近年來，各行各業將更多工業機器人納入生產線的需求不斷增加，從現代汽車制造到3C（計算機，通信和消費電子）產品制造。與傳統生產線上的自動化專用設備相比，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，以便快速響應市場變化和消費者需求。
　　工業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。使用工業機器人的經濟和社會優勢有以下幾點，提高質量和生產率，提高產品一致性，節省原材料，縮短產品交貨時間，以及降低長期總制造成本。此外，它們還將工人從高度重復性的任務、骯臟和危險環境中解放出來。　　在過去幾年中，為應對顯著增長的應用需求，工業機器人的裝機數量快速增長，正在釋放技術的全部潛力。在精密運動控制行業，工業機器人正在越來越多地被用于制造業，以最大化提高生產率和產能（見圖1）。如今，越來越多的工業和科技致力于設計先進的下一代工業機器人。　　在執行器和控制技術方面的顯著進步，已經促成了先進的模塊化機器人關節的發展。作為模塊化關節，其必須是標準化的獨立工作單元，同時能夠與各種其他部件和系統接口匹配，以創建復雜的機器人系統。模塊化能夠滿足設計和機械制造的多樣化，根據用戶需要進行調整的能力，以及便于裝配。通常，高度集成的機電模塊化關節設計比傳統機器人系統相比有若干優點，包括高功率密度，更輕的重量，高動態性能和可靠性。這種設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中會顯著增加前期投資成本，但使用工業機器人可以顯著提高產品質量和效率。在考慮使用機器人替換技術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多年的行業經驗，科爾摩根生產了數十萬個用于機器人行業的伺服運動部件。通過利用一個或多個模塊化關節，可以顯著優化輕型載荷機器人（Cobot）的設計和裝配；并且這些模塊化機器人關節使用科爾摩根優化設計后的無框力矩電機，LVDC驅動器，專用諧波減速機，制動器，雙反饋系統，以及熱傳感器。模塊化機器人關節集成了科爾摩根無框伺服電機，這使得機器人的開發變得簡單，快速和安全。精益化的工程設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化的無框電機。　　本文的目的是討論影響工業機器人關節使用壽命和性能的各種因素。　　熱效應　　溫度是影響工業機器人使用壽命的主要因素。作為機電一體化技術的范例，機器人關節模塊將大量組件，包括無框電機，伺服驅動器，專用減速機系統，制動器，編碼器/旋轉變壓器，轉矩傳感器，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，機器人關節外殼內存在各種熱源，比如齒輪傳動系統，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，那么這種傳動系統通常是主要的發熱源，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，將會導致機器人快速升溫，使得各種關鍵部件的性能降低。　　應變波傳動　　機器人關節模塊的輸出軸通常以10-40 rpm的低速旋轉。電機通常以高速旋轉（例如，在機器人關節運動期間的短時間內為1000-4000 rpm），因此在機器人中使用減速機。這種減速機系統被用于機器人以降低速度和顯著提高減速機輸出側的加速轉矩。這種減速機系統實現了相對于其緊湊尺寸極高的轉矩密度（單位體積的轉矩）和轉矩比（單位質量的轉矩）。應變波傳動結構的獨特性能，使得它廣泛應用于工業中，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，結構簡單，轉矩傳遞精確，以及高定位精度/可重復性。應變波齒輪由三個主要部件組成：橢圓形波發生器，柔性齒輪，以及剛性齒輪（圖3）。其中，柔性齒輪是實現傳動系統長使用壽命最關鍵的部件。在運行過程中，它將受到不斷變化的橢圓形波發生器旋轉所產生的彈性變形量的影響，并且還必須以最小的角度偏轉進行旋轉。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，以便準確傳遞旋轉運動。
　　應變波傳動裝置會由于各種機制導致功率損耗【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致摩擦損耗：嚙入，嚙合，和嚙出。與傳統齒輪不同，應變波結構中齒的運動主要是滑動，這是因為在咬合過程中對應的齒之間小的相位偏移。齒之間的滑動效應導致能量損耗，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致的分子摩擦損耗。　　交叉滾子軸承，波發生器軸承，以及其他軸承中的軸承摩擦損耗。　　柔性齒輪扭轉和徑向變形所導致的周期性重復彈性應變能量機械損耗。　　其中一些功率損耗受到工作溫度的強烈影響。　　傳統的傳動系統通常具有一定程度的背隙。雖然背隙會降低傳動系統的精度，但是它也為潤滑提供了空間并允許熱膨脹。鑒于應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。　　應變波傳動的磨損特性受到潤滑劑狀態的強烈影響，而潤滑劑狀態會受到工作溫度的影響。過高的溫度可能會導致潤滑膜破裂，導致齒輪齒接觸表面損壞。　　通常，應變波齒輪的效率正比于負載率（負載轉矩/允許平均轉矩）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機器人。制動器通常包括電磁感應線圈結合機械彈簧結構，當電壓從線圈上移除時，該結構將會處于保持摩擦/干涉狀態。作為機器人中的熱源之一，當線圈在電機運動過程中通電時將會產生熱量。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和定義的環境溫度Ta之差呈現線性變化，表示為
