AGV自动导引小车结构系统全设计.doc

I 山东理工职业学院 毕 业 设 计（论 文） 设计(论文 )题目：AGV 自动导引小车 姓 名: 夏 杰 学 号: 029409300156 院 部: 工程技术学院 专 业: 机 电 一 体 化 年 级: 09 级 指导教师: 2011 年 10 月 15 日 II 摘要 AGV 即自动导引小车，它集声、光、电、计算机技术于一体，综合了当今科技领域 先进的理论和应用技术。广泛应用在柔性制造系统和自动化工厂中，具有运输效率高、 节能、工作可靠、能实现柔性运输等许多优点，极大的提高生产自动化程度和生产效率。 属于移动式机器人的一个分支。它最早是在美国发展起来的，在国外已经有几十年的历 史了。因此，AGV 被广泛应用在仓储业、邮局、图书馆、港口码头、机场以及危险场所和 特种作业的场合。AGV 是一种非常有发展前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统 （FMS）中被认为是最有效的物料运输设备。 本文在分析研究国内外 AGV 现状与发展的基础上，设计了两后轮独立驱动的自动导 引小车，其主要工作内容包括：小车机械传动设计、直流伺服电机的选择、AT89C51 单 片机控制系统硬件电路、运动学分析、控制系统软件设计及圆弧插补程序。所设计的小 车能够实现自主运行、运动轨迹（圆弧、直线）的控制等功能，达到了沿着设定的路线 行驶。 关键词：自动导引小车，单片机控制，设计，PWM 技术 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 录 第一章 绪论 .1 1.1 AGV自动导引小车简介 .1 1.2 AGV自动导引小车的分类 .2 1.3 AGV系统组成 .3 1.4自动引导小车结构设计 .4 1.5国内外研究现状及发展趋势 .5 第二章 机械部分设计 .7 2.1设计任务 .7 2.2确定机械传动方案 .7 2.3直流伺服电动机的选择 .8 2.4联轴器的设计 .11 2.5蜗杆传动设计 .12 2.6轴的设计 .14 2.6.1前轮轴的设 计 .14 2.6.2后轮轴的设计 .17 2.7滚动轴承选择计算 .21 2.7.1前轮轴上的轴承 .21 2.7.2蜗杆轴上的轴承 .22 2.7.3后轮轴上的轴承 .24 第三章 控制系统的设计 .26 3.1 控制系统总体方案 .26 3.2 鉴向 .27 3.3 计数的扩展 .28 3.4 中断的扩展 .29 3.5 数摸转换器的选择 .30 3.6 电机驱动芯片选择 .32 3.7 运动学分析 .36 3.7.1运动学 方程 .36 3.7.2转弯半径 .36 3.8 控制软件的设计 .37 结论与展望 .43 致谢 .45 参考文献（REFERENCES） .44 1 第一章 绪论 1.1 AGV自动导引小车简介 AGV(Automatic Guided Vehicle),即自动导引车，是一种物料搬运设备， 是能在一位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置，自动完成货物的卸 载的全自动运输装置。AGV 是以电池为动力源的一种自动操纵的工业车辆。装 卸搬运是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高，占据物流费用 的重要部分。因此，运输工具得到了很大的发展，其中 AGV 的使用场合最广泛， 发展十分迅速。 自动导引车（automatic guided vehicle，AGV） ，是一种集声、光、电、 计算机为一体的简易移动机器人。在结构上有类似于有人驾驶车，只不过它的 行驶是在车载微电脑的控制下完成的。主要应用于柔性加工系统、柔性装配系 统（以AGV作为活动装配平台） 、自动化立体仓库以及其他一些行业作为搬运设 备。 最早的自动搬运车是1913年福特汽车公司用在底盘装配上，代替了原来的 输送机，使原装配时的12小时28分缩短了1小时33分。1956年英国人组成了以电 磁感应导向的简易AGVS，从此60年代传到了美国。1959年日本也从这时开始引 进AGVS技术。60年代AGVS从自动化仓库进入到柔性加工系统(FMS)。70年代AGV 作为生产组成部分而进入了生产系统，从而使AGV得到了迅速发展。特别在汽车 制造业得到广泛应用。 