图 27 焊枪的固定
(4) 控制系统与外围设备的连接 工业控制系统不仅要控制机器人机械手的运动，还需控制外围设备的动作、开启、切断以及安全防护，图 40-28 是典型的控制框图。
控制系统与所有设备的通信信号有数字量信号和模拟量信号。控制柜与外围设备用模拟信号联系的有焊接电源、送丝机构、以及操作机 ( 包括夹具、变位器等 ) 。这些设备需通过控制系统预置参数，通常是通过 D／A 数模转换器给定基准电压，控制器与焊接电源和送丝机构电源一般都需有电量隔离环响，控制系统对操作机电动机的伺服控制与对机器人伺服控制电动机的要求相仿，通常采用双伺服环。确保工件焊缝到位精度与机器人到位精度相等。
图 28 是典型的控制框图 数字量信号负担各设备的启动、停止、安全以及状态检测。
4． 3 弧焊机器人的操作与安全
(1) 弧焊机器人的操作 工业机器人普遍采用示教方式工作，即通过示教盒的操作键引导到起始点，然后用按键确定位置，运动方式 ( 直线或圆弧插补 ) 、摆动方式、焊枪姿态以及各种焊接参数。同时还可通过示教盒确定周边设备的运动速度等。焊接工艺操作包括引弧、施焊熄弧、填充火口等，亦通过示教盒给定。示教完毕后，机器人控制系统进入程序编辑状态，焊接程序生成后即可进行实际焊接。下面是焊接操作的一个实例 ( 见图 29) 。
图 29 焊接操作
1)F=2500 ，以 TV=2500cm ／min 的速度到达起始点； 2)SEASA=H1，L1=0,根据 H1 给出起始点 L2=0 ，F=100 ：
3)ARCON F=35 ，V=30 ；在给定条件下开始焊接I一280 ，TF=0.5 ，SENSTON=H1 并跟踪焊缝； 4)SENSTON = HI ；给出焊缝结束位置；
5)CORN=*CHFOIAI ：执行角焊缝程序，CHFOIAI ；
6)F=300 ， DW=1．5 ；1．5s 后焊接速度为 v=300cm/min ； 7)F=100 ；以 v=100cm ／ min ，并保持到下一示教点；
8)ARCON ， DBASE=*DHFL09 ：开始以数据库 *DHFL09 的数据焊接；
9)arcoff ， vC=20 ， ic=180 ：在要求条件下结束焊接 TC=1.5 ，F=200 ： 10)F=1000 ;以 v=1000cm ／min 的速度运动：
11)Dw=1 ， OUTB=2 ， 1s 后，在 #2 点发出 1 个脉冲； 12)F=100 ：以 v=100cm ／ min 的速度运动； 13)MULTON=*M ： 执行多层焊接程序2M ； 14)MULTOFF ， F=200 ：结束多层焊接。
(2) 弧焊机器人的安全 安全设备对于工业机器人工位是必不可少的。工业机器人应在一个被隔开的空间内工作，用门或光栅保护，机器人的工作区通过电及机械方法加以限制。从安全观点出发，危险常出现在下面几种情况： 1) 在示教时 这时，示教人员为了更好地观察，必须进到机器人及工件近旁。在此种工作方式下，限制机器人的最高移动速度和急停按键，会提高安全性。
2) 在维护及保养时 此时，维护人员必须靠近机器人及其周围设备工作及检测操作。
3) 在突然出现故障后观察故障时 因此，机器人操作人员及维修人员必须经过特别严格的培训。
5 机器人焊接智能化技术
一般工业现场应用的弧焊机器人大都是示教再现型的，这种焊接机器人对示教条件以外的焊接过程动态变化＼焊件变形和随机因素干扰等不具有适应能力。随着焊接产品的高质量、多品种＼小批量等要求增加，以及应用现场的各种复杂变化，使得直接从供货公和技术要求。这就需要对本体机器人焊接系统进行二次开发。通常包括给焊接机器人配置适当的传感器，柔性周边设备以及相应软件功能，如焊缝跟踪传感、焊接过程传感与实时控制、焊接变位机构以及焊接任务的离线规划与仿真软件等。这些功能大大扩展了基本示教再现焊接机器人的功能，从某种意义上讲，这样的焊接机器人系统已具有一定的智能行为，不过其智能程度的高低由所配置的传感器、控制器以及软硬件所决定。目前，这种焊接机器人智能化系统已成发展趋势，现将相关的智能化技术简要介绍如下。 5 ． 1 机器人焊接智能化系统技术组成