　　其中α是材料溫度系數（針對銅磁線，α = 0.00393/oC），Ta是定義的環境溫度，Rc,Ta是線圈在環境溫度下的電阻。例如，如果工作溫度上升至比環境溫度高30oC，則線圈電阻將會增加12%。　　無框電機　　無框電機（圖4）的開發旨在用于尺寸和重量是主要因素的應用。與有框電機相比，這種類型的電機可以在商業和技術方面為客戶提供競爭優勢，包括更高的轉矩密度，更強的散熱能力，以及針對定制系統的靈活性。將無框電機套件（僅限定子和轉子）直接集成到支撐傳動組件的同一軸承系統，可以最大限度縮小整個關節組件的尺寸，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子的軸承，單獨的軸以及讓電機軸接合應變波軸承輸入（波發生器）的聯軸器。
　　電機制造商產品目錄中列出的額定連續轉矩是基于特定的環境溫度，該溫度通常為40oC。當實際環境溫度超過額定環境溫度時，電機性能將會下降，并且其輸出轉矩將會相應降低，使用的公式為
　　其中，tmax是最大電機繞組溫度，ta是額定環境溫度，ta,r是實際環境溫度，Tc是額定連續轉矩，Tc,d是實際環境溫度下的降額轉矩。例如，當tmax = 80°C, ta = 40°C, 以及 ta,r = 60°C時，降額轉矩將會變為原始連續轉矩的70.7%。值得注意的是，該公式并未考慮非I2R損耗，在一定轉速下的旋轉損耗將會導致比該計算預測值更明顯的轉矩降額。　　如同制動線圈電阻一樣，電機繞組電阻Rw是機器人中產生熱量的主要因素之一。如方程（1）所示，更高的溫度直接導致更高的繞組電阻，反過來也導致機器人關節臂中更高的功率損耗。事實上，連續轉矩與電機繞組電阻和熱阻乘積的平方根成反比。　　由繞組電阻導致的功率損耗Pl與電流i以及電繞組電阻Rw相關，功率損耗的增加直接導致電機效率降低。
　　傳感器　　機器人中使用了各種傳感器，比如編碼器，旋轉變壓器，和扭矩傳感器。傳感器的關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。對于光學編碼器，溫度的升高會導致LED光輸出減少。熱膨脹是另一個影響光學編碼器性能的重要因素。據報道，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，從而導致編碼器損壞甚至災難性故障【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。　　伺服驅動器和其他電子元件　　伺服驅動器在各種機器人中發揮著關鍵性作用，包括協作機器人，工業多關節機器人，醫療機器人等。已經證明，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，熱噪聲源于導體內電子密度的熱波動，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用中運行，而不會導致退磁的風險。SmCo 2-17材料具有更高的溫度穩定性和抗退磁性，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矩密度要求高于30-35 MGOe磁能產品，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，波發生器軸承，以及常規深溝球軸承。這些軸承通過礦物油基潤滑劑潤滑。已經獲得廣泛公認的是，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。溫度變化會導致潤滑脂粘度的變化，進而會導致分子摩擦。例如，高溫可能會將油分子剪切/裂解成較小的分子，從而導致粘度降低。這可能會導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，導致潤滑不足，并且可能會導致磨損，最終導致設備故障。高溫會引發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，可能會出現兩種導致潤滑脂失效的機制【5】：　　第一種機制是油氧化，這會導致油粘性增加，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。這種溫度驅動的趨勢在極端情況下會導致潤滑油的永久性損失。　　根據經驗，溫度每升高10oC，化學反應速率（包括氧化和熱降解）將會變化2倍，例如，溫度升高10oC會使反應速率加倍，從而使預期壽命減半。隨著溫度的升高，潤滑脂將很快失效。　　嚴苛環境　　某些類型的工業機器人被設計在嚴苛環境下工作，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。　　工業機器人耐受嚴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由機器人制造商進行了密封。經過長時間使用之后，熱循環可能會導致壓力變化和密封失效，從而為外部碎屑進入機器人創造了一條路徑。　　光學編碼器依靠光電元件來檢測旋轉運動，因此它們可能會受到污染的嚴重損害。當編碼器部件（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。光學編碼器通常很容易受到多種類型的損壞。因為光學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。當污垢，灰塵和其他異物進入軸承時，它們會在滾道表面導致劃痕，凹痕以及磨損。暴露于潮濕環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，并導致腐蝕區域產生過大的噪音，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苛環境時可能會發生腐蝕。集成到機器人關節的伺服驅動器的小型化設計，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境的風險上升。在實踐中，在機器人的整個使用壽命過程中都可能發生腐蝕，包括機器人的制造，組裝，運輸和存儲，以及現場運行的各個階段【6】。　　運行條件　　機器人有效載荷和系統整體慣量是影響機器人動態特性和位置控制精度的關鍵因素。機器人有效載荷是指機器人除了自身結構質量外還可以提升和移動的重量。當機器人承受非常高的載荷時，齒輪齒可能會發生斷裂。