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AVG自动导引小车
自动导引小车AVG的设计
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自动导引小车的设计
自动导引小车
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I AGV 自动导引小车的设计 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。 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。 关键词关键词：自动导引小车，单片机控制，设计，PWM 技术 II Design on Automatic Guided Vehicle 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 摘 要.I A Abstractbstract.II 第一章第一章 绪论绪论.1 1.11.1 AGVAGV 自动导引小车简介自动导引小车简介 1 1.21.2 AGVAGV 自动导引小车的分类自动导引小车的分类 1 1.31.3 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 1 第二章第二章 机械部分设计机械部分设计.2 2.12.1 设计任务设计任务 2 2.22.2 确定机械传动方案确定机械传动方案 2 2.32.3 直流伺服电动机的选择直流伺服电动机的选择 3 2.42.4 联轴器的设计联轴器的设计 5 第三章第三章 控制系统的设计控制系统的设计19 3.13.1 控制系统总体方案控制系统总体方案.19 3.23.2 鉴向鉴向.19 3.33.3 计数的扩展计数的扩展.20 3.43.4 中断的扩展中断的扩展.21 3.53.5 数摸转换器的选择数摸转换器的选择.22 3.63.6 电机驱动芯片选择电机驱动芯片选择.23 3.73.7 运动学分析运动学分析.26 3.83.8 控制软件的设计控制软件的设计.27 结论结论.32 参考文献（参考文献（R Referenceseferences）.32 致谢致谢.32 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 AGVAGV 自动导引小车简介自动导引小车简介 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。 1.21.2 AGVAGV 自动导引小车的分类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。 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。 1.31.3 国内外研究现状及发展趋势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场。 1 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。 2 第二章第二章 机械部分设计机械部分设计 2.12.1 设计任务设计任务 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 2.22.2 确定机械传动方案确定机械传动方案 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。 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 3 计方案。 2.32.3 直流伺服电动机的选择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） d 10001000 6 22.75min 3.14 140 v nr 电机的转速 选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=62 （2-2）62 22.751410.5minninr 电 自动导引小车的受力分析： O G P FB FC FA FD A B C D 图 2-3 车轮受力简图 小车车架自重为 P （2- 3 2.85 100.5 0.3 0.032 9.8134PabhgN 3） 小车的载荷为 G （2-4）35 9.8343GmgN 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 ， AB FF CD FF ， （2-5）0 z F 220 AC FFPG ， （2-6）0 x M 0.0750.172 0.30 C GPF 解得 157.66 AB FFN80.84 CD FFN 4 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 M （2-7） max 0 f MM （2-8） max 0.006 157.660.946 N MFN m 其中 滚动摩阻系数，查表 5-2，=210，取 =6mm 2 牵引力 F 为 （2-9） max 0.946 13.5 0.07 2 M FN d 电 机 1/G W 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（） L T （2-10） 19.8 21000 L FWD T G 13.50.15 157.6614019.8 0.72621000 0.587N m 取=0.7, =157.66, =0.15WN 2） 求换算到电机轴上的负荷惯性（） L J （2-11） 2 1 2134 2 L Z JJJJJ Z 2 2 1 0.00003490.0047660.000131 0.0000604 62 0.000036189 kg m 其中 为车轮的转动惯量；为蜗杆的转动惯量； 1 J 2 J 为蜗轮的转动惯量；为蜗轮轴的转动惯量。 3 J 4 J 3） 电机的选定 A O FS FN P F 5 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 2 1290 M Jgcm 匹配条件为 32 m ax 361. 89 LL JJgcm （2-12） max 0.251 L M J J 即 361.89 0.251 0.250.28051 惯量 （2-13）J 2 1290361.891651.89 ML JJJgcm 其中为伺服电动机转子惯量 M J 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出转矩。 