость и грузоподъёмность. Один перекрёстный роликовый подшипник воспринимает одновременно радиальные, осевые и моментные нагрузки, заменяя собой комплект из нескольких подшипников.
Для суставов коллаборативных роботов применяются подшипники с внутренним диаметром от 30 до 100 мм. Например, модель IKO CRBH7013AUU -- герметизированный перекрёстный роликовый подшипник с внутренним диаметром 70 мм, наружным 100 мм и шириной 13 мм. Согласно каталогу IKO, динамическая грузоподъёмность Cr составляет 20,1 кН, статическая C0r -- 27,7 кН.
Материал колец и роликов -- подшипниковая хромистая сталь AISI 52100 (аналог -- сталь ШХ15 по ГОСТ 801-78). Классы точности -- P5, P4 и P2 по ISO 492:2023 (соответствие АБМА: ABEC 5, ABEC 7, ABEC 9). Между роликами устанавливаются полимерные сепараторы, снижающие трение и обеспечивающие плавность вращения.
Повторяемость позиционирования (repeatability по ISO 9283) -- критический параметр для задач сборки, сварки и инспекции. Коботы Universal Robots обеспечивают повторяемость от +/-0,03 мм (UR3e, UR5e) до +/-0,1 мм (UR20, UR30). Коботы FANUC CRX -- от +/-0,03 мм (CRX-5iA) до +/-0,05 мм (CRX-25iA).
На повторяемость влияют два основных источника погрешности в суставе: обратный зазор (backlash) в редукторе и радиальный/осевой зазор в подшипнике. Волновые редукторы Harmonic Drive имеют обратный зазор менее 1 угловой минуты. Перекрёстные роликовые подшипники с преднатягом обеспечивают практически нулевой зазор в опоре.
Кроме люфта, на точность влияют: упругая деформация подшипников и редуктора под нагрузкой (крутильная жёсткость); температурные расширения при длительной работе; износ дорожек качения и зубьев волнового редуктора при наработке.
Коботы обеих серий спроектированы с акцентом на минимальное обслуживание. FANUC заявляет 8 лет безобслуживательной эксплуатации серии CRX. Universal Robots обеспечивает быструю модульную замену суставов.
Подшипники и волновые редукторы заполнены специализированной пластичной смазкой на весь срок службы узла. Для волновых редукторов используется Harmonic Grease SK-1A (типоразмеры 20-65) или SK-2 (типоразмеры 14-17). Перекрёстный роликовый подшипник выходного фланца смазывается Harmonic Grease 4B No.2. Согласно документации Harmonic Drive, смешение консервационного масла поставки с основной смазкой не влияет на рабочие характеристики.
Признаки износа подшипников в суставах кобота: увеличение люфта, ощущаемое при ручном ведении (freedrive); снижение повторяемости при периодической проверке по ISO 9283; повышение шума или вибрации; появление неравномерности вращения. Своевременная замена подшипникового узла предотвращает повреждение смежных компонентов -- зубьев волнового редуктора и посадочных поверхностей корпуса.
Обе платформы используют одинаковый принцип построения суставов -- волновой редуктор с перекрёстным роликовым подшипником. Ключевое различие -- в реализации силовой обратной связи: Universal Robots устанавливает отдельный датчик силы/момента на фланце, а FANUC полагается на токовые датчики серводвигателей. Первый подход обеспечивает более точное измерение внешних сил, второй -- упрощает конструкцию. Также отличается класс защиты: все модели FANUC CRX имеют IP67, тогда как серия UR e-Series -- IP54, а UR20/UR30 -- IP65.
Проектирование и эксплуатация коллаборативных роботов регламентируются следующими стандартами:
Оба производителя сертифицируют свои коботы по EN ISO 10218-1 и EN ISO 13849-1, категория 3, уровень PLd. Рекомендуемая скорость TCP в режиме Power and Force Limiting (PFL) -- не более 250 мм/с согласно ISO/TS 15066. Износ подшипников и увеличение люфтов могут привести к превышению допустимых сил при контакте или нарушению точности остановки, поэтому контроль состояния подшипниковых узлов является частью обеспечения безопасности.
Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий ассортимент подшипников и направляющих для роботизированных систем и промышленного оборудования:
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационно-справочный характер. Автор и издатель не несут ответственности за любые прямые или косвенные убытки, повреждения оборудования, травмы или иной ущерб, возникший в результате использования представленной информации. Технические данные приведены на основе открытых источников и документации производителей по состоянию на момент подготовки материала и могут быть изменены без предварительного уведомления. Для принятия инженерных решений и выбора комплектующих следует обращаться к актуальной документации производителей и привлекать квалифицированных специалистов. Авторы отказываются от любой ответственности за достоверность, полноту и актуальность приведённых сведений.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.