机器人焊接智能化系统是建立在智能反馈控制理论基础之上，涉及众多学科综合技术交叉的先进制造系统。除了不同的焊接工艺要求不同的焊接机器人实现技术与相关设备之外，现行机器人焊接智能化系统可从宏观上划分为如图 30 所示的组成部分：
图 30 机器人焊接智能化系统技术组成
图 30 中机器人焊接智能化系统涉及如下几个主要技术基础： 1) 机器人焊接任务规划软件系统设计技术；
2) 焊接环境、焊缝位置及走向以及焊接动态过程的智能传感技术； 3) 机器人运动轨迹控制实现技术； 4) 焊接动态过程的实时智能控制器设计；
5) 机器人焊接智能化复杂系统的控制与优化管理技术。
5 ． 2 机器人焊接任务规划软件设许技术
机器人焊接任务职能规划系统的基本任务是在一定的焊接工作区内自动生成从初始状态到目标状态的机器人动作序列、可达的焊枪运动轨迹和最佳的焊枪姿态、以及与之相匹配的焊接参数和控制程序，并能实现对焊接规划过程的自动仿真与优化。
机器人焊接任务规划可归结为人工智能领域的问题求解技术，其包含焊接路径规划和焊接参数规划两部分。由于焊接工艺及任务的多样性与复杂性，在实际施焊前对机器人焊接的路径和焊接参数方案进行计算机软件规划 ( 即 CAD 仿真设计研究 ) 是十分必要的。这一方面可以大幅度节省实际示教对生产线的占用时间，提高焊接机器人的利用率，另一方面还可以实现机器人运动过程的焊前模拟，保证生产过程的有效性和安全性。
机器人焊接路径规划的涵义主要是指对机器人末端焊枪轨迹的规划。焊枪轨迹的生成是将一条焊缝的焊接任务进行划分后，得到的一个关于焊枪运动的子任务，可用焊枪轨迹序列 {Phi} ( ? =1 ，2 ,..., n) 来表示。通过选择和调整机器人各运动关节，得到一组合适的相容关节解序列 J= {A1， A2 ，?， An }，在满足关节空间的限制和约束条件下，提高机器人的空间可达性和运动平稳性，完成焊缝上的焊枪轨迹序列。
机器人焊接参数规划主要是指对焊接工艺过程中各种质量控制参数的设计与确定。焊接参数规划的基础是参数规划模型的建立，由于焊接过程的复杂性和不确定性，目前应用和研究较多的模型结构主要是基于神经网络理论、模糊推理理论以及专家系统理论等。根据该模型的结构和输入输出关系，由预先获取的焊缝特征点数据可以生成参数规划模型所要求的输入参数和目标参数，通过规划器后即可得到施焊时相应的焊接工艺参数。
机器人焊接路径规划不同于一般移动机器人的路径规划。它的特点在于对焊缝空间连续曲线轨迹、焊枪运动的无碰，路径以及焊上枪姿态的综合设计与优化。由于焊接参数规划通常需要根据不同的工艺要求、不同的焊缝空间位置以及相异的工件材质和形状作相应的调整，而焊接路径规划和参数规划又具有一定的相互联系，因此对它们进行联合规划研究具有实际的意义。对焊接质量来讲，焊枪的姿态路径和．焊接参数是一个紧密耦合的统一整体。一方面在机器人路径规划中的焊枪姿态决定了施焊时的行走角和工作角，机器人末端执行器的运动速度也决定了焊接速度，而行走角、工作角、焊接速度等都是焊接参数的重要内容；另一方面，从焊接工艺和焊接质量控制角度讲，焊接速度、焊枪行走角等参数的调整由必须在机器人运动路径规划中得以实现。而从焊缝成形的规划模型来看，焊接电流、电弧电压、焊枪运动速度、焊接行走角 4 个量又必须有机地配合才能较好。地实现对焊缝成形的控制。因此焊接路径和焊接参数是一个有机的统一整体，必须进行焊接路径和焊接参数的联合规划。
根据焊缝成形的规划模型以及弧焊机器人焊接程序的结构，可以构造联合规划系统的结构，如图 31 所示。规划．系统各部分的意义及工作流程简述如下：
图 31 机器人焊接路径和参数联合规划图
1) 焊缝信息数据为规划系统提供了一个规划对象，它是一种数据结构，描述了焊缝的空间位置和接头形式，以及焊缝成形的尺寸要求；
2) 参数规划器是从焊接工艺上进行的参数规划，规划器模型输出焊接工艺参数文件和机器人焊枪姿态调整数据； 3) 姿态调整数据文件结合焊缝位置信息数据文件，生成焊枪运行轨迹 ( 包括运行速度 ) ，然后通过焊接路径规划器：
