面向新一代工业机器人的角接触球轴承

人形机器人使“机器人关节”重新成为主流工程议题——而关节内部的轴承所承担的工作量，往往比多数规格书所呈现的更高。

过去二十年里，“工业机器人”通常指的是固定在工厂地面上的六轴机械臂，其关节内的角接触球轴承一直被视为已解决的问题：选定系列，选定预紧等级，然后即可投入应用。如今，这一时代已经结束。人形机器人与协作机器人正以数万台规模加速制造，每一台都在机架内集成20到43个独立驱动关节，既要像人一样运动，又要承载自身重量，还必须经受远非传统工厂机器人所设计的工作循环。轴承的外形并未改变，真正发生变化的是它所承担的任务。

本文将聚焦于角接触球轴承，并从这一全新视角加以审视——不再将其视为泛泛的“工作原理”入门，而是视为决定机器人关节方案能否实现节拍、负载与可靠性目标的关键部件。

无人预料到的增长浪潮

当前机器人产业周期背后的数据值得认真审视。全球工业机器人装机总额已达到约16.7 billion美元的历史高位，而其中增长最快的并非传统焊接或搬运机械臂，而是人形机器人。汽车与物流企业已不再停留于演示样机阶段：BYD-UBTECH产线已进入约100–200台人形机器人的生产部署，GXO与Agility Robotics签订了100台合同，BMW与Figure AI、Mercedes-Benz与Apptronik也已启动试点车队。Unitree的R1将价格门槛拉低至约5,600美元，这对人形机器人硬件的作用，正如当年低成本伺服驱动器之于六轴机械臂——大幅压低准入成本，并提前释放需求。

从机械结构上看，每一台这类机器人都是轴承用户。典型全尺寸人形机器人拥有20到40多个自由度，而据报道，Tesla的Optimus仅全身就采用了40余个机电执行器。若再叠加头部厂商预计每年数万台的产量，轴承数量就不再是供应链中的四舍五入项，而成为必须正视的规模变量。

当前量产人形机器人关节复杂度一览

三者的共同趋势是：关节数量和灵巧度的提升速度，快于机器人整机质量的增长速度。这意味着，尽管整机中的轴承总数在增加，单个关节所用轴承的平均尺寸和重量却必须进一步减小；在这一趋势下，薄壁轴承和微型角接触轴承，比传统机械臂常用的标准外形轴承更具优势。

为何机器人关节对轴承是极为严苛的应用场景

机器人关节对轴承而言，往往比多数人想象中更为苛刻，而这种苛刻并不会直接体现在扭矩规格表上：

• 承受复合载荷，且载荷方向持续变化。肩部或髋部关节会同时承受径向载荷、轴向推力和倾覆力矩，而且每当机械臂改变姿态，这三者之间的比例都会随之变化。针对某一工况优化的轴承，在下一工况下往往并不适用。

• 对回程间隙的要求接近于零。操作任务中的定位精度，不仅取决于减速器，也取决于轴承刚度。若轴承内部游隙过大，末端就会出现抖动，并且会被连杆长度进一步放大。

• 尺寸与重量压力极大。每增加 1 g 的关节重量，上一级关节就必须额外承载 1 g，电池也必须为此提供更多能量。因此，机器人轴承被迫比机床主轴轴承更积极地向薄壁化和微型化方向发展。

• 其工作循环也与工厂机械臂截然不同。仓储人形机器人如果持续执行拣选作业，其反向切换以及启停次数，接近伺服试验台的负荷特征，而不是低速运行的焊接机器人。

• 电机热源距离极近。随着关节模组将电机、减速器和轴承集成在同一壳体内——部分产品甚至在铝合金本体上直接加工出液冷通道——轴承的润滑脂寿命和预紧力都必须在真实热源环境下保持稳定，而不是在相对独立的工况中工作。

