2.2 焊接机器人控制系统的硬件组成
工业机器人的控制系统相当于机器人的大脑，可以直接或者通过人工对机器人的动作进行控制。机器人控制系统种类很多，从结构上可以分为单片机机器人控制系统、PLC机器人控制系统、基于IPC+运动控制器的机器人系统控制系统。
以单片机为核心的机器人控制系统把单片机（MCU）嵌入到运动控制器中，能够独立运行并且带有通用接口，方便与其他设备通信。单片机在单一芯片上集成了中央处理器、动态存储器、只读存储器、输入输出接口等，利用它设计的运动控制器电路原理简洁、运行性能良好、系统的成本低。
PLC（可编程控制器）是一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，是自动控制技术与计算机技术结合而成的自动化控制产品，广泛应用于工业控制各个领域。以PLC为核心的机器人控制系统技术成熟、编程方便，在可靠性、扩展性、对环境的适应性方面有明显优势，并且有体积小、方便安装维护、互换性强等优点。市面上有整套的商业化技术方案可供参考，开发周期大为缩短。
以PLC或以单片机为核心的机器人控制系统均不支持先进的复杂算法，不能进行复杂的数据处理，虽然在一般环境条件下可靠性好，但在高频环境下运行不稳定，不能满足机器人系统的多轴联动等复杂的运动轨迹控制。
基于IPC+运动控制器是机器人控制系统应用主流和发展趋势，软件开发成本低，系统兼容性好，系统可靠性强，计算能力优势明显。基于IPC+运动控制器的机器人控制系统，以工业计算机为平台，采用嵌入式实时操作系统，为动态控制算法和复杂轨迹规划提供了硬件方面的保障。下面阐述均以此类控制系统为例展开。
2.2.1 工业机器人控制系统基本功能
为了保证机器人能够自动完成规定的工作，应具备以下基本功能。
①记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度，以及工艺参数等信息。
②示教功能：可通过离线编程、在线示教和间接示教等方式完成机器人操作控制。
③与外围设备联系功能：应当具有I/O接口、通信接口、网络接口、同步接口等。
④坐标设置功能：坐标是机器人工作的设定，有关节、全局、工具和用户自定义四种坐标系。
⑤人机交互功能：用户和机器人之间交流与互动操作，可通过示教盒、操作面板、显示屏完成。
⑥传感器信号接收处理功能：接受外部位置、图像、碰触、受力（扭矩）等信号。
⑦位置伺服功能：实现机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。
⑧故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。
示教功能和坐标设置功能是操作和控制工业机器人的基础，也是工业机器人特有的功能，下面重点阐述这两方面的内容，其他功能与计算机技术、自动控制技术基本相同，请读者自行阅读和学习相关学科资料。
1.机器人的示教
机器人示教是操作控制机器人的一种编程方法，初学者需要重点掌握的是在线示教。在线示教是一种可重复再现通过示教编程存储起来的作业程序，控制机器人按预设轨迹运行的方法，有导引示教和示教盒示教两种形式。由人工操作导引机械模拟装置或用示教盒，引导机器人末端执行器（安装在机器人连接法兰上的工具、焊枪、喷枪等）完成预期的动作，机器人完成特定预期作业的一组运动及辅助功能指令时，控制系统自动将这些指令存储在机器人内存中，机器人可以凭记忆功能自动再现人工示教的操作。
示教盒是一种与控制系统相连接的手持装置，用以对机器人进行编程或使之运动，图2-13为KUKA机器人示教盒。不同品牌的工业机器人的按钮不同，但基本可以分为以下几个部分。
图2-13 KUKA机器人示教盒
①状态键：包括控制示教盒打开和关闭的启动开关、电源接通和断开的钥匙开关和处理紧急事项的急停按钮。
②3D鼠标：用于各轴的手动连续移动操作。
③移动键：一共有六组按键，分别控制J1～J6轴的正向和反向移动。
④倍率开关：分为程序倍率和手动倍率，通过设置不同的倍率，可以加快或降低机器人的运行速度。
⑤主菜单：用于调取编程指令。
⑥工艺键：用于输入诸如焊接电流、电压等工艺参数。
⑦程序启动键：在示教程序编写完成，启动该程序使之控制机器人空运行。
⑧逆向启动键：使程序从最后向前运行。
⑨停止键：可以使运行中的程序停止。
⑩键盘按钮：调出键盘，输入相关的符号和数字。
2.机器人离线编程
在线示教是初学者掌握机器人基本操作的重要途径，但在实际生产应用中存在以下缺点：
①机器人在线示教编程的过程繁琐、效率低；
②示教的精度完全靠示教者的经验目测决定，对于复杂路径难以取得令人满意的效果；
③对于一些需要根据外部信息进行实时决策的应用无法实现。
