AGV自动导引小车的设计

XXXXXXX 毕 业 设 计 题 目 AGV 自动导引小车的设计 英文题目 the Design of AGV Automatic Guided Vehicles 院 系 专 业 姓 名 年 级 指导教师 二零一五 年 六 月 本科生毕业论文 设计 独创性声明 本人声明所呈交的毕业论文 设计 是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 本论文中没有抄袭 他人研究成果和伪造数据等行为 本科毕业设计答辩稿与学校提交的相似度检 测文本完全一致 论文 设计 作者签名 日期 指 导 教 师 签 名 日期 本科生毕业论文 设计 使用授权声明 九江学院有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文 设计 的复印件 和磁盘 允许毕业论文 设计 被查阅和借阅 本人授权九江学院可以将本科毕 业论文 设计 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩 印或其他复印手段保存 汇编毕业论文 设计 论文 设计 作者签名 日期 指 导 教 师 签 名 日期 摘 要 AGV 是自动导引小车 Automated Guided Vehicle 的英文缩写 它是指 电磁或光学自动导引装置的设备 能按照规定的行驶路径 并具有安全保护功 能的作用 本次设计主要对自动导引小车的发展历史 种类以及小车结构设计 和小车的技术参数进行说明 提出 AGV 导引小车设计的研究内容 然后说明自 动导引小车总体设计 对于传感器的选用及规格参数也进行详细的论述及说明 在自动导引小车的机械设计部分中对车轮轴和轴承的选取和校核进行了比较全 面的分析 这也是本次设计的主要部分 然后再从小车的结构出发 用 Pro E 对小车进行三维建模 详细伺服驱动电动机的选取 齿轮的设计与选取 还有 驱动方式和车轮的选择 最后说明传感器的布置 接着对自动导引小车的驱动 系统和行驶过程也进行了比较全面的分析论述 分析小车在行驶过程中的驱动 力 行驶阻力 行驶的附着条件与附着率 以及主减速比的选择和电源部分选 择 这些都用来提高小车的性能 最后说明本次设计的结论和展望 在目前自 动化的物流系统当中 自动导引小车将能够充分发挥其高效率 高灵活性以及 经济性比较好的一些优点 关键词 AGV 自动导引小车 行走策略 传感器 电机驱动 I Abstract AGV is homing car Automated Guided Vehicle of English abbreviations It refers to the equipment of electromagnetic or optical automatic guiding device can drive path in accordance with the relevant provisions and have the function of the safety protection function This design mainly development history kinds of automatic guided vehicles and the car structure design and technical parameters of the car research content for the design of AGV guided the car Then explain overall design of automatic guided vehicles for the selection of sensors and the specification parameters are also discussed in detail and instructions In the mechanical design of the automatic guided vehicles parts and check the selection of car axle and bearing has carried on the comprehensive analysis it is also the main part of the design and then from the structure of the car car in Pro E 3 d modeling detailed selection of servo motor gear design and selection and drive mode and the choice of the wheel and pointed out the arrangement of sensors Then the drive system and the driving process of automatic guided vehicles is also carried on the comprehensive analysis this paper analysis the car in the driving force in the process of driving driving resistance adhesion conditions of road and adhesion rate as well as the selection of main reduction ratio and the power part these are used to improve the performance of the car Finally II the conclusion and outlook of the