上一篇我们主要讲柔性轴承,也就是波发生器的生产过程,这一期我们捋一下柔轮与刚轮,以及交叉滚子轴承与油封的生产过程。
根据我们之前的了解,在工作状态下,刚轮是圆的,而且柔轮并不是。工作时,先把柔性轴承压入柔轮中,把柔轮带轮的部分撑开成椭圆形,达到与钢轮啮合的目的。所以理论上如果原本柔轮是一个圆型的话宠物用品,柔性轴承压入后,长轴端应该会变成锥形,下图是一个夸张的演示。
这个时候,如果在柔轮与刚轮的齿可以充分啮合的话,刚轮上的齿也会变成锥形,这样齿与齿之间才能充分啮合。
但是,在实际的厂家中,却没有人采用这样的做法,因为这种啮合方式很奇怪,会有很多问题。所以现在普遍采用的方式是刚轮还是正常的直齿,而柔轮的齿则是带一个很小的锥度,这时,当柔性轴承压入后,长轴撑开,刚好把柔轮的齿撑成直的,与刚轮形成正常的齿轮啮合。
刚轮的主要生产过程包含下料——热处理——外形加工——齿加工等几个大的步骤,钻孔攻牙那此常规的加工没有什么可讲的,我们就忽略。
如果是打样,一般会采用40Cr棒料加工,因为打样的齿经常是线割出来的,球墨铸铁不太好。但是我们上次也说,线割会有接刀,效果也慢,量产不合适。
到了量产阶段,则会采用球墨铸铁,先做真空处理,然后粗/精加工到完整的轮廓(这部分加工没有什么特别的,各家也不一样,忽略)。但这里的材料跟热处理就是关键了。
虽然大家都是球墨铸铁,虽然大多都是进口材料,甚至宣称跟大佬采用同一渠道的同一牌号,但是我们曾经对进口与国产的材料做过金相分析,专业人士指出的是,材料相同,金相相近,但是有细微的差异,进口更细腻。而且有一个说法是,由于有足够的量,足够的品牌优势,大佬是包炉的,所以在原先的材料上增加某些微量元素,甚至加了什么,这个就没人知道了。不知大家还记不记得去年特斯拉把一体压铸车身的巨大压铸机搬到了上海,当时就有人说,国产也很快可以做出来。我们不讨论车身一体压铸的好坏,我们只谈这项技术本身,当时马上有人出来泼了冷水,压铸机可以很快仿出来,但是,特斯拉所用的铝合金是自己研发的,绝密,这对国产厂家来说,不是做不到,而是需要多年的摸索才能摸透。下图就是某个厂家采购回来的进口材料,就丢外面日晒雨淋,越久越好,别看锈迹斑斑,贵着呢。
另一个点是真空热处理。早期的厂家,或者现在的小厂家的热处理一般是外包的,刚开始的时候可能还得拼炉,大了可以包炉。但这里监管容易出问题,品质难管制,这是个大坑微分约束!!所以后来有能力的厂家都会自己做热处理,或者投资/收购热处理厂,这样才能更好的定制热处理方案,并且监控过程。
前面的加工都没有什么特别,我们直接跳到齿的成型,批量生产普遍采用滚齿,也有听说过插齿、线割,甚至听过有做仿形电腐蚀的,并不知做得怎样。而成型之后,对齿会进行加强处理棘轮离合器,有的是喷砂,也有听到采用渗氮工艺,目的都是加硬跟耐磨。(这两种工艺在最终装配时会引起差异,这里先点一下,后面讲装配时会展开)。
柔轮常用的材料是40CrNiMoA,跟刚轮一样,也存在一个同一牌号却有微量添加的问题。
柔轮打样时很多也会采用线割的方式,但是礼帽型的柔轮无法使用线割,所以通常是采用同规格的杯型打样测试后再应用到礼帽型上。
相比刚轮中心距,柔轮的加工最大的难点有两个。第一个是柔轮精加工时的壁很薄,为了防止变形和抖动,需要有专门的治具把内壁撑起来;第二个是滚齿窜刀问题,需要决定控制窜刀量的多少才能保证后续柔性轴承压入后刚好把齿撑起来。这里还涉及到一个问题是,柔性轴承压入后的深度厂家给的余量是比较大的,不同的深度下撑开的量肯定不一样,如何控制这个量,这么深入的问题,咱也不知道,咱也不敢问~~~~