4) 路径规划器是一种人工智能状态的搜索模型，通过设计相应的启发函数和罚函数，结合机器人逆运动学解算方法，在机器人关节空间搜索和规划出一条运动路径，该规划器主要是为了提高机器人的运动灵活性和可达性，实现对
各种复杂的空间焊缝以及闭合焊缝的路径规划；
5) 路径规划器能输出满足关节相容性的笛卡尔坐标运动程序和关节坐标运动程序：
6) 机器人综合程序将焊接工艺参数文件和焊接路径规划程序结合在一起，自动生成实际的焊接机器人系统的可执行程序，从而实现对焊接路径和焊接参数的联合规划，并达到相应的焊缝成形质量目标。
5 ． 3 机器人焊接传感技术
人的智能标志之一是能够感知外部世界并依据感知信息而采取适应性行为。要使机器人焊接系统具有一定的智能，研究机器人对焊接环境、焊缝位置及走向以及焊接动态过程的智能传感技术是十分必要的。机器人具备对焊接环境的感知功能可利用计算技术视觉技术实现，将对焊接工件整体或局部环境的视觉模型作为规划焊接任务、无碰路径及焊接参数的依据，这里需要建立三维视觉硬件系统，以及实现图像理解、物体分割、识别算法软件等技术。
视觉焊缝跟踪传感器是焊接机器人传感系统的核心和基础之一。为了获取焊缝接头的三维轮廓并克服焊接过程中弧光的干扰，机器人焊缝跟踪识别技术一般是采用激光、结构光等主动视觉的方法，从而正确导引机器人焊枪终端沿实际焊缝完成期望的轨迹运动。由于采用的主动光源的能量大都比电弧光的能量小，一般将这种传感器放在焊枪的前端以避开弧光直射的干扰。主动光源一般为单光面或多光面的激光域扫描的激光束水山工业 os 且肃缺的 瞄姑扭价曙檀辱馏健权层处理稳定、简单、实用性好。
结构光视觉是主动视觉焊缝跟踪的另一种形式，相应的传感器主要有两部分组成：一个是投影器，用它的辐射能量形成一个投影光面；一个是光电位置探测器件，常采用面阵 CCD 摄像机。它们以一定的位置关系装配后，并配以一定的算法，便构成了结构光视觉传感器，它能感知投影面上所有可视点的三维信息。一条空间焊缝的轨迹可看成是由一系列离散点构成的，其密集程度根据控制的需要而定，焊缝坐标系的原点便建立在这些点上，传感器每次测得一个焊缝点位姿并可获得未知焊缝点的位姿启发信息。导引机器人焊枪完成整个光滑连续焊缝的跟踪。
焊接动态过程的实时检测技术主要指在焊接过程中对熔池尺寸、熔透、成形以及屯弧行为等参数的在线检测，从而实现焊接质量的实时控制。由于焊接过程的：弧光干扰复杂的物理化学反应、强非线性以及大量的不确定性因素的作用，使得对焊接过程可靠而实用的检测成为瞩目的难题。长期以来；已有众多学者探索过用多种途径及技术手段检测尝试，在一定条件下取得了成功，各种不同的检测手段、信息处理方法以及不同的传感原理、技术实现手段，实质上是要求综合技术的提高。从熔池动态变化和熔透特征检测来看，目前认为计算机视觉技术、温度场测量、熔池激励振荡、电弧传感等方法用于实时控制的效果较好。
5 ． 4 焊接动态过程智能控制技术
焊接动态过程是一个多因素影响的复杂过程，尤其是在弧焊动态过程中对焊接熔池尺寸 ( 即熔宽、熔深、熔透及成形等焊接质量 ) 的实时控制问题，由于被控对象的强非线性、多变量耦合、材料的物理化学变化的复杂性，以及大量随机干扰和不确定因素的存在，使得有效地实时控制焊接质量成为焊接界多年来瞩目的摊题。也是实现焊接机器人智能化系统不可逾越的关键问题。
由于经典及现代控制理论所能提供的控制器设计方法是基于被控对象的精确数学模型建模的，而焊接动态过程不可能给出这种可控的数学模型，因此对焊接过程也难于应用这些理论方法设计有效的控制器。
近年来随着模拟人类智能行为的模糊逻辑、人工神经网络、专家系统等智能控制理论方法的出现，使得我们有可能采用新思路来设计模拟焊工操作行为的智能控制器，以期解决焊接质量实时控制的难题。目前已有一些学者将模糊逻辑、人工神经网络、专家推理等人工智能技术综合运用于机器人系统焊接动态过程控制问题
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针对实际的焊接动态过程控制对象，智能控制器的设计需要许多技巧性的工作，尤其在控制器的实时白适应与自
焊接机器人(精)
