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****大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目： AGV自動(dòng)導(dǎo)引小車的設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)電一體化工程
學(xué) 生：
準(zhǔn)考證號(hào)：
指導(dǎo)老師：_____________________ ___
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：2010 年 11月 10日～ 2011 年 6月 15 日
山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 AGV 即自動(dòng)導(dǎo)引小車，它集聲、光、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，綜合了當(dāng)今科技領(lǐng)域先進(jìn) 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(dòng)化工廠中，具有運(yùn)輸效率高、節(jié)能、工 作可靠、能實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)輸?shù)仍S多優(yōu)點(diǎn)，極大的提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。 本文在分析研究國(guó)內(nèi)外 AGV 現(xiàn)狀與發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)導(dǎo)引小 車，其主要工作內(nèi)容包括：小車機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)、直流伺服電機(jī)的選擇、AT89C51 單片機(jī)控制 系統(tǒng)硬件電路、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及圓弧插補(bǔ)程序。所設(shè)計(jì)的小車能夠?qū)崿F(xiàn)自 主運(yùn)行、運(yùn)動(dòng)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(dòng)導(dǎo)引小車，單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)，PWM 技術(shù) 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II 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 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 目 錄 摘 要 .I AbstractII 第一章 緒論 .1 1.1 AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車簡(jiǎn)介 .1 1.2 AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車的分類 .1 1.3 AGV 小車充電保護(hù)裝置…………………………………………………… 1 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) .2 第二章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 2.2 確定機(jī)械傳動(dòng)方案 3 2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 4 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 7 2.5 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 8 2.6 軸的設(shè) 計(jì)………………………………………………………………………11 2.7 滾動(dòng)軸承選擇計(jì) 算……………………………………………………………18 第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 23 3.1 控制系統(tǒng)總體方案 .23 3.2 鑒向 .24 3.3 計(jì)數(shù)的擴(kuò)展 .25 3.4 中斷的擴(kuò)展 .26 3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇 .27 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 .29 3.7 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .33 3.8 控制軟件的設(shè)計(jì) .34 第四章 AGV 運(yùn)行環(huán)境的安全防護(hù)措施…………………………… 42 結(jié)論 .43 致謝 .44 參考文獻(xiàn)（References） .45 I 摘 要 AGV 即自動(dòng)導(dǎo)引小車，它集聲、光、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，綜合了當(dāng)今科技領(lǐng)域先進(jìn) 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(dòng)化工廠中，具有運(yùn)輸效率高、節(jié)能、工 作可靠、能實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)輸?shù)仍S多優(yōu)點(diǎn)，極大的提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。 本文在分析研究國(guó)內(nèi)外 AGV 現(xiàn)狀與發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)導(dǎo)引小 車，其主要工作內(nèi)容包括：小車機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)、直流伺服電機(jī)的選擇、AT89C51 單片機(jī)控制 系統(tǒng)硬件電路、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及圓弧插補(bǔ)程序。所設(shè)計(jì)的小車能夠?qū)崿F(xiàn)自 主運(yùn)行、運(yùn)動(dòng)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(dòng)導(dǎo)引小車，單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)，PWM 技術(shù) II 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 摘 要 .I AbstractII 第一章 緒論 .1 1.1 AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車簡(jiǎn)介 .1 1.2 AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車的分類 .1 1.3 AGV 小車充電保護(hù)裝置…………………………………………………… 1 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) .2 第二章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 2.2 確定機(jī)械傳動(dòng)方案 3 2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 4 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 7 2.5 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 8 2.6 