焊接機器人及柔性夾具控制系統在結構上主要由兩部分組成：機械系統和控制系統。機械系統包括機器人工作房、機器人本體、機器人外軸回轉臺及機器人周邊設備等；控制系統可分為機器人控制系統、工裝夾具識別及控制系統、人機界面等輔助單元。
機械結構
1．機器人工作房
機器人工作房的布置及主要部件如圖1所示，工作房外形為六邊梯形，房間由方管框架加薄鐵板焊接而成，焊接機器人在房間中央位置，左右對稱位置各有一個工作臺，分別由兩個機器人外軸電機直接驅動。兩工作臺之間有30°左右的夾角，機器人工作時可在兩工位之間切換，即機器人在左側工位焊接時，操作工可在右側工位上下料，同樣，當機器人在右側工位工作時，操作工可在左側裝拆工件，這樣可使機器人停機等待時間大大減少，從而提高生產效率。
圖1 機器人工作房頂視圖
在機器人和回轉臺之間有氣缸驅動的隔離裝置，它可以遮擋弧焊時產生的弧光和焊渣，并保護操作者在另一側操作時不受影響。在兩工位外側開了兩個門，以便操作，該門上方安裝了氣動門簾，焊接時可自動關上，以遮擋弧光和焊渣。
兩工位外側分別有一個雙手啟動操作盒，用以操作焊接夾具盒啟動機器人進行焊接工作。在整個工作房的前側有一個主操作面板，上面安裝了
觸摸屏和若干按鈕，在此可以對系統進行設置和操作。機器人工作房的外觀如圖2所示。
圖2 機器人工作房圖
我們采用的FANUC ROBOWELD 100i系列焊接機器人是標準的六軸機器人，具有六個自由度，理論上可以達到運動范圍內的任意一點，其臂展范圍為1440mm，配以松下的焊槍，足以滿足本系統的需要。另外，汽車零部件的焊接對機器人軌跡的重復定位精度有一定要求，一般應小于0.5mm，而該機器人可達到0.2mm，可以滿足生產需要。此外，整車廠商對及時供貨和零庫存的要求決定了零部件廠商對生產效率的關注，所以對設備的自動化程度和零件生產節拍有近乎苛刻的要求，FANUC機器人2000mm/s的直線速度可以大大減少機器人軌跡中空行程所浪費的時間。機器人本體外形如圖3所示。
圖3 機器人本體
3．機器人外軸回轉臺
外軸回轉臺由支架、驅動電機、減速器和回轉框架等構成，焊接夾具就固定在該框架上。回轉由機器人外軸直接控制，除去了以往由PLC控制的轉臺單獨回轉、位置確認以及與機器人通信等過程所增加的許多時間。由于該回轉臺主動側和從動側之間的跨度較大（1800mm），而且在工作時轉速又很高，因此對回轉臺在回轉時的跳動范圍是有一定要求的，需認真調校才能使回轉臺在工作時運轉平穩，否則很容易引起電機過載、過熱等情況，嚴重時將損壞設備。
4．機器人周邊設備
機器人焊接時還需要用到其他輔助設備來使生產順利進行，并減少停機時間、降低設備故障率、提高安全性等，所以，該機器人工作房中還安裝了一些周邊設備，如焊絲剪切裝置、噴硅油裝置、焊槍清洗裝置、光電保護裝置、焊絲管平衡吊空裝置等。
控制系統
該機器人工作房的控制系統可分為主控系統和機器人控制系統兩個層次，其總體結構如圖4所示。
圖4 控制系統結構簡圖
1、主控系統
主控系統采用OMRON CQM1H系列中小型PLC，該機種采用非機架結構的模塊拼裝方式，從左向右分別由電源模塊PM、CPU模塊、功能模塊、輸入輸出模塊及終端蓋板組成。根據應用系統的不同，用戶可以選擇相應的模塊來組成所需的控制系。由于CQM1H系列PLC的模塊種類豐富，功能齊全，幾乎可以適應控制系統的各種需求，由其組成的系統也具有相當的柔性化程度。
本控制系統采用的模塊及其功能如下：
電源模塊PA206：提供穩定的直流工作電源給各模塊使用。
