AGV無軌小車畢業(yè)設(shè)計(jì)-無軌運(yùn)輸小車設(shè)計(jì)

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畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 論文（設(shè)計(jì)）題目：無軌運(yùn)輸小車設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 號 院 系 專 業(yè) 年 級 指導(dǎo)教師 目 錄 第1章 緒論 5 1.1 AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車簡介 5 1.2 自動(dòng)引導(dǎo)小車的分類 5 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 5 1.4選題依據(jù)和研究意義 6 第2章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 7 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 7 2.2 確定機(jī)械傳動(dòng)方案 7 2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 8 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 11 2.5 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 12 2.6 軸的設(shè)計(jì) 14 2.7 滾動(dòng)軸承選擇計(jì)算 22 第3章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 27 3.1 控制系統(tǒng)總體方案的確定 27 3.2 鑒向 27 3.3 計(jì)數(shù)的擴(kuò)展 28 3.4 中斷的擴(kuò)展 29 3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇 31 3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 34 3.7 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 38 3.8 控制程序的設(shè)計(jì) 39 第4章總結(jié)與展望 47 參考文獻(xiàn) 48 致 謝 49 2 摘 要 自動(dòng)引導(dǎo)小車AGV在當(dāng)今科技領(lǐng)域中，它是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把光電聲等物理量集于一體并且把無軌運(yùn)輸技術(shù)與先進(jìn)理論整合在一起的具有先進(jìn)科技的小車。自動(dòng)無軌運(yùn)輸導(dǎo)引小車具有高效，運(yùn)作靈活及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在工作過程中可以極大地提高生產(chǎn)效率，因此在柔性制造系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 通過對自動(dòng)無軌運(yùn)輸導(dǎo)引小車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析及國內(nèi)外無軌小車的發(fā)展?fàn)顩r的研究，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)的參數(shù)容量等選擇。聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)型號選擇，以及蝸輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)。軸承的選擇及控制系統(tǒng)中硬件的設(shè)計(jì)、軟件程序的編程。在小車整個(gè)運(yùn)行中，小車可以實(shí)現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡自主運(yùn)行。 關(guān)鍵詞 ： 無軌運(yùn)輸；自動(dòng)引導(dǎo)；單片機(jī)；PWM Abstract Automatic guided vehicle AGV in today in the field of science and technology, it is through the computer network technology, the physical quantities such as sound, light and electricity set in one and the non rail transportation technology and advanced theory integrated in together with the advanced technology of the car. Automatic rail transport guided vehicle has the advantages of higher efficiency, and flexible operation and environmental protection so on, which can greatly improve the production efficiency in the process of work, so it is widely used in flexible manufacturing system. Through the automatic rail guided vehicle drive system analysis and no rail car development status of the domestic and foreign