design are described In the current logistics system of automation automatic guided vehicles will be able to make full use of its high efficiency high flexibility and economy better some advantages Key words AGV automatic guided vehicle walking strategy sensor motor drive III 目 录 前 言 1 第一章 绪论 2 1 1 关于 AGV 的说明及研究 2 1 2 AGV 的种类 2 1 3 国内外 AGV 发展历史及趋势 3 1 4 AGV 的结构 3 1 5 AGV 小车主要的技术参数 5 1 6 课题研究内容 6 第二章 AGV 总体设计 7 2 1 AGV 机构部分 7 2 2 AGV 电控部分 8 2 2 1 传感器的选用 8 2 2 2 AGV 的控制部分 11 2 2 3 AGV 的执行部分 12 2 3 本章小结 14 第三章 AGV 机械部分的设计 15 3 1 AGV 机械结构的设计 15 3 2 AGV 小车机械结构与建模 16 3 2 1 三轮布置的 AGV 小车结构与其建模 16 3 2 2 四轮布置的 AGV 小车结构与其建模 18 3 3 伺服驱动电动机的选取及其参数 21 3 4 减速器的使用范围及选取 25 3 5 轴的设计及其参数的计算 26 3 5 1 轴的设计方法 26 3 5 2 驱动后轮轴的设计 27 3 5 3 车轮轴的受力分析和校核 28 3 5 4 车轮轴承的受力分析和校核 29 IV 3 6 齿轮的设计和选取 31 3 7 驱动方式的选择和车轮的选择 33 3 8 本章小节 34 第四章 AGV 驱动系统的设计 35 4 1 驱动系统的部件 35 4 2 AGV 行驶过程的分析 36 4 2 1 AGV 小车行驶阻力的计算 36 4 2 2 AGV 小车行驶驱动力的计算 38 4 3 AGV 行驶的附着条件与附着率分析 38 4 4 主减速比的选择 40 4 5 电源的选择 42 4 6 本章小节 43 第五章 结论 44 参考文献 45 谢 辞 47 0 前 言 随着经济社会的发展 自动化的设备越来越得到人们的青睐 首先 自动 化的设备能使企业的生产操作更加人性化 更加的快捷方便 其次采用自动化 的设备可以把一些比较繁重的体力劳动交给自动化的设备来进行处理 这样可 以极大地提高企业的劳动生产率 降低企业的生产成本 还有自动化设备有助 于提高社会生产力 系统推动工业飞速发展 提高生产能力 工作质量 使工 作地的安全性和可靠性都能得到显著的提高 而且调整和维修方便 目前 在自动化设备的发展过程中 企业越来越看重自己的生产成本与生 产效率 自动导引小车就是结合企业在自动化生产中的这个需求得到了广泛的 应用和发展 本次设计的课题是 AGV 自动导引小车设计 主要针对自动导 引小车的传感器 车轮轴与轴承 伺服电动机 传动齿轮进行了详细的论述和 分析 对它们选取过程以及校核等进行了说明 其次重点针对自动导引小车行 驶过程中所受到的各种力以及小车行驶条件进行了详细的说明 这也是本次设 计研究的重点问题 更多的细节问题将会在下面的章节中进行更为细致的讨论 1 第一章 绪论 1 1 关于 AGV 的说明及研究 AGV Automatic Guided Vehicle 自动导引 AGV 小车 自动导引小车不仅 可以用于物料的输送 而且具有装载货物的功能 还可以全自动移动到另一个 地方 把所载的货物自行能够卸下来的一个智能自动化的小车 自动导引小车 通常以电池作为其的动力的提供者 但现在有些制造商使用非接触能量传输系 统作为 AGV 小车的动力源 自动导引小车运动特性跟其它车辆一样采用的是轮 子 与其它不是以轮子运动为特性的 爬行或者是步行机器人 相比较 AGV 小车不管是在其速度上 工作效率上 还是在其结构上优点都是比较突出 而 且控制性和操作性比较简单 安全性方面也是特别可靠的 AGV 小车还有一个 比较好的优点是如果在其使用的路径上有其它的运输设备 则这些设备不需要 另外铺设轨道或者是其它的一些装置 而且小车对场地的宽度 道路和空间的 使用相对来说都是比较低的 所以在现在企业比较自动化物流的一些系统中 自动导引小车的性能发挥的特别好 而且显现出其无人操作的自动化的高水平 自动导引小车一些自动化的动作也就是命令 还有它工作过程中行走的路径都 是由电脑来进行操作控制的 有的一些小车以电磁轨道作为它的行进路径 在 现在自动化的运输物流过程的系统中 搬运和装卸是无非是一个比较关键的节 点 因为它在物流运输过程中使用的次数是最多的 也是物流费用中占比比较 大的部分 正是因为自动导引小车的自动化程度比较高 不仅能够充电 而且 外表精巧简洁 所以可以将企业的侧面形象提升到另一个层面 综上 自动导 引小车是作为一种工具 在各种场合都可以配上它来使用 其发展势头非常好 所以 AGV 小车的发展的速度也非常快 1 2 AGV 的种类 自动导引小车的种类 无轨型和有轨型两种 在地面上或者在一定的空间中具有机械式导向的轨道称为是有轨型的自动 导引小车 有轨型的自动导引小车的结构比较牢靠 承载的能力也比较大 成 本不高 尤其是无轨型的技术方面相对来说比较成熟以及可靠性好 定位的准 2 确精度较高 在直线或环线的双向物流系统中经常用到 自动沿着电脑预先设 置好的路径工作的小车称为无轨型的自动导引小车 1 3 国内外 AGV 发展历史及趋势 自动导引小车首先在美国起源 然后在欧洲发展 接着在日本发展 最后 来到了中国 1913 该公司第一次使用美国福特汽车引导车跟踪 这是 AGV 自 动导引车的早期发展 经过美国福特汽车公司以后 AGV 小车在英国得到了很 