我国是从1976年起重机械研究所研制出第一台ADB型AGV；北京邮电部邮政 科学技术研究所为上海新火车站邮政枢纽、济南军区仓库研究试制的WZC及WZC 一1两种AGV，1991年也投入了运行；中科院沈阳自动化研究所1993年4月在北京 新技术展览会上介绍了自行研制的SIA7AGV一1型载重300公斤的自主导引小车， 在沈阳某厂试用；1992年天津理工学院研制的带电缆光导AGV。我国台湾省曾委 托ADLITTLE咨询公司编制“2000年新兴工业规划” ，把开发研制AGVS列为第一类 出口导向型优先发展的自动化产业。2000年世界自动化产业需求量为700亿美元， 台湾达到36亿美元。 最早期的 AGV 是铺轨式的，车体在预设的铁轨上行驶，利用通信设备控制 它的行驶或停止，并没有涉及到传感器。随着传感器技术的飞速发展，各种各 样的传感器被使用在 AGV 中，AGV 利用传感器感知周围事物的信息，控制机车 的运动，从而实现真正意义上的自动导引。 2 1.2 AGV自动导引小车的分类 自动导引小车分为有轨和无轨两种。 所谓有轨是指有地面或空间的机械式导向轨道。地面有轨小车结构牢固， 承载力大，造价低廉，技术成熟，可靠性好，定位精度高。地面有轨小车多采 用直线或环线双向运行，广泛应用于中小规模的箱体类工件 FMS 中。高架有轨 小车（空间导轨）相对于地面有轨小车，车间利用率高，结构紧凑，速度高， 有利于把人和输送装置的活动范围分开，安全性好，但承载力小。高架有轨小 车较多地用于回转体工件或刀具的输送，以及有人工介人的工件安装和产品装 配的输送系统中。有轨小车由于需要机械式导轨，其系统的变更性、扩展性和 灵活性不够理想。有轨小车如图所示。 无轨小车是一种利用微机控制的，能按照一定的程序自动沿规定的引导路 径行驶，并具有停车选择装置、安全保护装置以及各种移载装置的输送小车。 有轨小车如图所示。 3 无轨小车按引导方式和控制方法的分为有径引导方式和无径引导自主导向 方式。有径引导方式是指在地面上铺设导线、磁带或反光带制定小车的路径， 小车通过电磁信号或光信号检测出自己的所在位置，通过自动修正而保证沿指 定路径行驶。无径引导自主导向方式中，地图导向方式是在无轨小车的计算机 中预存距离表（地图） ，通过与测距法所得的方位信息比较，小车自动算出从某 一参考点出发到目的点的行驶方向。这种引导方式非常灵活，但精度低。 1.3 AGV系统组成 现今的AGV基本上由导向模块、行走模块、导向传感器、微处理器、通讯装 置、移载装置和蓄电池等构成，如图1所示。其中，微处理器是车的控制核心部 分，它把车的各个部分有机地联系在一起，它不仅控制整个车的运行，而且， 还通过通讯系统接收地面管理站传来的各种指令，并不断地把车的所处位置、 运行状况等信息返回给地面站。通讯装置根据车的通讯方式不同可以是：红外 通讯、感应通讯、无线电通讯等。移载方式有手动和自动2种，根据需要可以配 置货叉、升降平台、辊子输送机、外伸形货叉、机械手等设备。一定数量的AGV 在地面设 施的支持下，按工序完成一定的物料输送任务就构成AGV系统。 目前各大高校教学演示、自动化车间及物流配送业的用户对我们的AGV产品 反应良好！该产品也广泛应用的行业还包括烟草、汽车制造、家电、金融系统 等多个领域。AGV的上市，标志着科技突飞猛进的大中华，让现代化工业城市又 向前迈进了一大步，也将是现代化工业企业 自动化发展的必然趋势 (1)较高的柔性。 4 只要改变一下导向程序，就可以很容易地改变、修正和扩充AGV的移动 路线。如果改变固定的传送带运输线或有轨小车的轨道，相比之下改造的工作 量要大得多。 (2)实时监视和控制。 由于控制计算机实时地对AGV进行监视，如果FMS控制系统根据某种需 要，要求改变进度表或作业计划，则可很方便地重新安排小车路线。此外，还 可以为紧急需要服务，向计算机报告负载的失效、零件错放等事故。如果采用 的是无线电控制，可以实现AGV和计算机之间的双向通讯。不管小车在何处或处 于何种状态，运动或者静止，计算机都可以用调频法通过它的发送器向任一特 定的小车发出命令，且只有响应的那一台小车才能读到这个命令，并根据命令 完成某一地点到另一地点的移动、停车装料、卸料、再充电等一系列的动作。 另一方面小车向能向计算机发出信号，报告小车的状态、小车故障、蓄电池状 态等 (3)安全可靠。 AGV能以低速运行，一般在1070 mmin范围内操作。通常AGV有微处理器 控制，能同本区的控制器通讯，可以防止相互之间的碰撞。有的AGV上面还安装 了定位精度传感器或定中心装置，可保证定位精度达到30 mm，精确定位的 AGV其定位精度可达到30 mm，从而避免了在装卸站或在运动过程中小车与小 车之间发生碰撞，以及工件卡死的现象。 