1、理工職業(yè)學院理工職業(yè)學院畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論計（論 文）文）設計設計( (論文論文) )題目：題目：AGVAGV 自動導引小車自動導引小車姓姓 名名: : 夏 杰 學學 號號: : 6 院院 部部: : 工程技術學院 專專 業(yè)業(yè): : 機 電 一 體 化 年年 級級: : 09 級 指導教師指導教師: : 20112011 年年 1010 月月 1515 日日摘要AGV 即自動導引小車，它集聲、光、電、計算機技術于一體，綜合了當今科技領域先進的理論和應用技術。廣泛應用在柔性制造系統(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。

2、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備，尤其在柔性制造系統(tǒng)（FMS）中被認為是最有效的物料運輸設備。本文在分析研究國外 AGV 現(xiàn)狀與發(fā)展的基礎上，設計了兩后輪獨立驅動的自動導引小車，其主要工作容包括：小車機械傳動設計、直流伺服電機的選擇、AT89C51 單片機控制系統(tǒng)硬件電路、運動學分析、控制系統(tǒng)軟件設計及圓弧插補程序。所設計的小車能夠實現(xiàn)自主運行、運動軌跡（圓弧、直線）的控制等功能，達到了沿著設定的路線行駛。關鍵詞

3、：自動導引小車，單片機控制，設計，PWM 技術AbstractThe 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

4、 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

5、 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 softwa

6、re 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.KeywordKeyword: Automatic Guided Vehicl

7、e, singlechip computer control，Design , PWM目 錄第一章 緒論.11.1 AGV 自動導引小車簡介.11.2 AGV 自動導引小車的分類 .21.3 AGV 系統(tǒng)組成.31.4 自動引導小車結構設計.41.5 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.5第二章 機械部分設計.72.1 設計任務.72.2 確定機械傳動方案 .72.3 直流伺服電動機的選擇.82.4 聯(lián)軸器的設計 .112.5 蝸桿傳動設計 .122.6 軸的設計.142.6.1 前輪軸的設計.142.6.2 后輪軸的設計.172.7 滾動軸承選擇計算 .212.7.1 前輪軸上的軸承 .212.7.2

8、蝸桿軸上的軸承 .222.7.3 后輪軸上的軸承 .24第三章 控制系統(tǒng)的設計 .263.1 控制系統(tǒng)總體方案.263.2 鑒向.273.3 計數(shù)的擴展 .283.4 中斷的擴展 .293.5 數(shù)摸轉換器的選擇.303.6 電機驅動芯片選擇.323.7 運動學分析 .363.7.1 運動學方程.363.7.2 轉彎半徑.363.8 控制軟件的設計.37結論與展望.43致.45參考文獻（REFERENCES）.44第一章 緒論1.1 AGV 自動導引小車簡介 AGV(Automatic Guided Vehicle),即自動導引車，是一種物料搬運設備，是能在一位置自動進行貨物的裝載，自動行走到另

9、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。在結構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)作為搬運設備。最早的自動搬運車是1913年福特汽車公

10、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導向的簡易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。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)得到廣泛應用。 我國是從1976年起重機械研究所研制出第一臺ADB型AGV；郵電部郵政科學技術研究所為新火車站郵政樞紐、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；中科院自動化研究所1993年4月在新技術展覽會上介紹了

11、自行研制的SIA7AGV一1型載重300公斤的自主導引小車，在某廠試用；1992年理工學院研制的帶電纜光導AGV。我國省曾委托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，達到36億美元。最早期的 AGV 是鋪軌式的，車體在預設的鐵軌上行駛，利用通信設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引。1.2 AGV 自動導引小車的分類自動導

12、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向軌道。地面有軌小車結構牢固，承載力大，造價低廉，技術成熟，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，廣泛應用于中小規(guī)模的箱體類工件 FMS 中。高架有軌小車（空間導軌）相對于地面有軌小車，車間利用率高，結構緊湊，速度高，有利于把人和輸送裝置的活動圍分開，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)定的引導路

