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随着工业自动化和汽车行业的发展，汽车行业的制造模式由原来的大批量、单一模式向按用户要求的柔性精益生产模式转变。汽车车身焊接工艺越来越实现自动化、智能化。白车身生产线系统上普遍采用的激光焊接机器人正在向高精度、高速度、高柔性方向发展。
S7-200 PLC除了能够进行传统的继电逻辑控制、计数计时控制，还能进行模拟量处理，支持多种协议和形式的数据通信。PLC以其强大的功能、高可靠性、编程灵活等特点在白车身生产线上得到了广泛应用。在此以PLC实现白车身生产线控制系统与焊接机器人之间的通信，满足了自动控制系统的要求。
未经过涂装和内饰件总装前的白车身是汽车其他系统的载体，白车身的车门焊接工艺是汽车整车制造中的一项关键工艺，车门焊接的质量和稳定性对整车的性能和质量有着重要影响。车门焊接工艺流程如图2-57所示。4个工位由2台焊接机器人完成，分别焊接车门不同部件。
图2-57 车门焊接工艺流程
整个控制系统包括机器人、气压回路、夹具系统、PLC以及操作台等。来自操作台的指令和各传感器的信号组成PLC控制的输入信号，PLC的输出主要控制激光焊接机器人的动作、工装夹具夹紧气缸电磁阀以及各指示灯，其中对焊接机器人的控制是控制系统的关键。PLC软件的模块化编程思路极大地提高了系统的稳定性。
焊接工艺的夹具系统是由气压回路的气缸实现的，每组气缸分别由I个三位五通电磁阀来控制换向。工位一、二、三、四分别有4、5、6、7个气缸，每个气缸上装有2个位置传感器，共计有52路I/O输入点，加上机器人的通信接口和夹具体识别信号，总共的I/O点不超过200个，PLC硬件不需要采用远程I/O模块，因此选择57-200CPU 226以及2个扩展模块，各模块及配置如表2-15所示。
表2-15 模块及配置
由于激光焊接会产生大量的光和热，气压回路的压力对夹具系统的夹紧功能有重要的影响，所以需采用模拟量扩展模块EM235来控制焊接过程中的温度和气压系统的压力，当气压回路压力超出允许工作范围时，PLC输出信号会自动切断生产线电源，保护焊接加工工艺生产线不被破坏。根据控制要求，画出PLC I/O分配表，如表2-16所示。为表达清楚，表中只列出部分I/O端子。I0.0为手动/自动切换按钮，当按下SB4时，整个焊接生产线自动运行。
表2-16 PLC I/O分配表
焊接机器人的控制器与焊接生产线上的控制相对独立，两者之间的通信是确保焊接机器人及整个生产线正常工作的关键。PLC与机器人之间采用问答式的串口通信。PLC和焊接机器人通信数据见表2-17。起始符、BBC检验码和结束符保证了PLC与焊接机器人通信的正确性。为了避免动作指令受到外界干扰而被错误的执行，使用BBC校验码来确保通信的正确。指令发送方将要传送的字符串的ASC II码以字节为单位作异或和并发送给接收方，接收方收到指令后，则以相同方式对收到的字符串作异或和，并与传送方发送来的真值作对比，或两者的值相等，则说明通信正确。PLC与焊接机器的指令传送如图2-58所示。
表2-17 PLC发送和焊接机器人反馈的命令格式
图2-58 PLC与焊接机器人的通信
按下系统启动按钮后，PLC与焊接机器人控制器上电复位，并对系统各行程开关和夹具的位置传感器的状态进行扫描，将检查后的结果同程序存储中的模块参数进行比对，选取参数相同的模块执行。