軸的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………11 2.7 滾動(dòng)軸承選擇計(jì)算……………………………………………………………18 第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 23 3.1 控制系統(tǒng)總體方案 .23 3.2 鑒向 .24 3.3 計(jì)數(shù)的擴(kuò)展 .25 3.4 中斷的擴(kuò)展 .26 3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇 .27 3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 .29 3.7 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .33 3.8 控制軟件的設(shè)計(jì) .34 第四章 AGV 運(yùn)行環(huán)境的安全防護(hù)措施…………………………… 42 結(jié)論 .43 致謝 .44 參考文獻(xiàn)（References） .45 1 第一章 緒論 1.1 AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車簡(jiǎn)介 AGV(Automatic Guided Vehicle),即自動(dòng)導(dǎo)引車，是一種物料搬運(yùn)設(shè)備，是能在一位置 自動(dòng)進(jìn)行貨物的裝載，自動(dòng)行走到另一位置，自動(dòng)完成貨物的卸載的全自動(dòng)運(yùn)輸裝置。AGV 是以電池為動(dòng)力源的一種自動(dòng)操縱的工業(yè)車輛。裝卸搬運(yùn)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(fèi)用的重要部分。因此，運(yùn)輸工具得到了很大的發(fā)展，其中 AGV 的使用場(chǎng)合最廣泛，發(fā)展十分迅速。 1.2 AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車的分類 自動(dòng)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(jī)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(jià)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(yùn)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(duì)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(dòng)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(jī)械式導(dǎo)軌，其系統(tǒng)的變更性、擴(kuò)展性和靈活 性不夠理想。 無軌小車是一種利用微機(jī)控制的，能按照一定的程序自動(dòng)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(hù)裝置以及各種移載裝置的輸送小車。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(hào)或光信號(hào)檢測(cè)出自己的所在位置，通過自 動(dòng)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(jì) 算機(jī)中預(yù)存距離表（地圖） ，通過與測(cè)距法所得的方位信息比較，小車自動(dòng)算出從某一參考 點(diǎn)出發(fā)到目的點(diǎn)的行駛方向。這種引導(dǎo)方式非常靈活，但精度低。 1.3 AGV 小車充電保護(hù)裝置 2 AGV 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的又一難點(diǎn)是其動(dòng)力源裝置的設(shè)計(jì)。動(dòng)力源的功率大小直接影響 AGV 的功用， 而動(dòng)力源的體積大小將直接影響整車的體積及外觀造型。 蓄電池被選作為 AGV 動(dòng)力源。鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鎳鋅蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子 蓄電池等可供選用，需要考慮的因素除了功率大小、安時(shí)數(shù)多少、功率重量比、體積大小等 外，最關(guān)鍵的因素?fù)Q需考慮充電時(shí)間的長(zhǎng)短和維護(hù)的容易性。快速充電為大電流充電，一般 為專業(yè)的充電裝備，其本身必須有充電限制裝置和安全保護(hù)裝置。 充電裝置在小車上的布置方式有多種，一般有地面電靴式、壁掛式等。在設(shè)計(jì)過程中，必須 結(jié)合 AGV 的運(yùn)行狀況，綜合考慮其在運(yùn)行狀態(tài)下，可能產(chǎn)生的短路等因素，從而考慮設(shè)置 AGV 的安全保護(hù)裝置。 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) AGV 是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、自動(dòng)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(jì)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?？斓?。1981 年美國(guó)通用公司開始使用 AGV，1985 年 AGV 保有量 500 臺(tái)，1987 年 AGV 保有量 3000 臺(tái)。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(guó)內(nèi)總體看 AGV 的應(yīng)用剛剛開始，相當(dāng)于國(guó)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(jī)制造業(yè)，家用電器行業(yè)，煙草行業(yè)，機(jī)械加工， 倉庫，郵電部門等 。這說明 AGV 有一個(gè)潛在的廣闊市場(chǎng)。[1] AGV 從技術(shù)的發(fā)展看，主要是從國(guó)家線路向可調(diào)整線路；從簡(jiǎn)單車載單元控制向復(fù)雜系 統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制；從原始的段點(diǎn)定期通訊到先進(jìn)的實(shí)時(shí)通訊等方向發(fā)展；從落后的現(xiàn)場(chǎng)控制到 先進(jìn)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(jī)械制造、加工、裝配生產(chǎn)線 向廣泛的各行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)，物料搬運(yùn)，物品倉儲(chǔ)，商品配送等行業(yè)發(fā)展。 3 第二章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一臺(tái)自動(dòng)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(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)來控制小車的行駛，從而實(shí)現(xiàn)小車的左、右轉(zhuǎn)彎，直走，倒退， 停止功能。 其設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 自動(dòng)導(dǎo)引小車的長(zhǎng)度：500mm 自動(dòng)導(dǎo)引小車的寬度：300mm 自動(dòng)導(dǎo)引小車的行駛速度：100mm/s 2.2 確定機(jī)械傳動(dòng)方案 方案一：采用三輪布置結(jié)構(gòu)。直流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器和差速器，通過兩半軸將動(dòng)力 傳遞到兩后輪。