装卸搬运是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高，占据物 流费用的重要部分。AGV的显著特点是无人驾驶，AGV上装备有自动导向系统， 可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货 物或物料自动从起始点运送到目的地。AGV的另一个特点是柔性好，自动化程度 高和智能化水平高，AGV的行驶路径可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改 变而灵活改变，并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比 非常低廉。AGV一般配备有装卸机构，可以与其他物流设备自动接口，实现货物 和物料装卸与搬运全过程自动化。此外，AGV还具有清洁生产的特点，AGV依靠 自带的蓄电池提供动力，运行过程中无噪声、无污染，可以应用在许多要求工 作环境清洁的场所。 表3-1 AGV的类型和应用 AGV的类型 AGV的应用 1. 电磁感应引导式AGV 1仓储业 2. 激光引导式AGV 2制造业 5 3. 视觉引导式AGV 3邮局、图书馆、港口码头 4铁磁陀螺惯性引导式AGV 4烟草、医药、食品、化工 5光学引导式AGV 5危险场所和特种行业 1.4自动引导小车结构设计 AGV 自动导引小车的引导原理是根据自动导引小车行走的轨迹进行编程， 数字编码器检测出的电压信号判断其与预先编程的轨迹的位置偏差，控制器根 据位置偏差调整电机转速对偏差进行纠正，从而使自动导引小车沿预先编程的 轨迹行走。因此 AGV 自动导引小车行走过程中，需不断地根据输入的位置偏 差信号调整电机转速，对系统进行实时控制。 小车采用两后轮独立驱动差速转向，两前轮为万向轮的四轮结构形式。 步进电机经减速器后通过驱动轮提供驱动力，当两轮运动速度不同时就可以实 现差速转向。 （1）车体 包括底盘、车架、壳体和控制室和相应的机械电气结构如减速箱、电机、 车轮等所组成，是AGV的基础部分。具有电动车辆的结构特征和无人驾驶自动作 业的特殊要求。车架常用钢构件焊接而成，重心越低越有利于抗倾翻。板上常 安置移载装置、电控系统、按键、显示屏等。 （2）车架 车架是整个 AGV 小车的机体部分，主要用于安装轮子、光感应器、伺服 电机和减速器。车架上面安装伺服电机驱动器、PCD 板和电瓶。对于车架的设 计，要有足够的强度和硬度要求，故车架材料选用铸造铝合金，牌号为 6061。 其中 6061 质量比较轻，焊接性好。 （3）车轮 车轮采用实心橡胶轮胎。车体后面两主动轮为固定式驱动轮，与轮毂式电机 相连。前面两个随动轮为旋转式随动轮，起支承和平衡小车的作用。 （4）载荷传送装置 AGV 的载荷传送装置为一平板，其作用为运输箱体类零件到指定工位。 主要用来装载箱体类零件，运送物料等. （5） 驱动装置 驱动AGV运行并具有速度控制和制动能力的子系统。主要包括电机、减速器、 驱动器、控制与驱动电路等。驱动系统一般为闭环方式与开环方式，前者以伺 服直流电机为主，后者以步进电机为主。 6 （6） 动力系统 蓄电池是目前AGV使用的唯一电源。用来驱动车体、车上附属装置，如控 制、通讯、安全等。 AGV周边设施使用一般工业电力，根据用途而有不同要求。如充电间频率发 生器、自动门、计算机室、通讯装置以及工作环境所需装置的动力等。根据车 型、运行及载荷量而采用不同功率的蓄电他，一般都是蓄电池组合体。常用直 流电压为12伏、24伏、48伏及72伏。 1.5国内外研究现状及发展趋势 AGV 是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动 化立体仓库而产生并发展起来的。日本人认为 1981 年是柔性加工系统元年，这 样计算 AGV 大规模应用的历史也只有 15 至 20 年。但是，其发展速度是非常快 的。1981 年美国通用公司开始使用 AGV，1985 年 AGV 保有量 500 台，1987 年 AGV 保有量 3000 台。资料表明欧洲 40%的 AGV 用于汽车工业，日本 15%的 AGV 用于汽车工业，也就是说 AGV 在其他行业也有广泛的应用 。1 目前国内总体看 AGV 的应用刚刚开始，相当于国外 80 年代初的水平。但从 应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽车工业，飞机制造业，家用电器行业， 烟草行业，机械加工，仓库，邮电部门等 。