关键词：  振动喂料机，机器视觉，机器人管线包，变位机，抓手，工具转换器，夹具，装配自动化，PLC，网络安全。

每套自动化系统都为满足应用的特定需求而配置。在几乎所有的制造业里，都有许多不同类型的自动化系统来满足各种工业应用需求。显然，食品工厂对自动化的需求与电子行业有很大不同。因此，为了满足特定应用的需求，需要将许多不同的自动化组件正确地组装起来。不同应用场合的自动化组件也相差甚多，例如，用来拾取柔软的水果的抓手与用来拾取热锻件的抓手定有天壤之别。 由于自动化组件的范围广泛，规范和功能种类繁多，所以我们无法对它们一一做详尽的评估。尽管如此，我们还是会对最主要的组件及其最重要的特征进行综述。这样做的目的是概括自动化系统最常见的组件和在使用它们时值得注意的重要问题。 包含如下内容： 1、搬运设备 2、视觉系统 3工艺设备 4抓手和工具转换器 5、工装和夹具 6、装配自动化组件 7、系统控制 8、安全与防护。

 1、搬运设备  无论对哪一个生产设备，为了提高生产效率，我们都需要将加工的原材料高效地运送到不同的工位上，这一点至关重要。而所有搬运原材料的操作都只有一个目的，就是在不损坏材料的前提下，在正确的时机将正确数量的正确工件运送到正确的地方。而拙劣的设计或者不合适的材料搬运系统都会导致流程过于繁琐、杂乱的存放、低劣的库存控制、过多的搬运、物品损伤，甚至边角料过多和机器空转等后果。好的搬运系统并不会使产品增值，但劣质的搬运一定会提高成本。所以，为了尽可能地降低成本，材料搬运自然是效率越高越好。 在生产中，我们要用到许多类型的设备，例如拖板车、叉车、桥式起重机和输送机等，来完成工件的移动。在任何一个自动化系统中，如果搬运系统出了问题，喂料和移走成品就无法正确运行，从而严重影响系统整体的工作性能。因此，为了确保预期的性能不受工件输入/输出的制约，在设计自动化解决方案时，我们必须考虑搬运系统。有了自动化，并不意味着就能解决材料搬运问题。相反，因为自动化常常没有达到预期性能，影响了整个系统的运转。

A、 输送机  输送机系统可以用于多个自动化系统之间或单个自动化系统内部的物品搬运。举个例子，从包装线到机器人码垛系统的纸箱供给或者在装配系统内的工件传输。输送机可以按照事先预定的路线在两点之间完成物品传送。输送机可以铺在地上，也可以离地面一定高度或者安装在天花板上。具体选用何种方式，需要考虑所传输的物品、可用的空间和其他设备以及操作所需要的通道等。输送机尤其适用于大容量物品的运输，并且在特定的操作之间可以提供暂时的存储空间或缓冲区。 输送机的运动一般来说要么是连续式的，要么是间歇式的。连续式输送机一直向前运动，工艺过程可以在输送机上完成或者产品需要在某一工位被移走。而间歇式输送机常常用在装配工位上：输送机停止运转，等待某一操作完成，输送机再继续运行。但间歇式输送机的局限性是，只有等到最费时间的操作完成后，输送机才可以继续向前。自动化系统一般包含少量的输送机。例如，为了完成从码垛系统中将满的托盘自动移出，或者用许多不同类型和速度的输送机来保证在整个系统中的物品和产品的流通。在大多数情况下，输送方案是由系统内的其他操作来决定的。例如，连续式输送机对于喷漆操作十分有效。因为连续式输送机可以保证每一个产品都进入烤箱，重复地完成高效的烘烤周期。 输送机的类型有很多，包括带式、链式和滚筒输送机。带式输送机尤其适用于重量轻的单一物品的输送，比如食品。它们还更加适用于需要十分注重清洁度的行业，比如食品行业。但美中不足的是，它们只能完成直线运动。用链式输送机传送的物品，可以直接放在链条上，也可以利用链条上固定好的支架。这类输送机适用于较重物品的运输和慢速设备，比如托盘的输送和喷漆房里挂具的传送。滚筒输送机则尤其适用于体积和重量都居中的物品，例如纸板箱，通常用来向码垛或存储系统运输包装好的物品。

B、 自动引导车（AGV）具有输送机的部分优点，并且灵活性更好，能够减少对工厂地面的占用。然而，它们的生产能力不能和输送机相提并论，也无法提供物品的缓冲并且造价高。AGV是在地面上自动引导的高效无人驾驶车。它能够感知和追踪埋线来完成自动引导。 由整体控制系统选择不同的路径和交叉点，使AGV从不同的路径操作运输物品变得可行。AGV通常和其他设备，如叉车和工人等，在同一区域内工作，这使得它们需要恰当的安全系统。然而，AGV的运动速度相对较慢，而且对运输物品的体积和重量等方面也有限制。由于它们依靠埋在地下的电线来自动引导，所以如果要对AGV系统进行改装或扩展，价格十分昂贵。自引导车也可以依靠安装在墙上的目标点和激光扫描仪或者内部GPS系统来定位。这类自引导车的约束条件更少，维修改也更简单，因此有更好的长期灵活性。

