産業用ロボットは、過去 10 年間で大きな変革を遂げてきました。協働ロボットやコンパクトなロボットアームへの業界の移行は、製造上の優先順位の根本的な変化を反映しています。つまり、空間的制約内での設置面積の縮小、可搬質量の増加、前例のない精度です。この進化により、単一のコンポーネント、つまり各関節のベアリング システムに並外れた要求が課されました。
従来のベアリング ソリューションは、これらの競合する要求を満たすのに苦労しています。標準的なボール ベアリングには、正確な多方向の荷重に必要な剛性がありません。円すいころ軸受は余分なスペースを消費します。業界は、極薄のプロファイルを維持しながら、ラジアル荷重、アキシアル荷重、およびモーメント荷重の複合荷重容量を同時に提供できるイノベーションを必要としていました。このニーズにより、クロスローラーベアリング技術が誕生しました。 RB2508ベアリング は、現代のロボット工学の決定的なソリューションとして登場しました。
協働ロボットは人間の作業者と共有スペースで動作するため、コンパクトなサイズだけでなく、優れた安定性と再現性が求められます。関節のわずかな位置のずれは、安全性とタスクの精度の両方を損なう可能性があります。これらのロボットは通常 6 ～ 7 の自由度を備えており、各関節には高い剛性と最小限の重量を組み合わせたベアリング ソリューションが必要です。
メーカーは、スペースに制約のある組立ライン、倉庫内のピックアンドプレース システム、天井取り付けアプリケーションなど、限られた環境にロボット アームを組み込むことが増えています。小型化はもはやオプションではありません。それは競争上の必需品です。エンジニアは同じ積載量と精度をより小さな封筒に詰め込む必要があり、コンポーネントサプライヤーに対する革新への圧力が強くなっています。
10 年前、10 キログラムの工業用アームは、エンドエフェクターで 3 ～ 5 mm の半径方向の振れを許容できました。今日の精密用途 (外科用ロボット工学、精密組み立て、半導体製造) では、0.5 mm 未満の振れが要求されます。これにより、超コンパクトなハウジングにもかかわらず優れた剛性を実現するベアリング ソリューションが実現します。
主要な市場洞察: 世界の協働ロボット市場は、2030 年まで年平均 30% を超える成長が見込まれており、ミクロンレベルの精度を維持しながら限られたスペースでも動作できる、コンパクトで精密グレードのベアリング ソリューションの需要が直接促進されています。
クロスローラー設計は、従来のベアリング形状からの脱却を表しています。クロスローラーベアリングは、単一の軌道に同一の転動体を配置するのではなく、同じベアリングリング内で互いに90度の角度で配向されたローラーを使用します。この構成により、ベアリングは単一のコンパクトな部品を使用して、ラジアル (X 軸および Y 軸)、アキシャル (Z 軸)、およびモーメント荷重といった複数の方向からの荷重を受け入れることができます。
のために RB2508 クロスローラーベアリング 、このアーキテクチャは、優れたパフォーマンス指標に変換されます。
高品質のクロスローラーベアリングは、転動体と軌道の両方に焼き入れ鋼を採用しています。この材料の選択により、コンポーネント全体で一貫した硬度が保証され、従来の表面硬化ベアリングを悩ませる表面下の疲労亀裂が防止されます。通常、表面処理には、摩擦を最小限に抑えて耐用年数を延ばすために不可欠な、0.2 マイクロメートル未満の粗さ値を達成するための精密研削が含まれます。
精密グレードのクロスローラーベアリングの際立った特徴は、統合されたプリロードシステムです。ある程度のクリアランスを持って動作する（内部の動きを許容する）標準ベアリングとは異なり、予圧されたクロスローラーベアリングは、転動体と軌道の間の一定の接触を維持します。この設計により遊びがなくなり、ロボット関節の重要な要件であるベアリングの剛性が大幅に向上します。
プリロードは通常、次の方法で実現されます。
従来のボールベアリングは、転動体と軌道の間の点接触に依存しています。この形状は耐荷重能力を制限し、荷重時のコンプライアンス (弾力性) に貢献します。クロスローラーベアリングは線接触を採用し、より広い表面積にわたって荷重を分散します。のために RB2508ベアリング これにより、同等サイズのボールベアリングよりもアキシアル剛性値が 5 ～ 10 倍大きくなり、ラジアル剛性が 3 ～ 6 倍向上します。