这说明 AGV 有一个潜在的广阔市1 场。 AGV 从技术的发展看，主要是从国家线路向可调整线路；从简单车载单元 控制向复杂系统计算机控制；从原始的段点定期通讯到先进的实时通讯等方向 发展；从落后的现场控制到先进的远程图形监控；从领域的发展看，主要是从 较为集中的机械制造、加工、装配生产线向广泛的各行业自动化生产，物料搬 运，物品仓储，商品配送等行业发展。 7 第二章 机械部分设计 2.1设计任务 设计一台自动导引小车 AGV，可以在水平面上按照预先设定的轨迹行驶。 本设计采用 AT89C51 单片机作为控制系统来控制小车的行驶，从而实现小车的 左、右转弯，直走，倒退，停止功能。 其设计参数如下： 自动导引小车的长度：500mm 自动导引小车的宽度：300mm 自动导引小车的行驶速度：100mm/s 2.2确定机械传动方案 方案一：采用三轮布置结构。直流伺服电动机经过减速器和差速器，通过 两半轴将动力传递到两后轮。自动导引小车的转向由转向机构驱动前面的一个 万向轮转向。传动系统如图 2-1 所示。 8 图 2-1 传动方案一 方案二：采用四轮布置结构。自动导引小车采用两后轮独立驱动差速转向， 两前轮为万向轮的四轮结构形式。直流伺服电动机经过减速器后直接驱动后轮， 当两轮运动速度不同时，就可以实现差速转向。传动系统如图 2-2 所示。 图 2-2 传动方案二 四轮结构与三轮结构相比较有较大的负载能力和较好的平稳性。方案一有 差速器和转向机构，故机械传动误差大。方案二采用两套蜗轮-蜗杆减速器及直 流伺服电动机，成本相对于方案一较高，但它的传动误差小，并且转向灵活。 因此，采用方案二作为本课题的设计方案。 2.3直流伺服电动机的选择 伺服电动机的主要参数是功率(KW)。但是，选择伺服电动机并不按功率， 而是更根据下列三个指标选择。 运动参数： AGV 行走的速度为 100mm/s，则车轮的转速为 （2-1）d1062.75min3.410vnr 电机的转速 选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=62 9 （2-2）62.75140.minni r电 自动导引小车的受力分析： OGPFBFCFAFD 图 2-3 车轮受力简图 小车车架自重为 P 32.8510.0.329.814abhg N （2-3） 小车的载荷为 G （2-4）39.4mN 取坐标系 OXYZ 如图 2-3 所示，列出平衡方程 由于两前轮及两后轮关于 Y 轴对称，则 ，ABFCD ， （2-5）0zF20ACFPG ， （2-6）xM0.75.12.3C 解得 .6ABN8.4DFN 两驱动后轮的受力情况如图 2-4 所示： 滚动摩阻力偶矩 的大小介于零与最大值之间，即f （2-7）max0fM （2-8）max.6157.0.946NFN 其中 滚动摩阻系数，查表 5-2 ，=2 10，取 =6mm 2 10 牵引力 F 为 （2-9）max0.94613.572MFNd 电 机 /GW 图 2-4 后轮受力 图 2-5 摩擦系数 牵引力 F N 重物的重力 W N 滚子直径 D mm 传递效率 传动装置减速比 1/G 1） 求换算到电机轴上的负荷力矩（ ）LT （2-10）19.820WDG 13.507.64.210.8Nm 取 =0.7, =157.66 , =0.15 2） 求换算到电机轴上的负荷惯性（ ）LJ （2-11） 21234LZJ 20.3490.76.01.064618kgm 其中 为车轮的转动惯量； 为蜗杆的转动惯量；1JJ 为蜗轮的转动惯量； 为蜗轮轴的转动惯量。3 4 3） 电机的选定 根据额定转矩和惯量匹配条件，选择直流伺服电动机。 电机型号及参数：MAXON F2260 60mm 石墨电刷 80W 2190MJgcm 匹配条件为 3 2max361.89LJgc AOSNP 11 （2-12）max0.251LMJ 即 36.89.0.25.81 惯量 （2-13）J 2169MLJ gcm 其中 为伺服电动机转子惯量 M 故电机满足要求。 4） 快移时的加速性能 最大空载加速转矩发生在自动导引小车携带工件，从静止以阶跃指令加速 到伺服电机最高转速 时。这个最大空载加速转矩就是伺服电动机的最大输maxn 出转矩 。maxT （2-14）maxax223.140165.89.91076J Nmt 加速时间 （2-15）4.aMTs 其中 机械时间常数 19Ms 2.4联轴器的设计 由于电动机轴直径为 8mm，并且输出轴削平了一部分与蜗杆轴联接部分 轴径为 12mm，故其结构设计如图 2-6 所示。 