max n max T （2-14） max max 22 3.14 4000 1651.890.91 6060 0.076 a n TJJN m t 加速时间 （2-15）44 0.0190.076 aM TTs 其中 机械时间常数19 M Tms 2.42.4 联轴器的设计联轴器的设计 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 6 （2-16） 8 m KT d D Z 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% =35% b s s 硬度 217255HBS 2 0.39 k MJ m 销钉的许用切应力为 （2-17） 0.70.80.75 637477.75 B MPa 过载限制系数 k 值 查表 14-4 取 k=1.6 4 T=0.321Nm 8 1.6 578 0.646 3.14 12 1 477.75 dmm 选用 d=5mm 满足剪切强度要求。 2.52.5 蜗杆传动设计蜗杆传动设计 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- 666 2 2 2112 0.08 0.7 9.55 109.55 109.55 1023508 22.75 PP TN mm nn i 18） 7 图 2-7 蜗轮-蜗杆受力分析 各力的大小计算为 （2-19） 1 12 1 22 587 65.22 18 ta T FFN d （2-20） 2 12 2 22 23508 606.66 77.5 at T FFN d （2-21） 00 122tan20 606.66 tan20220.8 rrt FFFN 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） 2 2 12 2 1.53 Fa F KT m dYY z 确定载荷系数 K 4 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选取使用系数 4 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）1.15 1 1.11.265 AV KKKK 由表 11-8得，蜗轮的基本许用弯曲应力 4 34 F MPa 假设 31048“，蜗轮的当量齿数 2 62z = （2-24） 2 2 33 62 62.29 coscos 310 V z z 48 根据，从图 11-19中可查得齿形系数 2 0x 2 62.29 V z 4 2 2.3 Fa Y 螺旋角系数 （2-25） 310 110.9773 140 Y 48 140 23 1 1.53 1.265 23508 2.3 0.977334.37 62 48 m dmm 由表 11-2得 4 中心距 a=50mm 模数 m=1.25mm 分度圆直径 1 22.4dmm 23 1 35m dmm 蜗杆头数 直径系数 17.92 分度圆导程角 =31138 1 1z 蜗轮齿数 变位系数 2 62z 2 0.04x 5.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 8 1）蜗杆 轴向齿距 （2-26）3.14 1.253.925 a pmmm 齿顶圆直径 （2-27） * 11 222.42 1 1.2524.9 a ddha mmm 齿根圆直径 （2-28） * 11 222.421 1.250.25 1.2519.275 f ddha mcmm 蜗杆轴向齿厚 （2-29） 11 3.14 1.251.9625 22 a smmm 2）蜗轮 传动比 （2-30） 2 1 62 62 1 z i z 蜗轮分度圆直径 （2-31） 22 1.25 6277.5dmzmm 蜗轮喉圆直径 （2- * 222 277.52 1.251 0.0480.1 a ddm haxmm 32） 蜗轮齿根圆直径 （2- * 222 277.52 1.251 0.040.2574.475 f ddm haxcmm 33） 蜗轮咽喉母圆半径 （2-34） 22 11 5080.19.95 22 ga radmm 6.精度等级公差和表面粗糙度的确定 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。 2.62.6 轴的设计轴的设计 2.6.1 前轮轴的设计前轮轴的设计 前轮轴只承受弯矩而不承受扭矩，故属于心轴。 9 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。 C FF 1 80.8440.42 2 C FFFN 1 = 2 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。20dddmm 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。25dmm (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，右端30dmm 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轴肩定位，轴肩高度32lmm ，取 h=3mm，则轴环处的直径。轴环宽度 b1.4h，取。0.07hd36 V dmm5 V lmm (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 0 20dmm , ,。19ddmm 1.1llmm 13 1.111.9lmm 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 10 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。 Mc F F1 F2 M 图 2-9 前轮轴的载荷分析图 12 11 80.8440.42 22 FFFN 12 39LLmm 11 40.42 391576.38 C MFLN mm 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。最大负弯矩在截面 C 上， 。1576.38 C MN mm 对截面 C 进行强度校核，由公式 4 （2-35） 1ca M W 由表 15-1得，45 钢 调质 4 1 60MPa 由表 15-4得， 4 （2-36） 22 33 3 8 43043.14 30 2288.84 322322 30 bt dtd Wmm d 1 1576.38 0.689 2288.84 ca MPa 因此该轴满足强度要求，故安全。 2.6.22.6.2 后轮轴的设计后轮轴的设计 后轮轴在工作中既承受弯矩又承受扭矩，故属于转轴。 11 图 2-10 后轮轴结构 1.