AGV自動導(dǎo)引小車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)全設(shè)計.doc

I 山東理工職業(yè)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文 )題目：AGV 自動導(dǎo)引小車 姓 名: 夏 杰 學(xué) 號: 029409300156 院 部: 工程技術(shù)學(xué)院 專 業(yè): 機 電 一 體 化 年 級: 09 級 指導(dǎo)教師: 2011 年 10 月 15 日 II 摘要 AGV 即自動導(dǎo)引小車，它集聲、光、電、計算機技術(shù)于一體，綜合了當(dāng)今科技領(lǐng)域 先進的理論和應(yīng)用技術(shù)。廣泛應(yīng)用在柔性制造系統(tǒng)和自動化工廠中，具有運輸效率高、 節(jié)能、工作可靠、能實現(xiàn)柔性運輸?shù)仍S多優(yōu)點，極大的提高生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)效率。 屬于移動式機器人的一個分支。它最早是在美國發(fā)展起來的，在國外已經(jīng)有幾十年的歷 史了。因此，AGV 被廣泛應(yīng)用在倉儲業(yè)、郵局、圖書館、港口碼頭、機場以及危險場所和 特種作業(yè)的場合。AGV 是一種非常有發(fā)展前途的物流輸送設(shè)備，尤其在柔性制造系統(tǒng) （FMS）中被認(rèn)為是最有效的物料運輸設(shè)備。 本文在分析研究國內(nèi)外 AGV 現(xiàn)狀與發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩后輪獨立驅(qū)動的自動導(dǎo) 引小車，其主要工作內(nèi)容包括：小車機械傳動設(shè)計、直流伺服電機的選擇、AT89C51 單 片機控制系統(tǒng)硬件電路、運動學(xué)分析、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及圓弧插補程序。所設(shè)計的小 車能夠?qū)崿F(xiàn)自主運行、運動軌跡（圓弧、直線）的控制等功能，達(dá)到了沿著設(shè)定的路線 行駛。 關(guān)鍵詞：自動導(dǎo)引小車，單片機控制，設(shè)計，PWM 技術(shù) III Abstract The AGV namely Automatic Guided Vehicle, it collect sound, the light, the electricity, the computer technology in a body, and synthesizes the technical domain advanced theory and the application technology. It widespread applied in the flexible manufacturing system and the factory automation, and has the merits of high transportation efficiency, the energy conservation, the work reliable, the flexible transportation. It enormously enhanced production automaticity and production efficiency. Based on the analysis of the domestic and foreign AGV present situation and its development foundation, AGV with two wheel independent drive is designed. The content of the paper includes: design of mechanical structure and drive of the car, the choice of direct current servo motor, the hardware electric circuit of AT89C51 control system, the kinematic analysis, the software design of control system and the procedure of interpolation the circular arc. The designed car can realize the functions of independent movement, the path (circular arc, straight line) control and so on, and has achieved to travel along the hypothesis route. Keyword: Automatic Guided Vehicle, singlechip computer control，Design , PWM 目 錄 第一章 緒論 .1 1.1 AGV自動導(dǎo)引小車簡介 .1 1.2 AGV自動導(dǎo)引小車的分類 .2 1.3 AGV系統(tǒng)組成 .3 1.4自動引導(dǎo)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計 .4 1.5國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .5 第二章 機械部分設(shè)計 .7 2.1設(shè)計任務(wù) .7 2.2確定機械傳動方案 .7 2.3直流伺服電動機的選擇 .8 2.4聯(lián)軸器的設(shè)計 .11 2.5蝸桿傳動設(shè)計 .12 2.6軸的設(shè)計 .14 2.6.1前輪軸的設(shè) 計 .14 2.6.2后輪軸的設(shè)計 .17 2.7滾動軸承選擇計算 .21 2.7.1前輪軸上的軸承 .21 2.7.2蝸桿軸上的軸承 .22 2.7.3后輪軸上的軸承 .24 第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 .26 3.1 控制系統(tǒng)總體方案 .26 3.2 鑒向 .27 3.3 計數(shù)的擴展 .28 3.4 中斷的擴展 .29 3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇 .30 3.6 電機驅(qū)動芯片選擇 .32 3.7 運動學(xué)分析 .36 3.7.1運動學(xué) 方程 .36 3.7.2轉(zhuǎn)彎半徑 .36 3.8 控制軟件的設(shè)計 .37 結(jié)論與展望 .43 致謝 .45 參考文獻（REFERENCES） .44 1 第一章 緒論 1.1 AGV自動導(dǎo)引小車簡介 AGV(Automatic Guided Vehicle),即自動導(dǎo)引車，是一種物料搬運設(shè)備， 是能在一位置自動進行貨物的裝載，自動行走到另一位置，自動完成貨物的卸 載的全自動運輸裝置。AGV 是以電池為動力源的一種自動操縱的工業(yè)車輛。裝 卸搬運是物流的功能要素之一，在物流系統(tǒng)中發(fā)生的頻率很高，占據(jù)物流費用 的重要部分。因此，運輸工具得到了很大的發(fā)展，其中 AGV 的使用場合最廣泛， 發(fā)展十分迅速。 自動導(dǎo)引車（automatic guided vehicle，AGV） ，是一種集聲、光、電、 計算機為一體的簡易移動機器人。在結(jié)構(gòu)上有類似于有人駕駛車，只不過它的 行駛是在車載微電腦的控制下完成的。主要應(yīng)用于柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系 統(tǒng)（以AGV作為活動裝配平臺） 、自動化立體倉庫以及其他一些行業(yè)作為搬運設(shè) 備。 最早的自動搬運車是1913年福特汽車公司用在底盤裝配上，代替了原來的 輸送機，使原裝配時的12小時28分縮短了1小時33分。1956年英國人組成了以電 磁感應(yīng)導(dǎo)向的簡易AGVS，從此60年代傳到了美國。1959年日本也從這時開始引 進AGVS技術(shù)。60年代AGVS從自動化倉庫進入到柔性加工系統(tǒng)(FMS)。70年代AGV 作為生產(chǎn)組成部分而進入了生產(chǎn)系統(tǒng)，從而使AGV得到了迅速發(fā)展。特別在汽車 制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 我國是從1976年起重機械研究所研制出第一臺ADB型AGV；北京郵電部郵政 科學(xué)技術(shù)研究所為上海新火車站郵政樞紐、濟南軍區(qū)倉庫研究試制的WZC及WZC 一1兩種AGV，1991年也投入了運行；中科院沈陽自動化研究所1993年4月在北京 新技術(shù)展覽會上介紹了自行研制的SIA7AGV一1型載重300公斤的自主導(dǎo)引小車， 在沈陽某廠試用；1992年天津理工學(xué)院研制的帶電纜光導(dǎo)AGV。我國臺灣省曾委 托ADLITTLE咨詢公司編制“2000年新興工業(yè)規(guī)劃” ，把開發(fā)研制AGVS列為第一類 出口導(dǎo)向型優(yōu)先發(fā)展的自動化產(chǎn)業(yè)。2000年世界自動化產(chǎn)業(yè)需求量為700億美元， 臺灣達(dá)到36億美元。 最早期的 AGV 是鋪軌式的，車體在預(yù)設(shè)的鐵軌上行駛，利用通信設(shè)備控制 它的行駛或停止，并沒有涉及到傳感器。隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，各種各 樣的傳感器被使用在 AGV 中，AGV 利用傳感器感知周圍事物的信息，控制機車 的運動，從而實現(xiàn)真正意義上的自動導(dǎo)引。 2 1.2 AGV自動導(dǎo)引小車的分類 自動導(dǎo)引小車分為有軌和無軌兩種。 所謂有軌是指有地面或空間的機械式導(dǎo)向軌道。地面有軌小車結(jié)構(gòu)牢固， 承載力大，造價低廉，技術(shù)成熟，可靠性好，定位精度高。地面有軌小車多采 用直線或環(huán)線雙向運行，廣泛應(yīng)用于中小規(guī)模的箱體類工件 FMS 中。高架有軌 小車（空間導(dǎo)軌）相對于地面有軌小車，車間利用率高，結(jié)構(gòu)緊湊，速度高， 有利于把人和輸送裝置的活動范圍分開，安全性好，但承載力小。高架有軌小 車較多地用于回轉(zhuǎn)體工件或刀具的輸送，以及有人工介人的工件安裝和產(chǎn)品裝 配的輸送系統(tǒng)中。有軌小車由于需要機械式導(dǎo)軌，其系統(tǒng)的變更性、擴展性和 靈活性不夠理想。有軌小車如圖所示。 無軌小車是一種利用微機控制的，能按照一定的程序自動沿規(guī)定的引導(dǎo)路 徑行駛，并具有停車選擇裝置、安全保護裝置以及各種移載裝置的輸送小車。 有軌小車如圖所示。 3 無軌小車按引導(dǎo)方式和控制方法的分為有徑引導(dǎo)方式和無徑引導(dǎo)自主導(dǎo)向 方式。有徑引導(dǎo)方式是指在地面上鋪設(shè)導(dǎo)線、磁帶或反光帶制定小車的路徑， 小車通過電磁信號或光信號檢測出自己的所在位置，通過自動修正而保證沿指 定路徑行駛。無徑引導(dǎo)自主導(dǎo)向方式中，地圖導(dǎo)向方式是在無軌小車的計算機 中預(yù)存距離表（地圖） ，通過與測距法所得的方位信息比較，小車自動算出從某 一參考點出發(fā)到目的點的行駛方向。這種引導(dǎo)方式非常靈活，但精度低。 1.3 AGV系統(tǒng)組成 現(xiàn)今的AGV基本上由導(dǎo)向模塊、行走模塊、導(dǎo)向傳感器、微處理器、通訊裝 置、移載裝置和蓄電池等構(gòu)成，如圖1所示。