电 机 轴蜗 杆 轴 图 2-6 联轴器机构图 联轴器采用安全联轴器，销钉直径 d 可按剪切强度计算，即 4 12 （2-16）8mKTdDZ 销钉材料选用 45 钢。查表 5-2 优质碳素结构钢（GB 699-88）5 45 调质 200mm =637MPa =353MPa =17% bss =35% 硬度 217255HBS 20.39kMJ 销钉的许用切应力为 （2-17）.780.75634.75BMPa 过载限制系数 k 值 查表 14-4 取 k=1.6 4 T=0.321Nm 81.6570.643.2.dm 选用 d=5mm 满足剪切强度要求。 2.5蜗杆传动设计 1.选择蜗杆的传动类型 根据 GB/T 10085-1988 的推荐，采用渐开线蜗杆(ZI)。 2.选择材料 蜗杆要求表面硬度和耐磨性较高，故材料选用 40Cr。蜗轮用灰铸铁 HT200 制造，采用金属模铸造。 3.蜗杆传动的受力分析 确定作用在蜗轮上的转矩 T2 按 Z=1，估取效率 =0.7,则 4 （2-66622 120.879.5109.509.523508PPT Nmnni 18） 图 2-7 蜗轮-蜗杆受力分析 各力的大小计算为 （2-19）1125876.2taTFNd （2-20）2130.at 13 （2-21）0012tan6.tan2.8rFN 4.按齿根弯曲疲劳强度进行设计 根据开式蜗杆传动的设计准则，按齿根弯曲疲劳强度进行设计。蜗轮轮齿 因弯曲强度不足而失效的情况，多数发生在蜗轮齿数较多或开式传动中。 弯曲疲劳强度条件设计的公式为 4 （2-22）221.53FaKTmdYz 确定载荷系数 K4 由于工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数 K=1，由表 11-15 选取使用4 系数 KA=1.15。由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 KV=1.1,则 （2-23 ）1.5.1265AVK 由表 11-8 得，蜗轮的基本许用弯曲应力 4 34FMPa 假设 31048，蜗轮的当量齿数 26z= 14 （2-24 ）23362.29cos10Vz48 根据 ， ，从图 11-19 中可查得齿形系数 20 x26.9z 2.3FaY 螺旋角系数 （2-25 ）1.9740Y140 2 3.53625834.md m 由表 11-2 得 4 中心距 a=50mm 模数 m=1.25mm 分度圆直径 12.d2315md 蜗杆头数 直径系数 17.92 分度圆导程角 =31138 z 蜗轮齿数 变位系数2620.4x 5.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 1）蜗杆 轴向齿距 （2-26）3.15.9apmm 齿顶圆直径 （2-27）*12421.54.9dh 齿根圆直径 （2-*1 .0.21.75fac m 28） 蜗杆轴向齿厚 （2-29）13.4125.962asm 2）蜗轮 传动比 （2-30）21zi 蜗轮分度圆直径 （2-31）2.567.dmm 蜗轮喉圆直径 *21.250.48.1ahax m （2-32 ） 蜗轮齿根圆直径 *227.51.0.4257.4fdmhxc （2-33 ） 蜗轮咽喉母圆半径 （2-228.9gardm 34） 6.精度等级公差和表面粗糙度的确定 15 考虑到所设计的自动导引小车属于精密传动，从 GB/T 10089-1988 圆柱蜗杆、 蜗轮精度中选择 6 级精度，侧隙种类为 7.热平衡核算 由于该蜗轮-蜗杆传动是开式传动，蜗轮-蜗杆产生的热传递到空气中，故无须 热平衡计算。 2.6轴的设计 2.6.1前轮轴的设计 前轮轴只承受弯矩而不承受扭矩，故属于心轴。 图 2-8 前轮轴结构 1.求作用在轴上的力 自动导引小车的前轮受力，受力如图 2-9a)所示。 CF180.4.22N = 2.轴的结构设计 1）拟定轴上零件的装配方案 装配方案是：左轮辐板、右轮辐板、螺母、套筒、滚动轴承、轴用弹性挡 圈依次从轴的右端向左安装，左端只安装滚动轴承和轴用弹性挡圈。这样就对 各轴段的粗细顺序作了初步安排。 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 (1)初步选择滚动轴承。自动导引小车前轮轴只受弯矩的作用，主要承受径 向力而轴向力较小，故选用单列深沟球轴承。