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简易AGV自动导引小车的设计,简易,AGV,自动,导引,小车,设计
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整个AGV自动导引小车的控制流程如图3-14所示。图3-14 控制系统程序结构图程序开始：先设置函数和变量，并对各芯片进行初始化；读取预先设置轨迹的坐标；对轨迹进行插补；读取上次的误差，自动导引小车启动；进行轨迹的检测；判断第一段路径走完没有；NO则把检测的实际轨迹和预先设置的轨迹相比较产生偏差，接着把偏差送给D/A转换器，从而控制自动导引小车沿预先设定的轨迹行走。YES则走下一段轨迹，接着判断是否到达终点，到达终点结束；没到达终点则继续走下一段轨迹。下面为圆弧插补程序，流程图如图3-15。DDA圆弧插补程序：XP BIT 00H ；X向益出标志YP BIT 01H ；Y向益出标志XS EQU 60H ；起点坐标XYS EQU 61H ；起点坐标YXE EQU 62H ；终点坐标XYE EQU 63H ；终点坐标YJVX EQU 64H ；X积分累加器JVY EQU 65H ；Y积分累加器JRX EQU 66H ；X被积函数寄存器JRY EQU 67H ；Y被积函数寄存器JEX EQU 68H ；X向终点计数器JEY EQU 69H ；Y向终点计数器ORG 1000HMOV JVX，YS ；初始化MOV JVY，XSMOV JRX，#0MOV JRY，#0MOV R2，XSMOV R4，XEACALL BSUB ；求X坐标的计数初值 MOV JEX，R6MOV R2，YSMOV R4，YEACALL BSUB ；求Y坐标的计数初值MOV JEY，R6CLR XP CLR YPMOV R2, XSMOV R4, YSACALL YC ；调用益出子程序CF: MOV A,JEX ；X向JZ YXMOV R2, JRXMOV R4, JVXACALL BADD ；修改X向寄存器MOV JRX, R6MOV A, R7CJNE A, JRX, NX1 ；X向是否益出SETB XP DEC XSDEC JEX ；-X走一步AJMP YXNX1: JC YX SETB XP DEC XS DEC JEXXY: MOV A, JEY ；Y向 JZ ZDP MOV R2, JRY MOV R4, JVY ACALL BADD ；修改Y向寄存器 MOV JRY, R6 MOV A, R7CJNE A, JRY, NX2 ；Y向是否益出 SETB YP ；+Y走一步 INC YS DEC JEY AJMP JINX NX2: JC JINX ；进给了X？ SETB YP INC YS DEC JEYJINX: JNB XP, NX3 ；进给了Y？ DEC JVY NX3: JNB YP, CF INC JVX AJMP CFZDP: MOV A, JEX JNZ CF ；X向到终点吗？ MOV A, JEY JNZ CF ；Y向到终点吗？ ENDBADD：加法程序入口；被加数R2；加数R4；结果R6；BSUB：减法程序入口；被减数R2；减数R4；结果R6。BSUB：MOV A，R4 ；取减数 CPL ACC.7 ；减数符号取反以进行加法 MOV R4，ABADD：MOV A，R2 ；取被加数 XRL A，R4 ；两数异或 MOV C，ACC.7 ；两数同号CY=0，两数异号CY=1 MOV A，R2 CLR ACC.7 ；符号位清0 MOV R2，A MOV A，R4 CLR ACC.7 ；符号位清0 MOV R4，A JC JIAN ；两数异号转JIAN MOV A，R2 ADD A，R4 MOV R6，A RETJIAN：MOV A，R2 ；相减 CLR C SUBB A，R4 MOV R6，A JNB ACC.7，QWE MOV A，R6 CPL A ADD A，#1 MOV R6，AQWE：RET益出子程序：R7中存放益出值。 YC：MOV R5，#08H MOV R7，#00H CLR C MOV A，R2 SUBB A，R4 JNZ LP LP5：MOV A，R2 LP6：CLR C LP2：RLC A JC LP1 INC R7 DJNZ R5，LP2LP1：CLR ALP3：SETB C RRC A DJNZ R7，LP3 CPL A MOV R7，A RETLP：JC LP4 AJMP LP5 LP4：MOV A，R4 AJMP LP6 图3-15 DDA圆弧插补流程图毕业设计（论文）任务书学生姓名: 刘猛 学 号: 2013319020106 专 业： 机械设计制造及自动化 所 在 系： 机械 班 级： 设计(论文)题目： 简易AGV自动导引小车的设计 起 迄 日 期: 年 月 日 月 日 设计(论文) 地点: 东北电力大学 指 导 教 师: 孙业明 系 主 任: 发任务书日期: 2017年 月 日毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：AGV是自动导引车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写，是指具有磁导、轨道或者激光等自动导引设备，沿规划好的路径行驶，以电池为动力的无人驾驶的自动化车辆，AGV可以准确的按照规定的路径行走，到达任务指定位置后，完成一系列的作业任务。