13、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。無軌小車按引導方式和控制方法的分為有徑引導方式和無徑引導自主導向方式。有徑引導方式是指在地面上鋪設導線、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。無徑引導自主導向方式中，地圖導向方式是在無軌小車的計算機中預存距離表（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基本上由導向模塊、行走模塊、導向傳感器、微處理器、通訊裝置、移載裝置和蓄電

14、池等構成，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、機械手等設備。一定數(shù)量的AGV在地面設 施的支持下，按工序完成一定的物料輸送任務就構成AGV系統(tǒng)。目前各大高校教學演示、自動化車間及物流配送業(yè)的用戶對我們的AGV產(chǎn)品反應良好！該產(chǎn)品也廣泛應用的行業(yè)還包括煙草、汽車制造、家電、金融系

15、統(tǒng)等多個領域。AGV的上市，標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。 只要改變一下導向程序，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，向計算機報告負載的失效、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

16、種狀態(tài)，運動或者靜止，計算機都可以用調頻法通過它的發(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圍操作。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，可保證定位精度達到30 mm，精確定位的AGV其定位精度可達到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

17、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，可以與其他物流設備自動接口，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

18、行過程中無噪聲、無污染，可以應用在許多要求工作環(huán)境清潔的場所。表3-1 AGV的類型和應用AGV的類型AGV的應用1. 電磁感應引導式AGV1倉儲業(yè)2. 激光引導式AGV2制造業(yè)3. 視覺引導式AGV3郵局、圖書館、港口碼頭4鐵磁陀螺慣性引導式AGV4煙草、醫(yī)藥、食品、化工5光學引導式AGV5危險場所和特種行業(yè)1.4 自動引導小車結構設計AGV 自動導引小車的引導原理是根據(jù)自動導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先編程的軌跡的位置偏差，控制器根據(jù)位置偏差調整電機轉速對偏差進行糾正，從而使自動導引小車沿預先編程的軌跡行走。因此 AGV 自動導引小車行走過程中，需不斷地

19、根據(jù)輸入的位置偏差信號調整電機轉速，對系統(tǒng)進行實時控制。 小車采用兩后輪獨立驅動差速轉向，兩前輪為萬向輪的四輪結構形式。步進電機經(jīng)減速器后通過驅動輪提供驅動力，當兩輪運動速度不同時就可以實現(xiàn)差速轉向。 （1）車體 包括底盤、車架、殼體和控制室和相應的機械電氣結構如減速箱、電機、車輪等所組成，是AGV的基礎部分。具有電動車輛的結構特征和無人駕駛自動作業(yè)的特殊要求。車架常用鋼構件焊接而成，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、光感應器、伺服電機和減速器。車架上面安裝伺服電機驅動器、PCD 板和電瓶。

20、對于車架的設計，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動輪，與輪轂式電機相連。前面兩個隨動輪為旋轉式隨動輪，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） 驅動裝置驅動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、驅動器、控制與驅動電路等。驅動系統(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） 動力系統(tǒng) 蓄電

21、池是目前AGV使用的唯一電源。用來驅動車體、車上附屬裝置，如控制、通訊、安全等。AGV周邊設施使用一般工業(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。日本人認為 1981 年是柔性加工系統(tǒng)元年，這樣計算 AGV 大規(guī)模應用的歷史也只有 15 至 20 年。但是，其發(fā)展速度是非常快的。1981 年美

22、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)也有廣泛的應用。 1目前國總體看 AGV 的應用剛剛開始，相當于國外 80 年代初的水平。但從應用的行業(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 從技術的發(fā)展看，主要是從國家線路向可調整線路；從簡單車載單元控制向復雜系統(tǒng)計算機控制；從原始的段點定期通訊到先進的實時通訊