其中，微處理器是車的控制核心部 分，它把車的各個部分有機地聯(lián)系在一起，它不僅控制整個車的運行，而且， 還通過通訊系統(tǒng)接收地面管理站傳來的各種指令，并不斷地把車的所處位置、 運行狀況等信息返回給地面站。通訊裝置根據(jù)車的通訊方式不同可以是：紅外 通訊、感應(yīng)通訊、無線電通訊等。移載方式有手動和自動2種，根據(jù)需要可以配 置貨叉、升降平臺、輥子輸送機、外伸形貨叉、機械手等設(shè)備。一定數(shù)量的AGV 在地面設(shè) 施的支持下，按工序完成一定的物料輸送任務(wù)就構(gòu)成AGV系統(tǒng)。 目前各大高校教學(xué)演示、自動化車間及物流配送業(yè)的用戶對我們的AGV產(chǎn)品 反應(yīng)良好！該產(chǎn)品也廣泛應(yīng)用的行業(yè)還包括煙草、汽車制造、家電、金融系統(tǒng) 等多個領(lǐng)域。AGV的上市，標(biāo)志著科技突飛猛進的大中華，讓現(xiàn)代化工業(yè)城市又 向前邁進了一大步，也將是現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè) 自動化發(fā)展的必然趨勢 (1)較高的柔性。 4 只要改變一下導(dǎo)向程序，就可以很容易地改變、修正和擴充AGV的移動 路線。如果改變固定的傳送帶運輸線或有軌小車的軌道，相比之下改造的工作 量要大得多。 (2)實時監(jiān)視和控制。 由于控制計算機實時地對AGV進行監(jiān)視，如果FMS控制系統(tǒng)根據(jù)某種需 要，要求改變進度表或作業(yè)計劃，則可很方便地重新安排小車路線。此外，還 可以為緊急需要服務(wù)，向計算機報告負(fù)載的失效、零件錯放等事故。如果采用 的是無線電控制，可以實現(xiàn)AGV和計算機之間的雙向通訊。不管小車在何處或處 于何種狀態(tài)，運動或者靜止，計算機都可以用調(diào)頻法通過它的發(fā)送器向任一特 定的小車發(fā)出命令，且只有響應(yīng)的那一臺小車才能讀到這個命令，并根據(jù)命令 完成某一地點到另一地點的移動、停車裝料、卸料、再充電等一系列的動作。 另一方面小車向能向計算機發(fā)出信號，報告小車的狀態(tài)、小車故障、蓄電池狀 態(tài)等 (3)安全可靠。 AGV能以低速運行，一般在1070 mmin范圍內(nèi)操作。通常AGV有微處理器 控制，能同本區(qū)的控制器通訊，可以防止相互之間的碰撞。有的AGV上面還安裝 了定位精度傳感器或定中心裝置，可保證定位精度達(dá)到30 mm，精確定位的 AGV其定位精度可達(dá)到30 mm，從而避免了在裝卸站或在運動過程中小車與小 車之間發(fā)生碰撞，以及工件卡死的現(xiàn)象。 裝卸搬運是物流的功能要素之一，在物流系統(tǒng)中發(fā)生的頻率很高，占據(jù)物 流費用的重要部分。AGV的顯著特點是無人駕駛，AGV上裝備有自動導(dǎo)向系統(tǒng)， 可以保障系統(tǒng)在不需要人工引航的情況下就能夠沿預(yù)定的路線自動行駛，將貨 物或物料自動從起始點運送到目的地。AGV的另一個特點是柔性好，自動化程度 高和智能化水平高，AGV的行駛路徑可以根據(jù)倉儲貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改 變而靈活改變，并且運行路徑改變的費用與傳統(tǒng)的輸送帶和剛性的傳送線相比 非常低廉。AGV一般配備有裝卸機構(gòu)，可以與其他物流設(shè)備自動接口，實現(xiàn)貨物 和物料裝卸與搬運全過程自動化。此外，AGV還具有清潔生產(chǎn)的特點，AGV依靠 自帶的蓄電池提供動力，運行過程中無噪聲、無污染，可以應(yīng)用在許多要求工 作環(huán)境清潔的場所。 表3-1 AGV的類型和應(yīng)用 AGV的類型 AGV的應(yīng)用 1. 電磁感應(yīng)引導(dǎo)式AGV 1倉儲業(yè) 2. 激光引導(dǎo)式AGV 2制造業(yè) 5 3. 視覺引導(dǎo)式AGV 3郵局、圖書館、港口碼頭 4鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)式AGV 4煙草、醫(yī)藥、食品、化工 5光學(xué)引導(dǎo)式AGV 5危險場所和特種行業(yè) 1.4自動引導(dǎo)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計 AGV 自動導(dǎo)引小車的引導(dǎo)原理是根據(jù)自動導(dǎo)引小車行走的軌跡進行編程， 數(shù)字編碼器檢測出的電壓信號判斷其與預(yù)先編程的軌跡的位置偏差，控制器根 據(jù)位置偏差調(diào)整電機轉(zhuǎn)速對偏差進行糾正，從而使自動導(dǎo)引小車沿預(yù)先編程的 軌跡行走。因此 AGV 自動導(dǎo)引小車行走過程中，需不斷地根據(jù)輸入的位置偏 差信號調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，對系統(tǒng)進行實時控制。 小車采用兩后輪獨立驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向，兩前輪為萬向輪的四輪結(jié)構(gòu)形式。 步進電機經(jīng)減速器后通過驅(qū)動輪提供驅(qū)動力，當(dāng)兩輪運動速度不同時就可以實 現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。 （1）車體 包括底盤、車架、殼體和控制室和相應(yīng)的機械電氣結(jié)構(gòu)如減速箱、電機、 車輪等所組成，是AGV的基礎(chǔ)部分。具有電動車輛的結(jié)構(gòu)特征和無人駕駛自動作 業(yè)的特殊要求。車架常用鋼構(gòu)件焊接而成，重心越低越有利于抗傾翻。板上常 安置移載裝置、電控系統(tǒng)、按鍵、顯示屏等。 （2）車架 車架是整個 AGV 小車的機體部分，主要用于安裝輪子、光感應(yīng)器、伺服 電機和減速器。車架上面安裝伺服電機驅(qū)動器、PCD 板和電瓶。