第7章　设 计 实 例

7.1　数控机床的改造

7.1.1　数控车床的改造

7.1.1.1　数控车床的改造方案组成框图

在现代机械加工工业中，如果对绝大多数传统的落后机床，都改用先进的微机控制，实现智能化改造，将会适应多品种、小批量、复杂零件加工的需求，不但能提高加工精度和生产率，而且会减少工人劳动强度，降低生产成本，缩短生产周期，更加适合我国国情。利用微机实现对机床的智能化改造通常有两种方法：一种是以微机为中心设计控制系统；另一种是采用标准的步进电动机数控系统作为主要控制装置。前者需要重新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机控制系统，比较简单。这种标准的微机控制系统通常采用单板机或单片机、驱动电源、步进电动机及专用控制程序组成的开环控制（如图22-7-1所示），其结构简单，价格低廉。对机床的控制过程一般是由单片机或单板机按照输入的加工程序进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大后，驱动带动机床纵横轴运动的步进电机来实现。

7.1.1.2　机械结构改造设计方案

图22-7-2表示一种普通车床改造后的方案。图中不改变车床主轴箱，即主轴变速仍靠人工控制，走刀丝杠改成滚珠丝杠11，去掉光杠，在走刀段右端增加一个丝杠支承。丝杠11 的右端用纵向步进电动机4直接驱动（或经传动齿轮减速驱动）。纵向走刀丝杠采用滚珠丝杠的目的是为了提高纵向走刀的移动精度，对于半精加工的车床可直接使用原来的丝杠。同样，横向走刀丝杠由步进电动机3直接驱动，完成横向走刀的进给和变速。另外，刀架部分采用了电动刀架1实现自动换刀，为了使车床能实现自动车制螺纹，还要在主轴尾部加装光电编码器（图中未示出）作为主轴位置检测装置，使车刀运动与主轴位置相配合，详见表22-7-1。

7.1.1.3　数控车床计算机控制系统改造硬件设计

数控机床微机系统有两种基本形式，即经济型和全功能型。所谓经济型系统是用一个计算机系统作主控单元，伺服系统大都为功率步进电动机，采用开环控制系统，步进脉冲当量为0.01～0.005mm/脉冲，机床快速移动速度为5～8m/min，传动精度较低，功能也较为简单。全功能型的系统用 2～4个计算机系统进行控制，各CPU之间采用标准总线接口，或者采用中断方式通信。在主控计算机的管理下，各计算机之间分别进行指令识别、插补运算、文本及图形显示、控制信号的输入输出等。伺服系统一般采用交流或直流电动机伺服驱动的闭环或半闭环控制，这种形式可方便地控制进给速度和主轴转速。机床最快移动速度为8～24m/min，步进脉冲当量为0.01～0.001mm/脉冲，控制的轴数多达20～24个，因而广泛用于精密数控车床、铣床、加工中心等精度要求高、加工工序复杂的场合。

数控车床计算机控制系统改造硬件设计见表22-7-2。　

7.1.1.4　数控车床计算机控制系统改造软件设计

7.1.2　大型数控落地镗铣床的系统改造实例

20世纪80年代引进的一台大型数控镗铣床需要大修，由于数控系统的更新换代，原机床上配备的数控系统都已停产，系统的备件相当昂贵，因此利用机床大修的时机进行数控系统的改造。机床所配的数控系统是西门子公司的8M系统，PLC则是西门子公司的S5-150 系列，而驱动部分是西门子的直流驱动。

7.2　工业机器人系统设计实例

7.2.1　工业机器人的组成与分类

工业机器人是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其他要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，是很有发展前途的机电一体化典型产品，将在实现智能化、多功能化、柔性自动化生产、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件下工作中发挥重大作用。工业机器人的组成、分类及主要技术参数见表22-7-5。

7.2.2　SCARA型装配机器人系统设计

SCARA是具有选择顺应性的装配机器人。这种机器人在水平方向具有顺应性，而在垂直方向则具有很大的刚性，最适合于装配作业使用。它有大臂回转、小臂回转、腕部升降与回转4个自由度，如图22-7-3所示。下面以ZP-1型多手臂装配机器人为例作一介绍，详见表22-7-6。