実際には、RB2508 ベアリングを備えたロボット アーム ジョイントは、従来のベアリングを使用したシステムの位置再現性が± 0.5 mm であるのに対し、デューティ サイクルを延長しても± 0.1 mm 以内を示します。
ロボットのジョイントは、複雑な同時荷重条件下で動作します。
単一の RB2508 ベアリングは、その設計範囲内で 3 つの荷重タイプすべてに対応します。代替ソリューションでは通常、複数のベアリング セット (ラジアル荷重用のボール ベアリングとアキシアル荷重用のテーパー ローラー ベアリングなど) または複雑なハウジングの配置が必要です。クロスローラー設計により、これらの機能が 1 つのコンポーネントに統合され、組み立ての複雑さ、コスト、潜在的な故障箇所が軽減されます。
最新のロボットの多くは、フレームレス モーターと統合された駆動電子機器をジョイント ハウジング内に直接採用しています。従来のベアリング ソリューションは、ラジアル空間を過剰に消費し、モーターの直径を制限したり、外部コンポーネントの配置を必要としたりします。 RB2508 の薄肉形状は、より大型のモーター磁石と制御電子機器のための内部スペースを確保し、モーターのトルク出力を直接的に向上させ、全体的なジョイント質量を削減します。
産業環境では摂氏 5 度から摂氏 50 度までの温度変動があり、特殊なアプリケーションではこの範囲がさらに拡張されます。熱膨張により、ベアリングのクリアランスに問題が生じます。予圧クロスローラーベアリングには、こうした温度変動を通じて一貫した予圧を維持するスプリング機構が組み込まれており、従来のベアリングの精度を損なう原因となるクリアランスの拡大を防ぎます。
次の表は、典型的なロボットの肩関節用途におけるクロスローラーベアリングと従来の代替品との比較を示しています。
| 仕様 | クロスローラー（RB2508） | 複列ボールベアリング | 円すいころセット |
|---|---|---|---|
| ラジアル剛性 | 非常に高い | 中等度 | 高 |
| 軸方向の剛性 | 非常に高い | 低い | 中等度 |
| モーメント耐荷重 | 素晴らしい | 貧しい | フェア |
| コンポーネント数 | 1台 | 2～4台 | 3～6台 |
| インストールの複雑さ | 低い | 中等度 | 高 |
| 外径(約) | 64mm | 68-75mm | 75-90mm |
| 位置再現性 | /-0.1mm | /-0.3～0.5mm | /-0.2～0.4mm |
この比較により、基本的な利点が明らかになります。1 つの RB2508 ベアリングが、複数の従来のベアリング セットの総合的な性能を発揮しながら、ラジアル空間の消費が少なくなり、組み立てが簡素化されます。
クロスローラーベアリングはハウジングの設計に精度が要求されます。通常、外輪には H7 公差ばめ (半径方向の移動がないことを保証するきつめのはめ) が必要ですが、内輪の穴には同心性を維持するために P5 以上の公差クラスが必要です。これらの寸法での振れはベアリングの有効剛性を直接低下させ、摩耗を促進する可能性があります。
クロスローラーベアリングは予圧により最小限の内部すきまで動作します。この設計は、従来のベアリングと比較して比較的低い摩擦を生成しますが、独特の潤滑要件が生じます。
高速用途 (>200 回転数) では、オイルベースのシステムは通常、グリースに比べてベアリングの寿命を 3 ～ 5 倍延長しますが、取り付けは複雑になります。
プリロードされたベアリングは、クリアランスベースの設計よりもわずかに多くの熱を発生します。ロボットアームが全負荷で継続的に動作する場合、周囲温度の制御が重要になります。ほとんどの精密グレードのクロスローラーベアリングは、摂氏 80 度まで指定された剛性を維持しますが、摂氏 100 度を超えると性能低下が加速します。
効果的な熱管理戦略には次のものが含まれます。
RB2508 の正確な特性を理解することで、エンジニアはそれをジョイント設計に効果的に統合できます。
| パラメータ | 値 | 単位 | 注意事項 |
|---|---|---|---|
| 内径(d) | 25 | mm | 代表的な仕様 |