對于車架的設(shè) 計，要有足夠的強度和硬度要求，故車架材料選用鑄造鋁合金，牌號為 6061。 其中 6061 質(zhì)量比較輕，焊接性好。 （3）車輪 車輪采用實心橡膠輪胎。車體后面兩主動輪為固定式驅(qū)動輪，與輪轂式電機 相連。前面兩個隨動輪為旋轉(zhuǎn)式隨動輪，起支承和平衡小車的作用。 （4）載荷傳送裝置 AGV 的載荷傳送裝置為一平板，其作用為運輸箱體類零件到指定工位。 主要用來裝載箱體類零件，運送物料等. （5） 驅(qū)動裝置 驅(qū)動AGV運行并具有速度控制和制動能力的子系統(tǒng)。主要包括電機、減速器、 驅(qū)動器、控制與驅(qū)動電路等。驅(qū)動系統(tǒng)一般為閉環(huán)方式與開環(huán)方式，前者以伺 服直流電機為主，后者以步進電機為主。 6 （6） 動力系統(tǒng) 蓄電池是目前AGV使用的唯一電源。用來驅(qū)動車體、車上附屬裝置，如控 制、通訊、安全等。 AGV周邊設(shè)施使用一般工業(yè)電力，根據(jù)用途而有不同要求。如充電間頻率發(fā) 生器、自動門、計算機室、通訊裝置以及工作環(huán)境所需裝置的動力等。根據(jù)車 型、運行及載荷量而采用不同功率的蓄電他，一般都是蓄電池組合體。常用直 流電壓為12伏、24伏、48伏及72伏。 1.5國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 AGV 是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、自動 化立體倉庫而產(chǎn)生并發(fā)展起來的。日本人認(rèn)為 1981 年是柔性加工系統(tǒng)元年，這 樣計算 AGV 大規(guī)模應(yīng)用的歷史也只有 15 至 20 年。但是，其發(fā)展速度是非常快 的。1981 年美國通用公司開始使用 AGV，1985 年 AGV 保有量 500 臺，1987 年 AGV 保有量 3000 臺。資料表明歐洲 40%的 AGV 用于汽車工業(yè)，日本 15%的 AGV 用于汽車工業(yè)，也就是說 AGV 在其他行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用 。1 目前國內(nèi)總體看 AGV 的應(yīng)用剛剛開始，相當(dāng)于國外 80 年代初的水平。但從 應(yīng)用的行業(yè)分析，分布面非常廣闊，有汽車工業(yè)，飛機制造業(yè)，家用電器行業(yè)， 煙草行業(yè)，機械加工，倉庫，郵電部門等 。這說明 AGV 有一個潛在的廣闊市1 場。 AGV 從技術(shù)的發(fā)展看，主要是從國家線路向可調(diào)整線路；從簡單車載單元 控制向復(fù)雜系統(tǒng)計算機控制；從原始的段點定期通訊到先進的實時通訊等方向 發(fā)展；從落后的現(xiàn)場控制到先進的遠(yuǎn)程圖形監(jiān)控；從領(lǐng)域的發(fā)展看，主要是從 較為集中的機械制造、加工、裝配生產(chǎn)線向廣泛的各行業(yè)自動化生產(chǎn)，物料搬 運，物品倉儲，商品配送等行業(yè)發(fā)展。 7 第二章 機械部分設(shè)計 2.1設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一臺自動導(dǎo)引小車 AGV，可以在水平面上按照預(yù)先設(shè)定的軌跡行駛。 本設(shè)計采用 AT89C51 單片機作為控制系統(tǒng)來控制小車的行駛，從而實現(xiàn)小車的 左、右轉(zhuǎn)彎，直走，倒退，停止功能。 其設(shè)計參數(shù)如下： 自動導(dǎo)引小車的長度：500mm 自動導(dǎo)引小車的寬度：300mm 自動導(dǎo)引小車的行駛速度：100mm/s 2.2確定機械傳動方案 方案一：采用三輪布置結(jié)構(gòu)。直流伺服電動機經(jīng)過減速器和差速器，通過 兩半軸將動力傳遞到兩后輪。自動導(dǎo)引小車的轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機構(gòu)驅(qū)動前面的一個 萬向輪轉(zhuǎn)向。傳動系統(tǒng)如圖 2-1 所示。 8 圖 2-1 傳動方案一 方案二：采用四輪布置結(jié)構(gòu)。自動導(dǎo)引小車采用兩后輪獨立驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向， 兩前輪為萬向輪的四輪結(jié)構(gòu)形式。直流伺服電動機經(jīng)過減速器后直接驅(qū)動后輪， 當(dāng)兩輪運動速度不同時，就可以實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。傳動系統(tǒng)如圖 2-2 所示。 圖 2-2 傳動方案二 四輪結(jié)構(gòu)與三輪結(jié)構(gòu)相比較有較大的負(fù)載能力和較好的平穩(wěn)性。方案一有 差速器和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，故機械傳動誤差大。方案二采用兩套蝸輪-蝸桿減速器及直 流伺服電動機，成本相對于方案一較高，但它的傳動誤差小，并且轉(zhuǎn)向靈活。 因此，采用方案二作為本課題的設(shè)計方案。 2.3直流伺服電動機的選擇 伺服電動機的主要參數(shù)是功率(KW)。但是，選擇伺服電動機并不按功率， 而是更根據(jù)下列三個指標(biāo)選擇。 