AGV自动导引小车的设计【优秀毕业论文 答辩通过】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 摘 要 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。 本文在分析研究国内外 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、 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， 术 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 GV it in a It in It on of GV is of of of of of of of so to 目 录 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 动导引小车简介 . 1 动导引小车的分类 . 1 车充电保护装置 1 内外研究现状及发展趋势 . 2 第二章 机械部分设计 . 3 计任务 . 3 定机械传动方案 . 3 流伺服电动机的选择 . 4 轴器的设计 . 7 杆传动设计 8 的设计 11 动轴承选择计算 18 第三章 控制系统的设计 . 23 制系统总体方案 . 23 向 . 24 数的扩展 . 25 断的扩展 . 26 摸转换器的选择 . 27 机驱动芯片选择 . 29 动学分析 . 33 制软件的设计 . 34 第四章 行环境的安全防护措施 42 结论 . 43 致谢 . 44 参考文 献（ . 45 1 第一章 绪论 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。 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，其中使用场合最广泛，发展十分迅速。 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 。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。 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。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。 2 构设计的又一难点是其动力源装置的设计。动力源的功率大小直接影响 动力源的体积大小将直接影响整车的体积及外观造型。 蓄电池被选作为 酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍锌蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池等可供选用，需要考虑的因素除了功率大小、安时数多少、功率重量比、体积大小等外，最关键的因素换需考虑充电时间的长短和维护的容易性。快速充电为大电流充电，一般为专业的充电装备，其本身必须有充 电限制装置和安全保护装置。 充电装置在小车上的布置方式有多种，一般有地面电靴式、壁挂式等。在设计过程中，必须结合 合考虑其在运行状态下，可能产生的短路等因素，从而考虑设置 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 5 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 985 年 有量 500 台， 1987 年 有量 3000 台。资料表明欧洲 40%的 于汽车工业，日本 15%的 就是说 其他行业也有广泛的应用 1。 目前国内总体看 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 1。这说明 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。 3 第二章 机械部分设计 设计一台自动导引小车 以在水平面上按照预先设定的轨迹行驶。本设计采用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： 500动导引小车的宽度： 300动导引小车的行驶速度： 100mm/s 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 图 2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 4 图 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 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。 伺服电动机的主要参数是功率 (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： 00mm/s，则车轮的转速为 0 0 1 0 0 0 6 2 2 . 7 5 m i 1 4 1 4 0 （ 2 电机的转速 选择蜗轮 i=62 6 2 2 2 . 7 5 1 4 1 0 . 5 m i nn i n r 电（ 2 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。 考 虑到系统的各个状态量都是通过数字编码器输出的脉冲信号进行检测的 ,要将脉冲信号转换为机器人移动的距离及转过的角度 ,必须对脉冲信号进行定标 ,即确定每个脉冲与驱动轮移动的距离的系数 5 自动导引小车的受力分析： F F 车轮受力简图 小车车架自重为 P 3 2 . 8 5 1 0 0 . 5 0 . 3 0 . 0 3 2 9 . 