PLC软件模块设定的动作完成后与焊接机器人通信，焊接机器人控制器根据PLC的通信指令，通过与控制器存储器中的相关指令进行比较，选择执行对应的模块程序，执行焊接或者位置操作。在焊接时，机器人控制器通过控制焊机激光器的电源电流的大小和通断时间来实现既定的焊接工艺参数，按照程序既定的焊接路径进行焊接。机器人完成相应操作后通过通信端口与PLC通信，通过相应的通信指令通知PLC操作完成。PLC根据机器人控制器的相应通信指令进行下一步的操作，操作完成后再与机器人通信，直到完成整个焊接任务。PLC与机器人的程序具体流程图如图2-59所示。
图2-59 PLC程序流程图
PLC系统采用模块化编程的方式，通过有条件地选择和调用不同的子程序模块来实现系统各个运行部件的顺序控制要求。这样可以大大简化控制软件的设计，使软件设计和调试更具灵活性，提高了系统运行的可靠性，保证了整个系统协调、有序地完成白车身车门的焊接工艺。
操作系统的主要工作过程为：当按下启动按钮后，在自动工作模式下，焊接机器人初始化，当焊接工位一上有零件时，传感器给PLC发送控制命令，PLC输出信号给气压系统电磁阀，电磁阀得电动作，气缸伸出，零件被夹紧。零件装夹完毕保持2s后，PLC向焊接机器人发送焊接信号，当焊接机器人完成焊接工艺时，机器人向PLC发送松开夹具和转换工位信号，PLC控制工作台拖动零件向焊接工位二运动。以此类推，直至车门上的各个零件在4个焊接工位全部焊接完成。PLC软件共包含下而几个部分：
①主程序 主要实现对PLC初始化，对气压回路电磁阀各参数初始化，同时对电源、焊接、故障、对中指示灯进行处理与显示，调用和处理相应子程序和中断子程序。
②子程序 共有20个子程序，主要完成手动各工位工作循环、4个工位夹紧机构动作、PLC输出指示灯、各工位间工件传送、焊车机器人1与机器人2交替工作等多种功能。
③中断子程序 包括接收信息完成、接收字符、发送完成等中断服务程序。
在现阶段动车组生产线中，风窗玻璃的安装一直是个难题，它的安装包括了涂底胶、安装、封胶、清洗4个过程，安装比较繁琐非常耗人、耗力。装配机器人可以不间断地、不知道累地完成各种各样艰苦的装配工序，不仅大大减轻了工人的疲劳强度，而且提高了生产效率和装配精度。开发出高性能、高精度、高稳定性的装配机器人是迫在眉睫的课题。
装配机器人的整体结构如图2-60所示，由于动车体积庞大，在装配的时候移动动车比较困难，所以把整个装配机器人设计成可以移动的形式，这样就不会给动车的进出和工人的装配带来不便。整个装配机器人由定位小车控制柜、短行程直线模组、大臂、小臂、手腕、手爪六个部分组成。定位小车通过光电位移传感器来实现装配机器人与动车车头相对位置的定位，小车上有特定的玻璃放置位置，这样在抓取玻璃时就能得到玻璃相对于手爪的准确位置，提高运动学反解求解的精确性。直线模组完成装配机器人在 X 方向的运动，通过伺服电机来完成大臂、小臂、手腕在 OYZ 平面内的手爪位置的定位，手爪绕小臂中心轴的运动来实现安装、涂胶、封胶、清洁四个工序的切换。
图2-60 装配机器人整体结构
车头放置风窗玻璃位置的四边形每个边都是曲线，怎样让手爪的涂胶胶枪、封胶胶枪、清洁刷沿着曲线运动是需要解决的问题。如果通过计算出边缘的曲线方程来控制完成手爪的各个工位沿四周边缘的曲线运动，这样的计算和控制过程比较麻烦。如图2-61所示的手爪部分结构，通过气缸的上下移动和弹簧的平衡来达到运动要求。
图2-61 手爪部分结构
为了减少末端位置的静转矩，把四个伺服电动机和减速器放在机器人的前端，然后通过一系列齿轮传动和连杆传动来达到运动要求，手腕和手爪部分的齿轮传动如图2-62所示。
图2-62 手腕和手爪部分的齿轮传动