快的提高 电磁导引的自动导引小车就是英国最先研发出来的 原先得 AGV 小 车需要铺设轨道 而电磁导引使用使 AGV 小车摆脱这些缺点 因此 AGV 的运用 变得更加的简单 到了 60 年代初期 自动导引小车在欧洲经济的推动下使其得 到了更好的推广和应用 到了 80 年代 日本对这一方面进行了进一步的研究 这样便推出了拥有磁导航技术的自动导引小车 使得自动导引小车的稳定性大 大得到了提升 自动导引小车也大量运用在了汽车领域 而且随着中日企业的 深入交流 我们国内的很多企业也感觉到自动导引小车不仅能为企业节省人力 而且还能节省不必要的成本 以及提高工作的效率具有非常好的效果 因此近 些年来自动导引小车在国内也得到了很快的发展 从自动导引小车各个技术层 面来看 其最为关键也最为重要的一项技术自动导引技术 磁感应导引现在得 到了非常广泛的应用 现在一些企业采用的主要是激光导引 而视觉导引也引 起了人们的高度关注 现在惯性导引 超声波导引和磁钉一陀螺导引也引起了 人们非常大的兴趣和关注度 1 4 AGV 的结构 引导 AGV 小车的原理是通过电脑预先进行编程小车所要行走的路径 小车 在行走的时候 当电压由数字编码器和预编程的轨迹的位置被检测到偏差信号 时 控制器会根据检测出的偏差信号对电动机的转速进行调整 然后偏差将会 被纠正 这样会让 AGV 小车能根据预先设定的路径运动 因此 小车在行驶过 程中 数字编码器需要连续检测来调整电机的速度 避免出现偏差以对整个系 统进行很好的控制 自动导引小车通过两个固定式的后轮驱动使其能够运动 转向功能是通过 差速来保证的 万向轮是两个前轮 它的作用除了转向外还有支撑跟平衡的作 3 用 这是四轮结构的形式 自动导引小车主要包括车体 车架 车轮 载荷传 送装置 驱动装置以及动力系统六个大的部分 下面是每个部分的介绍 1 车体 由底盘 车架 壳体 控制室和相应的机械电气结构构成了整个车体 是 AGV 的基础部分 结构特征与一些电动车辆的相似 而且能够自动作业没有人 驾驶小车的一些要求 车架焊接一般用钢构件而 如果小车的重心比较低 那 么小车的抗倾翻能力就比较高 2 车架 车架是整个自动导引小车的支架 轮子 光感应器 伺服电机和减速器等 都安装在车架上 车架设计的基本要求是它的强度和硬度都要比较大 所以车 架材料一般选用铸造铝合金 以为铸造铝合金质量比较大 在焊接的时候性能 也比较好 3 车轮 一般用实心的橡胶轮胎作为自动导引小车的车轮 4 载荷传送装置 自动导引小车的载荷传递装置是一种平板的结构 通过荷载传递装置运输 箱型的东西到指定位置 也可以运输材料等 5 驱动装置 驱动装置是自动导引小车的驱动运行系统 能对小车的速度和制动进行控 制 驱动电机 减速器 电机 控制与驱动器都是驱动装置所包含的 其一般 是闭环和开环两种模式 以交流伺服电机为主的闭环模式 步进电机为主的是 开环模式 6 动力系统 现在蓄电池是自动导引小车动力系统驱动能量的来源 用蓄电池的电能转 化为机械能驱动小车以及车上的附属设备按照预先设定轨迹行进 根据车型的 不同 以及不同车型的运行和载荷量的不同会有不同功率的蓄电池组合体 一 般交流电压有 12V 24V 48V 及 72V 4 1 5 AGV 小车主要的技术参数 图 1 1 自动导引小车实物结构图 1 AGV 小车的额定载重量 车体上总的物体的重量 2 AGV 小车自重 指 AGV 小车与其车上电池加起来的重量 3 AGV 小车的尺寸 是指小车的长度尺寸 宽度尺寸 外部的高度尺寸 这个尺寸应与 AGV 小车所放东西的尺寸以及小车所经过的道路的宽窄相兼容 4 停位的精度 指 AGV 小车的停车的位置与预先设定好的位置的差值 5 AGV 小车最小转弯半径 在空载时的最低稳定转速转向 瞬时转向 中心到汽车纵向中心线的距离 最小转弯半径是由车辆曲线确定 半径越小 显示其良好的可操作性 6 运行速度 自动导引小车在汽车在额定负载下运动达到的最高速度就 是其运行速度 AGV 小车的工作周期多少和效率的好坏都是由运行速度来决定 的 7 工作时间 指自动导引小车完成工作周期所需的时间 8 运载类别 指自动导引小车所运输的物料的类型 9 移载方式 指自动导引小车以其它装置来进行行走和转向功能的一种 运动形式 10 驱动形式 指自动导引小车以其它装置为其提供驱动行驶和进行转 向 5 1 6 课题研究内容 自动导引小车是智能化的汽车技术 作为目前一种较为重要的自动化设备 在当前企业物流系统中已被广泛应用于各个方面 本次设计主要从 AGV 的机械 部分的设计出发 得出总体设计的一些指标 然后再对其驱动系统进行分析 得到驱动方式跟车轮的选择以及驱动系统部件的选择与校准 6 第二章 AGV 总体设计 2 1 AGV 机构部分 上一章讲到载荷传送装置 车架 车体 驱动装置 动力系统和车轮是 AGV 的主要组成部分 自动导引小车的基础部分是车架和相应的机械部分和电 气部分 也就是车体的部分 车架设计的基本要求是它的强度和硬度都要比较 大 一般用 1mm 3mm 钢焊接钢板或铝合金板 可以减少汽车的重量 要防侧翻 则取决于小车的重心 自动导引小车一般用 12V 24V 48V 及 72V 电池作为其能量以驱动小车 电池要确保其工作至少 8h 多 由于不同的工作和不同的工作环境的影响 其应 该满足基本的要求 自动导引小车驱动命令由计算机发出 驱动的速度大小以 及方向都是由计算机来进行控制的 在工作的过程中可以用不同的方法来调整 速度 AGV 小车在不同的工作状态下所要求的行驶速度是不一样的 高速直线 转停 接近站点时 sm 1sm 6 0 2 sm 1 0 一般由地面控制器发出的控制指令系统 它将通过通信系统返回地面控制 器 连续模式和分散模式是通信系统中两种主要的模式 连续模式的通信系统 可以在任何位置以允许自动导引小车在任何时间相对地面控制器可以使用射频 的方法 或在通信电缆导向路径中发送和接收信息 如用红外激光通信法 