8 1 3 4P a b h g N （ 2 小车的载荷为 G 3 5 9 . 8 3 4 3G m g N （ 2 取坐标系 出平衡方程 由于两前轮及两后轮关于 ， 2 2 0 P G （ 2 0， 0 . 0 7 5 0 . 1 7 2 0 . 3 0 F （ 2 解得 1 5 7 . 6 6 N8 0 . 8 4 N两驱动后轮的受力情况如图 2 滚动摩阻力偶矩 m （ 2 m a x 0 . 0 0 6 1 5 7 . 6 6 0 . 9 4 6 N m（ 2 其中滚动摩阻系数，查表 5， =2 10，取 =6 6 牵引力 m a x 0 . 9 4 6 1 3 . 50 . 0 72 （ 2 电 机 1/ 后轮受力 图 2 摩擦系数 牵引力 F N 重物的重力 W N 滚子直径 D 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（ 1 9 . 8 2 1 0 0 0 （ 2 1 3 . 5 0 . 1 5 1 5 7 . 6 6 1 4 0 1 9 . 80 . 7 2 6 2 1 0 0 00 . 5 8 7 取 = W = =） 求换算到电机轴上的负荷惯性（ 212 1 3 42 J J （ 2 2210 . 0 0 0 0 3 4 9 0 . 0 0 4 7 6 6 0 . 0 0 0 1 3 1 0 . 0 0 0 0 6 0 4620 . 0 0 0 0 3 6 1 8 9 k g 1 3 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。 F 电机型号及参数： 2260 60墨电刷 80W 21290MJ 配条件为 3 2 g c mm a 2 5 1 （ 2 即 3 6 1 0 1 0 0 0 5 1 惯量 J 21 2 9 0 3 6 1 . 8 9 1 6 5 1 . 8 9 J g c m （ 2 其中 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个最大空载加速转矩就是伺服电动机的最大输出转矩 m a xm a x 2 2 3 . 1 4 4 0 0 01 6 5 1 . 8 9 0 . 9 16 0 6 0 0 . 0 7 6 J N （ 2 加速时间 4 4 0 . 0 1 9 0 . 0 7 6 s （ 2 其中 机械时间常数 19MT 由于电动机轴直径为 8且输出轴削平了一部分与蜗杆轴联接部分轴径为 12其结构设计如图 2 电机轴蜗杆轴 8 图 2联轴器机构图 联轴器采用安全联轴器，销钉直径 ，即 4 8Z（ 2 销钉材料选用 45钢。查表 5 优质碳素结构钢（ 99 45 调质 200 b=637 s=353 s=17% =35% 20 . 3 9k M J m 硬度 217 255 销钉的许用切应力为 0 . 7 0 . 8 0 . 7 5 6 3 7 4 7 7 . 7 5B M P a （ 2 过载限制系数 查表 14 取 k= T=m 8 1 . 6 5 7 8 0 . 6 4 63 . 1 4 1 2 1 4 7 7 . 7 5d m m 选用 d=5 根据 10085推荐，采用渐开线蜗杆 ( 蜗杆要求表面硬度和耐磨性较高，故材料选用 40轮用灰铸铁 造，采用金属模铸造。 确定作用在蜗轮上的转矩 Z=1，估取效率 4 = 6 6 6222 1 1 20 . 0 8 0 . 79 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 2 3 5 0 82 2 . 7 5P m mn n i （ 2 9 图 2蜗轮 各力的大小计算为 11212 2 5 8 7 6 5 . 2 218 （ 2 21222 2 2 3 5 0 8 6 0 6 . 6 67 7 . 5 （ 2 001 2 2 t a n 2 0 6 0 6 . 6 6 t a n 2 0 2 2 0 . 8r r F N （ 2 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 21221 . 5 3 d Y （ 2 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 1，由表 11选取使用系数 于转速不高，冲击不大，可取动载系数 1 . 1 5 1 1 . 1 1 . 2 6 5 K K （ 2 10 由表 11得，蜗轮的基本许用弯曲应力 34F 假设 2 62z = 3 1048，蜗轮的当量齿数 22 33 62 6 2 . 2 9c o s c o s 3 1 0 V 48 （ 2 根据2 0x ，2 ，从图 11中可查得齿形系数2 螺旋角系数 3 1 01 1 0 . 9 7 7 3140 Y 48 140?（ 2 231 1 . 5 3 1 . 2 6 5 2 3 5 0 8 2 . 3 0 . 9 7 7 3 3 4 . 3 76 2 4 8m d m m 由表 11得 中心距 a=50 模数 m= 分度圆直径1 31 35m d 杆头数1 1z直径系数 分度圆导程角 =3 11 38 蜗轮齿数2 62z 变位系数2 1）蜗杆 轴向齿距 3 . 1 4 1 . 2 5 3 . 9 2 5ap m m m （ 2 齿顶圆直径 *11 2 2 2 . 4 2 1 1 . 2 5 2 4 . 9ad d h a m m m （ 2 齿根圆直径 *11 2 2 2 . 4 2 1 1 . 2 5 0 . 2 5 1 . 2 5 1 9 . 2 7 5fd d h a m c m m （ 2 蜗杆轴向齿厚 11 3 . 1 4 1 . 2 5 1 . 9 6 2 522as m m m （ 2 2）蜗轮 传动比 2162 621zi z （ 2 蜗轮分度圆直径 22 1 . 2 5 6 2 7 7 . 