23、等方向發(fā)展；從落后的現(xiàn)場控制到先進的遠程圖形監(jiān)控；從領域的發(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。第二章 機械部分設計2.1 設計任務設計一臺自動導引小車 AGV，可以在水平面上按照預先設定的軌跡行駛。本設計采用 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、右轉彎，直走，倒退，停止功能。其設計參數(shù)如下：自動導引小車的長度：500mm自動導引小車的寬度：300mm自動導引小車的行駛速度：100mm/s2.2 確定機械傳動方案方案一：采用三輪布置結構。直流伺服電動機經(jīng)過減速器和差速器，通過兩半軸

24、將動力傳遞到兩后輪。自動導引小車的轉向由轉向機構驅動前面的一個萬向輪轉向。傳動系統(tǒng)如圖 2-1 所示。圖 2-1 傳動方案一方案二：采用四輪布置結構。自動導引小車采用兩后輪獨立驅動差速轉向，兩前輪為萬向輪的四輪結構形式。直流伺服電動機經(jīng)過減速器后直接驅動后輪，當兩輪運動速度不同時，就可以實現(xiàn)差速轉向。傳動系統(tǒng)如圖 2-2 所示。圖 2-2 傳動方案二四輪結構與三輪結構相比較有較大的負載能力和較好的平穩(wěn)性。方案一有差速器和轉向機構，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，并且轉向靈活。因此，采用方案二作為本課題的設計方案。2.3

25、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)下列三個指標選擇。運動參數(shù)：AGV 行走的速度為 100mm/s，則車輪的轉速為 （2-1）d10001000 622.75min3.14 140vnr電機的轉速 選擇蝸輪-蝸桿的減速比 i=62 （2-2）62 22.751410.5minninr電自動導引小車的受力分析： OGPFBFCFAFDABCD圖 2-3 車輪受力簡圖小車車架自重為 P 32.85 100.5 0.3 0.032 9.8134PabhgN（2-3）小車的載荷為 G （2-4）35 9.8343GmgN取坐標系 OXYZ

26、 如圖 2-3 所示，列出平衡方程由于兩前輪及兩后輪關于 Y 軸對稱，則 ，ABFFCDFF ， （2-5）0zF 220ACFFPG ， （2-6）0 xM 0.0750.172 0.30CGPF 解得 157.66ABFFN80.84CDFFN兩驅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fM （2-7）max0fMM （2-8）max0.006 157.660.946NMFN m其中 滾動摩阻系數(shù)，查表 5-2，=210，取 =6mm 2牽引力 F 為 （2-9）max0.94613.50.072MFNd 電 機1/GW圖 2-4 后輪受力 圖 2-5

27、 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/G1）求換算到電機軸上的負荷力矩（）LT （2-10）19.821000LFWDTG 13.50.15 157.6614019.80.726210000.587N m取=0.7, =157.66, =0.15WN2）求換算到電機軸上的負荷慣性（）LJ （2-11）2121342LZJJJJJZ2210.00003490.0047660.000131 0.0000604620.000036189kg m 其中 為車輪的轉動慣量；為蝸桿的轉動慣量；1J2J為蝸輪的轉動慣量；為蝸輪軸的轉動慣量。3J4J3

28、）電機的選定根據(jù)額定轉矩和慣量匹配條件，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 21290MJgcmAOFSFNPF匹配條件為 32m ax361. 89LLJJgcm （2-12）max0.251LMJJ即 361.890.2510.250.28051慣量 （2-13）J21290361.891651.89MLJJJgcm其中為伺服電動機轉子慣量 MJ故電機滿足要求。4）快移時的加速性能最大空載加速轉矩發(fā)生在自動導引小車攜帶工件，從靜止以階躍指令加速到伺服電機最高轉速時。這個最大空載加速轉矩就是伺服電動機的最大輸maxn出轉矩。maxT （2-

29、14）maxmax22 3.14 40001651.890.916060 0.076anTJJN mt加速時間 （2-15）44 0.0190.076aMTTs其中 機械時間常數(shù)19MTms2.4 聯(lián)軸器的設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，故其結構設計如圖 2-6 所示。電機軸蝸桿軸圖 2-6 聯(lián)軸器機構圖聯(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 （2-16） 8mKTdD Z銷釘材料選用 45 鋼。查表 5-2 優(yōu)質碳素結構鋼（GB 699-88） 545 調質 200mm =637MPa =353MPa =17% b