常用于汽车底盘装配、柴油机装配、货物搬运、智能巡检等领域，具有非常重要的应用价值。本课题要求设计一简单AGV自动导引小车，该小车可以按照要求的轨迹自动实现移动，能够自动检测边界。通过本设计使学生了解AGV自动导引车工作机理及发展现状，掌握与课题有关的机械结构设计方法，电控原理及电路形式实现方法，锻炼学生对知识学习分析能力及综合运用知识解决实际问题的能力。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求、成果要求等）：1、查找资料（相关书籍、学术期刊、学位论文、网络资源等）了解常见AGV自动导引车的种类、结构形式、工作原理及国内外研究现状。2、学习机构设计相关理论、机械图、分析软件；学习电子技术、控制理论等知识，学习并熟练应用protel软件。3、设计出自动导引车的机械结构，绘制零件图、装配图；设计出驱动电路形式，绘制出电路原理图。4、按照学校、学院要求的规范撰写毕业论文1份，完成其它要求的工作内容。毕 业 设 计（论 文）任 务 书3主要参考文献：1 徐爱钧.单片机原理与应用-基于Proteus虚拟仿真技术M.机械工业出版社，2010.2 谢维成. 单片机原理与应用及C51程序设计（第2版）M，清华大学出版社，2014.3 李娜, 高飞. 基于单片机的人体脉搏检测系统的设计J. 电子制作. 2014,17 .4 颜昌彬. 基于单片机的交通信号灯自动控制系统J. 科技创新与应用. 2014, 35.5 国海峰. 压电泵的驱动电源研制及其特性研究J. 微特电机. 2011, 04.6 陈传亮. 基于单片机的多路温度检测系统的设计J. 电子制作. 2014, 07.7 李美艳. 基于89C51单片机的步进电动机控制 J. 电子设计工程. 2014, 23.8 Citycero R. de Limaa. A biomimetic piezoelectric pump: Computational and experimental characterizationJ. Sensors and Actuators A. 2009, 110-118.9 张小鸣. 单片机系统设计与开发M. 清华大学出版社, 2014.10 许江淳. 单片机测控技术应用实例解析M. 中国电力出版社, 2010.4本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2017年2月27日 4月5日4月6日 5月10日5月10日 答辩熟悉课题内容；为解决课题任务要求，查阅相关资料（书籍、科技期刊、网络资源等）；完成外文翻译设计出符合课题要求的电路原理图，机械图、程序流程图 完成毕业论文撰写，准备答辩所在专业审查意见：负责人： 2017年 月 日系意见：系领导： 2017年 月 日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系领导签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，必须经过所在系主管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“系”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号（99级为7位数），不能只写最后2位或1位数字；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2003年3月21日”或“2003-03-21”。概要 AGV车套先进的电磁导航技术，用于旅游，参展，休闲生活。汽车系统是一种机动自动输送系统，其中手推车的机械结构是导向系统的核心部件之一，汽车与机电系统一起运行展现转向、退后、制造、减速等一些的运作，与仿制机器人实行替换行走。给我们的生活带来很大的便利。汽车优点：运输方便，使用灵活，效率高，节能环保，改善工作环境。目前国外汽车广泛应用于房地产，高尔夫，旅游等休闲区。国内的汽车也逐渐进入了城市人民的生活领域。汽车具备电脑技术于一体，结合了当今社会先进的科技理论和应用技术。广泛应用于休闲生活，运输效率高，节能环保，灵活运输等诸多优点，大大提升了我们的休闲生活条件。本文根据国内外自动化运输设备和发展状况的分析，设计了由伺服电机独立于汽车驱动的两个后轮。主要设计过程是根据汽车的规格合理设计汽车的机械结构，车速选择合适的直流伺服电机，然后根据电机转速开启蜗轮传动设计，汽车负载和轴结构合理设计的速度并使用适当的轴承，最后根据汽车的驱动要求设计单片机控制系统。汽车的设计限制直流服务电机的速度和方向，实施前进和后退功效，达到沿着设定路线行驶的目的，为节省成本在设计过程中我们使用的齿轮驱动器不需要制动。在转向过程中，如果汽车的设计符合转向机构则需要更高的技术，所以为了节省成本，我们将直接从蜗轮传动速度来实现转向，从而大大节省时间。这种设计的优点是：结构紧凑，承载能力好，稳定性好，传动误差小，灵活易控，成本低，技术比较简单。