CPU模塊CQM1H-CPU51：這是整個系統的核心部分，支持最大數量為512點的I/O；支持OMRON特殊指令如PID控制、浮點數運算、宏指令、脈沖指令等；支持Compobus/S和AS接口的多種主從網絡模塊；支持OMRON最新版編程軟件CXP3.1；程序容量最大可達15.2K；內建16點直流12～24V的輸入點。將編制好的程序下載運行后可維持系統的自動運行。該模塊提供一個RS232端口，和兩個內裝板插槽，RS232端口可以和其他串口設備進行通訊，該系統中納入的一個觸摸屏TP，就是通過CPU上自帶的RS232串口進行通訊的；內裝板插槽上最多可以安裝兩塊特殊功能卡，由于本系統無特殊功能需求，所以該槽上是空著的。
網絡主模塊CQM1-SRM21-V1：系統采用OMRON Compobus/S網絡結構，可以大大減少現場接線工作量，并有效延長連接電纜的使用壽命，增加可靠性。機器人工作房內兩個回轉臺上各安裝一塊遠程從模塊，通過網絡電纜和主模塊進行通信，交換信息（I/O狀態刷新）。從模塊為16點的遠程輸入模塊，其中低8位分配給該工位夾具上的氣缸檢測夾緊和松開狀態使用，高八位分配給系統用于識別夾具編號，進而設定和儲存夾具控制信息，然后系統可以根據此信息來對不同夾具進行相應控制。
I/O輸入輸出模塊：輸入模塊用于接收機器人工作房中各按鈕、傳感器等信號，輸出模塊用于控制各種執行器件，如氣缸、電機、機器人等根據工藝要求進行動作，滿足生產和安全的需要。機器人的控制由主控系統通過與機器人控制器之間的I/O信號交換來實現。
2、機器人控制系統
機器人控制系統由機器人控制器、外軸控制器、焊機等構成；在控制屬性上，機器人控制系統是下層，是被控制的對象，它受上層主控系統的指揮和調用，處于被動地位。
機器人控制器
由電源模塊、CPU、伺服控制單元、輸入輸出模塊、焊機接口模塊等組成，用以控制機器人本體的自如運動，控制方法為程序示教和再現法，這是通過連接于控制器上的TP (Teach-Pandent示教器) 來實現的。
外軸控制器
它是機器人控制器的擴展，內含一個伺服放大模塊，可以同時控制兩個外軸的運動。由于這兩個外軸是機器人控制器的一部分，所以它們可以在機器人本體移動的同時進行轉動，從而將焊接軌跡中通常需要由外軸單獨回轉的時間節約下來，提高了焊接效率。
焊機控制器
用于控制弧焊時的規范，如電流、電壓、焊絲的送給、焊接保護氣體通斷等，對焊接質量的控制起關鍵作用。
關鍵控制方法研究
客戶要求中關鍵及難點在于：多套夾具能在一套系統中共存，夾具的更換時間不應超過五分鐘，新制夾具加入系統時，無需改動PLC程序，做到自動識別和控制（即所謂的柔性控制），且系統中的夾具可擴展容量不應小于100臺/套。
1．夾具控制字的形成
⑴控制對象特點
主要控制對象為夾具上的氣缸，每套夾具上的氣缸數量可能不一樣，但總數不超過4組，每組氣缸使用一個三位五通
電磁閥，這樣每套夾具有2x4=8個輸出點控制電磁閥動作，有兩個工位總共16個輸出點；同時為了檢測氣缸的夾緊或松開狀態，每組氣缸配有兩個傳感器（干簧管磁性開關），每套夾具2x4=8點輸入；鑒于夾具識別的需要，另分配8點輸入用于以兩進制識別不同夾具，這樣每個工位上的16點遠程輸入模塊正好用足，且夾具最大可擴展數量為20+21+…+26+27=28=256，理論上兩工位有2x256=512套夾具容量，已足夠。
⑵控制特征
夾具上四組氣缸分別稱為第1、2、3、4組，在控制上的特征是：夾緊時的順序為1號夾緊，1號夾緊到位后2號夾緊，依此類推，全部氣缸都夾緊后啟動機器人進行焊接作業；待機器人焊接完成后氣缸逐次松開，通常的順序與夾緊時相反。