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致。　　系統的總慣量被定義為負載慣量與機器人慣量之和。它在旋轉動力學中起關鍵作用，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，系統整體慣量越高，定位控制精度越低。但是，當今最新的帶有高分辨率反饋設備的高帶寬（BW）驅動技術已經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載和慣性力的影響。當機器人執行某些任務時，比如搬運超出其額定值的有效載荷，執行快速操縱，在非結構化環境下與較大的力/力矩相互作用時，機器人可能會失去其動態平衡和運動穩定性。值得注意的是，當機器人經歷可以接受的有效載荷但具有非常高慣性的時候，可能會導致機器人緩慢加速，無法正常工作，甚至導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】。應變波齒輪測試結果顯示，當達到400萬輸入旋轉（對于以3000 rpm運轉的電機，這相當于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操作而完全擦除或損壞【8】。此外，應變波齒輪的一個重要特征就是輸出轉矩信號的高頻振蕩，稱為轉矩抖動。這主要是由齒輪嚙合振動所導致。　　每個機器人系統都有自己的共振頻率，在該頻率上將會發生振動。對于旋轉激發的振動，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。　　每個工業機器人的系統，通常都在復雜環境中運行，同時與人類同時進行密切交互，以及執行各種任務。事實上，動態穩定性是影響機器人性能和工作場所安全最關鍵的因素之一，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/降低的現象。氫脆化可能會在預鍍工藝中（比如清潔和酸洗）發生。此外，當機器人在富氫環境（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險。為了避免這種風險，建議對工業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計/控制的烘烤工藝的電鍍緊固件。　　參考文獻Schafer, I. et. al. (2005). Space lubrication and performance of harmonic drive. Proceedings of the 11th ESMATS Symposium, pp. 65-72, Lucerne, Switzerland.Kircanski, N. M. and Goldenberg, A. A. 1997. An experimental study of nonlinear stiffness, hysteresis, and friction effects in robot joints with harmonic drive and torque sensors. International Journal of Robotics Research 16(2): 214-230.Dynapar. How temperature and humidity affect encoder performance. https://www.dynapar.com/knowledge/encoder-temperature-humidity/Bilgin, B., Sathyan, A. (2014). Fundamentals of electric machines, in Advanced Electric Drive Vehicles (edited by Ali Emadi). CRC Press: Boca Raton, FL.Exxon Mobil Corporation. 2012. Lubricating grease basics. https://www.mobil.com/en/industrial/lubricant-expertise/resources/oil-grease-lubricant-basicsLojans, A. and Kakitis, A. 2012. evaluation of environmental factors influencing robots in greenhouses. Proceedings of 11th International Scientific Conference - Engineering for Rural Development, pp. 151-156. Jelgava, Latvia.Schafer, I, Bourlier P, Hantschack, F, Roberts, E. W., Lewis, S. D, Forster, D. J., et al. 2005. Space lubrication and performance of harmonic drive gears. Proceedings of the 11th ESMATS Symposium, pp. 65-72. Lucerne, Switzerland.Johnson, M. R., Gehling, R., and Head, R. 2006. Failure of harmonic gears during verification of a two-axis gimbal for the mars reconnaissance orbiter spacecraft. Proceedings of the 38 Aerospace Mechanisms Symposium. Williamsburg, Virginia.Bhadeshia, H. K. D. H. 2016. Prevention of hydrogen embrittlement in steels. ISIJ International 56(1): 24-36.