核心总结

《多关节机器人原理与维修》内容总结

一、图书基础信息

• 基本信息
  ：由孙汉卿、吴海波编著，国防工业出版社 2013 年 1 月出版，ISBN 978-7-118-08608-9，定价 58 元，上架建议为机械自动化领域。
• 适用人群
  ：既可用作工科院校机器人（机电一体化）专业高年级本科生、研究生的教学用书，也能为从事工厂自动化、设备维修的高级工程技术人员提供参考。

二、内容架构与核心章节

（一）内容总览

全书从应用角度出发，系统涵盖工业机器人概念、机械结构、核心部件原理、伺服系统、控制器、运动学与动力学，以及维修方法，兼顾理论分析与工厂实际应用，且各章节独立，读者可按需阅读单章内容。

（二）各章节核心内容

1. 第 1 章：工业机器人概述

• 定义与发展
  ：工业机器人是可编程、具人部分功能可替代人工作的设备，1954 年第一台在美国诞生，20 世纪 60 年代日本在政府支持下快速发展，如今成为工业自动化三大技术支柱之一（与数控、可编程控制器并列）。
• 应用优势
  ：能提高生产率（如机器人弧焊速度是人工 3 倍）、提升产品质量（点焊重复定位精度高），且具备柔性化特点，可适应小批量、个性化生产需求。
• 分类
  ：按发展阶段分 “示教再现” 型（第一代）、带环境感知传感器（第二代）、具判断决策能力的智能机器人（第三代）；按用途分工业、服务、水下、空间机器人等。
• 关键概念
  ：详细阐述自由度（决定运动灵活性，工业机器人通常需 6 个自由度以实现空间位置与姿态控制）、作业空间（末端操作器可达区域，需考虑奇异点影响）、承载能力（与机构尺寸、驱动系统容量、运行速度相关，分法兰盘连接和手爪抓取两种情况）、运动速度（含启动、加速、等速、减速、制动过程，需平衡效率与精度）、位置精度（多为重复定位精度，受负载、惯性力、减速器回差等因素影响）。

• 腕部
  ：多采用 RBR 结构（两个旋转中间夹一个摆动），3 个轴（R、B、T 轴）由交流伺服电动机驱动，通过齿轮或齿形皮带轮传动，需注意轴承安装、密封及拆装顺序（先拆左后拆右，先拆 R 轴再拆 B 轴最后拆 T 轴）。
• 上臂与下臂
  ：上臂多为空心结构以安装传动机构，下臂需承受上臂等负载，部分配备平衡机构（如弹簧结构）平衡重力产生的阻力矩，且两者连接需保证同心度与刚度。
• 回转部分（S 轴）
  ：带动上下臂旋转，由大容量伺服电动机驱动，通过多组齿轮传递运动，需注意齿轮啮合精度与润滑密封。
• 底座
  ：支承整个机器人重量，包含 S 轴减速器、插座基座、止动块与限位开关等部件，需保证安装稳固与密封防漏。

• 整体结构划分
  ：机械结构分为腕部、上臂（U 臂）、下臂（L 臂）、回转部分（S 轴）、底座部五大部分。
• 各部分细节
  ：

• 概述
  ：两者是机器人核心减速部件，谐波减速器减速比大、尺寸小但回差较大，多用于姿态轴；RV 减速器结合渐开线行星传动与摆线针轮传动，刚性大、回差小，多用于负载较大的位置控制轴。
• 谐波减速器
  ：由刚轮、柔轮、波发生器组成，通过柔轮弹性变形实现错齿运动，单级传动比 50-4000，传动效率 92%-96%，需注意柔轮材料选择（如 30CrMnSiA）与齿廓修形。
• 摆线针轮行星传动
  ：行星轮为摆线轮，内齿轮为针轮，是一齿差传动，传动比大且转臂轴承载荷小、传动平稳，需注意针齿销刚度与摆线轮齿廓过切问题。
• RV 减速器
  ：1986 年日本帝人公司研制，结构紧凑、传动比 157-192、刚性大、抗冲击，由渐开线行星齿轮与摆线针轮传动组成，需关注摆线轮修形（移距、等距、转角修形）以保证传动精度与减少空程角误差。