根據夾具制造時的使用要求和工件焊接工藝的不同，有些夾具氣缸數量可能少于四；有些氣缸的夾緊或松開位置可能不必要進行檢測等情況，設想在程序數據區中開辟若干存儲區間，分別用于存放該套夾具上的每組氣缸實際是否存在，每組氣缸的傳感器是否需要檢測等信息。
⑶數據儲存方式
為了適應更多的情況，每類信息分別形成數據后在相鄰的數據區儲存，每套夾具包含的信息暫定為3類：氣缸使用字、夾緊檢測字、松開檢測字，再加上1個備用字，故夾具控制字長度為四個字；該信息可存放于以夾具編號作為索引間接尋址的數據區內，當需要控制時可由系統將夾具信息再次尋址調出，按固定格式對夾具氣缸進行控制，具體內容見表1：
2．夾具自動識別的實現：
⑴硬件組成
主要依賴夾具接線盒中的識別芯片，該芯片其實只是一塊小線路板，裝了一塊8位DIP撥碼開關，通過二進制方式來表明該夾具的編號，每套夾具上都安裝了一個接線盒，通過這種方式從硬件上來實現對夾具的編碼，既簡單也實用，且容易實現。
⑵軟件實現：
PLC程序上，每次程序循環中都對遠程模塊上對應于夾具編號的輸入點進行掃描，并放入暫存區，同時與記憶區中的夾具編號進行比較。如果兩者相同，則表明該工位上的夾具狀態正常，無需任何動作；如果不同，則提示夾具編號變化，需操作員確認，此時又分為兩種情況：
① 有新夾具換上工作臺，且系統已經正確識別出新放入的夾具的編號，那么操作員需要在觸摸屏上確認該夾具編號的正確性。如果放上的夾具以前從未在該系統中使用過，則需對該夾具的控制字進行正確設置后寫入PLC數據區；如果該夾具曾經在本系統中使用過至少一次，即數據區中保留有該夾具號對應的控制信息，那么操作員在確認夾具編號后，該夾具的控制信息會由系統以間接尋址方式自動調用出來，并顯示在觸摸屏上，確認無誤，即可開始生產。
② 由于硬件故障（連線斷裂、網絡故障等）造成自動識別出的夾具編號與實際不符時，（識別出錯）可通過強行寫入正確夾具編號的方式來讓系統進入正常工作模式進行生產，待完成任務后再進行維修等操作，以緩解生產壓力。
綜合①②兩點可知，夾具識別流程如圖5：
圖5 夾具識別流程圖
3．多夾具系統氣缸柔性控制
根據夾具控制特點，各氣缸由電磁閥控制，按工藝要求進行先后動作，編制程序如圖6：
圖6 具夾緊流程梯形圖
在程序條“0”中，200通道為夾緊流程控制字，需要夾緊時將1寫入200通道，則200.00位成為一號氣缸夾緊動作標志位；條“1”中，HR40.00為根據間接尋址查表得到的該夾具控制字中一號氣缸的啟用標志，如果該標志為1，則在200.00位為1的條件下，右側的輸出201.00為ON，此時一號氣缸夾緊電磁閥通電，產生氣缸夾緊動作；當程序檢測到該氣缸夾緊后，一號夾緊標志位HR65.00為ON，所以輸出200.01為ON，并自保，同時切斷201.00的通路，使201.00為OFF，一號氣缸夾緊電磁閥斷電，不再動作，此時一號氣缸夾緊動作完成；當然，如果一號氣缸的啟用標志HR40.00為0，則201.00始終為OFF，同時由于HR40.00的非并與一號氣缸夾緊指示標志位下方，故程序直接接通200.01為ON，進行下一步動作。
與一號氣缸夾緊過程完全類似，當所有氣缸都夾緊后，進入夾緊控制流程的結束控制位，當該位為ON后，程序將對通道清零，至此夾具的夾緊控制已告完成。
以上編程方法，可觸類旁通，再編寫出夾具松開流程的控制程序，然后分別做出兩工位各自的夾具夾緊和松開程序，那么這部分的功能就算完全實現了。