自動(dòng)導(dǎo)引小車的轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)前面的一個(gè)萬向輪轉(zhuǎn)向。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 2-1 所示。 圖 2-1 傳動(dòng)方案一 方案二：采用四輪布置結(jié)構(gòu)。自動(dòng)導(dǎo)引小車采用兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器后直接驅(qū)動(dòng)后輪，當(dāng)兩輪運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí)， 就可以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 2-2 所示。 4 圖 2-2 傳動(dòng)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(jī)構(gòu)，故機(jī)械傳動(dòng)誤差大。方案二采用兩套蝸輪-蝸桿減速器及直流伺服電動(dòng)機(jī)，成本相對(duì) 于方案一較高，但它的傳動(dòng)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(jì)方 案。 2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 伺服電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)是功率(KW)。但是，選擇伺服電動(dòng)機(jī)并不按功率，而是更根據(jù)下 列三個(gè)指標(biāo)選擇。 運(yùn)動(dòng)參數(shù)： AGV 行走的速度為 100mm/s，則車輪的轉(zhuǎn)速為 （2-1）πd1062.75min3.410vnr??? 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 選擇蝸輪-蝸桿的減速比 i=62 （2-2）62.75140.inni r???電 根據(jù)開式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。蝸輪輪齒因彎曲強(qiáng)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(dòng)中。 考慮到系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)量都是通過數(shù)字編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的,要將脈沖信 號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人移動(dòng)的距離及轉(zhuǎn)過的角度,必須對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行定標(biāo),即確定每個(gè)脈沖與驅(qū)動(dòng) 輪移動(dòng)的距離的系數(shù) 5 自動(dòng)導(dǎo)引小車的受力分析： OGPFBFCFAFD 圖 2-3 車輪受力簡(jiǎn)圖 小車車架自重為 P （2-3）3ρ2.8510.0.329.814abhg N???? 小車的載荷為 G （2-4）94mN? 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(duì)稱，則 ，ABFCD? ， （2-5）0zF??20ACPG?? ， （2-6）xM0.75.12.3C? 解得 16ABFN?8.4DFN? 兩驅(qū)動(dòng)后輪的受力情況如圖 2-4 所示： 滾動(dòng)摩阻力偶矩 的大小介于零與最大值之間，即f （2-7）max0fM? （2-8）maxδ.617.0.946????NFN 6 其中 δ 滾動(dòng)摩阻系數(shù)，查表 5-2 ，δ=2～10，取 δ=6mm [2] 牽引力 F 為 （2-9）max0.94613.57MFNd?? 電 機(jī) /GW 圖 2-4 后輪受力 圖 2-5 摩擦系數(shù) μ 牽引力 F N 重物的重力 W N 滾子直徑 D mm 傳遞效率 ? 傳動(dòng)裝置減速比 1/G 1）求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷力矩（ ）LT （2-10）??19.8?20LFDG????? 13.507.64210.8Nm? 取 =0.7, =157.66 , =0.15?W? 2）求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷慣性（ ）LJ （2-11）?? 21234LZJ????????? ?20.3490.76.01.064618??kgm 其中 為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；1JJ 為蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為蝸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3 4 3）電機(jī)的選定 AOSNP 7 根據(jù)額定轉(zhuǎn)矩和慣量匹配條件，選擇直流伺服電動(dòng)機(jī)。 電機(jī)型號(hào)及參數(shù)：MAXON F2260 ?60mm 石墨電刷 80W 2190MJgcm? 匹配條件為 [3] 2max361.89LJgc? （2-12）a0.25LMJ? 即 361.89.?????.0.2851? 慣量 （2-13）J 22069MLJ gcm??? 其中 為伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 M 故電機(jī)滿足要求。 4）快移時(shí)的加速性能 最大空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在自動(dòng)導(dǎo)引小車攜帶工件，從靜止以階躍指令加速到伺服電機(jī)最 高轉(zhuǎn)速 時(shí)。這個(gè)最大空載加速轉(zhuǎn)矩就是伺服電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩 。maxn maxT （2-14）maxax223.140165.89.91076nTJ Nt???????? 加速時(shí)間 （2-15）4aMTs 其中 機(jī)械時(shí)間常數(shù) 19Ms? 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 由于電動(dòng)機(jī)軸直徑為 Φ8mm，并且輸出軸削平了一部分與蝸桿軸聯(lián)接部分軸徑為 Ф12mm，故其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 2-6 所示。 8 電 機(jī) 軸蝸 桿 軸 圖 2-6 聯(lián)軸器機(jī)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(qiáng)度計(jì)算，即 [4] （2-16）??8mKTDZ??? 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% Ψ=35% b?s?s? 硬度 217～255HBS 20.39kMJm?? 銷釘?shù)脑S用切應(yīng)力為 （2-17）????0.7~80.75634.75BMPa????? 過載限制系數(shù) k 值 查表 14-4 取 k=1.6 [4] T=0.321N?m 1.80.643.27.5dm??? 選用 d=5mm 滿足剪切強(qiáng)度要求。 2.5 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 1.選擇蝸桿的傳動(dòng)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。 9 3.蝸桿傳動(dòng)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 η=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(jì)算為 （2-19）1125876.2taTFNd??? （2-20）2130at （2-21）0012tn6tan2.8rFN???? 4.