5d m z m m （ 2 蜗轮喉圆直径 *2 2 22 7 7 . 5 2 1 . 2 5 1 0 . 0 4 8 0 . 1ad d m h a x m m （ 2 11 蜗轮齿根圆直径 *2 2 22 7 7 . 5 2 1 . 2 5 1 0 . 0 4 0 . 2 5 7 4 . 4 7 5fd d m h a x c m m （ 2 蜗轮咽喉母圆半径 22115 0 8 0 . 1 9 . 9 522a d m m （ 2 考虑到所设计的自动导引小车属于精密传动，从 10089柱蜗杆、蜗轮 精度中选择 6级精度，侧隙种类为 由于该蜗轮 轮 无须热平衡计算。 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前轮轴结构 自动导引小车的前轮受力，受力如图 2示。 8 0 . 8 4 4 0 . 4 22 F N 1 = 12 （ 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 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d D T=204212 20d d d m m 。 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=此取 25d 。 取安装左、右轮辐处的轴段的直径 30d ;轮辐的左端采用轴肩定位，右端用螺母夹紧轮辐。已知轮辐的宽度为 34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 32l 。左右轮辐的左段采用轴肩定位，轴肩高度 ，取 h=3轴环处的直径 36Vd 轴环宽度 b 5Vl 轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为 0，其尺寸为0 20d 故 19d d m m , 1 l m m , 1 3 1 . 1 1 1 . 9l m m 。 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 （ 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 b h=87 1095键槽用键槽铣刀加工，长为 28准键长见 1096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/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 （ 4）确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴端倒角为 1 45，各轴肩处的圆角半径为 13 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。 F 2前轮轴的载荷分析图 12 11 8 0 . 8 4 4 0 . 4 222F F F N 1239L L m m11 4 0 . 4 2 3 9 1 5 7 6 . 3 8 L N m m 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩的截面强度。最大负弯矩在截面 C 上，1 5 7 6 . 3 8 m m。 对截面 公式 4 1W（ 2 由表 15得， 45钢 调质 1 60M 由表 15得， 2233 38 4 3 0 43 . 1 4 3 0 2 2 8 8 . 8 43 2 2 3 2 2 3 0b t d m （ 2 11 5 7 6 . 3 8 0 . 6 8 92 2 8 8 . 8 4 P a 因此该轴满足强度要求，故安全。 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。 14 图 2后轮轴结构 速2蜗杆传动的效率 = 2 0 . 0 8 0 . 7 0 . 0 5 6P P K W （ 2 2 2 2 . 7 5 m i nn n r2 23508T N m m2 1 2 6 3 6 5 460先按式（ 15初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45钢，调质处理。根据表 15，取0A=115，于是得 2 33m i n 020 . 0 5 61 1 5 1 5 . 52 2 . 7 5 m （ 2 后轮轴的最小直径是安装轮辐处轴的直径 d。由于轮辐与轴采用键联结，故 26d 。 （ 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 15 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 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 d D T=306216 30d d d m m 。 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=3此，取 36d 。 轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为 0,其尺寸为0 30d ， 。 取安装轮辐处的轴段的直径 26d 。轮辐的宽度为 27了使轴端挡圈可靠地压紧轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取 26l 。 