research, the design content mainly includes: the design of DC motor, coupling and worm drive design, bearing selection and control system hardware design, software programming. In the whole operation of the car, the car can be achieved in accordance with the pre designed track to run autonomously. Keywords ： Rail transport；Automatic guiddance；Singlechip；PWM 47 第1章 緒論 1.1 AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車簡介 輕型無軌運(yùn)輸小車AGV是一種以計(jì)算機(jī)控制整個(gè)中央系統(tǒng)，利用物理信息（磁條，激光等）指導(dǎo)小車按照設(shè)定的軌跡行駛的無人駕駛小車。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，一般都是利用計(jì)算機(jī)作為整個(gè)控制的合理，然后結(jié)合導(dǎo)航以及對周邊運(yùn)行的時(shí)候能夠起到輔助設(shè)備，最后在加上多個(gè)AGV系統(tǒng)，從而組成了一個(gè)總的AGV系統(tǒng)。在工作中，他主要是充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能，利用計(jì)算機(jī)實(shí)施實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并隨時(shí)針對情況進(jìn)行調(diào)控，然后AGV就可以根據(jù)既定的路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到一個(gè)行程，完成預(yù)期的工作。在正常的工作中，由于AGV自身帶有電源，所以計(jì)算機(jī)需要隨時(shí)監(jiān)控電量，需要根據(jù)剩余電量的多少看是否要在預(yù)定的地方充電。 1.2 輕型無軌運(yùn)輸小車的特點(diǎn)與分類 輕型無軌運(yùn)輸小車的主要特點(diǎn)有以下幾種： （1）自動(dòng)化程度很高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，物流系統(tǒng)能力強(qiáng)； (2)運(yùn)行靈活，在行駛過程中可更改路徑； (3)小車內(nèi)部有檢測電量裝置，在小車電量不足時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速充電。 輕型無軌運(yùn)輸小車的分類： 根據(jù)導(dǎo)航方式的不同：輕型無軌運(yùn)輸小車分為兩種，分別是次導(dǎo)航和激光導(dǎo)航。兩種導(dǎo)航方式各有不同的應(yīng)用范圍以及工作原理。根據(jù)工作的不同，又可以分為地盤總裝配型小冊，以及發(fā)動(dòng)機(jī)裝配型輕型無軌運(yùn)輸小車，變速箱裝配型輕型無軌運(yùn)輸小車，運(yùn)輸型輕型無軌運(yùn)輸小車，搬運(yùn)型輕型無軌運(yùn)輸小車，重載輕型無軌運(yùn)輸小車，智能巡檢輕型無軌運(yùn)輸小車,特種輕型無軌運(yùn)輸小車。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 輕型無軌運(yùn)輸小車是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的第一動(dòng)力，是工業(yè)及現(xiàn)實(shí)生活中重要設(shè)備。第一輛輕量化，非軌道無軌運(yùn)輸小車誕生于1953年。1995年，英國第一個(gè)將輕型無軌運(yùn)輸小車運(yùn)用到生產(chǎn)線上，這使得運(yùn)輸效率大為改觀，同時(shí)也提高了工作效率。無軌運(yùn)輸技術(shù)在歐洲起源于80年代初，美國公司將單片機(jī)用作控制整個(gè)無軌小車的導(dǎo)引系統(tǒng)中，極大地促進(jìn)了無軌技術(shù)的發(fā)展。在1996年，日本開設(shè)了第一家采用AGV技術(shù)的無軌小車制造廠，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前日本開設(shè)了更多更先進(jìn)的無軌小車制造廠。在國外，輕型無軌運(yùn)輸小車起步焦躁，發(fā)展迅速，市場范圍大，應(yīng)用最廣泛的是車輛制造行業(yè)。能夠占到每年小車銷量的百分之三十。是主要的市場。 而在我國，由于一直以來對自動(dòng)化程度的需求不是很大，所以整體發(fā)展較慢。目前國內(nèi)主要是依靠真核引進(jìn)國外的技術(shù)進(jìn)行研究發(fā)展。 在國內(nèi)我國著手研制輕型無軌運(yùn)輸小車的時(shí)間相對與外國來說有點(diǎn)晚。雖然國內(nèi)研究的較晚，但是發(fā)展速度是突飛猛進(jìn)的?，F(xiàn)在昆侖的無軌技術(shù)其水平基本上代表了國內(nèi)的最高水平。目前國內(nèi)成系統(tǒng)的AGVS總共不到六十五個(gè)，普通的其他結(jié)構(gòu)的無軌運(yùn)輸車也不過幾百臺。其中應(yīng)用最為廣泛的是煙草工業(yè)。目前已經(jīng)有十幾家在使用較為先進(jìn)的激光引導(dǎo)運(yùn)輸小車。 1.4選題依據(jù)和研究意義 在現(xiàn)在一個(gè)科技發(fā)達(dá)的年代，工業(yè)及生活中勞動(dòng)力逐漸由機(jī)器所代替，輕型無軌運(yùn)輸小車也成功在科技時(shí)代上演了重要角色。在工業(yè)中，自動(dòng)引導(dǎo)無軌運(yùn)輸?shù)姆绞蕉啾徊捎茫@種技術(shù)不但降低了勞動(dòng)力，降低了生產(chǎn)成本，更重要的是操作簡便，提高生產(chǎn)效率，能為工業(yè)謀求最大利潤。