分 散模式的通信是系统在 AGV 小车计划好的地方与地面控制器传送 其一般通过 感应光或者是利用光学的方法来实现 当 AGV 小车与地面控制站得不到联系的 时候说明两者通信之间存在故障 之所以现在很多车用这个原因是由于分散模 式相对于连续模式价格比较便宜 对 AGV 自动 导引小车安全性来说 其安全 性首先关系到 AGV 小车本身的一些基本防护 最主要的是对人不会产生危险的 状况 还有就是对一些地面设备和物品的保护到位 自动导引小车的导引方式可分为两大类 一类是配备一个路径的导引装置到 小车上 而把引导传感器放置在小车所要运行的路径上 其中电磁导引的方式 就是这样的 另一类是没有固定方式的自由路径进行导引 通过计算机的控制 AGV 小车自动调节方位 然后自主地决定所要行驶路径 7 2 2 AGV 电控部分 2 2 1 传感器的选用 1 红外线传感器的选用 1 下面是红外传感器导引路径原理 由于地面的颜色和色带的颜色是不一样的 把地面颜色和色带的颜色对比 黑 色带选择在光线明亮的地面 白色带选择在光线灰暗的地面 自动导引小车配 备的光源可以照亮色带 根据下图 2 1 可以形象的看出 小车上的光源经过反 射后 通过光传感器进行接收 然后由传感器到达检测回路进行检测 当检测 到小车行走的路径有偏差时 再到运算回路进行偏差的计算 最后到达驱动回 路进行控制然后对小车的运行路径的偏差马上进行一个纠正回到原来的位置 因此 自动导引小车其可以始终沿着设定好的色带的轨迹运行 固态红外发光 二极管和固态光敏二极管 或光敏三极管 都属于红外线光电传感器 图2 1 光学导引原理图 2 红外线导引路径的方法 方法一 发光利用的是发光二极管 接收利用的是光敏二极管 黑带用来吸收可见光 所以发光二极管发出的光到黑带将会被吸收 输出 端的电平比较低的原因是光敏二极管检测到的信号为高阻抗所导致的 光敏二 极管接收到反射的可见光信号后其为低阻抗 输出端此时为高电平 这个可见 光是由发光二极管发出的 由于环境对可见光光敏二极管有一定的影响 所以 其电路的稳定性不是很好 方法二 可见光用光敏电阻接收进行检测 8 该电路采用T型网络 可以避免比较大的反馈电阻 也可以提高其输入的阻 抗 可见光信号由光敏电阻检测 光敏电阻的检测到黑带输出端的电平相对较 低 光是电路的输出是比较高的 信号反馈给单片机 由点偏激控制小车的转 向 由正负电源 加上环境对光敏电阻的影响 其电路的稳定性也不是很好 方法三 红外线发射用红外发射管 接收用红外线二极管进行 耦合发射和接收红外线信号 外面的可见光红外光敏三极管接收到的信号 和辐射源输出隔离信号影响不大 变成电压信号以后 通过LM399红外信号接收 机进行比较 具有的高电平或者低电平最后回到了单片机 3 具体设计的要求 根据价格便宜 易于实现 可靠性好的这三个原则 因此通过方法三 AGV 小车的稳定性能得到提升 当出现较低的电平说明红外收发器遇到了黑带 要 不然就是较高的电平 由程序控制AGV小车的方向是在中断查询的模式下进行的 不同的传感器会有不同的应用程序 其检测即感应的范围从几毫米到几米 远的范围 通过合理的选择 使用 反射式红外线传感器 因为这个FS359 传感器相对于其它传感器安装比较简单 并且为了满足垂直距离 的检测10cm 5 目的 通常来说一般的红外线传感器做到这一点是比较难的 在电流 发A4 射过程中使用 没有强烈的阳光 房间里的荧光灯 距离可达8cm进行干扰检测 完全可以满足探测距离要求 2 超声波传感器的选用 1 超声波感器避免碰撞的原理 超声波发射后当遇到障碍物时 其波将会被反射回来 通过把超声波发射 波和接收被反射回来波的总的时间 测得 则可求出距离 此距离就是t Ct 2 S 超声波所测的距离 其中 为超声波的波速 我们知道由于温度的变化会影C 响超声波的波速 所以在使用的时候 超声波波速保持基本不变的前提温度 变化的范围比较小 否则就要加以纠正 一般用温度补偿的方法予以纠正温度 下图2 2是超声波测距仪原理框图 9 图2 2 超声波测仪原理图 2 超声波模块功能介绍 1 根据三种不同的测距模式来选择跳线 1J 短距 左右 中距 左右 可调距 其范围由可调cm80 cm40 8 节参数来选择 前两种模式都由由被测物表面的材料来进行选择 2 单模组和多模组的使用 单模组的使用 应用于测量与障碍物之间距离的实验 它是单传感器 多模组的使用 根据模组上提供的接口 由几个模组串联在一起组65J 成阵列式的传感器组 它是阵列式的传感器 3 应用方便 可用于小范围内的距离的测量 机器人检测 障碍物检测 可用于验证汽 车倒车雷达及家居安全系统验证中的应用方案 3 规格参数 超声波传感器的谐振频率 KHz40 模组传感器中的工作电压 V9 5 模组接口的电压 尺寸 cm0748 6 如下图 2 3 所示是自动导引小车导引系统传感器的安装位置 本次设计使 用五个红外线传感器 AGV 小车用于跟踪白色导引线的红外线传感器下图中间 的 2 号 3 号和 5 号 取黑色导引线宽为 100mm 那么灰度传感器 2 号 3 号和 5 号之间的距离也为 100mm 这样有利于更好的接收信息 当自动导引小车处于 垂直交叉路口或者在拐弯的地方时由左右两边的号和 4 号两个红外线传感器检 10 测来传递信息 图 2 4 所示导引系统局部放大图 右 前 轮左 前 轮 号 灰 度 传 感 器黑 色 引 导 带 图 2 3 导引系统安装位置图 图 2 4 导引系统局部放大图 2 2 2 AGV 的控制部分 自动导引小车的控制过程分析 当红外传感器接收到反射信号将被立即传 送给单片机 再由单片机判断有无反射信号然后进行处理 与此同时超声波传 感器也将信号传送给单片机 感应的时间通过单片机分析后进行处理 根据输 出的控制信号路径的综合分析 然后 AGV 小车的动作通过控制电路对控制信号 进行一定的放大后输入到电机后调整 整个控制过程无需光电编码器 在电动 