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”重新成为工程领域的核心问题，而其中的轴承所承担的工作，往往远超多数规格表所呈现的内容。

在过去二十年里，“工业机器人”几乎等同于固定在工厂地面上的六轴机械臂，其关节中的角接触球轴承也被视为一个已经解决的问题：选定系列，再确定预紧等级，便可进入下一步。然而，这一时代已经结束。如今，人形机器人与协作机器人正在以数万台的规模进入制造阶段，每一台都在机身中集成了 20 到 43 个独立驱动关节，既要实现接近人类的运动方式，又要承载自身重量，还要承受工厂机器人从未针对性设计过的工作循环。轴承本身并没有改变形态，变化的是它所要承担的工况。

本文聚焦于角接触球轴承并从这一新视角加以审视——它不再只是介绍“工作原理”的通用入门内容，而是作为决定机器人关节方案能否达到节拍、载荷与可靠性目标的关键部件。

这场意料之外的爆发，轴承团队此前并未预见

当前机器人行业周期背后的数据，值得深入审视。全球工业机器人装机规模已达到约 167 亿美元的历史高位，而这一总量中增速最快的并不是传统焊接或搬运机械臂，而是人形机器人。汽车与物流企业已经不再停留于演示样机阶段：目前进入生产运行的部署包括 BYD-UBTECH 产线上的约 100–200 台人形机器人、GXO 与 Agility Robotics 签订的 100 台合同，以及 BMW 搭载 Figure AI、Mercedes-Benz 搭载 Apptronik 的试点车队。Unitree 的 R1 将价格门槛压低至约 5,600 美元，这对人形机器人硬件的影响，正如当年低成本伺服驱动器之于六轴机械臂一样——它正在迅速降低进入门槛，并提前释放市场需求。

从机械结构上看，这些机器人每一台都是轴承用户。典型的全尺寸人形机器人拥有 20 到 40 余个自由度，而仅 Tesla 的 Optimus 据称就在全身配置了 40 个以上机电执行器。若再叠加头部制造商未来每年数万台的产量预期，轴承用量便不再是供应链中的可忽略尾数。

当前量产人形机器人的关节复杂度概览

三种方案呈现出相同趋势：关节数量和灵活性提升的速度，快于机器人整机质量增长的速度。这意味着，单个关节所配轴承必须向更小、更轻方向发展；与此同时，整机轴承总数量还在增加。正是这种组合，使薄截面轴承和微型角接触轴承，比传统机械臂可采用的标准外形轴承更具优势。

为什么机器人关节对轴承而言是极具严苛性的应用场景

机器人关节对轴承的工况，往往比多数人想象得更严苛，而这些原因通常不会体现在扭矩规格表上：

• 复合载荷且方向持续变化。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，而且每次机械臂改变姿态时，这三者之间的比例都会变化。针对某一工况优化的轴承，往往并不适用于下一工况。

• 对回程间隙近乎为零的要求。操作任务的定位精度，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，就会在末端执行器处表现为抖动，并沿着臂长被进一步放大。

• 极端的尺寸与重量约束。每个关节增加一克重量，上一级关节和电池就要多承担这一克负荷。与机床主轴轴承相比，机器人轴承被更强烈地推向薄截面和微型化设计。

• 其负载循环也完全不同于工厂机械臂。仓储人形机器人执行连续料箱拣选时，方向反转以及启停的累计频率，更接近伺服测试台架，而不是动作缓慢的焊接机器人。

• 与电机的热耦合更紧密。随着关节模组将电机、减速器和轴承集成在同一壳体内——其中一些甚至在铝合金本体上直接加工了液冷通道——轴承润滑脂寿命和预紧力必须在真实热源旁保持稳定，而不是在相对隔离的环境中工作。

这些问题并不能通过简单选用“更大”的轴承来解决，而需要通过正确的几何设计来应对——这正是角接触结构发挥价值的地方。

为什么角接触球轴承适合这一应用

深沟球轴承对径向载荷承载能力较强，而对轴向载荷承载能力较弱。纯推力轴承则相反。机器人关节需要在有限空间内同时承受这两种载荷，根本没有余地叠加两种独立轴承。角接触球轴承之所以能够解决这一问题，关键就在于一个几何设计：钢球与滚道之间的接触角。

增大接触角后，轴承会以牺牲部分径向承载能力为代价，换取更高的轴向与力矩载荷承载能力——这恰恰是机器人关节所需要的取舍。因为力矩刚度（即对偏载作用下倾覆的抵抗能力），通常才是决定机械臂在不发生挠曲情况下可举升多大载荷的限制因素。

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；而腕部关节虽然转速高，但载荷较轻且更接近中心，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。

成对双联：真实机器人关节的实际构成方式

单列角接触轴承只能承受一个方向的推力载荷。由于机器人关节在运动过程中会受到双向推拉，关节设计几乎从不采用单个轴承，而通常采用配对双联结构；两只轴承经过匹配磨削并施加预紧，使其相互预紧，同时承受双向轴向载荷。

轴承布置与轴承本体同样关键：

• 背对背（DB）：机器人关节中最常见的配置。接触点间有效跨距尽可能大，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）：对轴系不对中略有更好的适应性，在配合件公差更严的腕部或夹爪关节中有时更为合适。

• 串联（DT）：仅在轴向载荷较大且为单向受载时采用；而关节需要双向运动，这种工况并不常见，因此串联配置更多见于直线轴，而非旋转关节。

预紧等级是另一项关键参数，也是初涉机器人领域的团队最容易选错的配置。预紧不足，会在末端产生可测间隙；预紧过大，则摩擦力矩上升、润滑脂寿命缩短，电机还会消耗部分额定扭矩来克服轴承本身的阻力。

