2.2　焊接機器人控制系統的硬件組成

工業機器人的控制系統相當于機器人的大腦，可以直接或者通過人工對機器人的動作進行控制。機器人控制系統種類很多，從結構上可以分為單片機機器人控制系統、PLC機器人控制系統、基于IPC+運動控制器的機器人系統控制系統。

以單片機為核心的機器人控制系統把單片機（MCU）嵌入到運動控制器中，能夠獨立運行并且帶有通用接口，方便與其他設備通信。單片機在單一芯片上集成了中央處理器、動態存儲器、只讀存儲器、輸入輸出接口等，利用它設計的運動控制器電路原理簡潔、運行性能良好、系統的成本低。

PLC（可編程控制器）是一種用于自動化實時控制的數位邏輯控制器，是自動控制技術與計算機技術結合而成的自動化控制產品，廣泛應用于工業控制各個領域。以PLC為核心的機器人控制系統技術成熟、編程方便，在可靠性、擴展性、對環境的適應性方面有明顯優勢，并且有體積小、方便安裝維護、互換性強等優點。市面上有整套的商業化技術方案可供參考，開發周期大為縮短。

以PLC或以單片機為核心的機器人控制系統均不支持先進的復雜算法，不能進行復雜的數據處理，雖然在一般環境條件下可靠性好，但在高頻環境下運行不穩定，不能滿足機器人系統的多軸聯動等復雜的運動軌跡控制。

基于IPC+運動控制器是機器人控制系統應用主流和發展趨勢，軟件開發成本低，系統兼容性好，系統可靠性強，計算能力優勢明顯。基于IPC+運動控制器的機器人控制系統，以工業計算機為平臺，采用嵌入式實時操作系統，為動態控制算法和復雜軌跡規劃提供了硬件方面的保障。下面闡述均以此類控制系統為例展開。

2.2.1　工業機器人控制系統基本功能

為了保證機器人能夠自動完成規定的工作，應具備以下基本功能。

①記憶功能：存儲作業順序、運動路徑、運動方式、運動速度，以及工藝參數等信息。

②示教功能：可通過離線編程、在線示教和間接示教等方式完成機器人操作控制。

③與外圍設備聯系功能：應當具有I/O接口、通信接口、網絡接口、同步接口等。

④坐標設置功能：坐標是機器人工作的設定，有關節、全局、工具和用戶自定義四種坐標系。

⑤人機交互功能：用戶和機器人之間交流與互動操作，可通過示教盒、操作面板、顯示屏完成。

⑥傳感器信號接收處理功能：接受外部位置、圖像、碰觸、受力（扭矩）等信號。

⑦位置伺服功能：實現機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態補償等。

⑧故障診斷安全保護功能：運行時系統狀態監視、故障狀態下的安全保護和故障自診斷。

示教功能和坐標設置功能是操作和控制工業機器人的基礎，也是工業機器人特有的功能，下面重點闡述這兩方面的內容，其他功能與計算機技術、自動控制技術基本相同，請讀者自行閱讀和學習相關學科資料。

1.機器人的示教

機器人示教是操作控制機器人的一種編程方法，初學者需要重點掌握的是在線示教。在線示教是一種可重復再現通過示教編程存儲起來的作業程序，控制機器人按預設軌跡運行的方法，有導引示教和示教盒示教兩種形式。由人工操作導引機械模擬裝置或用示教盒，引導機器人末端執行器（安裝在機器人連接法蘭上的工具、焊槍、噴槍等）完成預期的動作，機器人完成特定預期作業的一組運動及輔助功能指令時，控制系統自動將這些指令存儲在機器人內存中，機器人可以憑記憶功能自動再現人工示教的操作。

示教盒是一種與控制系統相連接的手持裝置，用以對機器人進行編程或使之運動，圖2-13為KUKA機器人示教盒。不同品牌的工業機器人的按鈕不同，但基本可以分為以下幾個部分。