目前，輕型無軌運(yùn)輸小車得到了廣泛的利用，成為搬運(yùn)設(shè)備中核心設(shè)備。 第2章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一臺在工作過程中可以實(shí)現(xiàn)直走、倒退、轉(zhuǎn)彎及根據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行停車的多功能無軌控制小車。整個(gè)小車的控制采用單片機(jī)控制。單片機(jī)的型號選擇AT89C51。這是目前比較常用的單片機(jī)，能夠滿足小車的控制功能需求。 本次設(shè)計(jì)的關(guān)于小車的基本參數(shù)是長度500mm，寬度300mm。要求在工作中的運(yùn)行速度能夠達(dá)到100mm/s。同時(shí)針對小車的基本技術(shù)要求如下：1、負(fù)載最大可以達(dá)到35kg；2、小車在運(yùn)行中的轉(zhuǎn)彎半徑最小為71cm；3、在工作中小車能夠達(dá)到的最大速度為10m/s。 2.2 機(jī)械傳動(dòng)方案 方案一：三輪式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 無軌小車的方向是由方向盤控制萬向輪實(shí)現(xiàn)的。小車的動(dòng)力有電機(jī)提供，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小車兩后輪實(shí)現(xiàn)行走動(dòng)作，如下圖1 所示為小車的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案。 圖1 傳動(dòng)方案一 方案二：四輪式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 小車的前輪是一對通用車輪，小車的驅(qū)動(dòng)是由后輪實(shí)現(xiàn)的。小車的差動(dòng)轉(zhuǎn)向是電機(jī)將動(dòng)力傳遞給后輪，通過減速器實(shí)現(xiàn)兩輪的速度不相同而完成的。下圖2所示為四輪式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)圖。 圖2 傳動(dòng)方案二 根據(jù)上面兩個(gè)傳動(dòng)以及結(jié)構(gòu)方案的對比可以發(fā)現(xiàn)，四輪式結(jié)構(gòu)的小車傳動(dòng)復(fù)雜，成本較高，但是四輪結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，并且四輪結(jié)構(gòu)采用雙簧的蝸輪蝸桿的差動(dòng)裝置，其誤差比三輪結(jié)構(gòu)小。所以根據(jù)上面的對比，決定本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇四輪式傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案。 2.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 格局上面?zhèn)鲃?dòng)方案，本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，未來適應(yīng)單片機(jī)的控制以及精度的要求，選擇的是直流伺服電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)的選擇需要參考小車的基本參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到，然后選擇電機(jī)。 1、根據(jù)前面章節(jié)給定的參數(shù)，小車在工作中運(yùn)行的速度為100mm/s，所以車輛轉(zhuǎn)動(dòng)的速度計(jì)算如下： （1） 在傳動(dòng)系統(tǒng)中可以看到，索澤的減速器是蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，根據(jù)對減速器的選擇減速比取值為62，則可計(jì)算出所需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)速如下： （2） 在正常的工作行走中，小車所需要承受的各種力的結(jié)構(gòu)見圖如下圖所示。 圖3 四輪受力簡圖 首先計(jì)算車輛自身的重量。 （3） 根據(jù)已知參數(shù)，小車的最大負(fù)荷計(jì)算 （4） 根據(jù)小車手里的三維空間圖，列車在工作中的平行方程。根據(jù)四輪式的結(jié)構(gòu)可以看到，小車的前后輪是一個(gè)對策的結(jié)構(gòu)形式，所以： ， ， （5） ， （6） 計(jì)算可得： 無軌小車的后來手里情況如下圖4所示，車輪在工作中的摩擦阻力局Mf是一個(gè)中間的之，計(jì)算公式如下： （7） （8） 公式中的δ表示在工作所受到的摩擦阻力系數(shù)，根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊，取值為2~10，本次設(shè)計(jì)取值為6。則可計(jì)算牽引力公式如下： （9） 圖4 后輪受力 圖5 前輪受力 （1） 根據(jù)上面的計(jì)算基本公式以及分析，通過力學(xué)轉(zhuǎn)換計(jì)算在工作中電機(jī)鎖需要承受的力矩，TL計(jì)算公式如下： （10） 公式中的效率取值為0.7，稱重取值為157.66N，μ取值為0.15。 （2） 根據(jù)所計(jì)算的各種參數(shù)，計(jì)算作用到電機(jī)上的負(fù)荷慣性JL，計(jì)算公式如下： （11） 公式中的J分別飆車車輛在工作過程中的車輪、蝸桿、渦輪以及軸等的的轉(zhuǎn)動(dòng)冠梁。分別進(jìn)行帶入計(jì)算的。 （3） 電機(jī)的選定 針對已經(jīng)確定的電機(jī)的形式，電機(jī)主要選擇的參數(shù)就是專家以及額定管理，本次設(shè)計(jì)選擇的電機(jī)型號為MAXON F2260，這種電機(jī)采用的是石墨碳刷、直徑60mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1290gcm2，從而可以計(jì)算： （12） 即 慣量 （13） 根據(jù)上述結(jié)果表明電機(jī)滿足要求。 （4）快移時(shí)的加速性能 當(dāng)自動(dòng)導(dǎo)引車進(jìn)行工作時(shí)，最大的空載加速度發(fā)生扭矩，而對伺服電機(jī)最大速度的步進(jìn)指令加快。為最大空載加速度的最大轉(zhuǎn)矩。 。 （14） 加速時(shí)間 （15） 其中，機(jī)械時(shí)間常數(shù) 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 伺服電動(dòng)機(jī)上軸的半徑是4mm，蝸桿軸與輸出軸聯(lián)接部分軸的半徑是6mm。根據(jù)二者的尺寸，選擇聯(lián)軸器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖6 結(jié)構(gòu)圖 聯(lián)軸器的連接方式采用鎖曉連接，根據(jù)工作中所承受的力以及剪切強(qiáng)度計(jì)算鎖釘?shù)某叽鏳： （16） 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊以及國標(biāo)，本次設(shè)計(jì)小丁的材質(zhì)選擇45鋼，并經(jīng)調(diào)制處理后硬度達(dá)到200HBS。根據(jù)相關(guān)的參數(shù)可以得到，他的基本參數(shù)為屈服強(qiáng)度637MPa，剪切強(qiáng)度353MPa，則可以計(jì)算銷釘?shù)男栌们袘?yīng)力： （17） 在世紀(jì)的計(jì)算中，需要綜合考慮到過載所產(chǎn)生的系數(shù)，根據(jù)相關(guān)范圍，本次設(shè)計(jì)過載系數(shù)取值為1.6。 在實(shí)際的運(yùn)算中，對計(jì)算的結(jié)果取銷釘?shù)闹睆綖?mm。 2.5 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的減速機(jī)構(gòu)選擇的是渦輪我國傳動(dòng)。根據(jù)相關(guān)的國標(biāo)以及實(shí)際傳動(dòng)的需要，選擇漸開線式蝸桿結(jié)構(gòu)。 根據(jù)蝸桿工作的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)她的材質(zhì)采用40Cr，這樣能夠確保蝸桿具有較高的強(qiáng)度和硬度。渦輪則可以利用HT200進(jìn)行鑄造加工。 2.5.1 蝸桿傳動(dòng)的受力分析 首先計(jì)算在工作的時(shí)候在渦輪上所產(chǎn)生的專家T2，根據(jù)渦輪的吃書為1，傳動(dòng)效率取值為0.7。則可計(jì)算如下： （18） 圖7 蝸輪-蝸桿受力分析 軸向力和徑向力計(jì)算為 （19） （20） （21） 2.5.2 按彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 由于渦輪的齒數(shù)有可能比較多，在工作的時(shí)候容易因?yàn)閺澢鷱?qiáng)度不足而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常運(yùn)作。 根據(jù)玩去疲勞強(qiáng)度計(jì)算如下： （22） 首先確定公司中的K，他表示載荷系數(shù)，分別有不均勻系數(shù)、使用系數(shù)以及工作系數(shù)組成，分別用Kβ，KA，KV表示。在工作中，取Kβ=1，查表11-15可得KA=1.15，KV=1.1,帶入計(jì)算 （23） 根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，渦輪的需用盈利[σF]=48MPa 假設(shè) 31048"，則看計(jì)算渦輪的齒數(shù)： （24） 根據(jù)，，可以從設(shè)計(jì)手冊中查詢得到齒形系數(shù)，則可計(jì)算齒輪的螺旋角系數(shù)： （25） 根據(jù)上面的基本參數(shù)的計(jì)算以及蝸輪蝸桿的選擇對照表，選擇渦輪我國的中心距為50mm，模數(shù)為1.25mm，分讀研直徑為22.4mm。其中蝸桿的頭數(shù)為1，直徑系數(shù)為17.92，到成交為γ=311′38″，變?yōu)橄禂?shù)為+0.04。 2.5.3 主要參數(shù)與尺寸計(jì)算 (1) 首先計(jì)算蝸桿的基本尺寸，分別如下 軸向齒距 （26） 齒頂圓 （27） 齒根圓 （28） 蝸桿齒厚 （29） (2) 蝸輪 傳動(dòng)比 （30） 分度圓 （31） 喉圓直徑 （32） 齒根圓直徑 （33） 咽喉母圓半徑 （34） 同時(shí)為了提高運(yùn)輸小車在運(yùn)行以及停止中的精度和誤差需要，本次設(shè)計(jì)選擇了6級精度的圓柱蝸桿、蝸輪。 2.6 軸的設(shè)計(jì) 2.6.1 前輪軸的設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)如圖8： 圖8 前輪軸結(jié)構(gòu) （1）首先計(jì)算在工作中軸所承受的力。前輪的受力結(jié)構(gòu)見圖如下圖所示。 （2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 首先確定軸以及與其配合、裝配的零部件的方式。在本次設(shè)計(jì)的軸中，左端分別需要安裝軸承以及周濤。右側(cè)則需要安裝腹板、螺栓、套筒等等，通過零部件的配合形式初步確定了軸的各個(gè)階段的長度。 然后根據(jù)配合的基本要求以及零部件的尺寸，確定軸的隔斷具體尺寸。首選裝配的是軸承，小車前輪在因力矩作用下，主要的作用力是徑向力，依據(jù)軸承的受力特點(diǎn)，選擇的是深溝球軸承，選擇的型號為6004。