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 根據(jù)開式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。蝸輪輪齒因彎曲強(qiáng)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(dòng)中。 彎曲疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)的公式為 [4] 10 （2-22）??221.53FaKTmdYz???? 確定載荷系數(shù) K[4] 由于工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù) Kβ=1，由表 11-15 選取使用系數(shù)[4] KA=1.15。由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)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) 3°10'48“，蝸輪的當(dāng)量齒數(shù) 26z?γ= （2-24）23362.29cos10???Vz°′48? 根據(jù) ， ，從圖 11-19 中可查得齒形系數(shù) 20x?26.9z[4] 2.3FaY? 螺旋角系數(shù) （2-25）1.970????Y?10 2 3.53625834.4md m??? 由表 11-2 得 [4] 中心距 a=50mm 模數(shù) m=1.25mm 分度圓直徑 12.d?2315d? 蝸桿頭數(shù) 直徑系數(shù) 17.92 分度圓導(dǎo)程角 γ=3°11′38″ 1z? 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）3.1425.9apmm???? 齒頂圓直徑 （2-27）*1 1.254.9dh?? 齒根圓直徑 （2-28）????*122.4.0.1.275fac m??????? 11 蝸桿軸向齒厚 （2-29）13.4125.962asmm???? 2）蝸輪 傳動(dòng)比 （2-30）216zi 蝸輪分度圓直徑 （2-31）2.527.dmm??? 蝸輪喉圓直徑 （2-32）????*1.250.48.1ahax m???? 蝸輪齒根圓直徑 （2-33）?**227.527.5fdhxc????? 蝸輪咽喉母圓半徑 （2-34）108195gard? 6.精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設(shè)計(jì)的自動(dòng)導(dǎo)引小車屬于精密傳動(dòng)，從 GB/T 10089-1988 圓柱蝸桿、蝸輪精度 中選擇 6 級(jí)精度，側(cè)隙種類為 7.熱平衡核算 由于該蝸輪-蝸桿傳動(dòng)是開式傳動(dòng)，蝸輪-蝸桿產(chǎn)生的熱傳遞到空氣中，故無須熱平衡計(jì) 算。 2.6 軸的設(shè)計(jì) 2.6.1 前輪軸的設(shè)計(jì) 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(dòng)導(dǎo)引小車的前輪受力，受力如圖 2-9a)所示。 CF? 180.4.22CFN???′? = 2.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （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(dòng)軸承、軸用彈性擋圈依次從軸的 12 右端向左安裝，左端只安裝滾動(dòng)軸承和軸用彈性擋圈。這樣就對(duì)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(zhǎng)度 ①初步選擇滾動(dòng)軸承。自動(dòng)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 d×D×T=20mm×42mm×12mm,故 。20dm?Ⅰ Ⅲ Ⅸ 右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得 6004 型軸承的定位軸肩高度 h=2.5mm，因此取 。25dm?Ⅳ ②取安裝左、右輪輻處的軸段Ⅵ的直徑 ;輪輻的左端采用軸肩定位，右端用30d?Ⅵ 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軸肩定位，軸肩高度 ，32l?Ⅵ 0.7hd 取 h=3mm，則軸環(huán)處的直徑 。軸環(huán)寬度 b≥1.4h，取 。6Vdm5Vlm? ③軸用彈性擋圈為標(biāo)準(zhǔn)件。選用型號(hào)為 GB 894.1-86 20，其尺寸為 ,故02d , , 。19dm?Ⅱ Ⅹ 1.l?Ⅱ Ⅹ 13.9l??Ⅲ 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(duì)稱可任意確定尺寸，確定了軸上的各 段直徑和長(zhǎng)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 dⅥ由手冊(cè)查得平鍵截面 b×h=8mm×7mm (GB/T 1095-1979),鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為 28mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)見 GB/T 1096-1979),同時(shí)為 了保證左右輪輻與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇左右輪輻與軸的配合為 H7/n6。滾動(dòng)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 1×45°，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(jì)算簡(jiǎn)圖。根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖。 McFF1 F2M 13 圖 2-9 前輪軸的載荷分析圖 12180.4.2FN???1239Lm? 139576.8CMFL??? 4.按彎曲應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩的截面強(qiáng)度。最大負(fù)彎矩在截面 C 上， 。1576.38???CMNm 對(duì)截面 C 進(jìn)行強(qiáng)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??????? ??15769caMPa??? 因此該軸滿足強(qiáng)度要求，故安全。 2.6.2 后輪軸的設(shè)計(jì) 后輪軸在工作中既承受彎矩又承受扭矩，故屬于轉(zhuǎn)軸。 14 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(dòng)的效率 =0.7,則? （2-37）20.87.056KW??? .75minnr238TNm? 2.作用在蝸輪上的力 2163.8tFN?26.aF?2460rF? 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。根據(jù)表 15-[4] 3 ，取 =115，于是得[4]0A （2-38）233min00.5611.7PdAm??? 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)，故 。dⅥ 26dm?Ⅵ 4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （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(zhǎng)度 ①初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)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 d×D×T=30mm×62mm×16mm，故 。30dm?