C、 工件喂料设备  在所有的自动化系统中，都需要把一个个单独的工件输送到系统中。最有效的途径就是手动装载工件到夹具上。例如，将金属板材装载到机器人焊接系统的夹具中。另外，输送工件可能通过输送系统从之前的操作台上传递过来。对于某些应用，尤其是装配，需要非常频繁地将大量的单独组件输送到自动化系统中。 被输送的组件可以是需要装配的工件，也可以是连接件，如螺钉和铆钉。这些喂料系统必须十分可靠，因为它的性能完全决定了自动化系统的效率。喂料系统不仅要为后续工位提供位置准确的组件，还需要保证工件的方向符合要求。有许多技术可以满足这些要求，如弹夹式喂料机，但它们都需要在装载到喂料机之前进行预处理，包装组件并提供方向。然而，大部分组件在输送时是散落在盒子或箱子里。没有进行预处理的组件成本较低，但是自动化系统需要一台可以接受散装、方向随机的工件的机器，它可以将它们分类，然后以预定的方向输送到正确的位置。为此，最常用的设备就是振动喂料机，它完成自动化装配系统近80%的喂料任务。 工件的设计对喂料设备有重大的影响，进而决定喂料系统的成本。如果工件是几何对称的，这将使得所需的分类工作最小化。如果工件的某些特征是不对称的，且不对称结构非常突出，那么会有利于喂料设备设计选型。例如，重心就可以用于工件的分类。如果工件上有一个开口的钩子，那么工件很可能会纠结在一起；如果工件上的钩子是封闭的，那么再想纠结在一起就困难了。设计工件时要考虑自动化系统将以何种方式输送和处理，这是非常重要的。 振动喂料机 振动喂料机由一个通过电磁铁产生振动的碗状结构组成。在碗内，一条螺旋轨道从碗的中心一直上升到顶部。振动导致碗内的部件沿着螺旋轨道上升，并从碗的出口送出。在轨道的最高点有一个用来分类这些组件的选择器，它包括压力开关、雨刮叶片和槽等机械特征，保证只有正确方向的部件会从碗的出口送出，而其余方向不正确的组件就会落回碗里重新循环。碗的尺寸主要取决于要处理的组件的大小。碗内组件的重新填充可以人工完成，也可以通过外部升降机将料斗内的组件取出并放置在碗内。通过间歇式升降机，每次提供所需要数量的新工件，可以保证碗内的组件的数量始终保持在恰当的水平。 振动喂料机既简单又相当可靠。到目前为止，它们是最常用的喂料系统，能够将随机工件分类。工件实际上是倒进碗里的，可以处理从小型到中型的各种工件。碗的初始设计非常关键，既能正确操作又能正确分类。螺旋线的梯度要正好能够保证部件沿着轨迹上升，而选择器的设计须满足所需的分类操作。振动喂料机的设计基于组件的固有特性（如几何形状和重心）。设计很大程度上源自经验，与其说是科学成果，不如说是一件艺术品。振动喂料机的两个主要局限是：它们不能处理与其他工件接触而损坏的工件；像弹簧一样纠结在一起的工件。 线性喂料机 线性喂料机与振动喂料机在工作方式上的相同之处是，它也依靠振动来完成运动；然而不同之处是，它的喂料方向是一条直线而不是碗内的螺旋线。这类喂料机经常与振动喂料机连接，将工件从碗的出口输送到自动化系统指定的位置。除此之外，线性喂料机还可以给振动喂料机无法完成的大型部件或精密工件喂料。然而，线性喂料机并不能完成任何分类操作，因此工件一般在进入线性喂料机之前需要通过另一个装置来正确地调整方向。另外，智能拣选系统可能通过视觉系统来判断工件的位置和方向以便从喂料机中拾取工件。 气吹式喂料机 简而言之，工件可以说是从管子里吹出来的，管子能够快速运送工件但仅限于小型工件。管道的使用也为工件通过较复杂的、多变的路径提供了可能。例如，将工件移动到多轴设备（如机器人）的末端。这种技术通常用于输送螺钉或铆钉等到应用设备，应用设备可能安装在多轴机器上，并使之定位到被输送工件所要求的位置。 子弹带式喂料机 工件固定在子弹夹或带上，然后将它装载到自动化机器上。这项技术被广泛应用在电子工业中，用来给印刷电路板装配机输送组件。子弹带需要预先制作，但是组件常常是由自动化系统生产的，它相当便捷地将组件放置于子弹带上。 存储式喂料机 存储式喂料机需要将工件预先包装，要么在托盘中，要么在分配器中。托盘适合于那些可能会被其他喂料技术损坏的工件或者不易调整方向的工件。托盘可以开模铸造，所以成本低廉。常常可用这些托盘实现加工流程之间的物料输送，托盘一般在托板上堆积起来，便于工件的保护和运输。把工件从托盘卸载到自动化系统，需要特定形式的搬运设备，这些设备可能是机器人或简单的机械臂。在自动化系统中，机器人或机械臂从托盘中逐个拾取或按组拾取工件，并把工件放置到所需要的位置。 分配器常用于包装系统。这些可以给为包装系统生产箱子或塑料托盘的开箱机提供标识卡，然后将这些箱子或托盘装满产品。这种方式可能用于食品的塑料包装。分配器常常是一个简单的设备，抓取一摞工件，使用真空吸盘拾取工件。这些工件常常放置在喂料输送机上，输送到自动包装系统中。