机状态没有反馈的状态下 通过传感器输入整个信息 这个过程属于开环控制 其电控系统示意图如图 2 5 所示 图 2 5 电控系统示意图 信息源的多少是由开环控制的 在这里信息源和单片机分析分数据都是不 11 怎么多的 通常把单片机作为控制器普遍使用 单一的信息源造成输入的信息 是没有纠错能力是开环控制的主要的缺点 那么只有保证信息源的可靠性是开 环控制很好的一个方法 本次设计所使用的单片机是 AT89C51 其实物图如图 2 6 所示 AT89C51 单片机的优点是指令简单 外围电路和 I O 输入 输出操 作也比较简单 硬件设计方便 无方向寄存器 资源丰富 而且价格便宜 比 较容易购买 最后使整个自动导引小车完成所设计的控制任务 图 2 6 AT89C51 单片机 由此确定自动导引小车的设计总体思路 通过红外传感器作为导航 单片机 为控制器 电机差动式实现转向 根据预设路线 实现 AGV 导航定位策略的方 式及用最简单的设置 最少的器械部件 需要部件如下表 2 1 所示 表 2 1 名称 数量 红外传感器 4 超声波传感器 1 车体 1 交流电动机 2 蓄电池 2 电源稳压模块 1 控制电路 1 单片机 1 2 2 3 AGV 的执行部分 车轮机构的运动是在车轮驱动速度知道的前提下 通过小车的运行速度和 车轮角速度运动的机制来分析的 由自动导引小车汽车底盘结构的形式我们可 以确定小车的导向和驱动两个系统不能单独分开工作 本次自动导引小车的设 12 计采用的底盘为四轮式的底盘 后面的两个主动轮通过差速来进行小车的驱动 以及进行小车的导向 在这个过程中 车轮的转速是通过控制两个交流伺服电 机的电压来控制的 而这两个交流伺服电机是用来驱动两个主动轮 即小车后 面的两个轮子 转向是通过两个轮子的速度的不同来实现的 自动导引小车如 果需要停车时只需按下小车操作面板的紧急制动按钮开关来对车轮进行制动 小车的转向系统是通过使用红外线导引技术来执行的 以下分析自动导引小车 的转弯运动 图 2 7 是 AGV 小车在转弯时的情况分析 假设 AGV 小车质量分布是均匀的 并且以速度 匀速进行转弯 距离是 是 AGV 小车两个主动轮的间距 AGV 小VD 车转弯半径 为转弯圆心与两主动轮中心的距离 车轮半径为 为两R r21N 轮的转速 是车重 为小车与行驶路面的摩擦系数 可有 G RVDrNgR2 2 12 取 小车质量 约为 取摩擦系数 取smV 1 Gkg500196 通过后面章节选取 R0 图 2 7 小车转弯分析图 下面是自动导引小车在行进过程中的动作 1 直线行进时 直线路径一般是小车在比较长的直线通道上的快速行进 直线上的行走能 13 够节省时间 当检测到有弯道时将结束 2 特殊路径的行进 用于特殊路径的慢速前进 如在小车的行走中 由于导航白线折弯 前置 传感器丢失了白线 小车减速行走 当中置传感器检测到白线后 根据时间的 长短来判定 使小车向探测到白线的哪一个中置传感器方向转弯 直到两个前 置传感器回到白线上 当前置传感器检测到白线将结束此过程 其特点是两个 前置传感器同时在线外的时候 小车自动旋转寻回直线 3 左转弯时 用于向左的转弯 当小车在行进过程中需要左转弯时 此时小车左边的中 置传感器探测到白线 会使小车向左转弯 直到两个前置传感器回到白线上 前置传感器检测到白线将结束整个过程 4 右转弯时 用于向右的转弯 当小车在行进过程中需要右转弯时 此时小车右边的中 置传感器探测到白线 会使小车向右转弯 直到两个前置传感器回到白线上 前置传感器检测到白线将结束整个过程 5 停车时 用于停车 最后结束 2 3 本章小结 本章是自动导引小车总体设计 主要针对机构部分和电控部分作了详细的 说明 电控分别对传感器 控制部分和执行部分进行了讨论和分析 以及红外 传感器和超声波传感器的选择以及确定详细的规格进行了说明 还有传感器的 布局参数分析 14 第三章 AGV 机械部分的设计 3 1 AGV 机械结构的设计 自动导引小车在机械设计的总体规划根据不同的应用场合 它的外观造型 是尤为重要 如果小车的造型完美大气 那么在工作场合会给繁忙的人们一种 很好的亲和力和一定的安全感 缓解人们紧张的心里状况可能会有所帮助 所 以在小车机械结构设计中 需要注意它的外观造型 自动导引小车的整车框架是用来装配零件的主要的支撑支架 也是小车在 运行过程中比较重要的一个装置 其主要分为两部分 第一部分是主框架结构 是一个垂直的用于各种控制和通信设备的安装框架 也就是立体型的框架结构 第二个部分是副框架结构 驱动电机和各种传感器 还有小车的轮子就安装 在副框架上 为了维修和拆卸的方便 主框架结构和副框架结构之间的联结是 可拆卸的 自动导引小车的整车框架小车的主要部分 其对小车的整个车的精 度有非常大的影响 所以在设计过程 AGV 小车应保证 1 整个车的强度和刚度应该符合其加速和承载时的要求 2 确保小车强度和刚度的前提下来降低车身重量 这样一来可以更多加大 小车的承载货物的多少 3 为了使不发生侧翻或者危险的侧倾 尽量降低小车的重心 4 防止与其他物体发生碰撞 小车外面轮廓尽量不要出现突出的部分 所以为了更好地满足实际任务的需要 自动导引小车设计参数及性能指标 设计为 外型尺寸 m306920 额定载重 kg5 承载高度 行走车速 最高时速设定为 s 1 正常运行时速设定为 sm 83 0 2 机械传动方式 三轮布置结构和四轮布置结构 本次设计采用四轮布置结 构 15 充电方式 外置充电器 车轮直径 mD250 自动导引小车体外部其它一些辅助系统安装会对小车行驶和转向造成一定 的影响 为了使不发生侧翻或者危险的侧倾 尽量降低小车的重心 图 为1 3 车体实物外型 图 3 1 小车车体实物外型 3 2 AGV 小车机械结构与建模 自动导引小车机械结构尤为重要的部分 也是其核心的部分是它的轮系结 构 小车的最大运行速度 最小转弯半径以及小车的运行在导引路径的精度的 