①狀態鍵：包括控制示教盒打開和關閉的啟動開關、電源接通和斷開的鑰匙開關和處理緊急事項的急停按鈕。

②3D鼠標：用于各軸的手動連續移動操作。

③移動鍵：一共有六組按鍵，分別控制J1～J6軸的正向和反向移動。

④倍率開關：分為程序倍率和手動倍率，通過設置不同的倍率，可以加快或降低機器人的運行速度。

⑤主菜單：用于調取編程指令。

⑥工藝鍵：用于輸入諸如焊接電流、電壓等工藝參數。

⑦程序啟動鍵：在示教程序編寫完成，啟動該程序使之控制機器人空運行。

⑧逆向啟動鍵：使程序從最后向前運行。

⑨停止鍵：可以使運行中的程序停止。

⑩鍵盤按鈕：調出鍵盤，輸入相關的符號和數字。

2.機器人離線編程

在線示教是初學者掌握機器人基本操作的重要途徑，但在實際生產應用中存在以下缺點：

①機器人在線示教編程的過程繁瑣、效率低；

②示教的精度完全靠示教者的經驗目測決定，對于復雜路徑難以取得令人滿意的效果；

③對于一些需要根據外部信息進行實時決策的應用無法實現。

機器人離線編程是利用計算機圖形學的成果建立起機器人及其工作環境的幾何模型，再利用規劃算法完成對圖形的控制和操作，在離線的情況下完成軌跡規劃；然后對編程結果進行三維動畫仿真，檢驗編程的正確性；最后將生成的代碼傳給機器人控制系統，以控制機器人運動，從而完成給定任務。機器人離線編程可以很好地建立機器人與CAD/CAM系統之間的聯系，從而實現智能制造。

離線編程與在線示教編程相比，具有如下優勢：

①減少機器人待機時間，在對下一個任務進行編程時，機器人可仍在生產線上工作；

②使編程者遠離危險的工作環境，改善了編程環境；

③離線編程系統使用范圍廣，可以對各種機器人進行編程，并能方便地實現優化編程；

④便于實現CAD/CAM/ROBOTICS一體化；

⑤可使用高級計算機編程語言對復雜任務進行編程；

⑥便于修改機器人程序。

品牌機器人如ABB、FANUC、KUKA、Motoman、Staubli等都有自己的編程模擬軟件，可以規劃示教不能完成的復雜運動軌跡，并能輸出G代碼，實現復雜的工業機器人激光切割和機器人數控加工等。各廠家提供的離線編程軟件不能通用，沒有提供離線編程軟件的機器人，大多可以使用Delmia、Robcad等第三方軟件完成工業機器人的離線編程。

3.機器人坐標系

KUKA機器人坐標系（圖2-14）是為確定機器人的位置和姿態，而在機器人或空間上進行的位置指標系統。各種不同的機器人的坐標系名稱有所不用，但基本包括基坐標系（Base Coordinate System）、全局坐標系（World Coordinate System）、工具坐標系（Tool Coordinate System）、工件坐標系（Work Object Coordinate System）等。

機器人工具坐標系以工具中心點TCP為原點，配以坐標方位構成。在機器人聯動運行時，必須標定TCP。機器人做姿態運動時，機器人TCP位置不變，工具沿坐標軸轉動，改變姿態。工具做線性運動時，機器人姿態不變，機器人TCP沿坐標軸線性移動。

機器人工件坐標系以工件原點為坐標原點，配以坐標方位構成。機器人程序支持多個工件坐標系（Wobj），可以根據當前工作狀態進行變換。外部夾具被更換后，只需要重新定義Wobj，可以不更改程序而直接運行。通過重新定義Wobj，可以簡便地完成一個程序適合多臺機器人。

坐標系的設置必須是原點為基礎，初學者應當理解TCP的概念及標定方法，相關操作和標定方法與機器人品牌相關，不同品牌的機器人操作方法不同，將在以后的章節中詳細講解。

2.2.2　工業機器人控制系統分類

工業機器人的控制就是示教→計算→驅動→反饋的過程。

示教就是通過計算機給機器人下達作業指令，而這個指令實質上是由人發出，并通過人機交互接口輸入到機器人控制系統中去的。

計算是由控制系統中的計算機來完成的，它根據示教信息形成一個控制策略，然后再根據這個策略（軌跡規劃）細化成機器人的每個運動軸的伺服運動的控制策略。另外，計算機還承擔整個機器人系統的管理工作，采集并處理各種信息，是工業機器人控制系統的核心。

伺服驅動就是通過機器人控制器的不同控制算法，將機器人控制策略轉化成驅動信號，控制伺服電動機的運動，從而實現機器人的高速、高精度運動來完成給定的作業。

反饋就是機器人的傳感器將機器人完成作業過程中的運動狀態、位置、姿態實時地反饋給控制計算機，使計算機實時監控整個機器人系統的運行情況，及時做出各種決策。

機器人控制系統有多種分類方法，按運動控制方式可以分為程序控制系統、自適應控制系統和智能控制系統。

①程序控制系統：大多數商品工業機器人采用這種控制系統，可用于搬運、裝配、點焊等機器人的點位控制，弧焊、噴涂、火焰或激光切割等機器人的輪廓控制。

②自適應控制系統：自適應能夠根據外界條件變化，為保證達到所要求的品質，或隨著工作經驗的積累而自行改善控制品質，不斷地改進及修改原有的控制程序。自適應控制的外界環境變化是由傳感器來感知獲取的，通過比較操作機的狀態和伺服誤差，調整非線性模型的參數，直到誤差消失為止。這種系統的結構和參數能夠隨時間和條件自動改變，有很復雜的計算方法，高精度和高速度的運算處理。