7.2.3　BJDP-1型机器人设计

BJDP-1型机器人为全电动式、五自由度、具有连续轨迹控制等功能的多关节型示教再现型机器人，用于高噪声、高粉尘等恶劣环境的喷砂作业，见表22-7-7。

7.2.4　缆索并联机器人设计

7.3　无人搬运车（AGV）系统设计

7.3.1　无人搬运车系统（AGVS）

物流及其控制系统在柔性制造系统（FMS）中占有十分重要的地位。要保证机床最大的利用率，就要有适配灵活的物流系统。物流系统越灵活，造价就越高，控制越复杂。好的物流系统能使机床的运行等待时间为零，不好的物流系统不会使FMS得到好的效益。

FMS的物流包括工件、夹具、刀具、托盘等在系统中的传送。小型的、简单的FMS，物流输送系统也很简单，而且允许人工参与输送。具有一定规模的、工件较重的FMS，则需要采用自动化物流输送系统。这种系统一般由无人搬运车（AGV）、工业机器人、随行托盘、传送装置及自动化仓库等组成。随行托盘作为每一台机床前面的物料缓冲区。以无人搬运车为核心的物流输送系统的组成和控制如表22-7-10所示。

7.3.2　无人搬运车的工作原理和结构

7.3.2.1　无人搬运车的引导方式

无人搬运车可以采用不同的引导方式，目前常用的引导方式见表22-7-11。

7.3.2.2　无人搬运车的结构

叉车式无人搬运车一般由电控系统、蓄电池、驱动单元、举升单元、固定式门架、双节伸缩式门架、货叉、前部防撞装置、后支腿等组成。

7.3.3　典型的无人搬运车

7.3.3.1　瑞典AGV电子有限公司的产品

瑞典AGV电子有限公司（AGV ELECTRONICS INC）的无人搬运车从小型产品到载重5t的大型产品，已形成系列。全自动搬运的最大举升量可达7m。其主要尺寸、产品外形和主要技术参数见表22-7-13。　

7.3.3.2　美国AGV产品有限公司的产品

美国AGV产品有限公司（AGV PRODUCTS INC）生产的无人搬运车主要采用电磁感应引导，也可选用惯性或激光引导方式，无线电或红外线通信，能自由导航运行。其运行可由车载微机控制，也可由远程控制系统进行遥控。标准可编程序控制器或小型台式计算机可控制多台AGV。该公司开发的AGV控制软件包TRACE可运行在基于PC机的Windows NT环境下，对各种AGV系统的AGV交通进行实时控制，并能预先定义运行路线图。该公司的标准AGV产品分为叉车型和转载式两类，其产品外形主要尺寸、技术参数如表22-7-14。

7.3.3.3　中国新松AGV产品

新松机器人自动化股份有限公司（以下简称“新松”）隶属中国科学院，是一家以机器人技术为核心，致力于全智能产品及服务的高科技上市企业。作为中国机器人产业的翘楚和工业4.0的践行者与推动者，成功研制了具有完全自主知识产权的工业机器人、移动机器人、特种机器人、服务机器人四大系列百类产品，面向智能装备、智能物流、智能工厂、智能交通，形成八大产业方向，致力于打造数字化物联新模式。

7.4　信函连续作业自动处理系统设计

信函自动处理就是利用机器将信函自动分拣到相应的格口。信函分拣机的研究和利用一直是世界各国邮政机械化、自动化的重要课题。从1927年荷兰的唐素尔码分拣机投入试用到现在，已有几十年的历史，以信函的分拣方式和识别技术为依据，可以将信函分拣机的发展划分为三代，如表22-7-16所示。

7.4.1　信函自动处理流水线

7.4.1.1　信函自动处理流水线的组成

信函的处理主要是指分拣。所谓分拣，就是将寄往同一地区、城市的信函拣出并分别存放。分拣之前要对信函分类、理信；分拣之后还要做信把捆扎、信把分拣。因此，信函处理的作业程序是：邮袋开拆→信函分类→信函整理→盖销邮资→分拣入格→信把捆扎→入袋封装。

欲实现信函的自动分拣处理，就要解决信函的自动分类、理信、销票、分离、识别、分拣、捆把等一系列技术问题。因此信函自动处理流水线通常由信函分类机、理信盖销机、缓冲储存器、信函分拣机、信把捆扎机、信把分拣机等组成。

7.4.1.2　信函自动处理的前提条件

7.4.2　信函分类机

7.4.3　缓冲储存器

7.4.4　理信盖销机

7.4.5　信函分拣机

7.4.5.1　信函分拣的同步入格控制

所谓同步入格控制是指代表信函地址的信息码跟踪信函的运动，并控制信函进入相应的格口。常用的控制方法有时间同步和信号跟踪同步两种，控制原理见表22-7-21。

7.4.5.2　条形码及光学条码自动识别

7.4.5.3　光学文字自动识别