求后轮轴上的功率、转速和转矩 2 P 2 n 2 T 取蜗轮-蜗杆传动的效率=0.7,则 （2-37） 2 0.08 0.70.056PPKW 2 22.75minnnr 2 23508TN mm 2.作用在蜗轮上的力 2 1263.8 t FN 2 65.22 a FN 2 460 r FN 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。根据表 4 15-3，取=115，于是得 4 0 A （2-38） 2 3 3 min0 2 0.056 11515.5 22.75 P dAmm n 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，故d 。26dmm 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 。30dddmm 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。36dmm 12 (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，故 0 30dmm ，。28.6dmm 1.7Lmm (3)取安装轮辐处的轴段的直径。轮辐的宽度为 27mm,为了使轴端挡圈26dmm 可靠地压紧轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取。26lmm 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 bh=8mm7mm,键槽d 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)。 由静力平衡方程求出支座 A、B 的支反力 122 11 1263.8631.9 22 NHNHt FFFN 三个集中力作用的截面上的弯矩分别为 1 1631.9 27.517377.25 HDNH MFLN mm 0 HAHB MM 13 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 22 65. 22 N Va FFN （2-39） 2 Nm m 65. 2277. 5 2527. 275 22 a a F D M ， (2-40) 0 A M 212113 220 raN V FLMFLFLL 1 2213 1 1 2 2 N Vra FFLMFLL L 1 46027. 52527. 275157. 66227. 541 227. 5 0. 726N ， (2-41)0 y F 122 0 N VN Vr FFFF 122N VrN V FFFF 460157. 660. 762 301. 578N 在段中，将截面左边外力向截面简化，得AD (2-42) 111 301. 578 N V MFxx 1 x 1 027. 5x 14 在段中，同样将截面左边外力向截面简化，得D B (2-43) 21222 27. 5 N Vra M xFxF xM027. 5 2 x 22 2 301. 57827. 5301. 5784602527. 275 10820. 67158. 422 xx x 在段中，同样将截面右边外力向截面简化，得BC (2-44) 333 157. 66M xFxx 3 041x 0 VAVC MM 301. 57827. 58293. 395 VD MNm m 10820. 67158. 422010820. 67 VD MNm m 157. 66416464. 06 VB MNm m 计算 A、B、C、D 截面的总弯矩 M 0 AC MM 2222 1 17377. 258293. 39519254. 85 DH DVD MMMN m m (2-45) (2-46) 2222 2 17377. 2510820. 6720470. 85 DH DVD MMMNm m 646406 BVB MMNm m 后轮轴上的转矩 2 23508TTNm m 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 (2-47) 22 22 2 20470. 850. 623508 10. 85 2288. 84 D ca MT M Pa W 其中，为折合系数，取=0.6 为轴的抗弯截面系数，由表 15-4得W 4 22 33 3 84304 3. 1430 2288. 84 32232230 btdt d Wm m d 选定轴的材料为 45 钢，调质处理，由表 15-1查得 4 1 60M Pa 15 因此，故安全。 1ca 2.72.7 滚动轴承选择计算滚动轴承选择计算 2.7.12.7.1 前轮轴上的轴承前轮轴上的轴承 要求寿命，转速，轴承2500 h Lh 1000100010 28. 96m i n 3. 14110 nr d 的径向力，轴向力。40. 42 r FN0 a F 1 由上述条件试选轴承 试选 6004 型轴承，查表 16-2 4 9. 38 r CkN 0 5. 02 r CkN l i m 15000m i nnr 2 按额定动载荷计算 由式 (2-48) 4 6 60 10 h nL CP 对球轴承=3， (2-49) PraPr PfXFYFf F 查表 13-6 自动导引小车 4 1. 2 P f 代入得 1. 240. 4248. 504PN 3 6 6028. 962500 48. 50479. 149380 10 CNN 故 6004 型轴承能满足要求。 3 按额定静载荷校核 由式 (2-50) 00 0 CS P 查表 13-8，选取=2 4 0 S (2-51) 000 40. 42 rar PX FYFFN 代入上式，满足要求。 00 0 5020240. 4280. 84CNS PN 2.7.22.7.2 蜗杆轴上的轴承蜗杆轴上的轴承 要求寿命，转速，轴承的径向载荷2500 h Lh1410. 5m i nnr ，作用在轴上的轴向载荷。 1 110. 4 r FN606. 66 a FN 1 由上述条件试选轴承 选 30203 型轴承，查表 5-24 5 16 （脂润滑） 19. 8CkN 0 13. 2CkN l i m 9000m i nnr0. 35e 图 2-12 蜗杆轴上的轴承受力 2 按额定动载荷计算 (2-52) 1 12 110. 4 32. 47 221. 7 r F SSN Y 21 32. 47606. 66639. 13 a SFNS ， 12 639. 13 aa FSFN 22 32. 47 a FSN Pra PfXFYF 查表 15-12， 5 1. 2 P f ， ， 1 1 639. 13 5. 7890. 35 110. 4 a r F e F 0. 4X1. 7Y 1 1. 20. 4110. 41. 