③人工智能控制系統：人工智能是計算機科學的一個分支，能夠以與人類智能相似的方式做出反應的智能控制系統。

2.2.3　工業機器人控制系統結構

工業機器人控制系統的核心是計算機，有集中控制、主從控制和分布控制三種形式。

1.集中控制系統

所謂集中控制就是用一臺計算機實現機器人的全部控制功能，早期機器人常采用這種結構。

基于PC的集中控制系統充分利用了PC資源開放性的特點，可以實現很好的開放性，多種控制卡、傳感器等設備都可以通過標準的PCI插槽或通過標準串口、并口集成到控制系統中。

集中控制系統具有硬件成本較低、便于信息的采集和分析、易于實現系統最優控制，以及整體性與協調性較好等優點，基于PC的集中控制系統的硬件擴展較為方便。但這種系統靈活性差、控制危險容易集中，一旦出現故障，影響面廣、后果嚴重。

由于工業機器人的實時性要求很高，當計算機進行大量數據計算時，會降低系統實時性；系統對多任務的響應能力與系統的實時性相沖突；系統連線復雜，降低了系統的可靠性。

2.主從控制系統

由于機器人功能越來越多，控制的精度越來越高，集中控制已很難滿足這些要求，所以就出現了主從控制和分布控制。在主從控制系統中，通常采用主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU負責系統管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等功能，而從CPU負責所有關節的動作控制。主從控制系統的實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。

3.分布控制系統

分布控制將系統分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關系，也可以是平行關系。這種方式實時性好，易于實現高速、高精度控制，易于擴展，可實現智能控制，是目前流行的方式。

分布控制的核心思想是“分散控制，集中管理”，即系統對其總體目標和任務可以進行綜合協調和分配，并通過子系統的協同工作來完成控制任務。整個控制系統在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以又稱為集散控制系統或分散控制系統。這種結構中，子系統是由控制器和不同被控對象或設備構成的，各個子系統之間通過網絡等相互通信。

分布系統中常采用兩級控制方式，通常由上位機、下位機和網絡組成。上位機可以進行不同的軌跡規劃和控制算法，下位機進行插補細分、控制優化等工作。上位機和下位機通過通信總線協調工作，有RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線等形式。當前，以太網和現場總線技術的發展為機器人提供了更快速、穩定、有效的通信服務。現場總線可應用于生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向多結點數字通信，從而形成了新型的網絡集成式全分布控制系統——現場總線控制FCS（Filedbus Control System）系統。

分布控制系統具有靈活性好、危險性降低等優點，由于采用多處理器的分散控制，有利于系統功能的并行執行，提高系統的處理效率，縮短響應時間。

對于多自由度的工業機器人，集中控制對各個控制軸之間的耦合關系可以處理得很好，很簡單的進行補償。但是，當軸的數量增加到使控制算法變得很復雜時，其控制性能會惡化。如果系統中軸的數量很多或控制算法變得很復雜時，可能會導致系統的重新設計。分布結構的每一個運動軸都由一個控制器處理，系統有較少的軸間耦合和較高的系統重構性。

2.2.4　控制系統的硬件組成

各品牌的工業機器人的控制系統硬件組成基本相同，主要有下列設備。

①計算機：控制系統的調度指揮元件，一般采用32位、64位微型機，如圖2-15所示。

②機器人控制柜：如圖2-16所示。

③示教盒：示教機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現信息交互，如圖2-15所示。

④操作面板：由各種操作按鍵、狀態指示燈組成，通常只用于基本功能操作。

⑤數字和模擬量輸入輸出接口：用于各種狀態和控制信號的輸入或輸出。

⑥傳感器接口：用于自動檢測，實現柔順控制的力覺、觸覺和視覺等傳感器的接口。

⑦軸控制器：用于機器人各關節位置、速度和加速度控制，如圖2-17所示。

⑧輔助設備控制：用于和機器人配合的輔助設備控制。

⑨通信接口：實現機器人和其他設備的信息交換，有串行接口、并行接口等。

⑩網絡接口：包括以太網（Ethernet）接口和總線（Fieldbus）接口。以太網接口通過以太網實現數臺或單臺機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet接口將數據及程序裝入各個機器人控制器中。總線接口支持多種流行的現場總線規格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。