根據(jù)軸承的型號，選擇安裝軸承的階段的直徑為20mm。并通過周建進(jìn)行定做。另一端與螺母緊緊想貼。為了滿足系統(tǒng)的要求，軸段與輻條選擇適當(dāng)?shù)某叽绫?。左右輪使用肩部定位，肩高的左?cè)部分H = 3mm，然后在軸環(huán)的直徑為36mm，寬度為5mm。軸套的型號為GB 894，為標(biāo)準(zhǔn)的工件，其尺寸為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸。 c軸上零件的周向定位 采用平鍵聯(lián)接的方式確保輻條和軸的正確軸向定位。鍵槽采用銑削的加工方式，鍵長為標(biāo)準(zhǔn)鍵長。同時(shí)采用輻條與軸的配合為H7/n6以確保輻條和中性軸的良好配合，并且通過查手冊可知,軸上各尺寸的公差為j7。 （3）軸載荷計(jì)算 根據(jù)前軸在工作中所承受的力以及車輪鎖傳遞的力，計(jì)算軸的結(jié)構(gòu)見圖，以及繪制出軸的玩具圖，如下圖所示。 圖9 前軸的載荷圖 根據(jù)上面的彎矩圖，可以看到，界面C是危險(xiǎn)界面，所以校核的時(shí)候，需要對C進(jìn)行強(qiáng)度校核，計(jì)算公式如下： （35） 本次設(shè)計(jì)的軸選擇的材質(zhì)是45鋼所以他的需用盈利為 首先計(jì)算軸的界面慣性矩。 （36） 通過計(jì)算可知，所選擇的軸合理。 2.6.2 后輪軸的設(shè)計(jì) 后輪軸的基本結(jié)構(gòu)見圖如下圖所示。 圖10 后輪軸結(jié)構(gòu) （1）首先計(jì)算后輪軸在工作時(shí)候的功率、轉(zhuǎn)速以轉(zhuǎn)矩等基本參數(shù)。在功率的計(jì)算中，減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率取值為0.7。 （37） （2）作用在蝸輪上的力 （3）軸的最小直徑 軸的最小直徑計(jì)算工如下，工時(shí)中的A0是根據(jù)軸的材質(zhì)進(jìn)行選擇，本次設(shè)計(jì)取值為115。 （38） （4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 首先確定軸以及與其配合、裝配的零部件的方式。在本次設(shè)計(jì)的軸中，左端分別需要安裝軸承以以及渦輪等。右側(cè)則需要安裝腹板、螺栓、套筒等等，通過零部件的配合形式初步確定了軸的各個(gè)階段的長度。 然后根據(jù)配合的基本要求以及零部件的尺寸，確定軸的隔斷具體尺寸。首選裝配的是軸承，小車前輪在因力矩作用下，主要的作用力是徑向力，依據(jù)軸承的受力特點(diǎn)，選擇的是深溝球軸承，選擇的型號為6206。根據(jù)軸承的型號，選擇安裝軸承的階段的直徑為30mm。并通過周建進(jìn)行定做。另一端與螺母緊緊想貼。為了滿足系統(tǒng)的要求，軸段與輻條選擇適當(dāng)?shù)某叽绫?。左右輪使用肩部定位，肩高的左?cè)部分H = 3mm，然后在軸環(huán)的直徑為36mm，寬度為5mm。軸套的型號為GB 894，為標(biāo)準(zhǔn)的工件，其尺寸為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸。軸的尺寸分別為26mm和27mm，這樣能偶確保裝配的緊湊型。 采用平鍵聯(lián)接的方式確保輻條和軸的正確軸向定位。鍵槽采用銑削的加工方式，鍵長為標(biāo)準(zhǔn)鍵長。同時(shí)采用輻條與軸的配合為H7/n6以確保輻條和中性軸的良好配合，并且通過查手冊可知,軸上各尺寸的公差為j7。 （5）計(jì)算承受的載荷 軸的受力結(jié)構(gòu)分析如下圖所示。其中基本尺寸。 L1=L2=27.5mm L3=41mm 首先計(jì)算支座A、B的支反力 彎矩分別為  圖11 后輪軸的載荷分析圖 求出支座A、B的支反力 （39） ， （40） =-127.87 ， （41） =220.8-157.66+127.87 =190.01N 在段中首先把界面外面力進(jìn)行簡化計(jì)算 (42) 在段中，同樣進(jìn)行簡化計(jì)算，得 (43) =190.0127.5+190.01X2-220.8X2+2030.5 =7283.275-29.79X2 在段中簡化計(jì)算，得 (44) 計(jì)算四個(gè)截面的總彎矩M (45) (46) 后輪軸上的轉(zhuǎn)矩 （6）根據(jù)組合盈利校核強(qiáng)度，計(jì)算公式如下圖所示。 (47) 上述公式中的a表示計(jì)算系數(shù)，本次設(shè)計(jì)取值為0.6。W表示界面慣性矩。計(jì)算公式如下： 前面章節(jié)已經(jīng)選定軸的材質(zhì)為45鋼，可得[σ-1]=60MPa 因此，所以設(shè)計(jì)合理 2.7 軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 2.7.1 前輪軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 在前面基礎(chǔ)參數(shù)中，要求小車的使用大于2500小時(shí)，則： ，，。 首先初步選擇軸承型號為6004，他的基本參數(shù)如下： 然后對初選的周轉(zhuǎn)進(jìn)行計(jì)算校核，公式如下： 由式 (48) 公式中的針對球軸承，取值為3 (49) 小車 得 通過計(jì)算可以看到，初選軸承能夠滿足使用要求。 （3）根據(jù)靜載荷進(jìn)行校核，校核公式如下： (50) 取=2 (51) 得 說明軸承滿足使用需求。 2.7.2 蝸桿軸上的軸承 基本參數(shù)，，，。 首先根據(jù)工作特點(diǎn)以及使用受力情況選擇軸承，初選軸承位30203，基本參數(shù)如下： 圖12 蝸桿軸承受力 對選定的軸承根據(jù)動(dòng)載荷進(jìn)行校核， (52) ， ， ， ， ， 由式 均小于，選擇合理。 根據(jù)靜載荷對軸承進(jìn)行校核，公式如下 取 均小于，選擇合理。 根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度校核軸承，公式如下 (53) ， ， ， ， 小于和滿足要求。 