准确性等都受到了其轮系结构的直接影响 驱动轮 从动轮和转向机构是 AGV 小车轮系结构的主要组成部分 现在的 AGV 小车的常见结构根据 AGV 小车不同 的适用场合的不同以及性能的要求的不同现在比较常见的轮系结构有三轮布置 的结构和四轮布置的结构 利用前轮来进行转向和驱动轮的小车其轮系结构是 三轮布置的结构 利用两个驱动轮 差速转向或者前面两个轮子进行转向的小 车其轮系结构是四轮布置的结构 3 2 1 三轮布置的 AGV 小车结构与其建模 三轮布置结构的自动导引小车的结构布局具有优点是其机构的组成比较简 单 只要考虑车体的重心位置的合理性就可以了 而且车轮与地面的是否可以 接触不需要特殊的其它设备来保持 主要原因是三轮布置结构的小车前轮是一 个自由轮 两个后轮差速进行驱动 如图 3 2 所示 16 图 3 2 三轮布置结构图 用三维软件 Pro E 对小车建模 1 打开 pro e 软件 点击 文件 新建 零件 实体 mmns part solid 确定 然后选择 FRONT 作为草绘基准平面 通过拉伸 特征建立如图 3 3 所示车架的实体结构 图 3 3 2 选择合适的基准平面 通过拉伸特征 镜像特征建立如图 3 4 所示的 车轮 支架 轴的实体结构 图 3 4 3 选择选择合适的基准平面 通过拉伸特征 镜像特征 旋转特征 扫描 伸出项 特征建立如图 3 5 所示的转向轮电机 前轮 皮带轮 主 动轮电机 梯形带 轴承支架实体的结构 17 图 3 5 三轮布置效果图 三轮布置的结构的实体效果图如图 3 5 其一般用两个后轮作为其定向轮 保持不变 前面的一个轮子不仅用来驱动 AGV 小车的行驶 而且还用来 AGV 小 车的转向功能 可以 转动的万向轮 所配备的两个电机 一个装配在万 180 向轮是用来驱动小车的交流减速电机 另一个装配在车架上的是用来控制小车 方向的精度比较高的步进电机 所以三轮布置的前轮可以说是一个组合轮 由上我们可以得知三轮布置结构的小车的轮系结构机动性比较好 这种结 构通常用在路面不好的地方 其行走的方式以拖动型为主 三轮布置的优点是 机械构造和控制系统都比较简单 单价不怎么高 但是由于两个从动轮不能够 定向 通常把导向传感器装在整车的后边 向前的行走通常是三轮布置结构 其次由于三轮布置的结构是由 3 个轮子来支撑整车 因而在载重的时候应把货 物放在尽量放在小车的中心或者是后轮方向的地方 便能比较好的保持小车在 行进过程中的平衡性 但是三轮布置的缺点是如果 AGV 小车在运行的过程中速 度相对比较快 那么小车会受离心力的作用很容易发生侧翻的危险 所以三轮 布置的结构应用于低速场合将比较合适 3 2 2 四轮布置的 AGV 小车结构与其建模 目前很多自动导引小车其轮系结构采用的是四轮布置的结构 其通常以从 动轮作为为转向轮 驱动轮作为定向轮或者转向轮为驱动轮两种方式 跟三轮建模一样 打开 pro e 软件 点击 文件 新建 零件 实体 mmns part solid 确定 选择 FRONT 作为草绘基准平面 然后选 择选择合适的基准平面 通过拉伸特征 镜像特征 旋转特征 扫描 伸 出项 特征建立四轮布置结构的小车 第一种 从动轮为转向轮 驱动轮为定向轮 如图 3 6 所示 18 图 3 6 四轮布置结构图 1 从动轮作为为转向轮 驱动轮作为定向轮这种布置的四轮轮系结构是现在 比较多的一种结构 图 3 7 是这种轮系结构的效果图 与普通汽车的车身结构 在图中我们可以看出小车前面两个轮子为万向轮 它在这里作为转向轮来使用 在这里小车的转向角度通过步进电机来进行比较精确的控制 其转向传动可以 用传动带或者连杆 小车后面两个轮子为两个定向轮 在这里其作为驱动轮来 使用 这两个定向轮的驱动可以用两个电机分别进行 也可以在一个电机上安 装差速器来实现 使用两个电机的优点是当小车在运行的过程中有一个主动轮 没有接地空转 那么另外的一个电机提供的驱动力可以使小车继续正常工作 图 3 7 四轮布置效果图 1 由于小车的后面两个轮子是驱动轮 那么两个前轮转向的角度不要过大 但在小车转向角度要求不高时候可以用连杆传动机构来进行转向 采用这种四 轮布置结构的 AGV 小车的操作控制很简单 机械结构也不怎么复杂 但它一般 用于单向的运行 再加上后端作为驱动轮 所以四轮布置结构的小车最小转弯 半径是比较大的 第二种 转向轮为驱动轮 如图 3 8 所示 19 图 3 8 四轮布置结构图 2 以转向轮为驱动轮的轮系结构的自动导引小车现在企业使用的叉车的结构 是差不多的 所以这种轮系结构的小车也是市场比较常见的 其四轮布置效果 图如图 3 9 所示 在图中我们可以看出 这种轮系结构的 AGV 小车前面两个主 动轮即万向轮的转向角度用交流步进电机来进行控制 还可以在在两个主动轮 分别装备有驱动电机 这两个驱动电机是用来驱动轮子以带动小车运行 为了 保证两个轮子的转向的角同向且角度相同 可以用连杆传动机构来进行转向 当 AGV 小车的转弯半径要求不怎么大时可用转向电机带动同步带传动进行转向 图 3 9 四轮布置图效果图 2 由于此轮子结构的 AGV 小车的前轮不仅是驱动轮又是转向轮 那么它的后 轮部分的机械结构相对前轮来说简易了许多 为了增加小车的平稳性 在其后 面装备一个减震结构 减震结构如图 3 10 所示 与车体骨架相连的是一个活动 臂 活动臂与小车的部分减震的阻尼弹簧向连接 当小车行走在路面不平的地 段时 通过活动臂与阻尼弹簧的共同作用 可以减轻小车的抖动 也可以避免 其上面货物的滑落 还有为了减少小车的转弯半径 所以后面的两个轮子即从 动轮不能同轴转动 必须使内侧和外侧的车轮存在速度差可以解决这一问题 20 因而这种四轮布置的轮系结构小车在驱动和转向控制上一般都是比较自如的 比较小的转弯半径都是能够适应的 相对于第一种四轮布置的结构来说 第二 种必然增加了整车的小车机械部分的复杂性 所以这种结构的小车整车重量和 成本都是比较高的 图 3 10 减震结构 