2、视觉系统  机器视觉基本上是利用光学的、非接触式的传感器来自动地接收和解释一个真实场景的图像，以便获得信息来控制机器或工艺流程。视觉系统可以独立地应用，比如作为检测工具或者自动控制系统中的一个部件。最初的视觉系统与其他大多数自动控制设备一样，昂贵且难以使用。近几年，它们的成本大大降低，识别能力也显著提高，使用起来更容易。因此，视觉的应用呈指数增加，并且已经广泛地应用于许多自动化系统和加工工艺中。 必须注意的是，机器视觉现在在许多方面还确实比不上人类的视觉能力。因此，任何视觉应用都必须经过仔细考量。机器视觉是连续的、不知疲倦的，许多视觉设备能在可见光谱之外工作，还能在恶劣的环境中工作，精确地执行预设定的程序。人类视觉与之相反，有更高的图像分辨率，能够快速地解释复杂的感官信息，具有高度的适应性，但是它被约束在可见光谱范围之内，容易疲劳，且是主观的。 机器视觉适用于工件识别、寻找位置、检测和测量。因此，它被应用于高速生产线上的监测、微观监测和闭环流程控制等各种生产环境，包括洁净空间和危险环境。同时也可以应用于精确的非接触测量和机器人引导。视觉在机器人系统中的主要应用是引导，既有工件的拾取和追踪、工件有无的检查和缺陷识别，也有工件识别，包括光学特性鉴定和条码读取。典型的视觉系统包括照相机、照明设备、处理硬件和软件。软件专门用于视觉系统并针对特定的应用进行图像分析。在视觉系统中，有3个主要的操作：第一，获取图像；第二，处理或修改图像数据；第三，提取所需要的信息。每一个操作都会对它的下一操作产生影响。例如，首次操作中采用外部光源照明方法可以大大简化图像的捕捉，而图像的捕捉会减少所需的处理，并使之更方便地提取所需信息。 可供挑选的照相机有很多种，其关键参数是分辨率、视场、景深和焦距。焦距决定了照相机提供的聚焦图像的标称距离。景深是指焦点前后像的清晰范围。视场决定了在焦距长度上成像的大小。分辨率是图像分成的单独小格的数量，它决定了可分辨的最小度量或特征。 照明设备是最重要的。有许多不同的技术可供选择，包括来自正前方、后方或物体一侧的直射和漫射照明，以及结构光和偏振光的照明。环境照明的影响包括：日光、工厂照明和任何其他可能的光源。特别地，环境光线的改变必须不能影响视觉系统的操作。视觉系统照明的目的有两方面：一是突出物体的重要特征，二是去除环境光线改变造成的任何可能的影响。 举个例子，对于焊接引导系统，视觉传感器被直接安装在焊枪的前面，在离焊缝仅25mm的地方对准焊缝。为了使相机“看见”焊缝，激光产生的红外线提供照明，安装在相机前的滤光器筛除该激光波长之外的其他所有光线。来自焊接过程中的光线就这样从相机接收的图像中滤除，以便使相机“看见”焊缝。 背光源对工件定位和测量很有帮助，因为它将物体的图像简化为除去所有表面特征的阴影，因此简化了视觉系统的任务。物体所处的背景对于区分工件也很重要。视觉的典型应用就是当机器人从传送带拾取工件时，提供工件位置和方向信息，例如把巧克力装入盒子中。我们经常使用白色的传动带，因为它的颜色与巧克力的颜色产生强烈的反差。 突出重要特征或从图像中去除无关的信息，将使图像处理的复杂度和时间显著降低。此外，视觉操作的可靠性也会提高。如果环境光线改变带来的影响可以消除，那么也会提高其可靠性。为了完全消除环境光线的影响，有必要把图像操作放进一个不透光的盒子中。 在机器人自动化系统中，视觉最广泛地应用在包装上，尤其是在食品工业。产品常常散乱地放在传送带上，然后被输送到机器人包装工作站。图像系统用来确定产品的位置，然后将这些信息反馈给机器人，让它从传送带上拾取产品并将产品放入包装盒中。这些是常见的传送带，因此，在输入端需要由图像系统在整个机器人单元内一直跟踪拾取点的位置。这些系统常常包括多个机器人，所以需要判断由哪台机器人完成拾取操作，以便平衡机器人之间的工作负担。对于这些典型应用，有一些标准的解决方法能使实施更简便，性价比更高。 同样的视觉系统也可以用于质量控制。例如，通过检查要封装的巧克力的形状来确保所有畸形的产品都被剔除。另一个例子是小薄饼的包装。在包装过程中，视觉还检查小薄饼的颜色。颜色太深表示小薄饼火大了，太浅则火候不到。在这两种情况下，小薄饼都要被剔除。视觉系统，尤其是用在装配系统中的，用于对特征或工件检查。检查之前的操作是否成功，同时确保当遇到不合适的工件时装配能自动停止。 视觉也用于检查手工装载的夹具，检查在下一个操作前所有工件是否被预先装载，确保所有物品都在要求的位置上。虽然也可以通过在每个工件上安装单独的传感器来实现，但是视觉方法的性价比可能更高，尤其是当有许多不同的工件使用同一个夹具时。 视觉还可以用来读取标签上的字符或是提供产品标识的条形码。例如，码垛系统可以利用视觉识别不同的盒子，确保它们放在正确的托盘上。在这种类型的大多数应用中，条形码阅读器往往成本低廉，但是，有些情况下视觉系统更胜一筹。 机器视觉通过提供导引、测量或质量控制使应用自动化运行成为可能。视觉系统的成本持续降低，同时使用的便捷和性能不断提高。然而，视觉系统一定需要仔细调研，确保操作的可靠性。相比于人眼观测，机器视觉具有灵活性、自动化、客观、非接触和高精度等特点。尤其是在工业生产领域，机器视觉强调生产的精度和速度，以及工业现场环境下的可靠性。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