| 外径(D) | 64 | mm | コンパクトなプロファイル |
| 幅(B) | 8 | mm | 超薄肉 |
| 動ラジアル定格荷重(Cr) | 3,500 | N | 100万サイクル定格 |
| 動アキシアル定格荷重(Ca) | 1,980 | N | 100万サイクル定格 |
| モーメント耐荷重 (Cm) | 180 | Nm | 定格速度で |
| 予圧力 | 400-600 | N | 標準仕様 |
| 最高速度 | 500 | RPM | グリース潤滑 |
| 動作温度 | -10～80 | ℃ | 標準範囲 |
| 重量 | 約。 200 | グラム | コンパクトなパッケージ |
動定格荷重 (ラジアルの場合は Cr、アキシャルの場合は Ca) は、疲労剥離が始まる前にベアリングが 100 万回転を完了する荷重を表します。低速 (通常 10 ～ 100 RPM) で動作するロボット ジョイントの場合、実際のベアリング寿命はこれらの定格を超えて 5 ～ 10 倍伸びる可能性があります。モーメント耐荷重は、過度のたわみなしにベアリングが耐えられる最大曲げモーメントを表します。これは、ロボット用途で一般的なオフセット荷重シナリオにとって重要です。
RB2508を含むRBシリーズは、外輪に予圧機構を内蔵しています。ウェーブ スプリングまたは皿バネは一定の圧縮力を加え、内側のローラー列と外側の軌道の間の接触を維持します。この設計は以下を提供します:
RUシリーズは内輪に予圧バネを一体化したタイプです。この代替アプローチでは、次のことが可能になります。
ロボット関節用途の場合、RB2508 などの RB シリーズ ベアリングは、優れた予圧安定性とラジアル方向の剛性により、通常、RU シリーズの代替品よりも優れた性能を発揮します。 RU シリーズは、外輪のコンパクトさが最も重要な旋回リング用途に適しています。標準的なロボット アーム、リスト アセンブリ、協働ロボット ジョイントの場合、RB2508 が最適な選択肢となります。
クロスローラーベアリングの性能上の利点は、完全に取り付け精度に依存します。推奨される実践方法は次のとおりです。
クロスローラーベアリングは、ならし期間を制御することで恩恵を受けます。新しいロボットアームの場合:
最新のロボット プラットフォームでは、ジョイント ベアリングの周囲に振動センサーと温度センサーを組み込むことが増えています。これらにより、コンポーネントの寿命を延ばす予知保全戦略が可能になります。主要な監視パラメータには次のものがあります。
適切にメンテナンスされたシステムのクロスローラーベアリングは、通常、交換が必要になるまで 10,000 ～ 15,000 時間動作します。耐用年数を最大化するための戦略には次のものが含まれます。
協働ロボットは通常、上腕の基部 (肩ピッチ軸) に RB2508 または同等のクロスローラー ベアリングを取り付けます。このジョイントは、遠位アーム構造の全重量とペイロードを支え、ペイロードのオフセットによるモーメント荷重を受け、人間の安全な共同作業のために優れた位置再現性を必要とします。 RB2508 の耐荷重性と薄型プロファイルの組み合わせにより、精密なパフォーマンスを実現しながら工業的な美しさを維持するコンパクトなショルダー ハウジングへの統合が可能になります。
最新のロボットのリストは、コンパクトなアセンブリ内に 3 つの回転軸 (ロール、ピッチ、ヨー) を採用しています。各軸には、RB2508 スケールまたはそれより小型のクロスローラーベアリングを使用できます。これらのベアリングの最小のラジアルエンベロープにより、80 mm 未満の手首直径内で 3 軸の統合が可能になります。これは、従来のベアリング ソリューションでは不可能な仕様です。手首に取り付けるツールは回転軸に近いにもかかわらず大きな傾斜力を発生させるため、高いモーメント負荷容量が重要であることがわかります。
選択的コンプライアンス アセンブリ ロボット アーム (SCARA) システムでは、カンチレバー荷重をサポートするベアリングを使用した垂直取り付けが頻繁に使用されます。 RB2508 の優れた軸方向の剛性により、精密な組み立て作業において部品の位置合わせを損なう可能性のある垂直方向のたわみが防止されます。アプリケーションには、8 時間のシフトを通じて部品配置精度を 0.1 mm 以内に維持する必要がある回路基板アセンブリが含まれます。