Ⅰ Ⅲ Ⅴ 右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得 6206 型軸承的定位軸肩高度 h=3mm,因 此，取 。36dm?Ⅳ ②軸用彈性擋圈為標(biāo)準(zhǔn)件。選用型號(hào)為 GB 894.1-86 30,其尺寸為 ，故03d? ， 。28.Ⅱ 1.7LⅡ 15 ③取安裝輪輻處的軸段Ⅵ的直徑 。輪輻的寬度為 27mm,為了使軸端擋圈可靠26dm?Ⅵ 地壓緊輪輻，此軸段應(yīng)略短于輪輻的寬度，故取 。lⅥ 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(zhǎng)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(cè)查得平鍵截面 b×h=8mm×7mm,鍵槽長(zhǎng)dⅢ 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 1×45°，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(jiǎn)圖為 2-11b)。 由靜力平衡方程求出支座 A、B 的支反力 121263.81.9NHtFN??? 三個(gè)集中力作用的截面上的彎矩分別為 1.975.HDNMLm? ?0HABM? 16 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(jiǎn)圖 2-11c)。 由靜力平衡方程求出支座 A、B 的支反力 ?265.2′NVaF （2-39）??Nm.7.7aDM 17 ， (2-40)??0AM?????????2121130raNVFLMFLL??? ???? ?12 31NVrFL ??46027.5.57.62.5417.5? ???????? ?02 ， (2-41)yF?1220NVrFF? 122NVrNV?? 46057.0.638 在 段中，將截面左邊外力向截面簡(jiǎn)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(jiǎn)化，得B (2-43)?2122.NVraxFM???.2 230578.301.57846057.64x???? 在 段中，同樣將截面右邊外力向截面簡(jiǎn)化，得BC (2-44)????333157.MxFx3041x 0VAC ???.82.9.5D Nm? ???167540182.67V? ?BM 計(jì)算 A、B、C、D 截面的總彎矩 M (2-45)0??????2221173.5893.154.8HDV Nm? 18 (2-46)222173.508.6704.85DHVDMNm??????? BVM? 后輪軸上的轉(zhuǎn)矩 23T? 6.按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面 D）的強(qiáng)度。 由式（15-5） 得[4] (2-47)???? 2 22 207.85.635081.4DcaMT MPaW???????? 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(dòng)軸承選擇計(jì)算 2.7.1 前輪軸上的軸承 要求壽命 ，轉(zhuǎn)速 ，軸承的徑向力250hL?101028.96min3.4nrd????? ，軸向力 。4.rFN?aF 1．由上述條件試選軸承 試選 6004 型軸承，查表 16-2 [4] 9.38rCk?05.2rCkN?lim150innr? 2．按額定動(dòng)載荷計(jì)算 由式 (2-48)[4] 601hnLP? 19 對(duì)球軸承 =3，? (2-49)??PraPrfXFYf??? 查表 13-6 自動(dòng)導(dǎo)引小車 [4] 1.2 代入得 408.54N? 368.98.5079.13801C??? 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 =2[4]0S (2-51)04.2rarPXFYN??? 代入上式， 滿足要求。00522.8CN?? 2.7.2 蝸桿軸上的軸承 要求壽命 ，轉(zhuǎn)速 ，軸承的徑向載荷 ，作用hL?14.5minnr?10.4rFN? 在軸上的軸向載荷 。60.aF 1．由上述條件試選軸承 選 30203 型軸承，查表 5-24 [5] （脂潤(rùn)滑） 9.8CkN?013.2kN?lim90innr?0.35e? 圖 2-12 蝸桿軸上的軸承受力 2．按額定動(dòng)載荷計(jì)算 20 (2-52)1120.432.7rFSNY??? ?2 13.76.9.a S??? ，?112.4a??PrfXFY? 查表 15-12 ， [5].2Pf? ， ， 1639780.3504arFe? 0.4?1.7???1.2.1.476.29.58N???? ， ， 23.90.350.4ar eF?? 1X?0Y? ??222.0.432.8PraPrfXYFf??? 由式 ??15?[] 601hnLC??1??100336 64.52029.5843hnLC N??10103326 64hP?? 均小于 滿足要求。1?98N 3．按額定靜載荷校核 由表 ??50?[5] 0CSP? 查表 15-14 ，取 []1.8S?10.79.52arFY??011.10.46.1.86raPXFN?????? 21 201.94.52arFY???? 02.rPN 均小于 ，滿足要求。01?13C? 4．極限轉(zhuǎn)速校核 由式 (2-53)max12linf? ，由圖 15-5 得 1290.58.62PC?[5]f ，由圖 15-6 得 1.7arF[5]20.f?max10.94minnr?? ，由圖 15-5 得 213.480.679PC?[5]1f? ，由圖 15-6 得 2.arF[5]2f max2190minnr??? 小于 和 滿足要求。nmax1x2 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50hL?2.75innr? ；軸承 B 的徑向載荷2211631.9.80rNHVF N???? ；軸向載荷為 。由于軸承22 631.9r 65.2aFN? A 承受的載荷大于軸承 B 的載荷，故只需對(duì)軸承 A 進(jìn)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(rùn)滑）4.9CkN?01.CkN?lim950innr? 22 2．按額定動(dòng)載荷計(jì)算 由式 601hnLCP?? 對(duì)球軸承 ，3?? ??PrafXFY? 由 查表 15-19 065.20.651aFC[5] 0.19,2.3eY? 由 查表 15-19 930.197ar e???[5] rPF 查表 15-12 自動(dòng)導(dǎo)引小車 [5] .2Pf 代入得 7840N? 360.58416.59101C???? 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 [5]01S? 由 .93arF 查表 15-19 ， 時(shí)， [5]0.8arF?01,XY? 得 7rPFN 代入上式， 滿足要求。001CNS??? 4．極限轉(zhuǎn)速校核 max12linf 23 由 查圖 15-5 840.56319PC?[5] 1f? 查圖 15-6 .2.7arF[5]2f 代入 max190minnr??? 滿足要求。max2.5irn? 第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 控制系統(tǒng)總體方案 本系統(tǒng)使用 AT89C51 單片機(jī)作為核心的控制運(yùn)算部分。連接在電機(jī)上的數(shù)字編碼器在電 機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過自行設(shè)計(jì)和制作的脈沖鑒向電路，可以得到電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向； 來自鑒向電路的正反方向的脈沖信號(hào)進(jìn)入到兩塊 8253 計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得電機(jī)的旋轉(zhuǎn) 速度和位移；經(jīng)過在 AT89C51 單片機(jī)上運(yùn)行的各種控制程序的適當(dāng)運(yùn)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(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制器，通過 H 橋開關(guān)放大器，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度或者力矩給定，從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使整個(gè) AGV 自動(dòng) 導(dǎo)引小車能夠完成所設(shè)計(jì)的控制任務(wù)。 