3 工艺设备  自动化系统可以分为两类：用来装配、机床上下料或常见的材料搬运操作的自动化系统；实现某种加工工艺的自动化系统。前一类往往使用安装于机器人上的抓手，而后一类需要一些工艺设备来控制和实施该项工艺。这些工艺包括： ●焊接 ●喷涂 ●粘接和密封 ●切削和材料去除。 这些工艺大部分可以手工完成，并且最初的机器人应用基本上就是把手动设备安装在机器人手臂上来重复手工操作。然而，随着技术的进步，工艺设备得到了长足的发展，已经可以适用于自动化应用和技术，有些工艺设备更适用于自动化应用。这已经使得工艺系统能够与机器人的机械系统和控制系统紧密集成，为我们提供更有效、稳定和可靠的解决方案。本书并非想要囊括所有的工艺过程，而是讨论有关机器人应用于这些工艺过程中的关键问题。  焊接  最典型的焊接工艺是点焊和弧焊。弧焊又涉及很多工艺过程，比如金属极惰性气体保护焊（MIG）和钨极惰性气体保护焊（TIG）。 点焊 点焊是用力使两块板贴合，在接触点通以电流并产生金属熔融物，将两块金属薄板焊接到一起。这一方法广泛应用于车身制造。点焊钳包含两个臂，每个臂有一个触头。两个臂通常采用气动，当触点与金属板接触时，提供压力使两块金属板靠近，消除两者之间的缝隙。变压器输出电流，电流流过焊钳臂和触点组成的回路，在这一过程中会在接触点产生热量并使金属融化。控制这一过程的关键参数是提供的电流大小以及接通电流的时间长短。 焊钳臂的大小及设计由被焊接的工件决定。触头需要放置在被焊工件边缘的两侧，因此焊钳常常很大、很笨拙。这就很难通过人工操作将焊钳定位到正确位置。然而，机器人可以应付笨重的焊钳，并能够快速且准确地定位。于是，点焊成为并且依然是主要的机器人应用领域。 随着机器人负载能力的提升，使得将变压器集成到焊钳中成为可能，这也减小了连接焊钳电缆的尺寸。焊接控制器或焊接定时器如今也被集成到机器人控制器中，为用户提供一个完整的机器人点焊包。关闭焊钳臂的驱动方式也已得到了发展，并且如今我们可以把伺服电机集成到焊枪内，利用伺服电机驱动焊钳臂的开闭。这个动作由机器人程序控制，就像机器人控制关节轴运动一样。焊钳的控制也因此变得更加紧凑，不仅可以实现气动的开关动作，还可以让焊钳臂移动到特定的位置。焊钳打开的角度可以最小化，焊钳可以在机器人到达焊接位置之前关闭，这就可以减少焊接过程所需的时间。 点焊机器人的另一个重要因素是管线包。它是将电、气、液等服务条件由机器人底座传送到焊钳的线束。管线包是承受最多磨损的工件，因为它与机器人焊钳的转动相关联。经常是管线包造成机器故障，而不是机器人本身或者焊钳。点焊机器人已经发展到尽可能将管线包集成到机器人手臂中，包括将线束穿过一些轴的中心。还有一些专门设计的管线包来适应点焊机器人的这些特性，其总体目标是减少线缆的磨损并提高整个点焊系统的可靠性。定期更换电极帽也是很重要的，因为电极帽会随时间变形。自动电极帽修整器能够提供全自动维护功能，因而最小化维护操作。 弧焊 弧焊利用电弧产生的热量使两块金属融在一起。不像点焊需要电极帽在工件两侧接触，弧焊只需要接触工件的一侧。MIG焊的电弧由金属丝产生，金属丝也会熔化在焊缝，填充焊缝。TIG焊并不提供额外的金属，除非使用外加的填充金属丝，因此焊缝完全由焊缝处的金属熔化形成。由惰性气体在电弧处形成的保护层来避免金属氧化。MIG焊广泛应用于汽车部件、越野车辆以及常规金属制造中。而TIG焊更适用于高精度加工，尤其是薄板工件。大多数的机器人焊接使用MIG焊。最重要的参数是金属丝的进给速度、电压、通过的电流以及焊枪头与焊缝隙之间的距离，还有焊枪沿焊缝的运动速度等。 MIG焊接机器人在其手腕的末端安装焊枪。在大多数的应用中，焊枪都是水冷的。焊丝喂给焊枪，通常由安装在机器人小臂的送丝机驱动，并将焊丝送给焊枪。焊丝盘一般安装在机器人基座上，或者置于机器人焊接单元外。管线包也将惰性气体和水输送给焊枪。管线包的设计和安装对于整个焊接系统的可靠性以及稳定地将金属丝输送给焊枪处十分重要。与点焊机器人类似，机器人手臂和管线包已经发展到使电缆的磨损最小化，包括电缆直接通过机器人手腕到达焊枪。 焊接过程通过焊接电源控制，电源往往靠近机器人放置。焊接过程由焊接电源控制，完全集成到机器人控制器中，以便实现最佳焊接参数的选择，从而适应各种焊缝的类型、焊丝伸出的长度以及移动速度。这些通常编程到工艺表中，以便机器人程序在恰当的地方调用正确的参数。对于较大的焊缝，在焊接过程中，按照标准的预先设计的指令，机器人路径可编程为往复摆动，摆动焊枪通过缝隙，这样有助于完成焊接过程。 工件拼装和定位的重复性是焊接成功的关键。对于较大的工件，比如越野车辆、桥梁以及其他重型装备，这些是较难实现的。如今的技术已经发展到了可以生产适应工件变化的机器人。最简单的是触觉，机器人可以使用焊枪的尖端接触焊缝的特征。当焊枪接触后便感知到位置，因此就可以判断焊缝的位置。第二个功能是通过电弧追踪焊缝。当机器人摆动通过焊缝时，焊接电流会随着焊丝伸出的长度而变化。通过监测电流，焊枪的位置便保持在焊缝中心上。这种功能的应用被特定的焊缝类型与金属厚度所限制，焊接过程中需要摆动就是其限制因素之一。因此，利用视觉系统实现焊缝追踪的功能就被开发出来。然而，这些系统极大地增加了机器人焊接系统的成本和复杂度。 在机器人焊接应用中，往往需要翻转工件，以便机器人能够达到所有焊接位置。比如，汽车的排气系统由多根管子焊接而成。这就需要管道与消音器之间的焊缝实现360°焊接。为了达到这个要求，就需要旋转焊接工件，以便有利于机器人焊接。这可以由一个单轴伺服驱动变位机来完成。为了达到最好的焊接效果，需要6轴机器人的动作与伺服变位机很好地协调。 变位机的形式多种多样，最简单的变位机带有伺服驱动的头部和尾座。这些可以扩展为两工位变位机，并带有安装在转盘上的头部和尾座。这可以让操作者在机器人工作的同时，在另一边卸载和重新装载工件。并且，当需要在两个方向定位工件来达到最佳焊接位置时，可以使用两轴变位机。这种两轴变位机也可以扩展成为两工位变位机。对于长度较大的工件，还需要伺服驱动的机器人导轨。机器人也可以倒挂安装在头顶位置，在某些情况下这种安装方式可以更好地到达焊缝位置。有很多不同的变位机与机器人的组合可供选择。机器人焊接包中的最后一个组件是焊枪维护系统。在焊接过程中，焊枪会被焊渣堵塞，这就需要定期清理来保持焊接过程的可靠性和焊接质量。该任务由自动清理器完成，它包括清理焊枪内部的镂铣装置和喷油装置（减少焊渣黏着）。焊枪维护系统还包括一些传感器，它用来检查焊枪位置以及修正偏差。这些偏差可能来自碰撞、焊丝粘贴问题（在焊接结束后金属丝依然黏着在熔池中）或者人工维护。 喷涂  喷涂往往被认为不同于其他的大多数自动化工艺。这在某种程度上是有历史原因的，不仅自动喷涂方法的开发者与实现其他自动化应用的人来自不同的领域，并且工艺要求以及所用语言与其他应用也不相同。 有许多不同形式的自动喷涂设备，比如往复式喷涂机和静电杯喷涂系统，在这里，我们将主要讨论机器人喷涂系统。机器人喷涂系统被应用于许多产品中，从车身、汽车部件到复杂的飞行器。机器人喷涂的一个关键特征就是防爆，因为它们一般应用于富含溶剂的环境中。为了实现防爆，需要不间断地用清洁空气净化机器人手臂，并且控制器也在标准版本的基础上做了改进。 由机器人系统处理的喷涂工艺有许多种类，包括溶剂喷涂、水基喷涂以及二元喷涂和粉末喷涂。每一种都需要不同的输送和应用设备。机器人可以使用标准空气雾化喷枪、静电喷枪和静电杯。喷射装置的选择一般由工艺和客户要求决定。颜色变化等问题十分重要，机器人的机械臂中可以包含大量的颜色变化值，以便为喷射枪提供颜色变化，使转换时间达到最小，并减少涂料浪费。机器人也可以包含全部的工艺控制，涂料流量、雾化空气，以及其他工艺参数都可在机器人程序中选择和控制。这就可以完全控制特定工件以及每种颜色的工艺过程。 机器人可以工作在连续移动流水线和间歇流水线中。可以利用输送机全程跟踪技术，来确保机器人正确跟踪移动的工件。机器人还可以安装在轨道上来跟踪整个喷涂车间的工件。对于汽车喷涂应用，门、发动机罩和行李箱等，开启装置的应用使机器人可以实现内部喷涂。 喷涂是一项较为复杂的机器人应用，需要对工艺有很好的理解来确保机器人功能正确，实现所需要的结果。 粘接和密封  粘接和密封应用一般是通过挤压或喷射装置。挤压需要接触或密切接近被加工材料的表面。喷射则与工件之间保持一定距离，因此允许路径准确度有较大的误差。 粘接和密封使用的材料可能是一元或二元。一元材料可能需要加热，这种情况下需要一个热炉或其他类似的加热装置。二元材料在混合时就开始处理，因此，从系统中喷出混合成分的方法显得十分重要。 典型系统一般包括一个（一元）或两个（二元）泵来提供材料，可能还有流量控制。温度条件也需要考虑，以便确保最佳的材料性能。如果有利于整个系统的运行，那么这些装置都可以集成到机器人系统中，特别是流量控制。 切削和材料去除  有许多切削和材料去除技术，其中大多数都可以应用到机器人中。切削技术包括锯削、铣削和水切割。圆锯已经应用到机器人中，去除铝合金压铸件的浇铸口。铣削可以使用气动或电动工具。电动工具通常较重，这就需要机器人有更高的有效负载。最重要的是为材料切削选择正确的工具，然后以此开发机器人切削系统。另一个十分重要需要考虑的是切削工艺中产生的粉尘，主要是为了操作人员的安全，在某些情况下机器人也需要额外的防护。废弃材料的清理也非常重要，以便确保积累的废弃物没有妨碍机器人系统的运行。 水切割是很好的机器人应用。水射流可以完成非常干净的切削，尤其是对于铸造或成型的塑料件。机器人可以提供三维切削方案，这在其他设备上是不可能完成的。由于在水切割车间内有高强度水流，所以为了在这种环境中应用机器人，需要对机器人进行额外的防护。另外，切削过程中水的供给也需仔细考虑。由于需要高压，所以给切割头供水的管子不能是软管。如果机器人安装了切割头，一般将一圈不锈钢管子从机器人的大臂处绕到切割头上。这将使机器人能够在3个方向旋转切割头，而管子是否缠绕起来由转动方向来决定。 其他材料去除应用包括抛光和去毛刺。这些工艺都要求特定标准的表面光洁度，因此，工艺过程和工艺设备十分重要。使用正确的工具十分重要。去毛刺经常由安装在机器人末端的工具完成，可以是气动或电动工具。抛光则经常通过将工件压到一系列砂带上来完成，每条砂带都有不同目数。这些砂带经常安装在外置的抛光机上，抛光机驱动砂带运动，同时保持并提供合适的张紧力。为了提供最终光洁度，布轮抛光是必不可少的，它要求机器人抓住工件并承担抛光布轮施加的抛光力。  这些应用要求工件与工具之间接触。因此，某种形式的顺应性对于适应工件或工件位置的变动是必不可少的。这可以通过使用气动技术来实现，为工具提供顺应性，或者利用机器人内置的软件。然而，如果系统中引入了顺应性，加工效果很可能发生变化，这是由作用力或者工件上的切削深度不完全一致造成的。如果这种加工效果的变化是不能接受的，那么就需要在机器人内包括力控制。可以在工具和机器人腕部之间安装力传感器来完成力控制。这样就可以把施加到机器人上的作用力反馈回去，并且可以用来控制机器人运动路径，从而实现想要的结果。

