焊接机器人系统原理图

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最典型的 。 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 图 １唱１７ 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）到最佳的焊接位置 。 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最高的费用效能比 。

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（telemanipulato rs）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 。

“自主控制”方式 ：是机器人控制中最高级 、最复杂的控制方式 ，它要求机器人 在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力 ，也就是要具有人的某些 智能行为 。