デルタ ロボットは 3 つの平行運動チェーンを採用しており、機構が超高速 (毎秒 2 メートル以上) で加速および減速する際に、各関節に高い動的負荷がかかります。クロスローラーベアリングのプリロードは、これらの速度での軌道精度にとって重要なバックラッシュを最小限に抑えます。 RB2508 スケールのベアリングにより、デルタ ロボットの形状を定義するコンパクトなジョイント ハウジングが可能になります。
実際のジョイント荷重を特徴付けることからベアリングの選択を始めます。次の方法で負荷プロファイルを作成します。
実際の荷重エンベロープが確立されたら、ベアリングの動定格荷重と比較します。 RB2508 の負荷範囲は、5 ～ 15 キログラムのほとんどの協働ロボット アームと、最大 20 キログラムまでの多くの産業用アームに適合します。
ロボットのジョイントは比較的低速 (通常 10 ～ 200 RPM) で動作し、デューティ サイクルは連続的な軽負荷から断続的な重負荷まで変化します。クロスローラーベアリングは、この領域全体で優れています。ジョイント速度が 300 RPM を超える場合は、過度の温度上昇なしに高速動作をサポートできる潤滑システム設計 (オイルエアが好ましい) を確認してください。
RB2508 の幅は 8mm と非常に薄く、大型のクロスローラーベアリングとは異なります。空きスペースが許せば、エンジニアはより大きな動的荷重に対応するために、より大きなベアリング (RB3010 など) を選択することがあります。ただし、スペースに制約のあるアプリケーションでは、多くの場合、RB2508 が利用可能な負荷容量と設置範囲の最適なバランスを実現します。
0.2 mm 未満の位置再現性が要求される用途 (精密組み立てや外科用ロボット工学に一般的) では、クロス ローラー ベアリング固有の剛性の利点が活用されます。アプリケーション要件で 0.5 mm の再現性が許容される場合、従来のベアリング ソリューションが費用対効果の高い代替品となる可能性があります。
クロスローラーベアリングは従来の代替品よりも単価が高くなりますが、ハウジングの簡素化、ベアリング数の削減、耐用年数の延長を考慮すると、総ジョイントコストではクロスローラーベアリングの方が有利になることがよくあります。 2 つのボール ベアリングと 1 つのテーパー ベアリング セット (3 つのコンポーネント) を必要とするジョイントは、単一の RB2508 を使用する同等の性能よりも設計と製造のコストが低くなりますが、シングル ベアリング ソリューションは、剛性と再現性の点でマルチ ベアリング アプローチよりも優れていることがよくあります。
超高速用途における密度と熱伝導率の問題を軽減するセラミックハイブリッドベアリングの研究が続けられています。現在の RB2508 の実装では全体に鋼が使用されていますが、将来のバージョンでは窒化ケイ素の転がり要素が組み込まれる可能性があり、摂氏 120 度に近い温度での熱膨張の低減と動作寿命の延長が実現されます。
ベアリングメーカーは、温度、振動、軸方向の位置を監視するためにベアリングリング内にセンサーを埋め込むことが増えています。これらのスマート ベアリングのコンセプトを RB シリーズの設計に統合すると、追加の外部計測機器を使用せずにリアルタイムの状態評価が可能になります。将来の「スマート RB2508」は、ロボット制御システムに継続的な診断データを提供できるようになります。
現在の RB2508 設計では、固定プリロード値が採用されています。新しい設計では、特定のアプリケーション要件に合わせてベアリングの剛性を現場で調整できる調整可能なプリロード機構が検討されています。この機能により、単一ベアリング モデルの適用可能性がより広い荷重範囲に拡張される可能性があります。
次世代ベアリング設計ツールでは、標準化された定格荷重ではなく、特定の荷重プロファイルに合わせたカスタム最適化が可能です。最小限のアキシアル荷重またはモーメント荷重で主にラジアル荷重を受けるジョイントには、そのプロファイルに最適化されたベアリングを採用できるため、性能を維持しながらコストと重量を削減できる可能性があります。