由轴承产品目录中初步选取单列 深沟球轴承 6004，其尺寸为 dDT=20mm42mm12mm,故 。20dm 16 右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得 6004 型轴承的定位轴 肩高度 h=2.5mm，因此取 。25dm (2)取安装左、右轮辐处的轴段的直径 ;轮辐的左端采用轴肩定位，30dm 右端用螺母夹紧轮辐。已知轮辐的宽度为 34mm，为了使螺母端面可靠地压紧 左右轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取 。左右轮辐的左段采用2l 轴肩定位，轴肩高度 ，取 h=3mm，则轴环处的直径 。轴环0.7hd 36Vd 宽度 b1.4h，取 。5Vlm (3)轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为 GB 894.1-86 20，其尺寸为 ,故02d , , 。19 1.l 31.9lm 其余尺寸根据前轮轴上关于左右轮辐结合面基本对称可任意确定尺寸，确定 了轴上的各段直径和长度如图 2-8 所示。 3）轴上零件的周向定位 左右轮辐与轴的周向定位采用平键联接。按 d由手册查得平键截面 bh=8mm7mm (GB/T 1095-1979),键槽用键槽铣刀加工，长为 28mm(标准键长见 GB/T 1096- 1979),同时为了保证左右轮辐与轴配合有良好的对中性，故选择左右轮辐与轴的 配合为 H7/n6。滚动轴承与轴的周向定位是借过度配合来保证的，此处选轴的 直径尺寸公差为 j7。 4）确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴端倒角为 145，各轴肩处的圆角半径为 R1。 3.求轴上的载荷 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。根据轴的计算简图作出轴的弯矩 图。 McFF1 F2M 图 2-9 前轮轴的载荷分析图 12180.4.2FN1239Lm 139576.8CL 4.按弯曲应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩的截面强度。最大负弯矩在截 17 面 C 上 ， 。1576.38MNm 对截面 C 进行强度校核，由公式 4 （2-35）1caMW 由表 15-1 得，45 钢 调质 4 60Pa 由表 15-4 得， （2-36） 2 23 3 3840.18.42btdWm 1576.9caMPa 因此该轴满足强度要求，故安全。 2.6.2后轮轴的设计 后轮轴在工作中既承受弯矩又承受扭矩，故属于转轴。 图 2-10 后轮轴结构 1.求后轮轴上的功率 、转速 和转矩2P2n2T 取蜗轮-蜗杆传动的效率 =0.7,则 （2-37）20.87.056KW .5minr238Nm 2.作用在蜗轮上的力 2163.8tFN2.aF2460rF 18 3.初步确定轴的最小直径 先按式（15-2 初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢，调质处理。4 根据表 15-3 ，取 =115，于是得0A （2-38）233min00.5611.7Pdm 后轮轴的最小直径是安装轮辐处轴的直径 。由于轮辐与轴采用键联结，d 故 。26d 4.轴的结构设计 1)拟定轴上零件的装配方案 装配方案是：蜗轮、套筒、深沟球轴承、轴用弹性挡圈依次从轴的左端向 右安装；右端安装深沟球轴承、透盖、内轮辐、轴端挡圈从右端向左安装。 2)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 (1)初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单 列深沟球轴承。单列深沟球轴承 6206，其尺寸为 dDT=30mm62mm16mm， 故 。30dm 右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得 6206 型轴承的定位轴 肩高度 h=3mm,因此，取 。36d (2)轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为 GB 894.1-86 30,其尺寸为 ，03dm 故 ， 。