30、ss=35% 硬度 217255HBS 20.39kMJ m 銷釘?shù)脑S用切應力為 （2-17） 0.70.80.75 637477.75BMPa 過載限制系數(shù) k 值 查表14-4 取k=1.6 4 T=0.321Nm 8 1.6 5780.6463.14 12 1 477.75dmm 選用 d=5mm 滿足剪切強度要求。2.5 蝸桿傳動設計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矩 T2按

31、Z=1，估取效率=0.7,則 4 （2-6662221120.08 0.79.55 109.55 109.55 102350822.75PPTN mmnn i18）圖 2-7 蝸輪-蝸桿受力分析各力的大小計算為 （2-19）112122 58765.2218taTFFNd （2-20）212222 23508606.6677.5atTFFNd （2-21）00122tan20606.66 tan20220.8rrtFFFN 4.按齒根彎曲疲勞強度進行設計根據(jù)開式蝸桿傳動的設計準則，按齒根彎曲疲勞強度進行設計。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

32、件設計的公式為 4 （2-22）221221.53FaFKTm dYYz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) K=1，由表 11-15選取使 4用系數(shù)KA=1.15。由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù)KV=1.1,則 （2-23）1.15 1 1.11.265AVKKKK 由表11-8得，蝸輪的基本許用彎曲應力 434FMPa假設 31048，蝸輪的當量齒數(shù) 262z = （2-24）22336262.29coscos 310Vzz 48根據(jù)，從圖11-19中可查得齒形系數(shù) 20 x 262.29Vz 422.3FaY螺旋角系數(shù) （2-25）310110.9773140

33、 Y 48140 2311.53 1.265 235082.3 0.977334.3762 48m dmm由表11-2得 4中心距a=50mm 模數(shù)m=1.25mm 分度圓直徑 122.4dmm23135m dmm蝸桿頭數(shù) 直徑系數(shù)17.92 分度圓導程角=31138 11z 蝸輪齒數(shù) 變位系數(shù)262z 20.04x 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）3.14 1.253.925apmmm齒頂圓直徑 （2-27）*11222.42 1 1.2524.9addha mmm 齒根圓直徑 （2-*11222.421 1.250.25 1.2519.275fddha mc

34、mm 28）蝸桿軸向齒厚 （2-29）113.14 1.251.962522asmmm2）蝸輪傳動比 （2-2162621ziz30）蝸輪分度圓直徑 （2-221.25 6277.5dmzmm31）蝸輪喉圓直徑 *222277.52 1.251 0.0480.1addm haxmm （2-32）蝸輪齒根圓直徑 *222277.52 1.251 0.040.2574.475fddm haxcmm （2-33）蝸輪咽喉母圓半徑 （2-22115080.19.9522garadmm34）6.精度等級公差和表面粗糙度的確定考慮到所設計的自動導引小車屬于精密傳動，從 GB/T 10089-1988 圓柱

35、蝸桿、蝸輪精度中選擇 6 級精度，側隙種類為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 軸的設計2.6.1 前輪軸的設計前輪軸只承受彎矩而不承受扭矩，故屬于心軸。 圖 2-8 前輪軸結構 1.求作用在軸上的力自動導引小車的前輪受力，受力如圖2-9a)所示。 CFF180.8440.422CFFFN1=22.軸的結構設計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順序作了初步安排。2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各

36、段直徑和長度(1)初步選擇滾動軸承。自動導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。20dddmm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。25dmm(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，30dmm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，此軸段應略短于輪輻的寬度，故取。左右輪輻的左段采用32lmm軸肩定位，軸肩高度，取h=3mm，則軸環(huán)處的直

37、徑。軸環(huán)0.07hd36Vdmm寬度b1.4h，取。5Vlmm(3)軸用彈性擋圈為標準件。選用型號為GB 894.1-86 20，其尺寸為,故020dmm, ,。19ddmm1.1llmm13 1.111.9lmm其余尺寸根據(jù)前輪軸上關于左右輪輻結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(標準鍵長見 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