運動參數(shù)： AGV 行走的速度為 100mm/s，則車輪的轉(zhuǎn)速為 （2-1）d1062.75min3.410vnr 電機的轉(zhuǎn)速 選擇蝸輪-蝸桿的減速比 i=62 9 （2-2）62.75140.minni r電 自動導(dǎo)引小車的受力分析： OGPFBFCFAFD 圖 2-3 車輪受力簡圖 小車車架自重為 P 32.8510.0.329.814abhg N （2-3） 小車的載荷為 G （2-4）39.4mN 取坐標(biāo)系 OXYZ 如圖 2-3 所示，列出平衡方程 由于兩前輪及兩后輪關(guān)于 Y 軸對稱，則 ，ABFCD ， （2-5）0zF20ACFPG ， （2-6）xM0.75.12.3C 解得 .6ABN8.4DFN 兩驅(qū)動后輪的受力情況如圖 2-4 所示： 滾動摩阻力偶矩 的大小介于零與最大值之間，即f （2-7）max0fM （2-8）max.6157.0.946NFN 其中 滾動摩阻系數(shù)，查表 5-2 ，=2 10，取 =6mm 2 10 牽引力 F 為 （2-9）max0.94613.572MFNd 電 機 /GW 圖 2-4 后輪受力 圖 2-5 摩擦系數(shù) 牽引力 F N 重物的重力 W N 滾子直徑 D mm 傳遞效率 傳動裝置減速比 1/G 1） 求換算到電機軸上的負(fù)荷力矩（ ）LT （2-10）19.820WDG 13.507.64.210.8Nm 取 =0.7, =157.66 , =0.15 2） 求換算到電機軸上的負(fù)荷慣性（ ）LJ （2-11） 21234LZJ 20.3490.76.01.064618kgm 其中 為車輪的轉(zhuǎn)動慣量； 為蝸桿的轉(zhuǎn)動慣量；1JJ 為蝸輪的轉(zhuǎn)動慣量； 為蝸輪軸的轉(zhuǎn)動慣量。3 4 3） 電機的選定 根據(jù)額定轉(zhuǎn)矩和慣量匹配條件，選擇直流伺服電動機。 電機型號及參數(shù)：MAXON F2260 60mm 石墨電刷 80W 2190MJgcm 匹配條件為 3 2max361.89LJgc AOSNP 11 （2-12）max0.251LMJ 即 36.89.0.25.81 慣量 （2-13）J 2169MLJ gcm 其中 為伺服電動機轉(zhuǎn)子慣量 M 故電機滿足要求。 4） 快移時的加速性能 最大空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在自動導(dǎo)引小車攜帶工件，從靜止以階躍指令加速 到伺服電機最高轉(zhuǎn)速 時。這個最大空載加速轉(zhuǎn)矩就是伺服電動機的最大輸maxn 出轉(zhuǎn)矩 。maxT （2-14）maxax223.140165.89.91076J Nmt 加速時間 （2-15）4.aMTs 其中 機械時間常數(shù) 19Ms 2.4聯(lián)軸器的設(shè)計 由于電動機軸直徑為 8mm，并且輸出軸削平了一部分與蝸桿軸聯(lián)接部分 軸徑為 12mm，故其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 2-6 所示。 電 機 軸蝸 桿 軸 圖 2-6 聯(lián)軸器機構(gòu)圖 聯(lián)軸器采用安全聯(lián)軸器，銷釘直徑 d 可按剪切強度計算，即 4 12 （2-16）8mKTdDZ 銷釘材料選用 45 鋼。查表 5-2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB 699-88）5 45 調(diào)質(zhì) 200mm =637MPa =353MPa =17% bss =35% 硬度 217255HBS 20.39kMJ 銷釘?shù)脑S用切應(yīng)力為 （2-17）.780.75634.75BMPa 過載限制系數(shù) k 值 查表 14-4 取 k=1.6 4 T=0.321Nm 81.6570.643.2.dm 選用 d=5mm 滿足剪切強度要求。 2.5蝸桿傳動設(shè)計 1.選擇蝸桿的傳動類型 根據(jù) GB/T 10085-1988 的推薦，采用漸開線蝸桿(ZI)。 2.選擇材料 蝸桿要求表面硬度和耐磨性較高，故材料選用 40Cr。蝸輪用灰鑄鐵 HT200 制造，采用金屬模鑄造。 3.蝸桿傳動的受力分析 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 T2 按 Z=1，估取效率 =0.7,則 4 （2-66622 120.879.5109.509.523508PPT Nmnni 18） 圖 2-7 蝸輪-蝸桿受力分析 各力的大小計算為 （2-19）1125876.2taTFNd （2-20）2130.at 13 （2-21）0012tan6.tan2.8rFN 4.按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計 根據(jù)開式蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則，按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計。蝸輪輪齒 因彎曲強度不足而失效的情況，多數(shù)發(fā)生在蝸輪齒數(shù)較多或開式傳動中。 彎曲疲勞強度條件設(shè)計的公式為 4 （2-22）221.53FaKTmdYz 確定載荷系數(shù) K4 由于工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù) K=1，由表 11-15 選取使用4 系數(shù) KA=1.15。由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù) KV=1.1,則 （2-23 ）1.5.1265AVK 由表 11-8 得，蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力 4 34FMPa 假設(shè) 31048，蝸輪的當(dāng)量齒數(shù) 26z= 14 （2-24 ）23362.29cos10Vz48 根據(jù) ， ，從圖 11-19 中可查得齒形系數(shù) 20 x26.9z 2.3FaY 螺旋角系數(shù) （2-25 ）1.9740Y140 2 3.53625834.md m 由表 11-2 得 4 中心距 a=50mm 模數(shù) m=1.25mm 分度圓直徑 12.d2315md 蝸桿頭數(shù) 直徑系數(shù) 17.92 分度圓導(dǎo)程角 =31138 z 蝸輪齒數(shù) 變位系數(shù)2620.4x 5.蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 1）蝸桿 軸向齒距 （2-26）3.15.9apmm 齒頂圓直徑 （2-27）*12421.54.9dh 齒根圓直徑 （2-*1 .0.21.75fac m 28） 蝸桿軸向齒厚 （2-29）13.4125.962asm 2）蝸輪 傳動比 （2-30）21zi 蝸輪分度圓直徑 （2-31）2.567.dmm 蝸輪喉圓直徑 *21.250.48.1ahax m （2-32 ） 蝸輪齒根圓直徑 *227.51.0.4257.4fdmhxc （2-33 ） 蝸輪咽喉母圓半徑 （2-228.9gardm 34） 6.精度等級公差和表面粗糙度的確定 15 考慮到所設(shè)計的自動導(dǎo)引小車屬于精密傳動，從 GB/T 10089-1988 圓柱蝸桿、 蝸輪精度中選擇 6 級精度，側(cè)隙種類為 7.熱平衡核算 由于該蝸輪-蝸桿傳動是開式傳動，蝸輪-蝸桿產(chǎn)生的熱傳遞到空氣中，故無須 熱平衡計算。 2.6軸的設(shè)計 2.6.1前輪軸的設(shè)計 前輪軸只承受彎矩而不承受扭矩，故屬于心軸。 圖 2-8 前輪軸結(jié)構(gòu) 1.求作用在軸上的力 自動導(dǎo)引小車的前輪受力，受力如圖 2-9a)所示。 CF180.4.22N = 2.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1）擬定軸上零件的裝配方案 裝配方案是：左輪輻板、右輪輻板、螺母、套筒、滾動軸承、軸用彈性擋 圈依次從軸的右端向左安裝，左端只安裝滾動軸承和軸用彈性擋圈。這樣就對 各軸段的粗細(xì)順序作了初步安排。 2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 (1)初步選擇滾動軸承。自動導(dǎo)引小車前輪軸只受彎矩的作用，主要承受徑 向力而軸向力較小，故選用單列深溝球軸承。由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取單列 深溝球軸承 6004，其尺寸為 dDT=20mm42mm12mm,故 。20dm 16 右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得 6004 型軸承的定位軸 肩高度 h=2.5mm，因此取 。25dm (2)取安裝左、右輪輻處的軸段的直徑 ;輪輻的左端采用軸肩定位，30dm 右端用螺母夾緊輪輻。已知輪輻的寬度為 34mm，為了使螺母端面可靠地壓緊 左右輪輻，此軸段應(yīng)略短于輪輻的寬度，故取 。左右輪輻的左段采用2l 軸肩定位，軸肩高度 ，取 h=3mm，則軸環(huán)處的直徑 。軸環(huán)0.7hd 36Vd 寬度 b1.4h，取 。5Vlm (3)軸用彈性擋圈為標(biāo)準(zhǔn)件。選用型號為 GB 894.1-86 20，其尺寸為 ,故02d , , 。19 1.l 31.9lm 其余尺寸根據(jù)前輪軸上關(guān)于左右輪輻結(jié)合面基本對稱可任意確定尺寸，確定 了軸上的各段直徑和長度如圖 2-8 所示。 3）軸上零件的周向定位 左右輪輻與軸的周向定位采用平鍵聯(lián)接。按 d由手冊查得平鍵截面 bh=8mm7mm (GB/T 1095-1979),鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為 28mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長見 GB/T 1096- 1979),同時為了保證左右輪輻與軸配合有良好的對中性，故選擇左右輪輻與軸的 配合為 H7/n6。滾動軸承與軸的周向定位是借過度配合來保證的，此處選軸的 直徑尺寸公差為 j7。 4）確定軸上圓角和倒角尺寸 取軸端倒角為 145，各軸肩處的圓角半徑為 R1。 3.求軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩 圖。 McFF1 F2M 圖 2-9 前輪軸的載荷分析圖 12180.4.2FN1239Lm 139576.8CL 4.按彎曲應(yīng)力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩的截面強度。最大負(fù)彎矩在截 17 面 C 上 ， 。1576.38MNm 對截面 C 進行強度校核，由公式 4 （2-35）1caMW 由表 15-1 得，45 鋼 調(diào)質(zhì) 4 60Pa 由表 15-4 得， （2-36） 2 23 3 3840.18.42btdWm 1576.9caMPa< 因此該軸滿足強度要求，故安全。 2.6.2后輪軸的設(shè)計 后輪軸在工作中既承受彎矩又承受扭矩，故屬于轉(zhuǎn)軸。 圖 2-10 后輪軸結(jié)構(gòu) 1.求后輪軸上的功率 、轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)矩2P2n2T 取蝸輪-蝸桿傳動的效率 =0.7,則 （2-37）20.87.056KW .5minr238Nm 2.作用在蝸輪上的力 2163.8tFN2.aF2460rF 18 3.初步確定軸的最小直徑 先按式（15-2 初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。4 根據(jù)表 15-3 ，取 =115，于是得0A （2-38）233min00.5611.7Pdm 后輪軸的最小直徑是安裝輪輻處軸的直徑 。由于輪輻與軸采用鍵聯(lián)結(jié)，d 故 。26d 4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1)擬定軸上零件的裝配方案 裝配方案是：蝸輪、套筒、深溝球軸承、軸用彈性擋圈依次從軸的左端向 右安裝；右端安裝深溝球軸承、透蓋、內(nèi)輪輻、軸端擋圈從右端向左安裝。 