整個(gè)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 24 3.2 鑒向 伺服電機(jī)根據(jù)控制要求能夠工作在四個(gè)不同的象限，作為系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)部分，必須能 夠檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及分辨電機(jī)不同的旋轉(zhuǎn)方向。安裝在電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上的數(shù)字編碼器在電機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)時(shí)能夠產(chǎn)生相位相差 90 度的兩路脈沖信號(hào)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以由鑒向電路對(duì)此兩路脈 沖進(jìn)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(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，A相脈沖超前于B相脈沖90度，在cp十端輸出反向計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)， B相脈沖超前于A相脈沖90度，在cp一端輸出正向計(jì)數(shù)脈沖，見圖3-3中的(b)和(c}所示，分 辨出的脈沖進(jìn)入脈沖計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，再由計(jì)算機(jī)讀入進(jìn)行處理。其電路圖見圖3-3中的 (a)所示。 圖 3-3 電機(jī)轉(zhuǎn)向分辨電路 本次設(shè)計(jì)使用的數(shù)字編碼器為500P/ R ,即電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周輸出500個(gè)脈沖,電機(jī)到車輪 的減速齒輪的減速比為62 : 1 ,因此車輪每前進(jìn)或者后退一周產(chǎn)生500×62 即31000個(gè)脈沖, 可見分辯率非常高。編碼器的脈沖輸出為差動(dòng)形式,鑒向電路接收差動(dòng)形式的脈沖信號(hào),鑒向 后輸入到8253計(jì)數(shù)器。 25 3.3 計(jì)數(shù)的擴(kuò)展 為了得到驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)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(jī) 的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)脈沖,必須對(duì)這些脈沖分別進(jìn)行計(jì)數(shù)、運(yùn)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(jì)數(shù)器,每塊芯片具有三個(gè)16 位計(jì)數(shù)器。四個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器即 1# 、2 # 、3 # 和4 # 分別用于兩臺(tái)電機(jī)的正/ 反轉(zhuǎn)脈沖的計(jì)數(shù)。 8253可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器可由軟件設(shè)定定時(shí)與計(jì)數(shù)功能，設(shè)定后與CPU并行工作，不 占用CPU時(shí)間，功能強(qiáng)，使用靈活。它具有3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器通道，每個(gè)計(jì)數(shù)器都可以按 照二進(jìn)制或二－十進(jìn)制計(jì)數(shù)，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有6種工作方式，計(jì)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(jì)數(shù)器0 8001H計(jì)數(shù)器1 8002H計(jì)數(shù)器2 8003H控制字 U7地址為：6000H計(jì)數(shù)器0 6001H計(jì)數(shù)器1 6002H計(jì)數(shù)器2 6003H控制字 U6讀/寫控制邏輯接線： ， ， ；4CSY?0QA1? U7讀/寫控制邏輯接線： ， ， 。3 U6芯片中計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1用于左輪電機(jī)正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，并處于工作方式3。U7芯片中計(jì) 數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1用于右輪電機(jī)正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，并處于工作方式3。在中斷服務(wù)程序中,這四個(gè)計(jì) 數(shù)器分別對(duì)兩臺(tái)伺服電機(jī)的正/ 反脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),所得到的計(jì)數(shù)值減掉上一次的計(jì)數(shù)值,就可 26 以得到在這一時(shí)間周期內(nèi)的各路脈沖數(shù)。右輪反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)和左論反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)的結(jié)果分別存于 臨時(shí)變量temp 1、temp 2、temp 3 和temp 4 中,在主程序中通過對(duì)它們進(jìn)行運(yùn)算就可以得 到移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)量了。 3.4 中斷的擴(kuò)展 AT89C51 單片機(jī)是使用兩個(gè)級(jí)聯(lián)的 8259A 中斷控制器 來控制中斷的。主 8259A 芯片上的 IRQ2 擴(kuò)展成從片上的 IRQ8~IRQ15 使用。8259A 作為一種可編程中斷控制器， 是一種集成芯片。它用來管理輸入到 CPU 的各種中斷申請(qǐng)， 主要外圍設(shè)備，能提供中斷向量、屏蔽各種中斷輸入等功 能。每一個(gè) 8259A 芯片都能直接管理 8 級(jí)中斷，最多可以 用 9 片 8259A 芯片級(jí)連，由其構(gòu)成級(jí)連機(jī)構(gòu)可以管理 64 級(jí)中斷。 8259A的外部引腳： ：數(shù)據(jù)線， CPU通過數(shù)據(jù)線向 8259A發(fā)送各種控制命令和讀取各種狀態(tài)信息。70?D INT：中斷請(qǐng)求，和CPU的INTR引腳相連，用來向CPU提出中斷請(qǐng)求。 ：中斷響應(yīng)，接收 CPU的中斷響應(yīng)信號(hào)。INTA 圖3-6 8259A引腳圖 ：讀信號(hào)，低電平有效，通知8259A將某個(gè)RD 寄存器的內(nèi)容送到數(shù)據(jù)總線上。 ：寫信號(hào)，低電平有效，通知8259A從數(shù)據(jù)線上接受數(shù)據(jù)（即命令字）。WR ：片選信號(hào)，低電平有效。CS ：端口選擇，指出當(dāng)前哪個(gè)端口被訪問。0A ：接收設(shè)備的中斷請(qǐng)求。7?IR ：級(jí)聯(lián)端，指出具體的從片。