28.6dm 1.7L (3)取安装轮辐处的轴段的直径 。轮辐的宽度为 27mm,为了使轴26dm 端挡圈可靠地压紧轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取 。26lm 其余尺寸根据零件的结构可任意选取。确定了轴上的各段直径和长度如图 2-10 所示 。 3)轴上零件的周向定位 蜗轮与轴的周向定位采用平键联接。按 由手册查得平键截面d bh=8mm7mm,键槽长为 25mm。轮辐与轴的配合为 H8/h7。 4)确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴端倒角为 145，各轴肩处的圆角半径为 R1。 5.求轴上的载荷 后轮轴上的受力分析 2-11a)。 L1=L2=27.5mm L3=41mm 1)在水平面上后轮轴的受力简图为 2-11b)。 19 由静力平衡方程求出支座 A、B 的支反力 121263.81.9NHtFN 三个集中力作用的截面上的弯矩分别为 1.975.DMLm 0HABM 图 2-11 后轮轴的载荷分析图 2)在垂直面上后轮轴的受力简图 2-11c)。 由静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，将截面左边外力向截面简化，得AD (2-42)1130.578NVMFxx1 1027.5x 在 段中，同样将截面左边外力向截面简化，得B (2-43)2122.NVraFM.2 2 30578301.57846057.64x 在 段中，同样将截面右边外力向截面简化，得BC (2-44)333157.MxFx3041x 0VAC .82.9.5D Nm 167540182.67V .BM 21 计算 A、B、C、D 截面的总弯矩 M 0M2221173.5893.154.8HDV Nm (2-45) (2-46)22273.50.6047.DHVBVNm 后轮轴上的转矩 2358T 6.按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面 D）的强度。 由式（15-5） 得4 (2- 2 22 207.85.635081.4DcaMT MPaW 47) 其中， 为折合系数，取 =0.6 为轴的抗弯截面系数，由表 15-4 得4 2 23 3 3804.108.42 3btdt m 选定轴的材料为 45 钢，调质处理，由表 15-1 查得 160MPa 因此 ，故安全。1ca 2.7滚动轴承选择计算 2.7.1前轮轴上的轴承 要求寿命 ，转速 ，轴250hL101028.96min3.4nrd 承的径向力 ，轴向力 。4.rFNaF 1 由上述条件试选轴承 试选 6004 型轴承，查表 16-2 4 9.38rCk05.2rCkNlim150innr 22 2 按额定动载荷计算 由式 (2-48)4 601hnLCP 对球轴承 =3， (2-49)PraPrfXFYf 查表 13-6 自动导引小车 4 1.2 代入得 408.54N 368.98.507930C 故 6004 型轴承能满足要求。 3 按额定静载荷校核 由式 (2-50)0CSP 查表 13-8 ，选取 =240S (2-51)04.2rarPXFYN 代入上式， 满足要求。052280CN 2.7.2蜗杆轴上的轴承 要求寿命 ，转速 ，轴承的径向载荷250hL140.5minnr ，作用在轴上的轴向载荷 。1.4rFN 6.aFN 1由上述条件试选轴承 选 30203 型轴承，查表 5-24 5 （脂润滑） 9.8Ck013.2Cklim90innr035e 图 2-12 蜗杆轴上的轴承受力 2按额定动载荷计算 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 满足要求。1198N 3按额定静载荷校核 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 ，满足要求。013C 4极限转速校核 由式 (2-53)max12linf ，由图 15-5 得 1290.58.62PC5f ，由图 15-6 得 1.7arF520.fmax10.94minnr ，由图 15-5 得 213.48.6790PC51f ，由图 15-6 得 2.arF52f max2190minnr 小于 和 满足要求。