2.7.3 后輪軸上的軸承 后輪軸承要求能夠滿足的基本參數(shù)如下： ，， ；；。 根據(jù)上面的基礎(chǔ)條件，初步選擇軸承的型號為6206，他的基本參數(shù)如下： 首先針對初選的軸承根據(jù)額定動(dòng)載荷計(jì)算，公式如下： 取， 由 ， 由 ， 得 通過動(dòng)載荷校核，可以看到軸承能夠滿足使用要求。 根據(jù)靜載荷進(jìn)行對軸承校核。計(jì)算公式如下： 取 ，時(shí)， 得 代入上式，，選擇合理。 根據(jù)極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核軸承的選擇 由 ， ， 代入 滿足要求 第3章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 總體方案的確定 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的無軌小車，采用的是單片機(jī)控制，自動(dòng)化程度高。在控制中，把電機(jī)的編碼器和單片機(jī)進(jìn)行互通，在電機(jī)工作的過程中，脈沖檢測器對脈沖信號的進(jìn)行檢測，通過脈沖信號的正負(fù)來判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，在計(jì)數(shù)器根據(jù)脈沖調(diào)節(jié)器調(diào)制的次數(shù)，通過運(yùn)算就能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出車輛行走的速度和距離。然后通過單片機(jī)的運(yùn)算控制，在適當(dāng)運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換器把脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬量，而輸出量則成為小車運(yùn)行速度及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的主要依據(jù)。這樣就能夠確保小車按照程序確定的線路進(jìn)行運(yùn)行。 下圖為控制系統(tǒng)的總框圖： 圖13 控制系統(tǒng)框圖 3.2 鑒向 在電機(jī)的控制共組歐忠，四個(gè)相先都能夠提供電機(jī)工作。所以電動(dòng)機(jī)需要任何一個(gè)區(qū)域動(dòng)作的時(shí)候都能夠提供不同的速度以及方向辨識。這樣就在電機(jī)的軸上道出了編碼器，通過想問差產(chǎn)生信號。在電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)中，可以通過雙脈沖檢測電路得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。圖14為其原理圖： 圖14 鑒向原理 電機(jī)的正反轉(zhuǎn)決定著AB脈沖的先后，進(jìn)而決定著出現(xiàn)的正反轉(zhuǎn)脈沖，但無論A脈沖在前還是B脈沖在前，兩者都相差90度，在圖15的bc兩圖中可以脈沖電路的處理方式。 圖15 電機(jī)轉(zhuǎn)向分辨電路 本次設(shè)計(jì)的無軌小車的數(shù)字變嗎要求具有極高的分辨率，因此采用500P/ R 型號的編碼器。該編碼器能夠通過特殊的形式受到信號，并迅速地 傳遞給計(jì)算器以及單片機(jī)控制中心。 3.3 計(jì)數(shù)的擴(kuò)展 無軌小車上裝有兩臺電機(jī)來驅(qū)動(dòng)四輪，為了得到小車的行駛速度，該設(shè)計(jì)采用通過編碼器的輸出的信號來鑒向電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，然后運(yùn)用8253型計(jì)數(shù)器對電機(jī)正反轉(zhuǎn)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法來計(jì)算小車的運(yùn)行速度。從而可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)的距離。 8253具有計(jì)數(shù)和定時(shí)功能，并且該計(jì)數(shù)器使用很靈活，功能很強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)其與CPU一起工作。每個(gè)計(jì)數(shù)器都有不同的工作方式，而且可以采用不同計(jì)數(shù)形式。 圖16 8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖17 8253引腳圖 根據(jù)上面的兩個(gè)芯片中的計(jì)算，四個(gè)計(jì)數(shù)器所得的數(shù)值就可以得到一周期的脈沖數(shù)。temp1,temp2,temp3,temp4分別用于存放左右輪電機(jī)正反轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，無軌運(yùn)輸小車機(jī)器人的各個(gè)狀態(tài)量都是由通過對脈沖數(shù)計(jì)算得來的。 3.4 中斷的擴(kuò)展 8259A中斷控制器是用來中斷正在運(yùn)行的系統(tǒng)程序。8259A的功能是通過分析CPU提供的中斷申請來使各階段傳輸?shù)妮敵隽恐袛?。該中斷器的芯片有從IRQ8到IRQ15不同種類，并且每個(gè)芯片都具有不同的連接方法。 圖18 8259A引腳圖 外部引腳： ：數(shù)據(jù)線。它是中央控制系統(tǒng)傳出各種輸入信號與編碼器，計(jì)數(shù)器等輸出信號的連接。 INT：中斷請求，請求中斷信號。 ：中斷響應(yīng)，中斷中央控制系統(tǒng)與其他程序的連接。 ：讀信號，讀取芯片向各線路的數(shù)據(jù)。 ：寫信號，芯片接收各線路的數(shù)據(jù)。 ：片選信號，。在工作中他只針對低電平。 ：端口區(qū)分，通過選擇，可以區(qū)分哪一個(gè)進(jìn)行動(dòng)作。 ：接收設(shè)備的中斷請求。 ：級聯(lián)端，芯片多級互聯(lián)。 ：引腳，決定主從芯片并且向各級分線路發(fā)出響應(yīng)信號。 圖19所示為8259A的級聯(lián)圖。 圖19 8259A的級聯(lián) 3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(digital-analog converter) 是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件,簡稱為DAC。 分辨率 ：輸出電壓的最小值與最大值之比成為分辨率。查DAC1208芯片標(biāo)準(zhǔn)可得其分辨率為。 轉(zhuǎn)換精度：在靜態(tài)時(shí)誤差的轉(zhuǎn)換行式。DAC轉(zhuǎn)換器的誤差最大值為:,精度為。 線性度 ：線性度指數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的理想與實(shí)際特性曲線間的偏差最大量。 建立時(shí)間 ：模擬輸出量達(dá)到最大值所需要的時(shí)間。 圖20和圖21分別 為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和引腳圖。 圖20 DAC1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖21 DAC1208的引腳圖 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器分別為4位、8位和12位。 單緩沖、雙緩沖、直通方式是DAC1208的三種工作方式。 所謂的單緩沖方式就是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中各線路的輸入和輸出信號互不干擾，每次只有一條線路通。 所謂雙緩沖方式，就是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器可以同時(shí)處理正向和反向電路接收的信號，實(shí)現(xiàn)兩級電路上的電機(jī)同時(shí)工作。 所謂直通方式，就是寄存器和存儲(chǔ)器連成直通方式。 圖22 DAC1208雙緩沖連接方式 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所采取的連接方式如上圖。 在高低電平時(shí)分別將接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在8位和4位的輸入寄存器內(nèi)。片只有在低壓電平時(shí)才能工作，其作用是判定一級數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是否有效。ILE在高電壓電平時(shí)開始工作，鎖存一級數(shù)據(jù)。寫信號1和2，分別鎖存一級和二級信號。不過只有在和一起工作時(shí)才有效。是模擬電流輸出端端口1和2，二者的和為一個(gè)常數(shù)，而這個(gè)常數(shù)滿足電路中電流的要求。有正負(fù)之分，其范圍是-10～+10v。 3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 PWM技術(shù)是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的主要來源。脈寬調(diào)制技術(shù)可以將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需的頻率、脈沖寬度以及脈沖幅度，而且這三者之間是成線性關(guān)系的。放大電路上功率的大小可以控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。 利用脈寬調(diào)制技術(shù)，脈寬調(diào)制具有很高的開關(guān)頻率，這一特點(diǎn)能夠有效地抵制電動(dòng)機(jī)上的靜摩擦作用，PWM技術(shù)還具有低功耗、高效率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中。適當(dāng)選擇脈寬調(diào)制的開關(guān)頻率可以有效地改善伺服電機(jī)的性能。 其選擇主要依靠下面幾個(gè)指標(biāo)： （1）在切換的時(shí)候，由于頻率的變動(dòng)，會(huì)使得電機(jī)出現(xiàn)輕微的震動(dòng)，以便客服摩擦，提高運(yùn)行的性能。 (54) （2）在出現(xiàn)換頻和輕微震動(dòng)的時(shí)候，可能會(huì)產(chǎn)生一定的位移，要小于允許的誤差范圍。 (55) （3）在工作中，需要綜合考慮電機(jī)鎖產(chǎn)生的耗能。 (56) 電機(jī)的電感很小，為了保證晶體管不被損壞，必須適當(dāng)選擇切換的頻率。該設(shè)計(jì)中脈寬調(diào)制和H橋同時(shí)工作的方式共同驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 UC3637的特點(diǎn)： 圖23 UC3637原理框圖 UC3636具有的功能如下： 下圖是三件震蕩所產(chǎn)生的電路圖，所示。 圖24 恒幅三角波產(chǎn)生電路 計(jì)算震蕩電路中三角波參數(shù)，首先去定時(shí)電路的電流為0.5，公式如下： (57) (58) 公式中的表示脈寬頻率。RS是計(jì)算得到的。 (59) 要求： 其中的參數(shù)，頻率f=30KHz ，限流Imax=8A帶入計(jì)算。 取 計(jì)算得 (60) (61) (62) (63) 式中：，，，，，分別表示的事三角峰值電壓，定時(shí)電阻，定時(shí)電容，電源電壓，振蕩頻率，恒流電流。 3.7 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3.7.