机器人离线编程是利用计算机图形学的成果建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用规划算法完成对图形的控制和操作，在离线的情况下完成轨迹规划；然后对编程结果进行三维动画仿真，检验编程的正确性；最后将生成的代码传给机器人控制系统，以控制机器人运动，从而完成给定任务。机器人离线编程可以很好地建立机器人与CAD/CAM系统之间的联系，从而实现智能制造。
离线编程与在线示教编程相比，具有如下优势：
①减少机器人待机时间，在对下一个任务进行编程时，机器人可仍在生产线上工作；
②使编程者远离危险的工作环境，改善了编程环境；
③离线编程系统使用范围广，可以对各种机器人进行编程，并能方便地实现优化编程；
④便于实现CAD/CAM/ROBOTICS一体化；
⑤可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程；
⑥便于修改机器人程序。
品牌机器人如ABB、FANUC、KUKA、Motoman、Staubli等都有自己的编程模拟软件，可以规划示教不能完成的复杂运动轨迹，并能输出G代码，实现复杂的工业机器人激光切割和机器人数控加工等。各厂家提供的离线编程软件不能通用，没有提供离线编程软件的机器人，大多可以使用Delmia、Robcad等第三方软件完成工业机器人的离线编程。
3.机器人坐标系
KUKA机器人坐标系（图2-14）是为确定机器人的位置和姿态，而在机器人或空间上进行的位置指标系统。各种不同的机器人的坐标系名称有所不用，但基本包括基坐标系（Base Coordinate System）、全局坐标系（World Coordinate System）、工具坐标系（Tool Coordinate System）、工件坐标系（Work Object Coordinate System）等。
图2-14 KUKA机器人坐标系
机器人工具坐标系以工具中心点TCP为原点，配以坐标方位构成。在机器人联动运行时，必须标定TCP。机器人做姿态运动时，机器人TCP位置不变，工具沿坐标轴转动，改变姿态。工具做线性运动时，机器人姿态不变，机器人TCP沿坐标轴线性移动。
机器人工件坐标系以工件原点为坐标原点，配以坐标方位构成。机器人程序支持多个工件坐标系（Wobj），可以根据当前工作状态进行变换。外部夹具被更换后，只需要重新定义Wobj，可以不更改程序而直接运行。通过重新定义Wobj，可以简便地完成一个程序适合多台机器人。
坐标系的设置必须是原点为基础，初学者应当理解TCP的概念及标定方法，相关操作和标定方法与机器人品牌相关，不同品牌的机器人操作方法不同，将在以后的章节中详细讲解。
2.2.2 工业机器人控制系统分类
工业机器人的控制就是示教→计算→驱动→反馈的过程。
示教就是通过计算机给机器人下达作业指令，而这个指令实质上是由人发出，并通过人机交互接口输入到机器人控制系统中去的。
计算是由控制系统中的计算机来完成的，它根据示教信息形成一个控制策略，然后再根据这个策略（轨迹规划）细化成机器人的每个运动轴的伺服运动的控制策略。另外，计算机还承担整个机器人系统的管理工作，采集并处理各种信息，是工业机器人控制系统的核心。
伺服驱动就是通过机器人控制器的不同控制算法，将机器人控制策略转化成驱动信号，控制伺服电动机的运动，从而实现机器人的高速、高精度运动来完成给定的作业。
反馈就是机器人的传感器将机器人完成作业过程中的运动状态、位置、姿态实时地反馈给控制计算机，使计算机实时监控整个机器人系统的运行情况，及时做出各种决策。
机器人控制系统有多种分类方法，按运动控制方式可以分为程序控制系统、自适应控制系统和智能控制系统。
①程序控制系统：大多数商品工业机器人采用这种控制系统，可用于搬运、装配、点焊等机器人的点位控制，弧焊、喷涂、火焰或激光切割等机器人的轮廓控制。
②自适应控制系统：自适应能够根据外界条件变化，为保证达到所要求的品质，或随着工作经验的积累而自行改善控制品质，不断地改进及修改原有的控制程序。自适应控制的外界环境变化是由传感器来感知获取的，通过比较操作机的状态和伺服误差，调整非线性模型的参数，直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能够随时间和条件自动改变，有很复杂的计算方法，高精度和高速度的运算处理。
③人工智能控制系统：人工智能是计算机科学的一个分支，能够以与人类智能相似的方式做出反应的智能控制系统。
2.2.3 工业机器人控制系统结构
工业机器人控制系统的核心是计算机，有集中控制、主从控制和分布控制三种形式。
1.集中控制系统
所谓集中控制就是用一台计算机实现机器人的全部控制功能，早期机器人常采用这种结构。
基于PC的集中控制系统充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放性，多种控制卡、传感器等设备都可以通过标准的PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。