①PLC程序设计 控制系统用西门子S7-200PLC作下位机，PLC通过脉冲信号控制伺服电动机，需要把各个关节的转角位移变量通过计算转换成相应的脉冲信号，该装配机器人中用到的是17位增量型编码器，它表示在电子齿轮比设为1时电动机转一圈需要217个脉冲信号，电动机转一圈需要的脉冲数 N 与电子齿轮比的关系式为：
在进行电子齿轮比设置后，可以确定各个关节在各个时间段需要的脉冲数和脉冲频率。
Smart700触摸屏与S7-200 PLC只支持PPI通信协议，即一个触摸屏只能直接控制一个PLC，设想用PLC1与触摸屏串联，PLC1的输出作为其余3个PLC的输出，这样就可以在一个扫描周期内完成触摸屏对多个PLC的同时控制，即可以实现各个关节驱动的同步控制。由于西门子S7-200 PLC自带高速脉冲输出口，这样在进行伺服定位控制时就不需要外接定位模块，大大降低了控制成本。
在运动分析中，每个关节的运动非常复杂，用计数器和定时器产生的脉冲周期不能满足控制要求。
本程序调用S7-200 PLC自带的MAP库函数，能使高速脉冲输出端Q0.0和Q0.1产生满足控制需要的脉冲信号，用MAP库函数进行伺服电动机速度和位置的控制，用定时器进行伺服驱动的定时控制，用顺序控制来进行每段时间脉冲信号的跳转。
PLC1的I/O信号受触摸屏和外界开关量控制，在程序中把触摸屏的启动、停止、复位的虚拟按钮与启动、停止、复位按钮开关并联，这样就可以实现触摸屏和外部按钮开关同时控制系统运行，由于触摸屏信号不能直接作PLC的输入信号，需要辅助继电器来完成，参考程序如图2-63所示。
图2-63 摸屏信号并联外
在点动程序中把正向点动的常闭开关接通到负向点动程序中，这样形成了一个互锁回路，防止正反转电路同时进行，点动互锁程序如图2-64所示。
图2-64 点动互锁程序
PLC2中用MAP库函数控制伺服的脉冲输出，用顺序控制器进行不同时间段不同速度的有序控制，用定时器进行停止时间的控制，在不同的阶段只需要把Q0_0_MoveRelative中的脉冲数和脉冲频率进行变化即可，不同阶段的脉冲数和脉冲频率可以一一算出来，PLC在一个顺序控制中的参考程序如图2-65所示。
图2-65 一个顺序控制中的参考程序
一个顺序控制中的程序都是以SCR开始，SCRT跳转，SCRE结束。
②HMI程序设计 HMI触摸屏采用Smart700触摸屏，它能实现与S7-200 PLC无缝连接，通过RS-485串口通信将机械手的系统状态和控制信息传送到触摸屏中，通过触摸屏可以直观地查看机器人的相关工作状态，并可以在触摸屏中设置相关的机器人的操作命令按钮，操作人员通过操作触摸屏可以将操作命令传送到PLC中，从而控制装配机器人的动作。HMI触摸屏为用户和系统提供了良好的交互界面，使操作人员能直观地操作和监测内部系统。
本装配机器人主要是完成控制界面的组态，然后把各个开关地址与对应的PLC程序地址连接，控制界面包括整个机器人的启动、停止、复位和各个驱动器的点动，组态后的画面如图2-66所示。
图2-66 控制界面组态
触摸屏中所有的开关都是虚拟的，这样就大大减少了硬件连接中的元器件，但是它不能直接作为PLC的输出信号，这时需要用到辅助继电器，通过对辅助继电器的置位和复位来完成触摸屏对PLC的控制，每个开关按钮都相当于是一个变量，变量为1时接通，变量为0时断开。各个开关变量与S7-200外部链接的地址如图2-67所示。
图2-67 开关变量地址链接
最后对PLC和HMI触摸屏进行参数设置，主要是波特率的设置，使PLC对应端口的波特率和HMI触摸屏的波特率一样，完成PLC和HMI触摸屏的通信。