• 概述
  ：机器人多采用交流伺服系统，通过交流矢量法将交流电动机等效为直流电动机控制，核心是解决交流电动机转矩电流与励磁电流耦合问题，依托计算机、电力半导体（如 IGBT）等技术发展实现产业化。
• 三环系统
  ：由位置环（外层，保证定位精度，输出为速度指令）、速度环（中层，保证速度快速响应，输出为电流指令）、电流环（内层，控制转矩，保证电流稳定）组成，均采用比例积分（PI）调节器，实现无差控制。
• 三相交流永磁电动机
  ：分为直流无刷电动机（定子通方波电流）与交流同步电动机（定子通正弦电流），转子采用钕铁硼等永磁材料，需分析磁路（如直轴 d 轴、交轴 q 轴电感差异）、转矩方程（含电磁转矩与磁阻转矩），且要避免永磁体退磁。
• 矢量控制
  ：通过坐标变换（a、b、c 坐标向 d、q、o 坐标转换）将定子电流分解为转矩分量（q 轴）与励磁分量（d 轴），实现类似直流电动机的解耦控制，可通过磁场定向（如 i_d=0）使控制效果最优，需配合位置传感器（如光电编码器、旋转变压器）检测转子位置。
• 驱动系统
  ：由整流电路（将交流电转为直流电）、中间环节（滤波稳压）、逆变电路（将直流电转为交流电）组成，通过 PWM（脉冲宽度调制）与 SPWM（正弦脉冲宽度调制）产生所需电流波形，需注意载波频率选择（如 IGBT 常用 8kHz、16kHz）与电流反馈控制。

• 概述
  ：控制器是机器人 “大脑”，兼具硬件与软件功能，硬件包含电源、信号处理、接口等模块，软件负责运动控制、逻辑控制等。
• 硬件结构
  ：分析控制器各硬件模块（如 CPU、存储器、输入输出接口）的功能与连接，电源需稳定供电，信号系统需处理位置、速度、电流等信号，且要具备抗干扰能力。
• 软件部分
  ：虽未分析具体软件，但介绍软件功能（如运动轨迹规划、逻辑判断、安全控制），依托操作系统与控制算法实现，需保证软件稳定性与实时性。

• 运动学
  ：研究机器人位置与姿态描述（如齐次坐标变换）、运动学正解（已知关节变量求末端位姿）与逆解（已知末端位姿求关节变量），需用到雅可比矩阵分析关节速度与末端速度关系。
• 动力学
  ：研究机器人受力与运动的关系，分析惯性力、重力、摩擦力等对运动的影响，为电动机选型与控制算法优化提供依据，需建立动力学方程（如拉格朗日方程）。

• 交流永磁电动机
  ：检查绕组绝缘、轴承磨损、永磁体磁性，维修时需注意拆装顺序与部件保护。
• 伺服驱动器
  ：检测电源、功率模块（如 IGBT）、信号电路，排查故障需借助仪器测量电压、电流信号。
• 控制器
  ：检查硬件连接、软件程序，若出现故障可先排查电源与接口，再考虑程序修复或硬件更换。
• 本体与电缆
  ：检查机械部件磨损、紧固情况，电缆有无破损、老化，维修时需保证安装精度与密封。
• 减速机
  ：检查齿轮啮合、轴承磨损、润滑油状态，维修时需注意回装精度与润滑油脂选择。

• 概述
  ：结合作者经验，阐述机器人核心部件维修方法，强调维修需基于对结构与原理的理解，且要做好维修记录与安全防护。
• 各部件维修
  ：

三、本书特色与价值

• 实用性强
  ：从工厂实际应用出发，不仅阐述理论，还详细介绍机器人结构拆装、部件维修等实操内容，如腕部轴的拆装顺序、减速器润滑维护等。
• 针对性明确
  ：区别于侧重理论研究的同类书籍，重点分析机器人具体结构（如安川机器人三维结构图）、装配关系、配合尺寸，满足工厂技术人员需求。
• 知识全面
  ：涵盖机器人从原理到维修的全流程知识，且各章节独立，方便不同读者（管理人员、工艺人员、维修工等）按需获取所需内容，为机器人相关学习与实践提供系统参考。