38、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)軸的結構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。McFF1F2M圖 2-9 前輪軸的載荷分析圖 121180.8440.4222FFFN1239LLmm 1140.42 391576.38CMFLN mm 4.按彎曲應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。最大負彎矩在截面 C 上，。1576.38 CMN mm對截面 C 進行強度校核，由公式 4 （2-35）1

39、caMW由表 15-1得，45 鋼 調質 4160MPa由表15-4得， 4 （2-36）223338 43043.14 302288.84322322 30bt dtdWmmd 11576.380.6892288.84caMPa因此該軸滿足強度要求，故安全。2.6.2 后輪軸的設計后輪軸在工作中既承受彎矩又承受扭矩，故屬于轉軸。 圖 2-10 后輪軸結構1.求后輪軸上的功率、轉速和轉矩2P2n2T取蝸輪-蝸桿傳動的效率=0.7,則 （2-37）20.08 0.70.056PPKW 222.75minnnr223508TN mm2.作用在蝸輪上的力 21263.8tFN265.22aFN246

40、0rFN3.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，調質處 4理。根據(jù)表 15-3，取=115，于是得 40A （2-38）233min020.05611515.522.75PdAmmn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，d故。26dmm4.軸的結構設計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、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

41、承。單列深溝球軸承 6206，其尺寸為dDT=30mm62mm16mm，故。30dddmm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。36dmm(2)軸用彈性擋圈為標準件。選用型號為GB 894.1-86 30,其尺寸為，故，。030dmm28.6dmm1.7Lmm(3)取安裝輪輻處的軸段的直徑。輪輻的寬度為27mm,為了使26dmm軸端擋圈可靠地壓緊輪輻，此軸段應略短于輪輻的寬度，故取。26lmm其余尺寸根據(jù)零件的結構可任意選取。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

42、冊查得平鍵截面dbh=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=41mm1)在水平面上后輪軸的受力簡圖為2-11b)。由靜力平衡方程求出支座 A、B 的支反力 122111263.8631.922NHNHtFFFN三個集中力作用的截面上的彎矩分別為11631.9 27.517377.25HDNHMFLN mm0HAHBMM 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

43、 A、B 的支反力 2265. 22N VaFFN （2-39）2Nm m65. 2277. 52527. 27522aaF DM ， (2-40)0AM212113220raN VFLMFLFLL122131122N VraFFLMFLLL146027. 52527. 275157. 66227. 541227. 50. 726N ， (2-41)0yF1220N VN VrFFFF 122N VrN VFFFF 460157. 660. 762301. 578N在段中，將截面左邊外力向截面簡化，得AD (2-42) 111301. 578N VMFxx1x1027. 5x在段中，同樣將截面

44、左邊外力向截面簡化，得D B (2-43) 2122227. 5N VraM xFxF xM027. 52x 222301. 57827. 5301. 5784602527. 27510820. 67158. 422xxx在段中，同樣將截面右邊外力向截面簡化，得BC (2-44) 333157. 66M xFxx3041x 0VAVCMM 301. 57827. 58293. 395VDMNm m 10820. 67158. 422010820. 67VDMNm m 157. 66416464. 06VBMNm m計算A、B、C、D截面的總彎矩M 0ACMM2222117377. 258293

45、. 39519254. 85DH DVDMMMN m m(2-45) (2-46)2222217377. 2510820. 6720470. 85DH DVDMMMNm m646406BVBMMNm m 后輪軸上的轉矩 223508TTNm m 6.按彎扭合成應力校核軸的強度 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 (2-2222220470. 850. 62350810. 852288. 84DcaMTM PaW47)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W 4 22333843043. 14302288.