クロスローラーベアリングは、ボールベアリングの点接触と比較して線接触形状を採用しているため、剛性が大幅に向上し、複合荷重 (ラジアル、アキシアル、モーメント) を同時に受け入れることができます。単一の RB2508 クロスローラー ベアリングで複数の従来のベアリングを置き換えることができ、占有スペースが少なく、優れた位置再現性を実現します。これは、スペースが限られているコンパクトなロボット アームで特に価値があります。
予圧力により転動体と軌道間の接触が一定に維持され、従来のベアリングの特徴であるクリアランスが排除されます。これによりバックラッシュが排除され、ベアリングの剛性が大幅に向上し、最新のロボットに要求される精度の再現性が可能になります。統合されたスプリング機構により、予圧は動作温度範囲全体にわたって安定しています。
適切な潤滑と汚染管理を行った適切にメンテナンスされたシステムでは、RB2508 ベアリングは通常、交換が必要になるまで 10,000 ～ 15,000 時間動作します。寿命は、実際の負荷条件、速度、温度、メンテナンスの厳しさによって大きく異なります。軽負荷のアプリケーションでは 20,000 時間かかる場合がありますが、高負荷のシステムでは 8,000 時間後に交換が必要になる場合があります。
多くの場合、そうです。 RB2508 のコンパクトなプロファイルにより、ハウジングの公差や潤滑システムを調整できる場合は、直接代替品として使用できることがよくあります。ただし、剛性が優れているため、ジョイントの剛性が大幅に増加することによる発振を防ぐためにサーボ コントローラーの調整が必要になる場合があります。互換性評価には、実装前に詳細な寸法分析と動的シミュレーションを含める必要があります。
オイルエア潤滑システムは、制御された間隔で正確な油滴を供給する連続使用用途に適しています。このアプローチは、グリース潤滑と比較して、抗力を最小限に抑え、一定の予圧温度を維持し、ベアリングの寿命を延ばします。グリース潤滑設計は、中程度のデューティ サイクルと低速要件の密閉用途に適しています。
RB2508 のモーメント負荷容量は約 180 ニュートン メートルで、同等の外径の円すいころ軸受のモーメント負荷容量を大幅に上回ります。この利点は、クロスローラー形状が過剰なたわみを生じることなく傾斜荷重を受け入れる能力に由来します。オフセットペイロードが大きい用途では、多くの場合、クロスローラーベアリングには追加のモーメント荷重サポート構造が必要ありません。
外輪にはラジアル方向の動きを防止し、適切な荷重分散を確保するために H7 公差 (しまりばめ) が必要です。同心度を維持するために、内輪穴には P5 以上の公差等級が必要です。取付面の振れが0.05mmを超えると軸受の性能が低下し、摩耗が促進されます。取り付け前には精密な加工と検査が不可欠です。
はい。メーカーは、幅広いサイズ範囲にわたるクロスローラーベアリングシリーズを提供しています。小型のバリエーション (RB2006、RB1006) は、軽量またはスペースに制約のあるアプリケーションに対応し、大型のバリエーション (RB3010、RB3015、RB4015) は、より重いロボット アームや旋回リング アプリケーション向けに耐荷重を向上させます。各バリエーションは、負荷と速度の能力を拡張しながら、クロスローラー設計の基本的な性能上の利点を維持します。
標準の RB2508 ベアリングは、摂氏マイナス 10 度からプラス 80 度の間で確実に動作します。 80℃を超えると潤滑油の粘度が低下し、プリロードスプリング力が減少するため、性能の低下が加速します。摂氏 120 度までの動作向けに設計された高温バージョンでは、特殊な潤滑剤とばね材料が使用されるため、コストが増加します。ハウジング設計と冷却システムによる効果的な熱管理により、ベアリングの寿命が大幅に延長されます。
クロスローラーベアリングは動的用途に優れています。プリロードと優れた剛性により、軌道の精度にとって重要な加速時のバックラッシュとたわみが最小限に抑えられます。線接触形状により、ボール ベアリングに比べて衝撃荷重がより大きな表面に分散され、ピーク応力集中が軽減されます。極度の加速を採用した高性能ロボット設計では、低速連続動作アプリケーションよりもクロスローラー ベアリングの恩恵を受けることができます。
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