.4 抓手和工具转换器

对于像装配、机床上下料和常见的材料搬运等应用，还包括包装、码垛、压机上下料和很多其他的应用，抓手是系统中最重要的要素之一。虽然类似于人手的抓手正在开发中，但依然很复杂且价格昂贵。大多数工业自动化应用都不需要具备这些高级功能的抓手。为了满足特定应用的需要，我们需要开发抓手。“抓”的功能可能由多种技术来实现，包括两爪抓手，气动真空吸盘或者磁铁。在某些情况下，气球也是非常有效的机构。标准的两爪抓手（如图3-7所示）适用于不会因为操作力过大而把工件夹坏的工件。如果需要较大的操作力，可以使用气动装置、电动或者液压装置。标准的抓手模块可以直接按照产品目录购买，唯一要做的工作就是需要设计与被夹工件相适应的爪子。这些或其他类似的抓手，可能用在机床上下料中。

气动真空吸盘广泛应用于搬运平面工件，或者箱子或相似的物体。它们非常有效，操作迅速，并且通常不会损伤被拾取工件的表面。真空吸盘的尺寸应该尽可能小，因为越大的吸盘会花费更多的时间来把气体从吸盘中排出，从而影响工作节拍。吸盘的材料也应该仔细考虑，特别是要考虑其与系统工作温度的相关性。在20℃时，真空吸盘用橡胶材料很好，但在4℃时它会非常硬且完全无效，而包装站中的机器人系统很有可能在这个温度下工作。真空抓手带有吸盘阵列，灵活性高，使得吸盘可以适应被拾取的工件。它也有可能提供比拾取每个工件所需数量多的吸盘。

码垛操作中的拾取麻袋经常用蛤壳式抓手来实现（如图3-8所示）。在大多数情况下，真空抓手不能用，因为麻袋上有气孔，并且麻袋中的粉末会堵塞真空系统。蛤壳式抓手有许多手指，能从麻袋两侧合拢，从麻袋下面托住，因此，能够支撑这种非刚性的产品。放下麻袋的动作是张开手指，麻袋掉在托盘上。虽然麻袋没有精确定位，但掉落确实能够使麻袋中的材料更加均匀。

对于某些用其他方法拾取比较困难的工件，比如黑色金属材料的工件，有时我们可以用磁铁，比如从托盘上卸除一层一层的空罐子。已经证明用其他任何方式实现可靠拾取都是非常困难的，但磁铁却能操作得很好。值得一说的是，磁铁抓手本身比拾取的物体重很多，所以导致选用大型机器人来处理所需的负载。

还有很多更专业的抓手，如气球，用来拾取瓶子。气球落入瓶子中，然后开始充气。这样拿瓶子非常安全。烘烤过的松饼则是通过将一些弯针插入松饼的顶部来实现抓取的。这样能成功地抓起松饼，并且在松饼上留下非常小的洞，也不会被消费者看见。特殊的气动抓手已经发展成可以拾取具有不平整表面的物体，包括印度炸圆面包片（薄的圆形的南亚面包）。

对于一些应用来说，在同一个机器人上安装多种抓手或者工具是非常必要的。在某些情况下，它们可以安装在手腕上，还不会影响承载能力或者相互干扰。在其他情况下，同时安装多个抓手是无法实现的，需要配置工具转换器。工具转换器都是现成的产品，可分成两部分，一部分与机器人连接，另一部分与工具或者抓手连接。它们有不同的型号以便适应不同的工具重量，并且还能在转换器内进行电能、空气和数字信号的传输。

抓手的驱动通常是由气动装置来提供的，主要因为这样能将抓手的重量控制到最小。在需要很大夹取力时可以采用液压。当需要更加精确控制时，可以使用电机，甚至伺服电机。然而，使用电机会带来成本和重量方面的副作用。液压则会在维护或者可靠性方面显得不足。在抓手上安装传感器来检测工件的拾起和放置是否正确，以及抓手的零件是否正确工作。传感器可以提升系统的可靠性和性能。比如，减小错误装配工件的风险，但传感器也增加了抓手的复杂度。
需要注意的是，抓手是机器人系统与外界接触的部分，因此，也是磨损和破坏风险最大的地方。安装时增加定位销是很重要的，这样抓手可以拆下来或者在相同的位置更换新抓手。然后抓手可以拆下来进行维护或修理，当抓手再次安装回去时，也不需要重新给机器人示教路径或者位置。成功的抓手设计的关键是保持抓手尽可能简单，同时依然满足应用的需要。