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 通過運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，分析小車在工作中的狀態(tài)。小車式四輪式的結(jié)構(gòu)，其中后輪是驅(qū)動(dòng)。 (64) (65) （66） (67) B P A Q L (68) 圖25 小車示意圖 矩陣形式： (69) 3.7.2 轉(zhuǎn)彎半徑 小車在運(yùn)行中，首先嘉定各個(gè)地方受力是均布的。 (70) 取 所以可以計(jì)算，最小轉(zhuǎn)彎半徑為710mm。 兩側(cè)輪的速度： (71) (72) R，B分別為兩主動(dòng)輪中心和轉(zhuǎn)彎中心的距離，小車兩輪的速度，兩后輪之間的間距；路面上的摩擦系數(shù)為。 3.8 控制程序的設(shè)計(jì) 對運(yùn)行小車的計(jì)算，需要通過角度和線速度兩個(gè)基本的參數(shù)計(jì)算所運(yùn)行的裝填、位移等。從而形成整體計(jì)量參數(shù)x、y 和φ: （73） （74） (75) （76） (77) 采用積分方法檢測，表達(dá)式如下: (78) （79） (80) 此外，脈沖信號是對中央控制器系統(tǒng)中各狀態(tài)量的檢測，這一過程主要是有數(shù)字編碼器來完成的。在小車運(yùn)動(dòng)過程中，要想獲得小車行駛的距離以及在行駛過程中的速度，必須通過對脈沖信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換及校準(zhǔn)以確定各環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)系數(shù)。兩前輪間的距離是70mm，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是車輪轉(zhuǎn)速的62倍。 根據(jù)系統(tǒng)的要求，選擇合適的控制軟件編程。無軌小車的控制需要提前設(shè)定好路線，并進(jìn)行編寫程序從而得以實(shí)現(xiàn)。軌跡的位置偏差是由數(shù)字編碼器檢測的，而控制系統(tǒng)對其進(jìn)行校準(zhǔn)。 圖26所示為無軌小車運(yùn)動(dòng)的控制流程圖： 圖26 控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖 程序開始后首先進(jìn)行函數(shù)變量的初始化，然后按照軟件語言程序編寫的順序依次進(jìn)行。通過轉(zhuǎn)換器對小車的軌跡進(jìn)行校準(zhǔn)，控制小車的行駛路線，判斷小車是否到達(dá)終點(diǎn)，存儲(chǔ)本次軌跡控制誤差序列。 DDA圓弧插補(bǔ)程序： 第4章總結(jié)與展望 本課題設(shè)計(jì)的輕型無軌運(yùn)輸小車。該小車主要是依靠計(jì)算機(jī)上PLC語言的編程來控制小車的行駛方向，保證小車的在整個(gè)運(yùn)行中都能夠加載的位置有準(zhǔn)確的定位。伺服電動(dòng)機(jī)為小車提供足夠的動(dòng)力，小車在工作期間通過編碼器，計(jì)數(shù)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器等硬件系統(tǒng)與個(gè)軟件的編程語言相互配合，共同完成每一個(gè)步驟。 該小車在設(shè)計(jì)中還存在不足，需要有所改進(jìn)：首先要改善小車的軟件系統(tǒng)，使小車在行駛過程中可以任意變更方向，其次要改善小車的材料，使小車變得更加輕盈，使用壽命變的更久。輕型無軌運(yùn)輸小車的發(fā)展會(huì)越來越成為智能化，會(huì)逐漸進(jìn)入我們的生活中，同時(shí)也會(huì)使工業(yè)得到較大的發(fā)展 參考文獻(xiàn) [1]何銘新，錢可強(qiáng).機(jī)械制圖[M].北京：高等教育出版社，2004：94～105 [2]牛余朋，成曙．基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)[J].兵工自動(dòng)化，2005，24：77～79． [3] 邱宣懷，郭可謙.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1997：16～156 [4] 唐文偉.AGV在物流領(lǐng)域中的應(yīng)用前景分析[C]，2001：30～71 [5] 王小波.AGVS系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用[J]. 物流技術(shù)，1997，2:60～80 [6] 戴慶輝.先進(jìn)制造系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：28～117 [7] 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)指導(dǎo)書[M].北京：高等教育出版社，1992：10～150 [8] 馮星華.AGV及其控制系統(tǒng)研制電子機(jī)械工程[J].電子控制，2001，2:48～76 [9] 魏國成.自動(dòng)導(dǎo)向搬運(yùn)車系統(tǒng)物流技術(shù)[J].物流技術(shù)，1994，16～100 [10] 儲(chǔ)江偉.郭克友.自動(dòng)導(dǎo)向車導(dǎo)向技術(shù)分析與評價(jià)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2002，3：10～30 [11] 朱曉春.先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004：16～156 [12] 王榮本，馮炎等.一種視覺導(dǎo)航的實(shí)用型AGV設(shè)計(jì)[N].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002：12～50 [13] 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