这些问题并不能靠简单选用“更大”的轴承来解决，真正的关键在于选择正确的几何结构——这正是角接触设计的价值所在。

为什么角接触球轴承适用于这一工况

深沟球轴承能够很好地承受径向载荷，但对轴向载荷的承载能力有限。纯推力轴承则相反。机器人关节需要在同一位置同时承受这两种载荷，而且安装空间又不足以叠放两种独立轴承。角接触球轴承之所以能够解决这一问题，关键就在于其几何结构上的一个决定性设计：钢球与滚道之间的接触角。

增大接触角，轴承会以牺牲部分径向承载能力为代价，换取更高的轴向以及力矩承载能力——这正是机器人关节所需要的权衡，因为力矩刚度（抵抗偏载条件下倾覆的能力）通常决定了机械臂在不发生挠曲的前提下能够举起多大的负载。

因此，人形机器人的肩部和髋部关节正越来越多地采用大接触角或薄壁角接触轴承；而腕部虽然转速高，但载荷较轻且更居中，通常可选用较小接触角的方案，以速度性能优先，而非力矩承载能力。

双联配对：真实机器人关节的实际构成方式

单个角接触轴承只能承受单一方向的推力载荷。由于机器人关节在运动过程中会受到双向推拉作用，关节设计几乎不会采用单个轴承，而是采用成对匹配的双联轴承，通过精密磨削使两套轴承形成相互预紧，从而同时分担两个轴向方向的载荷。

轴承布置方式与轴承本身同样重要：

• 背对背（DB）：这是机器人关节最常见的配置——接触点的有效跨距最大，在相同轴承尺寸下可获得最高的力矩刚度，这正是肩部或髋部关节所需要的。

• 面对面（DF）：对轴系不对中略具容忍度，在腕部或夹爪关节等配合件公差更严格的场合有时会优先采用。

• 串联（DT）：仅在轴向载荷较大且单向作用时采用；而需要双向运动的关节中这种工况较少见，因此该布置在线性轴中比在回转关节中更常见。

预紧等级则是另一项关键参数，而这也是刚进入机器人领域的团队最常误设的项目。预紧不足时，关节在末端会出现回程间隙；预紧过大时，摩擦扭矩上升、润滑脂寿命缩短，电机的额定扭矩还要有一部分消耗在克服轴承本身的阻力上。

传统六轴机械臂与人形机器人关节——轴承要求对比

准直驱趋势及其对轴承选型的影响

当前关节设计领域最具影响力的变化之一，是向准直驱执行器方案演进：彻底取消减速箱，改用高极对数、高转矩密度电机直接驱动关节。这样能够降低回程间隙和机械复杂度，但同时也取消了原本用于在载荷传递到轴承之前吸收部分冲击和不对中载荷的减速环节。

在准直驱关节中，轴承对实际上成为电机与外部工况之间唯一的机械缓冲环节。这就同步提高了对多项轴承性能的要求：

• 滚道硬度与表面精度——由于没有减速机构来削弱转矩脉动，表面疲劳寿命的重要性不是降低，而是进一步提升。

• 保持架设计——直驱关节的转速较低，但瞬时扭矩反向更强，这对保持架的作用方式与有减速机构的高速应用明显不同。

• 密封设计——电机绕组更靠近轴承，会抬升局部温度，从而使润滑脂选型和密封材料选择更偏向更高温等级的规格。

行业内更深层次的一体化趋势也正在这里体现出来：关节模块将电机、减速箱（如仍采用）、编码器和驱动电子元件集成到一个密封总成中，电源管理和栅极驱动电路也越来越多地直接内置于关节本体。角接触轴承对位于该总成的机械核心位置——它不再是孤立选型的单一零件，而是需要与电机以及壳体公差链作为一个系统共同定义。

密封关节模块内部的润滑与密封

过去，关节模块通常是可维护的。维护技术人员可以打开减速箱壳体，为轴承重新加注润滑脂，然后再装回去。如今，行业正朝着密封一体化关节模块方向发展，以满足轻量化以及防尘、防潮要求，这一做法取消了现场维护的可能。关节一旦出厂，轴承内部的润滑脂就必须满足机器人整个设计寿命的要求，否则只能整模块更换，而不是原位维修。