2)根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 (1)初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單 列深溝球軸承。單列深溝球軸承 6206，其尺寸為 dDT=30mm62mm16mm， 故 。30dm 右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得 6206 型軸承的定位軸 肩高度 h=3mm,因此，取 。36d (2)軸用彈性擋圈為標(biāo)準(zhǔn)件。選用型號為 GB 894.1-86 30,其尺寸為 ，03dm 故 ， 。28.6dm 1.7L (3)取安裝輪輻處的軸段的直徑 。輪輻的寬度為 27mm,為了使軸26dm 端擋圈可靠地壓緊輪輻，此軸段應(yīng)略短于輪輻的寬度，故取 。26lm 其余尺寸根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)可任意選取。確定了軸上的各段直徑和長度如圖 2-10 所示 。 3)軸上零件的周向定位 蝸輪與軸的周向定位采用平鍵聯(lián)接。按 由手冊查得平鍵截面d bh=8mm7mm,鍵槽長為 25mm。輪輻與軸的配合為 H8/h7。 4)確定軸上圓角和倒角尺寸 取軸端倒角為 145，各軸肩處的圓角半徑為 R1。 5.求軸上的載荷 后輪軸上的受力分析 2-11a)。 L1=L2=27.5mm L3=41mm 1)在水平面上后輪軸的受力簡圖為 2-11b)。 19 由靜力平衡方程求出支座 A、B 的支反力 121263.81.9NHtFN 三個集中力作用的截面上的彎矩分別為 1.975.DMLm 0HABM 圖 2-11 后輪軸的載荷分析圖 2)在垂直面上后輪軸的受力簡圖 2-11c)。 由靜力平衡方程求出支座 A、B 的支反力 20 265.2NVaF （2-39 ）Nm.7.75aDM ， (2-40)0A 2121130raNVLLFL 12 31NVrFFL 46027.5.57.62.5417.5 02 ， (2-41)yF1220NVrFF 122NVr 46057.0.638 在 段中，將截面左邊外力向截面簡化，得AD (2-42)1130.578NVMFxx1 1027.5x< 在 段中，同樣將截面左邊外力向截面簡化，得B (2-43)2122.NVraFM.2 2 30578301.57846057.64x 在 段中，同樣將截面右邊外力向截面簡化，得BC (2-44)333157.MxFx3041x< 0VAC .82.9.5D Nm 167540182.67V .BM 21 計算 A、B、C、D 截面的總彎矩 M 0M2221173.5893.154.8HDV Nm (2-45) (2-46)22273.50.6047.DHVBVNm 后輪軸上的轉(zhuǎn)矩 2358T 6.按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面 D）的強度。 由式（15-5） 得4 (2- 2 22 207.85.635081.4DcaMT MPaW 47) 其中， 為折合系數(shù)，取 =0.6 為軸的抗彎截面系數(shù)，由表 15-4 得4 2 23 3 3804.108.42 3btdt m 選定軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表 15-1 查得 160MPa 因此 ，故安全。1ca< 2.7滾動軸承選擇計算 2.7.1前輪軸上的軸承 要求壽命 ，轉(zhuǎn)速 ，軸250hL101028.96min3.4nrd 承的徑向力 ，軸向力 。4.rFNaF 1 由上述條件試選軸承 試選 6004 型軸承，查表 16-2 4 9.38rCk05.2rCkNlim150innr 22 2 按額定動載荷計算 由式 (2-48)4 601hnLCP 對球軸承 =3， (2-49)PraPrfXFYf 查表 13-6 自動導(dǎo)引小車 4 1.2 代入得 408.54N 368.98.507930C 故 6004 型軸承能滿足要求。 3 按額定靜載荷校核 由式 (2-50)0CSP 查表 13-8 ，選取 =240S (2-51)04.2rarPXFYN 代入上式， 滿足要求。052280CN 2.7.2蝸桿軸上的軸承 要求壽命 ，轉(zhuǎn)速 ，軸承的徑向載荷250hL140.5minnr ，作用在軸上的軸向載荷 。1.4rFN 6.aFN 1由上述條件試選軸承 選 30203 型軸承，查表 5-24 5 （脂潤滑） 9.8Ck013.2Cklim90innr035e 圖 2-12 蝸桿軸上的軸承受力 2按額定動載荷計算 23 (2-52)1120.432.7rFSNY 13.76.9.a S ，1212.4aPrfXFY 查表 15-12 ， 5.Pf ， ， 1639.780.3504arFe0.41.71.2.1.46.29.58N ， ， 23.90.350.4ar eF 1X0Y 222.432.8PraPrfXYFf 由式 15 601hnLC10003316 64.5229.5843hnLC N0103326 6.0.4hP 均小于 滿足要求。1198N 3按額定靜載荷校核 由表 505 0CSP 查表 15-14 ，取 1.8S10.79.52arFY011.10.46.1.86raPXFN 20.94.52arF 24 0210.4rPFN 均小于 ，滿足要求。013C 4極限轉(zhuǎn)速校核 由式 (2-53)max12linf ，由圖 15-5 得 1290.58.62PC5f ，由圖 15-6 得 1.7arF520.fmax10.94minnr ，由圖 15-5 得 213.48.6790PC51f ，由圖 15-6 得 2.arF52f max2190minnr 小于 和 滿足要求。