同样“不敢问”的还有齿的修型问题,之前也调侃过,天下齿型出HD,只有极个别厂家有能力设计新的齿型,毕竟这需要冒极大的风险,大多数是在HD的齿型上做修型,这也是比较实在的做法。但这个话题确实太专业,也厂家来说也比较敏感,我们作为使用者也不必了解这么细,有兴趣的可以跟厂家深入探讨,如果厂家愿意的话~~~~
交叉滚子轴承是国产比较容易获得的零部件,而且国产在这个上面这么多年的积累也确实不错,只要不是特别小特别大的规格,国产基本可以满足要求,所以可选的厂家比较多,确实我所知道的在这个上面遇到的性能问题比较,倒是质量问题比较多。主要可能遇到的一个是同轴度不好,这个一般减速机厂家来料质检时可以发现并去除,另一个就是输出端跳动问题,这个就看厂家标准与客户需求的匹配度,如果有特别高的要求,一般厂家会进行挑选出货。
下图是国内某个厂家对交叉滚子轴承做的来料检测,居然还是视觉检测轴承系列。我一开始没看出是检什么,一问居然是螺纹检测,说是来料螺纹经常有不良,而且厂家屡教不改,不得已才自己做了自动检测的小设备。这一点我当时是略震惊的,仔细一想,谁又不是既做客户又做供应商呢,顶级厂家要么自己做,要么靠着量大有话语权,一般厂家只能软硬兼施,供应商做不到位,我来补上!
不过我确实遇到过由于减速机螺纹孔加工不到位导致的螺钉无法安装到位的情况。这里有个小提醒,一般厂家标称牙深比如6mm时,实际的牙深一般都是要再深一点比如7mm,而反过来机械工程师在设计的时候,安全起见,一般也不会按6mm来设计润滑装置,会留一点余量比如5mm,尽量不要设计跟标称一样的深度,这样才能保证不会因为加工误差等导致螺钉安装不到位的情况。
不过最近也有人对交叉滚子轴承做了创新,据说在刚性与摩擦性能上都有很大的提升。不过目前还在保密阶段,我们拭目以待。
油封也是非常成熟的零部件,但大的厂家经常会对油封做定制,原因是交叉滚子轴承厂家提供的标准油封并不一定能满足要求,所以谐波厂家定制的并不是规格,而是性能提升,比较更好的油封性能。这里还可以从另一方面佐证为什么谐波按实力来分,只有两派:HD跟其他。谐波的润滑分成油润滑跟脂润滑两种方式,除了HD,其他所有厂家都只有脂润滑一种方式,所以目前只有HD可以做高速谐波柔轮齿圈。这里很好理解,采用油润滑,流动性好,润滑就好,热传导也好,所以可以提升转速,但对于密封的要求非常高,所以其他厂家都不敢轻易碰,而且即使是HD,除非特殊要求 ,他们也不提供油润滑的版本,但是人家实力摆在那里楔效应。曾经也有厂家推出过润滑性能更好的油脂,可以看出油脂的粘稠度是明显降低的,并且与其原先的油脂在同一台减速机上我做了对比测试,润滑效果至少减少了1/3,非常明显。不过后面好像听说也出了漏油问题又做了配方修改。但这并不稀奇,漏油是厂家永远绕不开的问题,不管减速机厂家多牛,不管机器人厂家多牛,都会有概率,只是好的厂家漏油的概率会管制得非常低。
另一个就是追求低摩擦系数,一般是在材料跟与之配合的转轴下功夫。也许对于关节角速度比较小的大机器人来说影响不大,但是对于高速的小机器人来说,在满足密封的前提下,摩擦力越大就代表效率越低,发热越大,当在客户端与对手都把性能逼到极限的时候,这点微弱的优势就可能是决胜关键了。但是这里涉及的也很专业,我们也就不展开了。
关于漏油这事,我们可以搞一期各种花式漏油,家家有漏油,情况各不同。对于这个,机器人厂家能做的比较有限,主要还得靠减速机厂家。