车体外饰的设计也是一个比较重要的一个单元 考虑到小车维护和修理的 方便性 其结构形式和安装方法应简单 自动导引小车车体面板采用的是塑料 的 PVC 板 厚度为 2mm 之所以用 PVC 板的原因是它的加工和安装都是比较简 单的 而于固定硬件电路板都是很方便的 小车车身外部周围应尽量不要有突 出的部分 这样可以避免不必要的碰撞 小车车身颜色也是比较重要的 容易 出现危险的地方应该用比较鲜亮醒目的颜色 比如车架可以用红色 其它地 方的颜色应尽量靠近所工作环境的效果 3 3 伺服驱动电动机的选取及其参数 自动导引小车动力来源是蓄电池 由蓄电池给电机提供能量来驱动小车的 运行 小车的驱动力是由伺服驱动电机是用来控制的 为整个小车提供动力 所以伺服电机的选取与小车的运动状态 即小车的运行快慢 以及所产生的扭 矩和驱动力有很大的关系 交流电机的控制系统比较简单 速度也比较方便调 节 不需要逆变器 由于自动导引小车在工作的时候所需的功率并不是特别的 大 所以本次设计采用的是交流伺服电机 本次设计的自动导引小车的载重量为 设正常运行的速度为kg250 速度最高时为 sms 83 0 2 sm 1 伺服电机的选取过程 1 选择电机的容量 21 电动机所需要的功率 kwpPad 由式 Fv10 因此 kad 由电动机到AGV小车轮轴的总效率 42341 a 式中 是滚动轴承 是齿轮传动 是联轴器 是轮轴的传动效率 1 2 4 取 不包括轴承效率 98 01 97 02 9 03 6 4 则 826 97 08 24 a 所以 kwFvPad 4 0 1 2 确定电动机的转速 轮轴工作转速为 min 84 25014 3 610rDvn 二级圆柱齿轮减速器传动比为 那么总的传动比合理范围为 i 20 5 1 ai 所以电动机转速的可选范围为 min 8 169 5 0 84 20 5 1 rniad AGV小车车轮前进所需功率 wPkw 电动机到AGV小车轮轴的总效率 a AGV小车的运行阻力 即牵引力 由第四章计算的到为FN N304 AGV小车轮的线速度 vm s 22 AGV小车车轮直径 Dm 综上所述 本次自动导引小车的设计选择额定功率 的交流伺服电机kw6 0 作为其驱动电机 所采用的交流伺服电机品牌是ADTECH 型号 ACH 13150A ACH 13150A伺服电机高速力矩 平稳性好 低噪音 低震动 精度高 外观精美而且易于安装 下图3 11是ACH 13150A交流伺服电机实物图 图3 11 ACH 13150A电机 下表3 1为ACH 13150A电机的参数 表3 1 ACH 13150A电机参数 型号 ACH 13150A 额定功率 KW 0 6 相数 线电压 V 3 相 220V 额定转速 rpm 1500rpm 最高转速 rpm 1750rpm 最高机械转速 rpm 2000rpm 额定转矩 N m 5 8 最大转矩 N m 17 额定线电流 A 3 转子惯性 Kg c 2m12 而自动导引小车在转向的时候所需要的动力不怎么大 转向电机可以选用 功率相对小点的 所以直接选取 60JSF 系列伺服电机 即型号为 JSF 60 40 30 DF 1000 作为转向电机 图 3 12 为其转向电机实物图 JSF 60 40 30 DF 1000 电机的调速范围宽 低噪音 高效率 运行平稳 高性能钕硼磁钢设 计能提供 3 倍以上峰值扭矩 23 图3 12 转向电机 下表3 2为JSF 60 40 30 DF 1000电机的参数 表3 2 JSF 60 40 30 DF 1000电机参数 电 机型 号 额定功率 W 电压 VDC 电流 A 额定转速 Rpm 额定扭矩 Nm 峰值扭矩 Nm JSF 60 40 30 DF 1000 400 72 9 3 3000 1 3 4 5 3 联轴器和键的选择通过电动机和减速器的结构尺寸来决定 取载荷系数 那么联轴器的计算转矩为3 1 AK749530 1950 nPTwAca 通过计算转矩 最小轴径 轴的转速 查标准 或手册 选用弹8 GB 性柱销联轴器 电动机和减速器之间的联轴器型号为 减速器和轮2 YL 轴之间的联轴器 执行标准是 YL是凸缘联轴器 如图80 4 YL96 5843 3 13所示 图3 13 凸缘联轴器 电动机上的键 836 hlb 24 减速器输入端的键 83 hlb 减速器输出端的键 92 键的宽度 bm 键的长度 l 键的厚度 h 3 4 减速器的使用范围及选取 1 适用范围 ZDY ZLY ZSY外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮减速器 可用于冶金 矿山 起 重运输 水泥 建筑 化工 纺织 轻工等行业 减速器高速轴转速不大于1500r min 减速器齿轮传动圆周速度不大于20m s 减速器工作环境温度为 40 45 低于0 时 起动前润滑油应预热 ZDL为单级 ZLY为两级 ZSY为三级 Y代表硬齿面 2 减速器的选取 轮轴的转速 min 84 rn 电机的额定转速 150d 减速器的传动比 7 84 i 取减速器的传动比为 i 实际轮轴的转速 min 3 150rn 车轮的实际线速度 smDv 09 160254 86 综合考虑电动机和传动装置的尺寸 重量和减速器的传动比 选择的减速 器型号ZLY 112 20 1 ZBJ19004 88 图3 14和表3 3为减速器实物图和参数 14 25 图 3 14 ZLY112 20 1减速器 下表3 3是ZLY112 20 1减速器的参数 表3 3 ZLY112 20 1减速器参数 品牌 型号 安装形式 级数 齿面硬度 布局形式 泰兴减速机 ZLY112 20 1 卧式 2级 硬齿面 同轴式 3 5 轴的设计及其参数的计算 3 5 1 轴的设计方法 一般情况下 通过给定的一些轴的定性要求以及一些物理方面和几何方面 的的限制 结合形状和尺寸来进行轴的设计 