nmax1 2.7.3后轮轴上的轴承 要求轴承的寿命 ，转速 ，轴承 A 的径向载荷250hL2.75minnr ；轴承 B 的径向载荷211631.9.80rNHVF N ；轴向载荷为 。222 631.9r 65.2aFN 由于轴承 A 承受的载荷大于轴承 B 的载荷，故只需对轴承 A 进行校核。 1 由上述给定条件试选轴承 试选 6206 型轴承，查表 15-19 5 （脂润滑）4.9CkN01.CkNlim950innr 2 按额定动载荷计算 由式 61hLP 25 对球轴承 ，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 自动导引小车 5 .2Pf 代入得 784N 3602.508416.59101C 故 6206 型轴承能满足要求。 3 按额定静载荷校核 由式 0CSP 查表 15-14 ，选取 501S 由 .93arF 查表 15-19 ， 时， 50.8arF01,XY 得 7rPFN 代入上式， 满足要求。001CNS 4 极限转速校核 max12linf 由 查图 15-5 840.56319PC51f 查图 15-6 6.2.7arF52f 代入 max190minnr 满足要求。ax2.5ir 26 第三章 控制系统的设计 3.1 控制系统总体方案 本系统使用 AT89C51 单片机作为核心的控制运算部分。连接在电机上的数 字编码器在电机运转时发出的脉冲信号，经过自行设计和制作的脉冲鉴向电路， 可以得到电机的运转方向；来自鉴向电路的正反方向的脉冲信号进入到两块 8253 计数器进行计数，以获得电机的旋转速度和位移；经过在 AT89C51 单片 机上运行的各种控制程序的适当运算以后，输出的控制量经过两块 DAC1208 转 换器变成模拟量，输出到两块 UC3637 直流电动机脉宽调制器，通过 H 桥开关 放大器，作为执行机构的速度或者力矩给定，从而控制电机的运转，使整个 AGV 自动导引小车能够完成所设计的控制任务。 整个控制系统的组成框图如下： 图 3-1 控制系统的组成框图 3.2 鉴向 伺服电机根据控制要求能够工作在四个不同的象限，作为系统的状态检测 27 部分，必须能够检测电机的转速及分辨电机不同的旋转方向。安装在电机旋转 轴上的数字编码器在电机运转时能够产生相位相差 90 度的两路脉冲信号，电机 的旋转方向可以由鉴向电路对此两路脉冲进行鉴向后获得，其原理如图 3-2 所 示。V 图 3-2 鉴向原理 伺服电机反转时，A相脉冲超前于B相脉冲90度，在 cp十端输出反向计数脉 冲，当正转时，B相脉冲超前于A相脉冲90度，在 cp一端输出正向计数脉冲，见 图3-3中的 (b)和(c所示，分辨出的脉冲进入脉冲计数电路进行计数，再由计算 机读入进行处理。其电路图见图3-3中的(a)所示。 图 3-3 电机转向分辨电路 本次设计使用的数字编码器为500P/ R ,即电机每旋转一周输出500个脉冲,电 机到车轮的减速齿轮的减速比为62 : 1 ,因此车轮每前进或者后退一周产生 50062 即31000个脉冲,可见分辩率非常高。编码器的脉冲输出为差动形式,鉴向 电路接收差动形式的脉冲信号,鉴向后输入到8253计数器。 3.3 计数的扩展 为了得到驱动轮运转的速度、位移等,而数字编码器的输出经过鉴向电路提 供的是电机的正转和反转脉冲,必须对这些脉冲分别进行计数、运算才能得到所 要的速度、位移等状态量。本系统中使用了两块8253计数器,每块芯片具有三个 28 16 位计数器。四个独立的计数器即1# 、2 # 、3 # 和4 # 分别用于两台电机的 正/ 反转脉冲的计数。 8253可编程定时器计数器可由软件设定定时与计数功能，设定后与CPU 并行工作，不占用CPU时间，功能强，使用灵活。它具有3个独立的16位计数器 通道，每个计数器都可以按照二进制或二十进制计数，每个计数器都有6种工 作方式，计数频率可高达2MHz，芯片所有的输入输出都与TTL 兼容。 8253的内部结构框图如图3-4所示；引脚如图3-5所示。 图3-4 8253内部结构框图 图3-5 8253引脚图 U6地址为：8000H计数器0 8001H计数器1 8002H计数器2 8003H 控制字 U7地址为：6000H计数器0 6001H计数器1 6002H计数器2 6003H控 制字 U6读/写控制逻辑接线： ， ， ；4CSY0QA1 U7读/写控制逻辑接线： ， ， 。3 U6芯片中计数器0和计数器1用于左轮电机正反转计数，并处于工作方式 3。U7芯片中计数器0和计数器1用于右轮电机正反转计数，并处于工作方式 3。 在中断服务程序中,这四个计数器