5、工装与夹具  机器人是具有重复性的，但是为了能够得到所需的结果，被加工的工件也需要放置在可重复的位置上。工装或夹具用来固定工件，确保它们被正确地放置在可重复的位置，从而允许机器人完成所需的操作，并达到预期结果。 弧焊对夹具的要求特别严格。要求夹具能够同时固定一定数量的工件，使得焊缝形状和位置具有重复性，比如焊缝的宽度等。然而，夹具还必须控制工件的重要尺寸。比如，排气系统包含多个子部件，包括弯曲的管子、催化剂和消音器。最重要的尺寸是前面能够与发动机连接，后面管道的位置必须位于后保险杠下面。剩余的尺寸可以接受比较大的误差。然而，对于焊接来说，管子与消音器之间的焊缝要求严格。夹具需要能够控制总体尺寸，同时，为机器人焊接提供可重复的焊缝位置。 除此之外，夹具必须为装载和卸载提供方便。对于焊接夹具，一个特别的问题是工件会在焊接的过程中受热膨胀。在卸载工件时它不会冷却，因此还处于膨胀状态。夹具需要确保工件即使在焊接后温度升高时依然能够轻松地卸下来。 夹具包括工装的位置，用来满足工件的几何形状并给夹钳留出位置。可用的夹钳种类很多，最简单的形式是手动开关夹钳。这些成本非常低，但是非常依赖于操作员能否正确操作所有的夹钳。 在成本和复杂度不大幅增加的情况下，我们可以选用“气动+自动”的半自动操作。这些夹钳由人来关闭，但当系统发出启动信号时，空气压力作用在夹钳上以保证它们完全合上。当一个工作周期结束时，夹钳可以自动打开。这些夹钳能够可靠地关闭并且能够减少打开的时间，让操作员更快地卸载工件。 最昂贵的夹钳是自动开自动关的。在这种情况下，将工件装载到工装中，然后操作员按下开始启动按钮，所有的夹钳都关闭。这种方法的主要好处是装载和卸载的时间减少了，还能提升加工过程的可靠性，因为工装也需要符合更高标准的设计，否则夹具就不能成功运行。而手工控制夹钳时，操作员可以让系统工作，即使工装设计得很糟糕。自动夹具系统就做不到这一点。 还可以在夹具内增加传感器，增加工件传感器确保所有的工件都正确装载。传感器也可以安装在夹钳上以便保证它们操作正确。对于焊接系统，传感器需要不受焊接干扰来保证可靠性。 需要工装将工件固定到指定位置，比如，在机器人粘接应用中固定面板等。夹钳并不总是要求非接触作业，或者让工件不受力或受很小的力。对于像铣削这样的加工过程，是需要施加力的。工装通常设计成工件的形状，重复定位性好。可以用夹钳或者真空吸盘将工件固定到特定的位置，并且可以承受工艺过程作用在工件上的力。  考虑生产工装定位所使用的材料是十分重要的。如果是焊接，那么材料通常是铁质的，因为它们必须有好的耐磨性，不允许划伤工件。在某些情况下，铜可以用来帮助工件散热，减少焊渣沾到夹具上的风险，但是它磨损得更快并且需要替换。在其他的应用中，工件或者工件表面不能被夹具损伤是非常重要的，在这种情况下，经常使用工程塑料。  在很多系统中需要一定的柔性。这要求夹具或者工装能够被替换，从一个专门为这个工件设计的夹具或工装上换到一个新的、为另一个工件设计的夹具或工装上。如果要求柔性，那么夹具或工装安装在独立的金属板或者结构上比较好。通过定位销将它们安装在机器人系统中，定位销作为定位基准。这样能够让夹具或工装拆除和安装都在同一位置。转换夹具或工装后，之前编写的机器人程序可以直接运行，不需要重新示教。夹具的设计还需要易于存储（如在平板上），这一点也很重要的。否则，它们可能会在闲置时被损坏。  最重要的是，夹具或工装必须可靠。这些往往都是机器人系统中需要定制的工件。通常，简洁的解决办法是最可靠的，但像传感器这样附加的功能可以最小化操作员的失误。如果实施防错原则来确保只有正确的工件可以装载，那么这会带来很大好处，特别是在同样的机器人单元中生产许多不同产品的场合。夹具和工装通常占机器人单元开销中很大的比例，特别是因为这里包含的设计费用最多。简单的解决办法会降低成本，但需要注意的是，任何机器人单元只有在工件正确时才能正常运行。因此，在工装和夹具上投资来确保可观的产出是值得的。

6 、装配自动化组件  典型的装配系统是围绕一个将工件在不同的工位之间移动的机构而建立的，在每个工位完成装配操作。这些操作可能包括给装配体增加工件、机械连接（比如铆接或螺钉连接）或者其他连接技术（如焊接或者粘接），以及密封、检测和包装。检测可能包括电子检测、泄露检测或者视觉检查，用视觉来保证总装配满足要求的标准和性能。  这些机构经常是输送机，在工位之间间歇运动或连续运动。装配体经常放在有夹具的台板上，输送到需要装配的地方。台板通常都针对专门的工件，一个系统可能有很多一样的台板或夹具，或者如果要生产多种工件，那么在系统中会有很多种台板或夹具。在后面这种情况下，需要识别每个工位，比如用条形码，来确保在送来的工件上进行合适的操作。每个离散操作都分配给特定的、有所需设备的工位。为了最大化系统生产效率，系统需要有足够多的台板，确保每一个工位都不需要等待，都在高效地运行。  输送系统可能采取直线形式，经常用于间歇系统，最初的工件从输送系统的一端开始装载，在另一端卸载。或者可以采用环状形式，这通常适用于连续的输送系统。对于后一种方法，在环中增加一个或多个手工工位是相对简单的，这样可以用来装载或卸载或者用手工完成那些自动化操作太复杂或太昂贵的动作。  很多专门的装配系统是围绕转台而不是输送机建立的。在这种情况下，多种夹具安装在转台的外围，所需的设备围绕着转台排列。一旦所有的操作都完成了，转台就转动一个位置，将各个工件移动到下一个工位。还可能使用连续移动的转台，操作将在移动中进行。这样能够提高生产能力，因为在间歇运行中会浪费时间，但系统会更复杂。操作移动的工件并不总是可行的。转台系统更紧凑，通常比输送系统更便宜，还能提供较高的生产能力。然而，插入手工操作并不可行，维护也很困难，因为维护人员不方便接近设备。  一个可供选择的方法是围绕机器人建立装配系统。机器人会在装配过程中移动工件。SCARA机器人经常用在这种操作任务上，因为它们有很高的速度和紧凑的设计。机器人的使用提供了更大的灵活性，因为可以根据装配过程的要求，选择不同的路径来抓取工件，或者增加并行工位对花费时间长的操作进行分解。然而，机器人方法通常更适合生产能力要求不太高的装配操作。  不管选择哪种方式来输送工件到达装配单元，都需要很多其他设备来辅助每个操作。这些设备包括振动喂料机或者其他形式的喂料设备，用来给系统提供组件。还有很多简单的拾取和放置设备，将工件从喂料机移动到装配工位。有很多设备可供选用，从气动和电动的单轴执行机构，到有旋转和移动轴的多轴联动设备。这些设备配有抓手或者其他工具来进行所要求的操作。增加恰当的传感器来提供设备序列号和必要的检查来保证操作成功完成。完整的装配系统可能是一个非常复杂的机器，通常用标准组件构成，但是也需要定制的设计才能满足装配过程的需要。