轴的设计必需要满足所使用的强 度要求 使其具有良好的工艺性和合理的结构 根据刚度来进行轴的设计就是 要轴的静刚度比较高 也就是在工作的过程中不能出现很大的变形 当所设计 的轴要在高速或者是在其载荷做周期变化的环境下工作 对于一些高转速或负 载轴的周期性变化 这样会很容易发生共振 那么就得根据临界转速的限制条 件进行轴的稳定性计算来避免共振的发生 通常轴的设计方法根据所要设计的 具体情况的不同具有很多种 下面是轴设计的一般方法 1 轴的最小直径通常根据扭转强度约束条件来进行确定 2 轴的几何尺寸根据轴上零件之间的定位和装配以及轴的加工等几何约束 然后通过轴的结构设计来进行确定 3 轴的物理约束通常由轴的结构尺寸和工作方面的要求来进行相应的选择 最后根据所确定的参照物来测试是否满足相应的物理限制的要求 然后进行相 对应的修改直到符合要求 由于轴的设计方法根据所要设计的具体情况的不同具有很多种 所以在设 26 计的时候必须对其结果进行一个综合的分析后得出一个比较优的设计思路 3 5 2 驱动后轮轴的设计 根据前面的计算 因为AGV小车由驱动电机来驱动其运行 所以可以得到 车轮轴转速 min 84 rn 驱动电机的额定功率 kwP601 轮轴传递功率为 kw53 098 07 962231 受转矩 的实心圆轴 其切应力 TmN 2 0 1936TTdnPW 轴的最小直径 336 2 0159nCdT 轴的材料取45钢 上两式中 轴的抗扭截面系数 TW3m 轴传递的功率 Pkw 轴的转速 nin r 许用切应力 T Mpa 与轴的材料有关的系数 可由表3 4查得 C 表3 4 轴材料的选取 轴的材料 paT C20Q351521486035730253 27 453512Mno38Si0Cr2409806 轴最小直径取 后轮车轴上键的规格 为 和 m5hlb 368 执行标准 下图3 15为驱动后轮轴尺寸图 79 GB106 图3 15 驱动后轮轴尺寸图 前轮即转向轮的结构比较简单 所以不需要重复进行选取 依据最短轴直 径也为 因此前车轮车轴选择出轴上的键为 为 执行标m35 hlb 638 准 图3 16 为前车轮车轴尺寸图 79 GB106 图 3 16 前车轮车轴尺寸图 3 5 3 车轮轴的受力分析和校核 假设 AGV 小车的前后车轮轴所受的力都是 的 下面通过后车轮轴来进均 匀 行说明 轴的材料选用 45 钢调质 MpapaSB360 650 28 计算支撑反力 NFR9045 174 NFR9041 垂直面反力 82 852 合成弯矩 2XZYM 许用应力值 查得 Pab60 1 校核轴径 轴径 mdb2160 48 1 033 校核完毕 m52 下表 3 5 为选择轴和心轴材料一览表 表 3 5 转轴和心轴的许用弯曲应力 Mpa合B 1b 0b 1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75合 1000 330 150 90 400 100 50 30 500 120 70 40 3 5 4 车轮轴承的受力分析和校核 疲劳点蚀是引起很多滚动轴承出现故障以致失效的主要因素 轴承的寿命 是指轴承在一定转速下能工作多少小时 或者是在其任何一个部件出现故障前 所转动的总的转数 轴承的额定寿命是用来选择轴承的基础 轴承以此作为标准 基本额定寿 命选择轴承时常用的标准 轴承的基本额定寿命是指 非常可靠 还有材料90 和加工质量以及运转条件下的寿命 一般以 或 表示 1 r Lh 29 轴承基本额定动载荷 指的是将标准中规定基本额定寿命为 万转C10 时轴承所能承受的恒定载荷 可以说是轴承在基本额定动载荷作用下可合106r 以工作 100 万转而不出现点饰的失效现状 并且轴承的可靠度是 9 当量动载荷 arYFXP 式中 径向载荷 rFN 轴向载荷 a 径向动载荷系数 X 轴向动载荷系数 Y 轴承由于振动和冲击影响 其当量动载荷应按下式计算 ardYFXfP 由于不受轴向力 所以 6251 r 式中 冲击载荷系数 df 径向力 取 rFN 表 3 6 冲击载荷系数 df 载荷性质 机器举例 df 平稳运转或轻微冲击 电机 水泵 通风机 汽轮机 1 0 1 2 中等冲击 车辆 机床 起重机 内燃机 冶金设备 1 2 1 8 强大冲击 破碎机 轧钢机 振动筛 工程机械 石油钻机 1 8 3 0 当轴承的当量动载荷为 时以转速为的基本额定寿命 为 P10L10C PL10r6 式中 当量动载荷 N P 基本额定寿命 常以 为单位 当寿命为 万转时 10Lr1010 L 30 寿命指数 球轴承 3 基本额定动载荷 查表取 CN3102 4 若轴承工作转速为 则基本额定寿命min r hPCLh 73610 1065 2 5 367 170 3 6 齿轮的设计和选取 本次设计中选择锥齿轮来进行传动 齿轮传动相比较于其它的机械传动与其它机械传动相比 其传动非常的稳 定 更换周期长 传动效率高 以及齿轮的瞬时传动比恒定等优点 再加上齿 轮的结构紧凑 所以它传动能够适用很多的的速度和功率 用齿轮作为传动要 满足来两个条件 一是传动要保持平稳 瞬时传动比要恒定 传动过程中的冲击 振动和噪 声要要比较低 便能更好的提高齿轮传动的稳定性 二是承载能力要比较大 在保证齿轮轻量化和体积小的条件下 还要求齿 轮的高强度 强耐磨性以及不会在使用周期内出现齿轮齿断裂的现象 在齿轮设计过程中 齿轮的齿形 齿轮强度 加工精度 加工方法和热处 理工艺 都是以上面两个基本要求来进行操作的 这也是为了达到设计精度的 尤为重要的要求 锥齿轮的标准模数 和基本齿廓的确定如表3 7和表 3 8 m 表 3 7 标 准 模 数 m 锥 齿 轮 GB 12368 90 1 1 125 1 25 1 375 1 5 1 75 2 2 25 2 5 2 75 3 3 25 3 5 3 75 4 4 5 5 5 5 6 6 5 7 8 9