焊接机器人系统原理

机器人是一种具有“柔性”的机器，机器人具有人或者生物的某些功能，例如，工业机器人操作手模拟了人类手臂的功能，步行机器人模拟了人和动物下肢的运动功能。高级的机器人可以通过传感器了解外部环境或者“身体内在的”状态与变化，甚至可以做出自己的逻辑推理、判断与决策，也就是所谓的机器人的智能行为。

工业机器人只有作为作业系统的一部分才能发挥作用。由于各种不同类型的机器人不断涌现，它们发挥作用的形式和组成的系统也在不断变化。工业机器人作为制造系统的一部分发挥作用是典型的。下面通过焊接系统来分析机器人的工作原理。焊接机器人系统工作时，至少需要一个工作台，将工件装卡在上面，并运送到机器人焊接的合适位置。这样，构成了一个简单的机器人焊接系统，称为机器人焊接工作站。如果机器人组成一个焊接生产线，则这个系统就变得更为复杂。

机器人要完成焊接作业，必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器人系统一般由机器人操作手、变位机、控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等组成，如下图所示。

机器人操作手是焊接机器人系统的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节以及内部传感器（如编码盘）等组成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置、姿态和实现其运动。工业机器人操作手具有６个旋转关节的铰接开链式机器人。

变位机作为的作用是将被焊工件旋转（平移）到的焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具来装卡和定位被焊工件，对工件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。为了使机器人操作手充分发挥效能，焊接机器人系统通常采用两台变位机，当在其中一台上进行焊接作业时，另一台则完成工件的上装和卸载，从而使整个系统获得高的费用效能比。

机器人控制器是整个机器人系统的大脑，它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。所有现代机器人的控制器都是基于多处理器，根据操作系统的指令，工业控制计算机通过系统总线实现对不同组件的驱动及协调控制。

焊接系统主要由焊钳（点焊机器人）、焊枪（弧焊机器人）、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器是由微处理器及部分外围接口芯片组成的控制系统，它可根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数输入、焊接程序控制及焊接系统故障自诊断，并实现与本地计算机及示教盒的通信联系。用于弧焊机器人的焊接电源及送丝设备由于参数选择的需要，必须由机器人控制器直接控制，电源在其功率和接通时间上必须与自动过程相符。

在焊接过程中，尽管机器人操作机、变位机、装卡设备和工具能达到很高的精度，但由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差，以及焊接过程中热输入能引起工件的变形，传感器仍是焊接过程中（尤其是焊接大厚工件时）不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。

中央控制计算机在工业机器人向系统化、PC化和网络化的发展过程中发挥着重要的作用。通过串行接口与机器人控制器相连接，中央控制计算机主要用于在同一层次或不同层次的计算机间形成通信网络，同时与传感系统相配合，实现焊接路径和参数的离线编程、焊接专家系统的应用及生产数据的管理。

安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障，其主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限化自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工作空间干涉自断电保护及人工急停断电保护等，它们起到防止机器人伤人或周边设备的作用。在机器人的工作部还装有各类触觉或接近传感器，可以使机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作。

机器人可以用来完成各种各样的作业，不同的任务需要不同的操作加以执行，因而需要不同的作业顺序。以机器人装配为例，为了完成装配，机器人进行的基本操作有手臂趋近、手爪张开、多指抓取、多指操作、装配、拆卸以及手臂退回。可以将这些基本操作分为两类运动，手臂趋近、手臂退回和手指张开称为自由运动，此类运动要求在运动过程中不与周围环境障碍物发生碰撞；多指抓取、多指操作、装配和拆卸称为约束运动。通常所说的运动规划实际上指的是自由运动规划，即寻找一条与周围环境不发生碰撞和干涉的路径，完成机器人由初始形位到目标形位的运动。

从控制的角度机器人的工作可以通过如下四种方式来实现目标：第１章机器人系统概述·１５·“示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如上面的焊接机器人。

“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，启动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。

“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。遥控机器人（telemanipulators）通过人来构成闭环控制。人借助于复杂的传感器和显示装置进行控制的机械系统。操作者也就成了控制系统的一个中心单元。根据显示的信息，操作者对校正信号调整以完成所需完成的动作。