在采用主從式級(jí)聯(lián)的多片8259A的系統(tǒng)中，主20CS 從片的 對(duì)應(yīng)連接在一起。A 27 ：主從片 /緩沖器允許，雙功能引腳，雙向。它有兩個(gè)用處：當(dāng)作為輸入時(shí)，用SPEN 來決定本片8259A是主片還是從片。作為輸出時(shí)，當(dāng)從8259A往CPU傳送數(shù)據(jù)時(shí)，由 引SPEN 出的信號(hào)作為總線啟動(dòng)信號(hào)，以控制總線緩沖器的接收和發(fā)送。 本次設(shè)計(jì)采用兩片8259A進(jìn)行級(jí)聯(lián)：主片的 引腳連接從片的中斷請(qǐng)求INT，如果某一2IR 個(gè)引腳下面沒有連接從片，則可以直接連接外部中斷請(qǐng)求；而主片、從片的中斷響應(yīng)信號(hào) 和數(shù)據(jù)信號(hào) 互相連在一起。主片CAS和從片CAS互相連在一起，當(dāng)從片數(shù)量較多時(shí)，INTA07D~ 可以在主片CAS和從片CAS之間增加驅(qū)動(dòng)器。主片的 接高電平。從片的 接低電SPENSPEN 平。在8259A的主從式級(jí)聯(lián)方式中，中斷的優(yōu)先級(jí)設(shè)置類似于單片機(jī)的情況。級(jí)聯(lián)如圖3-7所 示。 圖3-7 AT89C5174HC388259AU0UU主從U48259A 8259A的級(jí)聯(lián) 3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇 將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(digital-analog converter),簡(jiǎn)稱為 DAC。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、轉(zhuǎn)換精度、線性誤差和建立時(shí)間。 分辨率 指最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。本次設(shè)計(jì)采用DAC1208芯片，故其分辨 28 率為 。??412.210???? 轉(zhuǎn)換精度 以最大的靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。DAC1208芯片為12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器其最大 誤差為: ,精度為 。1210.2nFSAV?????0.1?? 線性度 指 DAC 的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之間的最大偏移差。 建立時(shí)間 在數(shù)字輸入端發(fā)生滿量程碼的變化以后，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的模擬輸出穩(wěn)定到最 終值±1/2LSB時(shí)所需要的時(shí)間，當(dāng)輸出的模擬量為電流時(shí)，這個(gè)時(shí)間很短。 DAC120 8的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)及引腳如 圖3-8和圖 3-9所示。 圖 3-8 DAC1208的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3-9 DAC1208的引腳圖 DAC1208內(nèi)部對(duì)輸入數(shù)據(jù)具有兩級(jí)緩存：8位輸入寄存器、4位輸入寄存器和12位DAC寄存 器，這三個(gè)寄存器可以分別選通。 DAC1208有三種工作方式：?jiǎn)尉彌_方式、雙緩沖方式、直通方式。 所謂的單緩沖方式就是使DAC1208的兩個(gè)輸入寄存器中有一個(gè)處于直通方式，而另一個(gè) 處于受控的鎖存方式。在實(shí)際應(yīng)用中，如果只有一路模擬量輸出。 所謂雙緩沖方式，就是把DAC1208的兩個(gè)鎖存器都接成受控鎖存方式。本次設(shè)計(jì)采用雙緩沖 方式，目的是為了讓兩個(gè)直流伺服電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)同步。 所謂直通方式，輸入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式，即 信12ILEWRXFE?CS 號(hào)均有效，數(shù)據(jù)被直接送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。 +5V+5VOAOAAT89C5174LS32764624DC120874HC138U0U1UU3U9UU10DC28 CSWR1AGND DI9DI8DI2 DI3DI4 DI5 DI6DI 7 VREFRfbDGND VcBYTE1/BYTE2WR 2XFER Iout2Iout1 DAC1208 1 1098 765 432 20 141516 171819 13121 24232 21 (LSB)DI0DI1 DI1(MSB)DI10 29 圖3-10 DAC1208雙緩沖連接方式 U9輸入寄存器地址為3FFFH DAC寄存器地址為5FFFH U10輸入寄存器地址為1FFFH DAC寄存器地址為5FFFH 本次設(shè)計(jì)采用DAC1208芯片的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器其連接方式如圖3-10所示。 為高BYTE 電平時(shí)，選中數(shù)據(jù) 輸入到8位輸入寄存器；當(dāng) 為低電平時(shí)，選中數(shù)據(jù)14DII?BYTE 輸入到 4位輸入寄存器； 片選信號(hào)，低電平有效，和輸入鎖存信號(hào) 一起30DII?CS 1ILWR? 決定第一級(jí)數(shù)據(jù)鎖存是否有效。 第一級(jí)允許鎖存，高電平有效。 寫信號(hào)1，作為第一ILE 級(jí)鎖存信號(hào)，必須和 同時(shí)有效。 寫信號(hào) 2，作為第二級(jí)鎖存信號(hào)，必須和I?2WR 同時(shí)有效。 控制信號(hào)，低電平有效，和 一起決定第二級(jí)數(shù)據(jù)鎖存是否有效。XFERXF 模擬電流輸出端， DAC寄存器全1時(shí)最大，全0時(shí)為0。 模擬電流輸出端，和 有一1OUTI 2OUTI 1OUTI 個(gè)常數(shù)差： 常數(shù)，此常數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)固定基準(zhǔn)電壓的滿量程電流。 參考電壓12OUTII?? REFV 輸入端，可正可負(fù)， 。V?? 3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM技術(shù)來驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。PWM技術(shù)為脈寬調(diào)制技術(shù)其可通過輸入直 流電壓 ，在其輸出可以得到頻率固定、脈沖幅度一定、脈沖寬度與輸入信號(hào)成線性關(guān)系inu 的方波脈沖串，利用該方波脈沖串驅(qū)動(dòng)功率放大電路，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用PWM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，PWM具有較高的切換頻率，這有助于克服伺服電機(jī)的靜摩擦力矩，與其線性 功率放大器相比，功耗低且效率高，因而在伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)運(yùn)用。為了改善伺服 電機(jī)的運(yùn)行特性，必須適當(dāng)選擇PWM的切換頻率，其選擇可參考以下原則： a)切換頻率應(yīng)能使電機(jī)軸產(chǎn)生微振，以克服靜摩擦，改善運(yùn)行特性。即 (3-1)TMf? 其中 ， 為力矩常數(shù)， 為PWM電源電壓， 為電感， 為電機(jī)靜摩擦力矩。4MCfkULT?CULT b)微振的最大角位移應(yīng)小于設(shè)定的位置誤差。即 (3-3)3192CTkfJ?? 30 其中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 為設(shè)定的位置誤差。? c)盡量減少電機(jī)產(chǎn)生的高頻功耗。