7 系统控制  自动化系统的系统控制可以提供许多关键的功能：  单元或系统的元件的总体控制，确保它们都按计划和正确的顺序运行。 给更高层次的控制系统（比如，工厂范围的制造执行系统（MES））的负责人和操作员提供有关工作单元或系统的数据。 维修方面的帮助，当故障情形或错误信息产生时，为人们提供识别和修复故障的指导。 总体的安全功能，保证元件或系统以安全的方式运行和维修。 为了提供这种类型的控制，20世纪60年代末发明了第一个可编程逻辑控制器（PLC）。在发明PLC之前，这种功能由大量的继电器来实现，往往很复杂，而且难以维修，难以适应系统升级。PLC使用软件提供了同样的功能，而没有使用大量的继电器构成的硬逻辑。其程序不仅具有了继电器的功能，而且使用了更易于理解和使用的梯形图来编程。 PLC用来提供总体系统控制，它们的性能和编程也得到了长足的进步。如今，PLC涵盖的范围从只有几个数字输入/输出（I/O）的微单元，到可以处理数以百计I/O、模拟输入/输出和更高级网络接口（如现场总线和以太网）的大设备。 典型的机器人系统可能由PLC来提供总体控制。这也包括人机界面（HMI），它为操作人员、维护人员和其他人员提供信息。典型的HMI包括一个显示屏，用于图形展示单元/设备的工作状态以及生产过程信息。它还包括检查系统、发现故障和调整重要流程和工艺参数等功能。HMI也可以提供总体控制，包括开始、停止、复位等功能。 在较小的机器人系统中，机器人也能提供同样的功能。因此PLC也许就不需要了。这是一个更低廉的方案，但由于它需要用户具备使用机器人系统的能力，这就会更复杂，所以这个方案并不经常使用。由于用户具有使用PLC的经验，所以他们感觉使用PLC更舒服。因此经常包含PLC来保持机器人、机器人程序与总体控制之间的分界线。在更大的系统中，例如多台机器人，PLC更多地用来提供总体控制，而不是依赖系统中其他部分的控制。 在最底层，各种设备通过数字I/O与PLC相连接。传感器经常位于整个系统中，用于检查操作顺序，保证进行下一步操作前前一步已经执行完毕。这些传感器可能位于输送机上保证各工件就位；或位于夹具上保证正确地装载各个工件；或位于抓手内来检验被拾取和放下的工件。机器人还会在适当的时间向PLC提供信号，表明自己进行到了程序中的哪一步，同时在移动到下一步前等待来自PLC的信号。 另外，也可远程安装I/O模块，比如将它们安装在远离主机设备、PLC或机器人控制器的地方。例如，I/O模块可能安装在夹具上，以便连接所有的传感器和夹具上的驱动件。这些连接也许是通过单独的电线实现的。然后，I/O模块传给主设备的信号就可能通过单独的电线传输。因此减少了夹具与主设备之间的连线。这可以降低成本，尤其是在距离很长的情况下，但也会提升系统的可靠性，并易于维护和维修。 使用离散I/O会在系统中引入大量的信号。机器人和PLC都装有处理16位输入和16位输出的I/O模块。如果需要的信号量很大，这会导致机器人和PLC中的I/O模块数量剧增，而可安装的I/O模块数量是有限的。拥有大量I/O的系统需要昂贵的安装费用和复杂的维修。为了缓解这个难题，人们开发了网络，为设备之间的接口定义标准，以保证不同设备之间的兼容性。最早的工业网络是制造自动化协议（MAP），最初于1982年由通用汽车公司提出。从那时起，人们定义和使用了各种网络，包括现场总线和以太网。遗憾的是，还存在一些挑战，PLC的主要供应商想应用一种特定版本的网络来降低其产品与其竞争对手之间的兼容性。 网络已经变为多层。例如，典型的三层网络包括：  设备网——一个将低级设备直接与工厂的控制器相连并消除与输入/输出模块硬接线的总线系统。 控制网——一个用来连接自动化系统内或车间中的各种机器的高级网络。这可能包括机器人、机床、人机界面（HMI）和可编程逻辑控制器（PLC）。 以太网——一个在PLC、监控与数据采集系统（SCADA）以及工厂MES之间快速交换大量数据的标准信息网络。这将为工厂提供自动化系统的整体通信和运行。 每一层都遵从一定的标准，其产品也满足这些标准。因此，选择合适的产品并将其置于网络中以判断它们是否正确运作成为可能。 控制系统同样用于安全电路的监控与维护。总之，控制系统为自动化系统提供整体控制，同时为操作人员和维护人员提供访问功能。因此，它是系统的关键要素。系统配置尤其是软件经常是定制的，因为每个应用和客户的需求通常都是不一样的。因此，符合逻辑的设计、完整的注释和文档，让其他人能够理解如何检查系统和纠正错误，这些都是很重要的。现在许多公司将标准方法应用于软件的创建中，使得其他人以后可以更容易地理解和修改代码。