46、 8432232230btdtdWm md 選定軸的材料為 45 鋼，調質處理，由表15-1查得 4160M Pa 因此，故安全。1ca2.7 滾動軸承選擇計算2.7.1 前輪軸上的軸承要求壽命，轉速，軸2500hLh100010001028. 96m i n3. 14110nrd承的徑向力，軸向力。40. 42rFN0aF1由上述條件試選軸承試選 6004 型軸承，查表16-2 4 9. 38rCkN05. 02rCkNl i m15000m i nnr2按額定動載荷計算由式 (2-48) 466010hnLCP對球軸承=3， (2-49)PraPrPfXFYFf F查表13-6 自動導引小

47、車 41. 2Pf代入得 1. 240. 4248. 504PN 366028. 96250048. 50479. 14938010CNN故 6004 型軸承能滿足要求。3按額定靜載荷校核由式 (2-50)00 0CS P查表13-8，選取=2 40S (2-51)00040. 42rarPX FYFFN代入上式，滿足要求。00 05020240. 4280. 84CNS PN2.7.2 蝸桿軸上的軸承要求壽命，轉速，軸承的徑向載荷2500hLh1410. 5m i nnr，作用在軸上的軸向載荷。1110. 4rFN606. 66aFN1由上述條件試選軸承選 30203 型軸承，查表5-24

48、5 （脂潤滑） 19. 8CkN013. 2CkNl i m9000m i nnr0. 35e圖 2-12 蝸桿軸上的軸承受力2按額定動載荷計算 (2-52)112110. 432. 47221. 7rFSSNY 2132. 47606. 66639. 13aSFNS ，12639. 13aaFSFN2232. 47aFSNPraPfXFYF查表15-12， 51. 2Pf， ， 11639. 135. 7890. 35110. 4arFeF0. 4X1. 7Y11. 20. 4110. 41. 7606. 661290. 58PN ， ， 2232. 470. 2940. 35110. 4a

49、rFeF1X0Y 22221. 2110. 4132. 48PraPrPfXFYFf FN由式 152 566010hnLCP103101033116660601410. 525001290. 5864331010hnLCPN101033226660601410. 52500132. 486601010hnLCPN均小于滿足要求。12CC19800CN3按額定靜載荷校核由表 1510 500 0CS P查表15-14，取 501. 8S110115. 7890. 5221arFFY0101010. 5110. 41606. 66661. 86raPX FYFN 220110. 2940. 52

50、21arFFY 022110. 4rPFN均小于，滿足要求。0102PP013200CN4極限轉速校核由式 (2-53)m ax1 2l i mnf f n，由圖15-5得 11290. 580. 065219800PC 511f，由圖15-6得 115. 789arFF 520. 5fm ax110. 590004500m i nnr，由圖 15-5得 2132. 480. 006719800PC 511f ，由圖15-6得 220. 294arFF 521f m ax 21190009000m i nnr小于和滿足要求。nm ax1nm ax 2n2.7.3 后輪軸上的軸承要求軸承的壽命，

51、轉速，軸承 A 的徑向載荷2500hLh22. 75m i nnr；軸承 B 的徑向載荷2222111631. 9301. 578700rN HN VFFFN；軸向載荷為。2222222631. 90. 762631. 9rN HN VFFFN65. 22aFN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）14. 91CkN010. 01CkNl i m9500m i nnr2按額定動載荷計算由式 66010hnLCP對球軸承，3 PraPfXFYF由 查表 15-19 065. 220.

52、 006510010aFC 50. 19,2. 3eY由 查表 15-19 65. 220. 0930. 19700arFeF 5rPF 查表 15-12 自動導引小車 51. 2Pf代入得 1. 2700840PN 366022. 7525008401264. 651491010CNN故 6206 型軸承能滿足要求。3按額定靜載荷校核由式 00 0CS P查表15-14，選取 501S由 0. 093arFF查表 15-19，時， 50. 8arFF001,0XY得 0700rPFN代入上式，滿足要求。00 010010700CNS PN4 極限轉速校核 m ax1 2l i mnf f n