7606. 661290. 58PN ， ， 2 2 32. 47 0. 2940. 35 110. 4 a r F e F 1X0Y 2222 1. 2110. 4132. 48 PraPr PfXFYFf FN 由式 152 5 6 60 10 h nL CP 10 3 1010 33 1166 60601410. 52500 1290. 586433 1010 h nL CPN 1010 33 2266 60601410. 52500 132. 48660 1010 h nL CPN 均小于满足要求。 12 CC19800CN 3 按额定静载荷校核 由表 1510 5 00 0 CS P 17 查表 15-14，取 5 0 1. 8S 1 10 11 5. 7890. 5 221 a r F FY 010101 0. 5110. 41606. 66661. 86 ra PX FYFN 2 20 11 0. 2940. 5 221 a r F FY 022 110. 4 r PFN 均小于，满足要求。 0102 PP 0 13200CN 4 极限转速校核 由式 (2-53) m ax1 2l i m nf f n ，由图 15-5得 1 1290. 58 0. 0652 19800 P C 5 1 1f ，由图 15-6得 1 1 5. 789 a r F F 5 2 0. 5f m ax1 10. 590004500m i nnr ，由图 15-5得 2 132. 48 0. 0067 19800 P C 5 1 1f ，由图 15-6得 2 2 0. 294 a r F F 5 2 1f m ax 2 1190009000m i nnr 小于和满足要求。n m ax1 n m ax 2 n 2.7.32.7.3 后轮轴上的轴承后轮轴上的轴承 要求轴承的寿命，转速，轴承 A 的径向载荷2500 h Lh22. 75m i nnr ；轴承 B 的径向载荷 2222 111 631. 9301. 578700 rN HN V FFFN ；轴向载荷为。 2222 222 631. 90. 762631. 9 rN HN V FFFN65. 22 a FN 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 18 试选 6206 型轴承，查表 15-19 5 （脂润滑）14. 91CkN 0 10. 01CkN l i m 9500m i nnr 2 按额定动载荷计算 由式 6 60 10 h nL CP 对球轴承，3 Pra PfXFYF 由 查表 15-19 0 65. 22 0. 0065 10010 a F C 5 0. 19,2. 3eY 由 查表 15-19 65. 22 0. 0930. 19 700 a r F e F 5 r PF 查表 15-12 自动导引小车 5 1. 2 P f 代入得 1. 2700840PN 3 6 6022. 752500 8401264. 6514910 10 CNN 故 6206 型轴承能满足要求。 3 按额定静载荷校核 由式 00 0 CS P 查表 15-14，选取 5 0 1S 由 0. 093 a r F F 查表 15-19，时， 5 0. 8 a r F F 00 1,0XY 得 0 700 r PFN 代入上式，满足要求。 00 0 10010700CNS PN 4 极限转速校核 m ax1 2l i m nf f n 由 查图 15-5 840 0. 0563 14910 P C 5 1 1f 19 查图 15-6 65. 22 0. 093 700 a r F F 5 2 1f 代入 m ax 1195009500m i nnr 满足要求。 m ax 22. 75m i nnrn 第三章第三章 控制系统的设计控制系统的设计 3.13.1 控制系统总体方案控制系统总体方案 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： 20 图 3-1 控制系统的组成框图 3.23.2 鉴向鉴向 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。 21 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。 3.33.3 计数的扩展计数的扩展 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：，； 4 CSY 00 QA 11 QA U7读/写控制逻辑接线：，。 3 CSY 00 QA 11 QA 22 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 个计数器分别对两台伺服电机的正/ 反脉冲进行计数,所得到的计数值减掉上一次的计数值, 就可以得到在这一时间周期内的各路脉冲数。右轮反转、正转和左论反转、正转的结果分 别存于临时变量temp 1、temp 2、temp 3 和temp 4 中,在主程序中通过对它们进行运算就可 以得到移动机器人的状态量了。 3.43.4 中断的扩展中断的扩展 AT89C51 单片机是使用两个级联的 8259A 中断控制器来控制中断的。主 8259A 芯片 上的 IRQ2 扩展成从片上的 IRQ8IRQ15 使用。 8259A 作为一种可编程中断控制器，是一种集成芯 片。它用来管理输入到 CPU 的各种中断申请，主要 外围设备，能提供中断向量、屏蔽各种中断输入等 功能。每一个 8259A 芯片都能直接管理 8 级中断， 最多可以用 9 片 8259A 芯片级连，由其构成级连机 构可以管理 64 级中断。 8259A的外部引脚： ：数据线，CPU通过数据线向8259A 70 DD 发送各种控制命令和读取各种状态信息。 INT：中断请求，和CPU的INTR引脚相连，用 来向CPU提出中断请求。 ：中断响应，接收CPU的中断响应信号。INTA 图3-6 8259A引脚图 ：读信号，低电平有效，通知8259A将某RD 个寄存器的内容送到数据总线上。 ：写信号，低电平有效，通知8259A从数据线上接受数据（即命令字）。WR ：片选信号，低电平有效。CS ：端口选择，指出当前哪个端口被访问。 0 A ：接收设备的中断请求。 07 IRIR ：级联端，指出具体的从片。在采用主从式级联的多片8259A的系统中， 20 CASCAS 主从片的对应连接在一起。 20 CASCAS ：主从片/缓冲器允许，双功能引脚，双向。它有两个用处：当作为输入时，SP EN 用来决定本片8259A是主片还是从片。作为输出时，当从8259A往CPU传送数据时，由 引出的信号作为总线启动信号，以控制总线缓冲器的接收和发送。SP EN 本次设计采用两片8
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