第7章　設 計 實 例

7.1　數控機床的改造

7.1.1　數控車床的改造

7.1.1.1　數控車床的改造方案組成框圖

在現代機械加工工業中，如果對絕大多數傳統的落后機床，都改用先進的微機控制，實現智能化改造，將會適應多品種、小批量、復雜零件加工的需求，不但能提高加工精度和生產率，而且會減少工人勞動強度，降低生產成本，縮短生產周期，更加適合我國國情。利用微機實現對機床的智能化改造通常有兩種方法：一種是以微機為中心設計控制系統；另一種是采用標準的步進電動機數控系統作為主要控制裝置。前者需要重新設計控制系統，比較復雜；后者選用國內標準化的微機控制系統，比較簡單。這種標準的微機控制系統通常采用單板機或單片機、驅動電源、步進電動機及專用控制程序組成的開環控制（如圖22-7-1所示），其結構簡單，價格低廉。對機床的控制過程一般是由單片機或單板機按照輸入的加工程序進行插補運算，由軟件或硬件實現脈沖分配，輸出一系列脈沖，經功率放大后，驅動帶動機床縱橫軸運動的步進電機來實現。

7.1.1.2　機械結構改造設計方案

圖22-7-2表示一種普通車床改造后的方案。圖中不改變車床主軸箱，即主軸變速仍靠人工控制，走刀絲杠改成滾珠絲杠11，去掉光杠，在走刀段右端增加一個絲杠支承。絲杠11 的右端用縱向步進電動機4直接驅動（或經傳動齒輪減速驅動）。縱向走刀絲杠采用滾珠絲杠的目的是為了提高縱向走刀的移動精度，對于半精加工的車床可直接使用原來的絲杠。同樣，橫向走刀絲杠由步進電動機3直接驅動，完成橫向走刀的進給和變速。另外，刀架部分采用了電動刀架1實現自動換刀，為了使車床能實現自動車制螺紋，還要在主軸尾部加裝光電編碼器（圖中未示出）作為主軸位置檢測裝置，使車刀運動與主軸位置相配合，詳見表22-7-1。

7.1.1.3　數控車床計算機控制系統改造硬件設計

數控機床微機系統有兩種基本形式，即經濟型和全功能型。所謂經濟型系統是用一個計算機系統作主控單元，伺服系統大都為功率步進電動機，采用開環控制系統，步進脈沖當量為0.01～0.005mm/脈沖，機床快速移動速度為5～8m/min，傳動精度較低，功能也較為簡單。全功能型的系統用 2～4個計算機系統進行控制，各CPU之間采用標準總線接口，或者采用中斷方式通信。在主控計算機的管理下，各計算機之間分別進行指令識別、插補運算、文本及圖形顯示、控制信號的輸入輸出等。伺服系統一般采用交流或直流電動機伺服驅動的閉環或半閉環控制，這種形式可方便地控制進給速度和主軸轉速。機床最快移動速度為8～24m/min，步進脈沖當量為0.01～0.001mm/脈沖，控制的軸數多達20～24個，因而廣泛用于精密數控車床、銑床、加工中心等精度要求高、加工工序復雜的場合。

數控車床計算機控制系統改造硬件設計見表22-7-2。　

7.1.1.4　數控車床計算機控制系統改造軟件設計

7.1.2　大型數控落地鏜銑床的系統改造實例

20世紀80年代引進的一臺大型數控鏜銑床需要大修，由于數控系統的更新換代，原機床上配備的數控系統都已停產，系統的備件相當昂貴，因此利用機床大修的時機進行數控系統的改造。機床所配的數控系統是西門子公司的8M系統，PLC則是西門子公司的S5-150 系列，而驅動部分是西門子的直流驅動。

7.2　工業機器人系統設計實例

7.2.1　工業機器人的組成與分類

工業機器人是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預定的程序、軌跡及其他要求，實現抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置，是很有發展前途的機電一體化典型產品，將在實現智能化、多功能化、柔性自動化生產、提高產品質量、代替人在惡劣環境條件下工作中發揮重大作用。工業機器人的組成、分類及主要技術參數見表22-7-5。

7.2.2　SCARA型裝配機器人系統設計

SCARA是具有選擇順應性的裝配機器人。這種機器人在水平方向具有順應性，而在垂直方向則具有很大的剛性，最適合于裝配作業使用。它有大臂回轉、小臂回轉、腕部升降與回轉4個自由度，如圖22-7-3所示。下面以ZP-1型多手臂裝配機器人為例作一介紹，詳見表22-7-6。