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 （ 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 d由手册查得平键截面 b h=87槽长为25辐与轴的配合为 H8/ （ 4)确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴端倒角为 1 45，各轴肩处的圆角半径为 后轮轴上的受力分析 2 2= 1 1)在水平面上后轮轴的受力简图为 2 由静力平衡方程求出支座 A、 1 2 211 1 2 6 3 . 8 6 3 1 . 922N H N H F N 三个集中力作用的截面上的弯矩分别为 1 1 6 3 1 . 9 2 7 . 5 1 7 3 7 7 . 2 5H D N L N m m 0H A H 16 图 2后轮轴的载荷分析图 （ 2)在垂直面上后轮轴的受力简图 2 由静力平衡方程求出支座 A、 22 V N 2 N m . 2 2 7 7 . 5 （ 2 17 0 2 1 2 1 1 32 2 0r a N M F L F L L(2 12 2 1 311 22N V r L M F L 1 4 6 0 2 7 . 5 2 5 2 7 . 2 7 5 1 5 7 . 6 6 2 2 7 . 5 4 12 2 7 . 5 0， 1 2 2 0N V N V F F (21 2 2N V r N F F 4 6 0 1 5 7 . 6 6 0 . 7 6 在 中，将截面左边外力向截面简化，得 1 1 x 10 (2在 中，同样将截面左边外力向截面简化，得 2 1 2 2 r aM x F x F x M 0 x (22223 0 1 . 5 7 8 2 7 . 5 3 0 1 . 5 7 8 4 6 0 2 5 2 7 . 2 7 在 中，同样将截面右边外力向截面简化，得 3 3 x F x 1x(20 3 0 1 . 5 7 8 2 7 . 5 8 2 9 3 . 3 9 5 m m 1 5 7 . 6 6 4 1 6 4 6 4 . 0 6 m 、 B、 C、 0 2 2 2 21 D V M N m (2 18 2 2 2 22 D V M N m m 右 (2646406B V N m m 后轮轴上的转矩 2 23508T T N m m 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（ 154得 22222 3508 (2其中， 为折合系数，取 = W 为轴的抗弯截面系数，由表 15得 2233 38 4 3 0 43 . 1 4 3 0 2 3 2 2 3 0b t d m 选定轴的材料为 45钢，调质处理，由表 15查得1 60因此1，故安全。 轮轴上的轴承 要求寿命 2500转速 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 2 8 . 9 6 m i 1 4 1 1 0 ，轴向力 0 。 1 由上述条件试选轴承 试选 6004型轴承，查表 16 0 5 0 0 0 m i 2 按额定动载荷计算 由式 4 66010 (2 19 对球轴承 =3， P r a P rP f X F Y F f F (2查表 13 自动导引小车 代入得 1 . 2 4 0 . 4 2 4 8 . 5 0 4 3 66 0 2 8 . 9 6 2 5 0 04 8 . 5 0 4 7 9 . 1 4 9 3 8 010C N N 故 6004型轴承能满足要求。 3 按额定静载荷校核 由式 0 0 0C S P(2查表 13，选取0S=2 0 0 0 a F Y F F N (2代入上式，0 0 05 0 2 0 2 4 0 . 4 2 8 0 . 8 4C N S P N 满足要求。 杆轴上的轴承 要求寿命 2500转速 1 4 1 0 . 5 m i ，轴承的径向载荷1 作用在轴上的轴向载荷 1 由上述条件试选轴承 选 30203型轴承，查表 5 0 0 0 0 m i （脂润滑） 图 2蜗杆轴上的轴承受力 2 按额定动载荷计算 20 1 . 7 (2213 2 . 4 7 6 0 6 . 6 6 6 3 9 . 1 3 N S 12 F N ， 22 N P r aP f X F Y F 查表 15， . 7 8 9 0 . 3 ， ， 1 1 . 2 0 . 4 1 1 0 . 4 1 . 7 6 0 6 . 6 6 1 2 9 0 . 5 8 . 2 9 4 0 . 3 ， 1X ， 0Y 2 2 2 2 1 . 2 1 1 0 . 4 1 3 2 . 4 8P r a P rP f X F Y F f F N 由式 15 2 5 66010 103 10 103 311 6660 6 0 1 4 1 0 . 5 2 5 0 01 2 9 0 . 5 8 6 4 3 31 0 1 0 N 10 103 322 60 6 0 1 4 1 0 . 5 2 5 0 01 3 2 . 4 8 6 6 01 0 1 0 N 12小于 19800满足要求。 3 按额定静载荷校核 由表 15 10 5 0 0 0C S P查表 15，取0 110115 . 7 8 9 0 . 52 2 1 0 1 0 1 0 1 0 . 5 1 1 0 . 4 1 6 0 6 . 6 6 6 6 1 . 8 6 F Y F N 21 220110 . 2 9 4 0 . 52 2 1 0 2 2 N01 02小于0 13200满足要求。 4 极限转速校核 由式 2 f f n(21 ，由图 15得 1 1f ，由图 15得 2 m a x 1 1 0 . 5 9 0 0 0 4 5 0 0 m i 2 ，由图 15得 1 1f ，由图 15得 2 1f m a x 2 1 1 9 0 0 0 9 0 0 0 m i n 小于 足要求。 轮轴上的轴承 要求轴承的寿命 2500转速 2 2 . 7 5 m i ，轴承 A 的径向载荷2 2 2 21 1 1 6 3 1 . 9 3 0 1 . 5 7 8 7 0 0r N H N F N ；轴承 B 的 径 向 载 荷