这也改变了润滑脂的规格定义方式。某种润滑脂在可维护的工业减速箱轴承中表现合格，但在密封式人形机器人关节中未必适用，因为其失效模式并不是“润滑脂需要补充”，而是“关节停止动作，整套模块报废”。影响选型的主要因素有三项：

保持架材料的选择也遵循类似逻辑。长期以来作为行业默认方案的钢制或黄铜保持架，在许多机器人关节中依然表现可靠；但在更轻量、换向频率更高的关节中，工程聚合物保持架正逐步成为更优选择，因为其运行更安静、重量更轻，并且在最容易出现润滑不足的短暂阶段——启动以及长周期运行末端、计划性维护之前——对边缘润滑工况具有更好的适应性。

轴承供应链正成为真正的制约因素

人们很容易认为，人形机器人的难点主要在于 AI 技术栈。但从零部件层面的行业分析来看，结论并不相同：高精度硬件的规模化制造——尤其是丝杠、轴承和执行器——如今已被视为关键瓶颈，因为过去用于生产这些部件的供应链，从未按照机器人行业的大批量需求来构建。精密轴承制造背后积累了数十年的工装与工艺经验，这类能力并不能像电子制造那样在短时间内迅速放大。

对于当前从事机器人关节设计的企业而言，这带来了明确的现实要求：轴承选型与采购必须比习惯于消费电子式供应链的团队预期更早锁定到设计阶段。若某一轴承规格仅以小批量目录件形式存在，一旦项目从样机阶段进入数千件的量产阶段，就会立即演变为供应风险。

机器人关节工程师实用选型清单

无论应用场景是传统的 6 轴机械臂、协作机器人，还是人形机器人关节，决定因素都来自同一组问题：角接触轴承是否适合该工况：

为机器人项目选择合适的角接触球轴承

在任何机器人关节设计评审中，以下几项实用原则都值得纳入考量：

1. 不要将同一套轴承规格套用于所有关节。髋关节与腕部在载荷特性上几乎没有可比性；把二者一概而论，是早期机器人设计中最常见的过度选型或选型不足错误。

2. 在可能的情况下，应以预紧等级而非单一数值进行规定。轻预紧、中预紧和重预紧等级，能够为装配线提供一致性，而单纯基于扭矩的规格在批量生产中往往无法保证这一点。

3. 保持架材料应与工况周期相匹配。连续换向关节更适合采用针对该类应力模式专门设计的保持架，而不是通用型样本保持架。

4. 应将成对轴承与轴承座视为同一公差链来控制。在薄壁、轻量化约束的关节中，轴承座孔公差对实际获得的预紧量影响，与轴承本身的精度等级同样重要。

5. 应尽早确认供货规模。若项目正从样机阶段迈向量产，务必在供应能力成为制约因素、并导致项目延期之前，确认轴承供应商能够支持批量生产。

人形机器人热潮使这一款已有数十年历史的部件再次成为关注焦点。角接触球轴承并非为这一时点而重新发明，但当前对接触角、预紧精度、润滑寿命以及供货可靠性的要求，已高于过去几十年的水平。这些内容未必会出现在机器人宣传页面的核心参数中，但每一项设计决策最终都会体现出来——要么是关节在多年运行后仍能保持精度，要么是运行数千小时后开始漂移，并在现场失效报告中被记录。

这一轮与以往机器人周期的不同之处，并不在于轴承技术本身——角接触结构早已被理解了一个多世纪。真正的差异在于规模与节奏。传统六轴机械臂项目可能只需对一家轴承供应商完成一次认证，并在十年内反复采购同一料号；而人形机器人项目则是在每隔几个月迭代一次关节设计的同时，推进产能向千台级别放大。这意味着轴承规格、供应商合作关系和生产能力都必须同步成熟，而不能按先后顺序逐步推进。把轴承选型视为后期采购决策，而不是与电机、减速器并行开展的设计工作，往往正是项目从50台扩展到5000台时最容易碰壁的团队。

在设计阶段完成正确选型，并选择一家能够随项目同步扩产的供应商，依然是解决这一问题成本最低的方式——远比在现场失效后才被迫重新设计关节便宜得多。