7.2.3　BJDP-1型機器人設計

BJDP-1型機器人為全電動式、五自由度、具有連續軌跡控制等功能的多關節型示教再現型機器人，用于高噪聲、高粉塵等惡劣環境的噴砂作業，見表22-7-7。

7.2.4　纜索并聯機器人設計

7.3　無人搬運車（AGV）系統設計

7.3.1　無人搬運車系統（AGVS）

物流及其控制系統在柔性制造系統（FMS）中占有十分重要的地位。要保證機床最大的利用率，就要有適配靈活的物流系統。物流系統越靈活，造價就越高，控制越復雜。好的物流系統能使機床的運行等待時間為零，不好的物流系統不會使FMS得到好的效益。

FMS的物流包括工件、夾具、刀具、托盤等在系統中的傳送。小型的、簡單的FMS，物流輸送系統也很簡單，而且允許人工參與輸送。具有一定規模的、工件較重的FMS，則需要采用自動化物流輸送系統。這種系統一般由無人搬運車（AGV）、工業機器人、隨行托盤、傳送裝置及自動化倉庫等組成。隨行托盤作為每一臺機床前面的物料緩沖區。以無人搬運車為核心的物流輸送系統的組成和控制如表22-7-10所示。

7.3.2　無人搬運車的工作原理和結構

7.3.2.1　無人搬運車的引導方式

無人搬運車可以采用不同的引導方式，目前常用的引導方式見表22-7-11。

7.3.2.2　無人搬運車的結構

叉車式無人搬運車一般由電控系統、蓄電池、驅動單元、舉升單元、固定式門架、雙節伸縮式門架、貨叉、前部防撞裝置、后支腿等組成。

7.3.3　典型的無人搬運車

7.3.3.1　瑞典AGV電子有限公司的產品

瑞典AGV電子有限公司（AGV ELECTRONICS INC）的無人搬運車從小型產品到載重5t的大型產品，已形成系列。全自動搬運的最大舉升量可達7m。其主要尺寸、產品外形和主要技術參數見表22-7-13。　

7.3.3.2　美國AGV產品有限公司的產品

美國AGV產品有限公司（AGV PRODUCTS INC）生產的無人搬運車主要采用電磁感應引導，也可選用慣性或激光引導方式，無線電或紅外線通信，能自由導航運行。其運行可由車載微機控制，也可由遠程控制系統進行遙控。標準可編程序控制器或小型臺式計算機可控制多臺AGV。該公司開發的AGV控制軟件包TRACE可運行在基于PC機的Windows NT環境下，對各種AGV系統的AGV交通進行實時控制，并能預先定義運行路線圖。該公司的標準AGV產品分為叉車型和轉載式兩類，其產品外形主要尺寸、技術參數如表22-7-14。

7.3.3.3　中國新松AGV產品

新松機器人自動化股份有限公司（以下簡稱“新松”）隸屬中國科學院，是一家以機器人技術為核心，致力于全智能產品及服務的高科技上市企業。作為中國機器人產業的翹楚和工業4.0的踐行者與推動者，成功研制了具有完全自主知識產權的工業機器人、移動機器人、特種機器人、服務機器人四大系列百類產品，面向智能裝備、智能物流、智能工廠、智能交通，形成八大產業方向，致力于打造數字化物聯新模式。

7.4　信函連續作業自動處理系統設計

信函自動處理就是利用機器將信函自動分揀到相應的格口。信函分揀機的研究和利用一直是世界各國郵政機械化、自動化的重要課題。從1927年荷蘭的唐素爾碼分揀機投入試用到現在，已有幾十年的歷史，以信函的分揀方式和識別技術為依據，可以將信函分揀機的發展劃分為三代，如表22-7-16所示。

7.4.1　信函自動處理流水線

7.4.1.1　信函自動處理流水線的組成

信函的處理主要是指分揀。所謂分揀，就是將寄往同一地區、城市的信函揀出并分別存放。分揀之前要對信函分類、理信；分揀之后還要做信把捆扎、信把分揀。因此，信函處理的作業程序是：郵袋開拆→信函分類→信函整理→蓋銷郵資→分揀入格→信把捆扎→入袋封裝。

欲實現信函的自動分揀處理，就要解決信函的自動分類、理信、銷票、分離、識別、分揀、捆把等一系列技術問題。因此信函自動處理流水線通常由信函分類機、理信蓋銷機、緩沖儲存器、信函分揀機、信把捆扎機、信把分揀機等組成。

7.4.1.2　信函自動處理的前提條件

7.4.2　信函分類機

7.4.3　緩沖儲存器

7.4.4　理信蓋銷機

7.4.5　信函分揀機

7.4.5.1　信函分揀的同步入格控制

所謂同步入格控制是指代表信函地址的信息碼跟蹤信函的運動，并控制信函進入相應的格口。常用的控制方法有時間同步和信號跟蹤同步兩種，控制原理見表22-7-21。

7.4.5.2　條形碼及光學條碼自動識別

7.4.5.3　光學文字自動識別