即應(yīng)使得 (3-4)?2ATRfL? 其中 為電內(nèi)阻。AR 一般伺服電機(jī)的電感很小，如果切換頻率不高，導(dǎo)致交流分量很大，很容易損壞功率晶 體管。在此采用PWM芯片UC3637和H功率橋放大電路來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，其UC3637原理如圖3-11 所示，根據(jù)上述原則選擇切換頻率為30KHz。 UC3637的特點(diǎn)： 單電源或雙電源工作，?2.50??V 雙路PWM信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)電流能力為 1mA 限流保護(hù) 欠電壓封鎖? 有溫度補(bǔ)償，2.5V閥值的關(guān)機(jī)控制 圖3-11 UC3637原理框圖 UC3637的結(jié)構(gòu)與功能： 三角波發(fā)生器：CP，CN，S1，SR1；PWM比較器：CA，CB；輸出控制門：NA，NB； 31 限流電路：CL，SRA，SRB；誤差放大器：EA；關(guān)機(jī)比較器：CS； 欠電壓封鎖電路：UVL。 UC3637最具特色的是三角波振蕩器，三角波產(chǎn)生電路如圖3-12所示。 圖3-12 恒幅三角波產(chǎn)生電路 三角波參數(shù)的計(jì)算 取PWM定時(shí)電路充電電流為0.5Ma,則有 (3-5)0.5STHTVR??[6] (3-6)4THCf[] 其中， 為PWM頻率。由允許電機(jī)最大電流 決定 。Tf max3.21IA?SR (3-7)ax0SRI 對(duì)于圖3-12所示的控制系統(tǒng)，要求： 24SV?? max10c 10INRk? PWM 頻率 30fkHz? 32 B ?2v1xoy P A Q ? L 限流 max8IA? 取 1 計(jì)算得 (3-8) 43max22016.51INScRVk???????????? (3-9)434324IN? (3-10)44510.7682SRIVV???3.TH (3-11)??23 768216.50.124.THSR kV???????35STHT?136Rk?930.50.1.04.78TTHCFfV???? 式中： 為三角波峰值的轉(zhuǎn)折（閾值）電壓； 為電源電壓； 為定時(shí)電阻； 為定時(shí)THVSVTRTC 電容； 為恒流充電電流； 為振蕩頻率。SIf 3.7 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3.7.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車的速度分析。 已知車輪驅(qū)動(dòng)速度，求機(jī)構(gòu)本體移動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)角速度。 兩后輪分別驅(qū)動(dòng)四輪機(jī)構(gòu)的速度分析 （Q 為瞬心，P 為后輪中心） (3-12)12pv?? 33 (3-13)12coscospvx????? （3-14）12ininpyv? (3-15) (3-16) 圖 3-13 12BAv??121vAB? ??? AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車示意圖 整理成矩陣形式： (3-17)?????????????????????? 21211sin2icovJByx?? 為雅可比矩陣。J 3.7.2 轉(zhuǎn)彎半徑 小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)以速度 勻速轉(zhuǎn)彎；小車兩主動(dòng)輪之間的距離為 B；小車兩主動(dòng)輪中心? （假設(shè)小車質(zhì)量分布均勻）與轉(zhuǎn)彎圓心的距離即轉(zhuǎn)彎半徑為 R；車輪半徑為 r；兩輪的速度 分別為 ；小車與行駛路面的摩擦系數(shù)為 。則有12?? ? (3-18)??2Rg??[1] 查表 5-2 取 ?? 206708.49.Rm???[2] 4m? 故取小車轉(zhuǎn)彎的最小半徑為 。1 左、右輪的速度為 [1] (3-19)??22rRBA???????271060.486443.71RBmsr????? ? (3-20)??122r????? 34 ??????12271060.3097443.71RBmsrA?????????? 3.8 控制軟件的設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)器人的線速度和角速度的表達(dá)式(3-12) 和(3-16) ,可以計(jì)算狀態(tài)量x、y 和φ: （3-21）12q??? （3-22）B??? (3-23)??02trldtb??? （3-24）0costrlx??? (3-25)??0intrlyt? 采用數(shù)值積分方法進(jìn)行近似檢測(cè): 將區(qū)間 劃分成若干充分小的子區(qū)間 ， ??t ??10t 則只要子區(qū)間 相對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度選擇得充分小,或者???121,,ntt?? ?1it? 控制周期比較短,則檢測(cè)精度可以達(dá)到使用的要求。表達(dá)式如下: (3-26)??112ntnrldtb?????? （3-27）1cosntrlx??? (3-28)??11intn rlyt??? 另外,考慮到系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)量都是通過數(shù)字編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的,要將脈 沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人移動(dòng)的距離及轉(zhuǎn)過的角度,必須對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行定標(biāo),即確定每個(gè)脈沖與 驅(qū)動(dòng)輪移動(dòng)的距離的系數(shù)。已知驅(qū)動(dòng)輪的半徑r = 70mm ,電機(jī)到車輪的減速齒輪的變比為62 : 1 ,電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出500個(gè)脈沖,從而可以得到脈沖當(dāng)量應(yīng)為2 * PI * 70/(500 * 62) , 即0.01418mm/ P 。 對(duì)于控制系統(tǒng)的軟件編程語言，要根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行選擇，一般要求代碼簡(jiǎn)捷，執(zhí)行 效率高，實(shí)時(shí)性好。AGV自動(dòng)導(dǎo)引小車的引導(dǎo)原理是根據(jù)自動(dòng)導(dǎo)引小車行走的軌跡進(jìn)行編程， 數(shù)字編碼器檢測(cè)出的電壓信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)偏差進(jìn)行糾正，從而使自動(dòng)導(dǎo)引小車沿預(yù)先編程的軌跡行走。因此AGV自動(dòng)導(dǎo) 35 引小車行走過程中，需不斷地根據(jù)輸入的位置偏差信號(hào)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 為對(duì)AGV自動(dòng)導(dǎo)引小車實(shí)施控制，需要對(duì)硬件進(jìn)行操作。 AGV 的控制系統(tǒng)要同時(shí)完成以下幾個(gè)任務(wù)： a) 采集攝像頭視頻信號(hào)并進(jìn)行分析，識(shí)別導(dǎo)引路線并計(jì)算運(yùn)行偏差，識(shí)別特征路標(biāo)并 進(jìn)行里程計(jì)位置坐標(biāo)修正； b) 捕捉光電編碼器脈沖信號(hào)，計(jì)算小車運(yùn)行速度，累計(jì)脈沖信號(hào)并計(jì)算小車?yán)锍绦畔ⅰ?控制整個(gè) AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車的控制流程如圖 3-14 所示。開 始函 數(shù) 、 變 量 、 中 斷 初