8、安全与防护  安全系统的基本任务是保证操作人员不会在操作、使用或维护自动化系统时伤害自己。有许多提供安全操作环境的标准可以遵循。国家标准与用户提供的标准可能同样适用。这些标准经常是指导方针而不是确切的陈述，还需要自动化系统供应商做风险评估，包括与操作人员、编程人员、维护人员和第三方的可能存在的接口。这些评估应该考虑所有可能的潜在风险，并通过应用安全与防护系统将它们合理地最小化甚至消除。在某些情况下，这些评估任务将十分繁重。比如，在激光应用中，其设备将会带来较大的风险。 主要的防护措施是在系统周围安装固定式防护装置。防护栏通常高2米，并在底部留有一个小空间。防护装置主要由立柱组成，立柱固定在地板上，在立柱之间填充面板。这些面板可以是金属薄片、电焊网、有机玻璃或者其他形式的塑料板。 材料的选择经常依赖于应用和用户的喜好。对于电弧焊应用，保护人员不被电弧的强光灼伤是必要的；因此可以使用固体面板或带焊接防护材料的电焊网。塑料板在洁净环境中使用效果更好，因为它们可以为系统提供更干净的表面，但也更容易被损坏。电焊网造价最低，经常用于比较恶劣的环境中。在这种环境中，塑料板会快速老化。 激光应用往往需要一个不透光的箱子来确保激光束不会传播到系统外面。最新的高能激光应用为激光防护带来了更严峻的挑战，如果激光射在箱子的内壁上，即使是非常短的时间，激光都可以穿透内壁传播到箱子外面。为了解决这个问题，盒子的内壁必须全部被感光板包裹，它们可以感知激光的影响，在很短的时间内关闭激光，以便保证系统的安全。 在自动化系统周围加上防护装置后，下一步就是提供通道。最简单的通道形式是维护和编程。维修和编程的频率不是很高，往往由一个或多个通道门来实现。这些门与控制系统是互锁的，所以自动化系统不能在通道门开启的情况下运行。往往需要在通道门打开时为机器提供动力，使编程人员和维护人员可以进行他们的工作。有很多不同的解决方案，其中最常见的是密钥交换系统。进入系统的人将一把机械钥匙插入通道门上的一个盒子中，然后取下第二把钥匙，使门保持打开。然后他可以将第二把钥匙放到系统内的第二个盒子中，使系统中的设备可以在系统内操作，而不是系统外。因此，就可以实现自动化系统由系统内的人控制。直到钥匙顺序反转，密钥归位，系统才可以被外界操作。不过这类方法在更大的多台机器人系统中应用时要特别注意，因为这需要多个通道门，多名人员也会同时在防护系统之内。重要的一点是，当还有人在系统内时，系统不能被锁上。为了强调这点，许多公司用挂锁来实现，将每把钥匙分发给每个工作人员，确保在系统关闭且返回自动化操作时所有人员都已经处在系统之外。 需要设置通道的另一个地方是在系统的工件装载和卸载位置。其对防护系统的需求在于操作人员与设备的什么位置接触。典型的防护设备有门、光栅、地板垫、区域扫描防护等。 防护门可以自动或手动滑动、升起或落下。防护门通常安装在防护装置内，当防护门关闭时，在操作者和系统之间提供物理阻拦。如果防护门自动到达安全范围的边缘，会有一个橡胶条提供阻拦，保证防护门不会困住操作者。当防护门打开时，系统的设计必须保证操作者不能进入系统，也不能接触任何危险的设备。防护门经常用在操作者给夹具或变位机加载工件的场合。变位机或转台在操作者和系统的功能部件分之间设置了阻拦。 光栅防护经常用在需要更大通道的场合或者防护门不方便使用的区域。光栅防护包括两个立柱，一个包括多个光发射器，另一个包括多个配套的接收器。对于装载区域，区域的每一侧都安装了发射和接收立柱，如果任何光束被阻挡，光线就不会到达接收器，那么光栅防护就会停止系统的运行。系统输出将在合适的时间降为0，此时进入该区域就是安全的。 还有两点也是很重要的。决定机器的停止距离是很有必要的。这也决定了光栅防护的位置，也就是设备与光栅之间的距离有多远。这可以保证如果任何人员穿过了光栅，设备就会在人碰到运动的设备之前停止运行。 另一个重要点是工作人员不可以站在光栅防护区域内，同时机器持续运行。这可以通过两种方式实现。第一种是在系统内设置物理阻拦，防止人员穿过光栅防护区域进入加载和卸载的工作区域甚至走到更里面去。第二种是将光栅倾斜45°安装使其覆盖整个区域，或者设置水平和垂直光栅来保证全覆盖。用地板垫同样可行，系统可以感知是否有人踏上地板垫。然而，由于地板垫很容易损坏，所以这种方法不太可靠。 另一种供选择的方法是使用区域扫描防护。这些防护装置发射激光束，对传感器前的区域进行扫描。然后它们在传感器感知的范围内接收物体反射回来的光束。这些传感器可以通过编程来定义在正常情况下光束的信号波形，也就是安全的加载或卸载区域。因此，它们可以检测变化，如果有人进入该区域则停止系统运行。 可以与机器人内部的软件配合，在传感器的视野内定义特定的区域。这些区域在有人进入时会使机器人产生特定的动作。特定的机器人软件，例如ABB的Safemove，可以满足安全标准需求，实现这些安全功能。举个例子，我们定义传感器视野内的两个区域，它们是机器人工作范围内的区域和工作范围外的区域。如果操作者进入第一个区域，机器人就开始降速；如果进入第二个区域，机器人就可能在安全模式下停止运行，但这并不是紧急停止。一旦操作者离开该区域，机器人就返回之前的工作模式，也就是操作者在第一区域时的慢速状态和离开第一区域时的全速状态。这种方法在操作者与机器人在运行期间需要交互的应用环境中十分有效。例如，在机器人装载工件时，传统的安全防护方法就会拖延时间，不切实际。 另一种常见的防护需求是允许工件自动出入系统，同时防止人员进入该工作区域。比如，自动码垛系统，纸箱需要通过输送机进入系统，同时空的或满的托盘需要传送出来。纸箱通道的防护可以通过固定的隧道来实现。这个隧道设置在输送机的周围，足够纸箱进出同时不足以让人进入。同时它足够长，可以保证外面的人与里面的系统无法接触。 托盘进出的安全系统就有些复杂了。传统的托盘通过滚筒式输送机实现进出。两组光栅设立在出入点，为托盘的出入提供一里一外的安全防护。这些光栅会在合适的时间连接或断开。例如，当托盘从系统中向外输送时，内部的光栅先断开直到托盘通过，然后在外面的光栅断开时，内部的光栅迅速启动连接，最后直到托盘完全离开系统时，外部的光栅再次启动。因此，系统在任何时间都可以被内外光栅之一保护。 对于机器人系统来说，安全和防护系统是至关重要。如果不认真对待，设备就会处于危险之中，就会存在对人员的潜在危害。对于不同类型的工作人员，都需要做合理的培训，保证他们可以正确地操作设备，了解其中的安全问题。安全防护培训对于维护人员和编程人员尤其重要，因为他们在安全系统内工作，所以发生安全威胁的风险更大。