传统六轴机械臂与人形机器人关节——轴承需求对比

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趋势之一，是向准直驱执行器演进：彻底取消减速箱，改由高极数、高扭矩密度电机直接驱动关节。这样可以降低回程间隙和机械复杂度，但同时也去除了原本由减速机构在载荷传递到轴承之前所承担的部分冲击与不对中载荷缓冲作用。

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。这就同步提高了轴承若干性能指标的要求：

• 滚道硬度与表面精加工质量——在没有减速机构对扭矩脉动进行削弱的情况下，表面疲劳寿命的重要性不降反升。

• 保持架设计——直驱关节的转速较低，但瞬时扭矩反转更为频繁，这对保持架形成的应力模式与带减速机构的高速应用并不相同。

• 密封设计——电机绕组更靠近轴承，会抬升局部温度，从而使润滑脂选型及密封材料选择更倾向于耐高温规格。

这也是行业深度集成趋势最为明显的方向：关节模块将电机、减速箱（如仍有采用）、编码器和驱动电子元件封装为一个整体密封单元，而电源管理与栅极驱动电路也越来越多地直接集成到关节内部。角接触轴承对位于该封装的机械核心位置——它已不再是单独选型的独立部件，而是需要与电机以及壳体公差链作为一个系统共同定义。

密封关节模块中的润滑与密封

过去，关节模块通常具备可维护性。维护技术人员可以打开减速箱壳体，重新加注轴承润滑脂，然后再将其封闭。而密封式一体化关节模块——这也是整个行业在轻量化以及防尘、防潮保护方面的发展方向——则取消了这种维护方式。一旦关节交付，轴承内部的润滑脂就必须满足机器人的设计寿命要求，否则往往只能整模块更换，而不是原位维修。

这也改变了润滑脂的选型逻辑。某种润滑脂在可维护的工业减速箱轴承中表现合格，并不意味着它同样适用于密封式人形机器人关节，因为此处的失效模式不是“需要补脂”，而是“关节停止动作，整个模块报废”。决策通常取决于三项关键因素：

保持架材料的选择逻辑亦大体相同。长期以来，钢制或黄铜保持架一直是行业通用方案，在许多机器人关节中依然表现良好；但在结构更轻、换向频率更高的关节中，工程塑料保持架正逐步扩大应用，因为它们运行更安静、质量更轻，并且在最容易出现润滑不足的短暂阶段——启动以及长时间工况周期末端、计划维护之前——对边界润滑的容忍度更高。

轴承供应链正在成为真正的制约因素

人们很容易认为，人形机器人最难的部分是 AI 技术栈。但从产业零部件层面的分析来看，情况并非如此：高精度硬件——尤其是丝杠、轴承和执行器——的规模化生产，如今已被视为关键瓶颈，因为历史上生产这些部件的供应链，从未按照机器人大批量需求来构建。精密轴承制造背后沉淀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扩产。

对于当前设计机器人关节的企业而言，这带来非常现实的启示：轴承选型与采购必须比习惯于消费电子供应链的团队预期更早锁定到设计阶段。某一轴承规格如果只是低批量目录件，那么一旦项目从样机阶段进入数千套的量产阶段，就会迅速演变为供应风险。

机器人关节工程师的实用选型清单

无论应用场景是传统六轴机械臂、协作机器人，还是人形机器人关节，判断角接触轴承是否适用，都离不开以下几个关键问题：

机器人项目中如何选用合适的角接触轴承

在任何机器人关节设计评审中，以下几条实用准则都值得纳入考量：

1. 不要让所有关节都采用同一套轴承规格。髋关节与腕关节在载荷特性上几乎毫无共通之处；将二者等同对待，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. 在条件允许时，应以预紧等级而非单一数值来定义预紧。轻、中、重预紧等级更有利于生产线保持一致性，而单纯依赖扭矩指标，在批量化生产中往往难以稳定保证。

3. 保持架材料应与工作循环相匹配。对于频繁换向的关节，采用针对该应力模式专门设计的保持架结构，通常优于通用目录型保持架。

4. 应将轴承配对与轴承座视为同一公差链来评估。在薄截面、轻量化受限的关节中，轴承座孔公差对实际获得的预紧量影响，并不亚于轴承自身精度等级。

5. 应尽早确认供货能力。如果项目即将从样机阶段转入规模化生产，必须先验证轴承供应商是否具备批量供货能力，避免其成为制约量产、拖慢上市进程的瓶颈。

人形机器人热潮重新将这一沿用数十年的部件推到聚光灯下。角接触球轴承并不是为这一阶段重新发明的——但当前对接触角、预紧精度、润滑寿命以及供应可靠性的要求，已高于过去几十年中的任何时期。这些内容通常不会体现在机器人宣传页的显性规格中，但每一项设计决策，最终都会在实际使用中显现出来：要么关节在多年运行后仍能保持精度，要么在数千小时后开始漂移，并出现在现场失效报告中。

这一轮与以往机器人周期不同之处，并不在于轴承技术本身——角接触结构在一个多世纪前就已被充分掌握。真正的差异在于规模与节奏。传统六轴机器人项目可能只需对一家轴承供应商完成一次认证，随后便在十年内持续采购同一零件号；而人形机器人项目则往往每隔数月就要迭代一次关节设计，同时还要将产量推进到数千套。这意味着轴承规格、供应商关系与生产能力必须同步成熟，而不是按先后顺序逐步推进。把轴承选型视为后期采购决策，而非与电机和减速器并行推进的设计工作流的团队，最容易在项目从50台扩展到5000台时遭遇瓶颈。

在设计阶段就把选型做对，并选择能够随项目同步扩产的供应商，仍然是解决这一问题成本最低的方式——远低于在现场失效后才被迫进行关节重新设计。