53、由 查圖15-5 8400. 056314910PC 511f 查圖15-6 65. 220. 093700arFF 521f代入 m ax1195009500m i nnr 滿足要求。m ax22. 75m i nnrn第三章 控制系統(tǒng)的設計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時發(fā)出的脈沖信號，經(jīng)過自行設計和制作的脈沖鑒向電路，可以得到電機的運轉方向；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運算以后，輸

54、出的控制量經(jīng)過兩塊DAC1208 轉換器變成模擬量，輸出到兩塊 UC3637 直流電動機脈寬調制器，通過 H 橋開關放大器，作為執(zhí)行機構的速度或者力矩給定，從而控制電機的運轉，使整個 AGV 自動導引小車能夠完成所設計的控制任務。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)檢測部分，必須能夠檢測電機的轉速及分辨電機不同的旋轉方向。安裝在電機旋轉軸上的數(shù)字編碼器在電機運轉時能夠產(chǎn)生相位相差 90 度的兩路脈沖信號，電機的旋轉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

55、原理伺服電機反轉時，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，當正轉時，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 電機轉向分辨電路本次設計使用的數(shù)字編碼器為500P/ R ,即電機每旋轉一周輸出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

56、 計數(shù)的擴展為了得到驅動輪運轉的速度、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和反轉脈沖,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/ 反轉脈沖的計數(shù)。8253可編程定時器計數(shù)器可由軟件設定定時與計數(shù)功能，設定后與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2MHz，芯片所有的輸入輸出都與TT

57、L兼容。8253的部結構框圖如圖3-4所示；引腳如圖3-5所示。圖3-4 8253部結構框圖 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：，；4CSY00QA11QAU7讀/寫控制邏輯接線：，。3CSY00QA11QAU6芯片中計數(shù)器0和計數(shù)器1用于左輪電機正反轉計數(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計數(shù)，并處于工作方式3。在中斷服務程序中,這四個計數(shù)器分別對兩臺伺服電機的正/ 反脈沖

58、進行計數(shù),所得到的計數(shù)值減掉上一次的計數(shù)值,就可以得到在這一時間周期的各路脈沖數(shù)。右輪反轉、正轉和左論反轉、正轉的結果分別存于臨時變量temp 1、temp 2、temp 3 和temp 4 中,在主程序過對它們進行運算就可以得到移動機器人的狀態(tài)量了。3.4 中斷的擴展AT89C51 單片機是使用兩個級聯(lián)的8259A 中斷控制器來控制中斷的。主8259A 芯片上的 IRQ2 擴展成從片上的IRQ8IRQ15 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，主要外圍設備，能提供中斷向量、屏蔽各種中斷輸入等功能。每一個 8259A 芯片都能直接

59、管理 8 級中斷，最多可以用 9 片 8259A芯片級連，由其構成級連機構可以管理 64 級中斷。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70DD狀態(tài)信息。INT：中斷請求，和CPU的INTR引腳相連，用來向CPU提出中斷請求。：中斷響應，接收CPU的中斷響應信號。INTA圖3-6 8259A引腳圖 ：讀信號，低電平有效，通知RD8259A將某個寄存器的容送到數(shù)據(jù)總線上。 ：寫信號，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，低電平有效。CS：端口選擇，指出當前哪個端口被訪問。0A：接收設備的中斷請求。07IRIR：級聯(lián)

60、端，指出具體的從片。在采用主從式級聯(lián)的多片8259A20CASCAS的系統(tǒng)中，主從片的對應連接在一起。20CASCAS：主從片/緩沖器允許，雙功能引腳，雙向。它有兩個用處：當作為SP EN輸入時，用來決定本片8259A是主片還是從片。作為輸出時，當從8259A往CPU傳送數(shù)據(jù)時，由引出的信號作為總線啟動信號，以控制總線緩沖器SP EN的接收和發(fā)送。本次設計采用兩片8259A進行級聯(lián)：主片的引腳連接從片的中斷請求2I RINT，如果某一個引腳下面沒有連接從片，則可以直接連接外部中斷請求；而主片、從片的中斷響應信號和數(shù)據(jù)信號互相連在一起。主片CAS和從I N TA07DD片CAS互相連在一起，當從