nmax1 2.7.3后輪軸上的軸承 要求軸承的壽命 ，轉(zhuǎn)速 ，軸承 A 的徑向載荷250hL2.75minnr ；軸承 B 的徑向載荷211631.9.80rNHVF N ；軸向載荷為 。222 631.9r 65.2aFN 由于軸承 A 承受的載荷大于軸承 B 的載荷，故只需對軸承 A 進行校核。 1 由上述給定條件試選軸承 試選 6206 型軸承，查表 15-19 5 （脂潤滑）4.9CkN01.CkNlim950innr 2 按額定動載荷計算 由式 61hLP 25 對球軸承 ，3 PrafXFY 由 查表 15-19 065.20.651aFC50.19,2.3eY 由 查表 15-19 .930.197ar e5 rPF 查表 15-12 自動導(dǎo)引小車 5 .2Pf 代入得 784N 3602.508416.59101C 故 6206 型軸承能滿足要求。 3 按額定靜載荷校核 由式 0CSP 查表 15-14 ，選取 501S 由 .93arF 查表 15-19 ， 時， 50.8arF01,XY 得 7rPFN 代入上式， 滿足要求。001CNS 4 極限轉(zhuǎn)速校核 max12linf 由 查圖 15-5 840.56319PC51f 查圖 15-6 6.2.7arF52f 代入 max190minnr 滿足要求。ax2.5ir 26 第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 控制系統(tǒng)總體方案 本系統(tǒng)使用 AT89C51 單片機作為核心的控制運算部分。連接在電機上的數(shù) 字編碼器在電機運轉(zhuǎn)時發(fā)出的脈沖信號，經(jīng)過自行設(shè)計和制作的脈沖鑒向電路， 可以得到電機的運轉(zhuǎn)方向；來自鑒向電路的正反方向的脈沖信號進入到兩塊 8253 計數(shù)器進行計數(shù)，以獲得電機的旋轉(zhuǎn)速度和位移；經(jīng)過在 AT89C51 單片 機上運行的各種控制程序的適當(dāng)運算以后，輸出的控制量經(jīng)過兩塊 DAC1208 轉(zhuǎn) 換器變成模擬量，輸出到兩塊 UC3637 直流電動機脈寬調(diào)制器，通過 H 橋開關(guān) 放大器，作為執(zhí)行機構(gòu)的速度或者力矩給定，從而控制電機的運轉(zhuǎn)，使整個 AGV 自動導(dǎo)引小車能夠完成所設(shè)計的控制任務(wù)。 整個控制系統(tǒng)的組成框圖如下： 圖 3-1 控制系統(tǒng)的組成框圖 3.2 鑒向 伺服電機根據(jù)控制要求能夠工作在四個不同的象限，作為系統(tǒng)的狀態(tài)檢測 27 部分，必須能夠檢測電機的轉(zhuǎn)速及分辨電機不同的旋轉(zhuǎn)方向。安裝在電機旋轉(zhuǎn) 軸上的數(shù)字編碼器在電機運轉(zhuǎn)時能夠產(chǎn)生相位相差 90 度的兩路脈沖信號，電機 的旋轉(zhuǎn)方向可以由鑒向電路對此兩路脈沖進行鑒向后獲得，其原理如圖 3-2 所 示。V 圖 3-2 鑒向原理 伺服電機反轉(zhuǎn)時，A相脈沖超前于B相脈沖90度，在 cp十端輸出反向計數(shù)脈 沖，當(dāng)正轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前于A相脈沖90度，在 cp一端輸出正向計數(shù)脈沖，見 圖3-3中的 (b)和(c所示，分辨出的脈沖進入脈沖計數(shù)電路進行計數(shù)，再由計算 機讀入進行處理。其電路圖見圖3-3中的(a)所示。 圖 3-3 電機轉(zhuǎn)向分辨電路 本次設(shè)計使用的數(shù)字編碼器為500P/ R ,即電機每旋轉(zhuǎn)一周輸出500個脈沖,電 機到車輪的減速齒輪的減速比為62 : 1 ,因此車輪每前進或者后退一周產(chǎn)生 50062 即31000個脈沖,可見分辯率非常高。編碼器的脈沖輸出為差動形式,鑒向 電路接收差動形式的脈沖信號,鑒向后輸入到8253計數(shù)器。 3.3 計數(shù)的擴展 為了得到驅(qū)動輪運轉(zhuǎn)的速度、位移等,而數(shù)字編碼器的輸出經(jīng)過鑒向電路提 供的是電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)脈沖,必須對這些脈沖分別進行計數(shù)、運算才能得到所 要的速度、位移等狀態(tài)量。本系統(tǒng)中使用了兩塊8253計數(shù)器,每塊芯片具有三個 28 16 位計數(shù)器。四個獨立的計數(shù)器即1# 、2 # 、3 # 和4 # 分別用于兩臺電機的 正/ 反轉(zhuǎn)脈沖的計數(shù)。 8253可編程定時器計數(shù)器可由軟件設(shè)定定時與計數(shù)功能，設(shè)定后與CPU 并行工作，不占用CPU時間，功能強，使用靈活。它具有3個獨立的16位計數(shù)器 通道，每個計數(shù)器都可以按照二進制或二十進制計數(shù)，每個計數(shù)器都有6種工 作方式，計數(shù)頻率可高達(dá)2MHz，芯片所有的輸入輸出都與TTL 兼容。 8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-4所示；引腳如圖3-5所示。 圖3-4 8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖3-5 8253引腳圖 U6地址為：8000H計數(shù)器0 8001H計數(shù)器1 8002H計數(shù)器2 8003H 控制字 U7地址為：6000H計數(shù)器0 6001H計數(shù)器1 6002H計數(shù)器2 6003H控 制字 U6讀/寫控制邏輯接線： ， ， ；4CSY0QA1 U7讀/寫控制邏輯接線： ， ， 。3 U6芯片中計數(shù)器0和計數(shù)器1用于左輪電機正反轉(zhuǎn)計數(shù)，并處于工作方式 3。U7芯片中計數(shù)器0和計數(shù)器1用于右輪電機正反轉(zhuǎn)計數(shù)，并處于工作方式 3。 在中斷服務(wù)程序中,這四個計數(shù)器