集中控制系统具有硬件成本较低、便于信息的采集和分析、易于实现系统最优控制，以及整体性与协调性较好等优点，基于PC的集中控制系统的硬件扩展较为方便。但这种系统灵活性差、控制危险容易集中，一旦出现故障，影响面广、后果严重。
由于工业机器人的实时性要求很高，当计算机进行大量数据计算时，会降低系统实时性；系统对多任务的响应能力与系统的实时性相冲突；系统连线复杂，降低了系统的可靠性。
2.主从控制系统
由于机器人功能越来越多，控制的精度越来越高，集中控制已很难满足这些要求，所以就出现了主从控制和分布控制。在主从控制系统中，通常采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU负责系统管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等功能，而从CPU负责所有关节的动作控制。主从控制系统的实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
3.分布控制系统
分布控制将系统分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平行关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，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”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协同工作来完成控制任务。整个控制系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以又称为集散控制系统或分散控制系统。这种结构中，子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络等相互通信。
分布系统中常采用两级控制方式，通常由上位机、下位机和网络组成。上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法，下位机进行插补细分、控制优化等工作。上位机和下位机通过通信总线协调工作，有RS-232、RS-485、EEE-488以及USB总线等形式。当前，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通信服务。现场总线可应用于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统——现场总线控制FCS（Filedbus Control System）系统。
分布控制系统具有灵活性好、危险性降低等优点，由于采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。
对于多自由度的工业机器人，集中控制对各个控制轴之间的耦合关系可以处理得很好，很简单的进行补偿。但是，当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时，其控制性能会恶化。如果系统中轴的数量很多或控制算法变得很复杂时，可能会导致系统的重新设计。分布结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，系统有较少的轴间耦合和较高的系统重构性。
2.2.4 控制系统的硬件组成
各品牌的工业机器人的控制系统硬件组成基本相同，主要有下列设备。
①计算机：控制系统的调度指挥元件，一般采用32位、64位微型机，如图2-15所示。
图2-15 ABB控制计算机和示教盒
②机器人控制柜：如图2-16所示。
图2-16 FANUC机器人控制柜
③示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互，如图2-15所示。
④操作面板：由各种操作按键、状态指示灯组成，通常只用于基本功能操作。
⑤数字和模拟量输入输出接口：用于各种状态和控制信号的输入或输出。
⑥传感器接口：用于自动检测，实现柔顺控制的力觉、触觉和视觉等传感器的接口。
⑦轴控制器：用于机器人各关节位置、速度和加速度控制，如图2-17所示。
图2-17 轴控制器
⑧辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制。
⑨通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，有串行接口、并行接口等。
⑩网络接口：包括以太网（Ethernet）接口和总线（Fieldbus）接口。以太网接口通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。总线接口支持多种流行的现场总线规格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。