关键词：AGV车、蜗轮传动、电子系统、伺服电机Summary AGV hood advanced electromagnetic navigation technology for tourism, exhibitors, leisure life. The automobile system is a kind of automatic transmission system, in which the mechanical structure of the trolley is one of the core components of the steering system, and the automobile and the electric equipment are operated together to realize a series of movements such as turning, retreating, braking and deceleration, To walk alternately. To bring casual life to bring great convenience. Advantages of the car: transport convenience, the use of flexible, high efficiency, energy saving and environmental protection, improve the working environment. At present, foreign cars are widely used in real estate, golf, tourism and other leisure areas. The domestic car has gradually entered the city peoples lives. Car with computer technology in one, combined with todays advanced science and technology theory and application technology. Widely used in leisure life, transportation efficiency, energy saving and environmental protection, flexible transportation and many other advantages, greatly improving peoples leisure living standards.Based on the analysis of the domestic and international automation equipment and the development situation, this paper designs two rear wheels driven by the servo motor independently of the automobile. The main design process is based on the specifications of the car reasonable design of the mechanical structure of the car, the speed of choice of the appropriate DC servo motor, and then according to the motor speed to open the worm gear design, car load and shaft structure reasonable design and use the appropriate bearing, The drive requires the design of a microcontroller control system. The design of the car controls the speed and steering of the DC servo motor to achieve the forward and backward functions to achieve the purpose of running along the set route for the cost savings in the design process we use the gear drive does not require braking. In the process of steering, if the design of the car in line with the steering mechanism requires a higher technology, so in order to save costs, we will directly from the worm speed to achieve steering, which greatly saves time. The advantages of this design are: compact structure, good carrying capacity, good stability, transmission error is small, flexible and easy to control, low cost, technology is relatively simple.Keywords: AGV, worm gear, electronic system, servo motor目 录1 绪论11.1 AGV小车简介11.2 AGV小车小车的分类11.3 国内外研究现状及发展趋势12机械部分设计32.1 设计任务32.2 确定机械传动方案32.3 车体计算52.4 直流伺服电动机的选择52.4.1运动参数62.4.2 电机的转速62.4.3 AGV小车的受力分析62.4.4 求换算到电机轴上的负荷力矩72.4.5 求换算到电机轴上的负荷惯性82.4.6 电机的选定82.4.7 电机的验算92.4.8快移时的加速性能92.5 联轴器的设计与选用92.6 蜗杆传动设计102.6.1 选择蜗杆的传动类型优点112.6.2 选择蜗杆的传动类型112.6.3 选择材料112.6.4 蜗杆传动的受力分析112.6.5初步中心距计算112.6.6确定模数，蜗轮齿轮，蜗轮直径系数，蜗杆导程角，中心距等参132.6.7传动基本几何尺寸归纳如下：142.6.8校核弯曲强度142.6.9蜗杆轴刚度验算152.6.10度等级公差的确定152.6.11平衡核算152.7 轴的设计162.7.1 前轮轴的设计162.7.2方向轴设计262.7.3体的设计282.8 滚动轴承选择计算292.8.1 前轮轴上的轴承292.8.2 蜗杆轴上的轴承302.8.3 后轮上的轴承333.控制系统的设计343.1 控制系统总体方案353.2 鉴向363.3 计数的扩展373.4 中断的扩展383.5 数摸转换器的选择393.6 电机驱动芯片选择403.7 运动学分析413.8 控制软件的设计42参考文献43致谢441介绍1.1 AGV车型 AGV车是一种灵活的制造业，在有前途的运输设备中，是一个将人造线路自动控制到另一个位置的自动运输设备。它是作为休闲车辆自动操作的动力源和传动机构的蓄电池。由于它是往返等交通路线。所以运输一直是一个伟大的发展，运用最普遍的观光车，进展非常快速。1.2 AGV手推车的分类 所谓的轨道是指具有轨道或空间的地面，用于采取机械导轨。地面车构造稳固，承受力大，价格低，技能熟练，定位密度高，方向功能好。地面轨道车可以直线或环路双向操作，广泛应用于中小型箱式FMS。高架轨道车相对于地面轨道车利用率高，体积小，速度快，有利于人员和传动装置的活动范围。架空推车更多用于工件或工具的输送，也用于安装工件和产品组装的输送系统。由于需要机械导轨，该轨道车辆的灵活性和可扩展性不是很理想的。因此有很多限制。 无轨车是由人和小型电脑掌控的输送车辆，而且可以按照差不多的程序随着指定的方向路径自行驾驶，而且具备停车选择装配，安全保护装配和多种传动系统。无轨汽车经过指引方式和限制方式分为方向模式和自行模式。引导路径的方法是将电线，磁带或反射器放置在地面上来指定汽车的路径，汽车通过电磁信号或光信号来检测自己的位置，通过自动核准来确保指定路途。在没路的指导形式下，面向地图的方式是将无距离车的计算机中的距离表存储。经过测试方法获取位方位信息，汽车自动运算从预定的参考点到方位的驾驶。这个引导是非常灵敏的，但是正确性不大。1.3国内外研究现状与发展趋势 根据AGV推车的灵敏处置设备和安装设备以及计算机合成制造设备。日本人认为AGV汽车系统诞生于1981年，所以大规模应用观光车的历史只有15到20年。但是它的开发速度非常快。1981年美国通用汽车开始使用旅游车，1985年持有500台，1987年就拥有3000台。系统反馈40的为国外旅游休闲AGV，日本15为娱乐生活AGV，也就是说其他的旅游业也在普遍的运用。 如今中国观光车总体运用刚刚开始，等于80年代之前的国外水准。然而企业运用普遍分布在汽车，飞机，家电，烟草，机械等行业。这证明了AGV具有非常实际的运用领域。 AGV车从技术开发，主要从国内到可调线;从简单的车辆单元控制到复杂的系统计算机控制;从原来的定期沟通到开发先进的实时通讯;从现场控制到机器控制到先进领域的发展，主要来自于机械制造，加工，装配生产线更为集中，普遍运用于自动化加工，材料运输，货物储存，商品推销等行业。2.机械部分的设计2.1设计任务 设计全自动运输车，能在水平面上根据开始预定的轨迹。本设计选用AT89C51微掌控器系统来控制汽车的运行，为了实现汽车的左右转，上坡，后退，停止功能。设计参数如下： AGV车长a： AGV车载G： AGV车宽b： AGV推车高度h： AGV车推速度V：2.2确定机械传动程序 方案一 采用三轮安置。直流服务电机按照减速器和差速器经过。AGV手推车的位置由前面的方向盘启动。驱动系统如图2-2（a）所示。 方案二 运用四轮排列，后轮由直流服务电机通过减速器和差速器的轴传动到后轮，前轮服务电机驱动滚珠丝杠上的半档旋转机构的运动，从而驱动前轮转动。使用汽车的转向系统，由于其复杂的结构所以图片采用最简单的绘图。 2-2（b） 传动系统二方案三运用四轮排列。AGV车具备两个后轮单独的驱动差速方向，两个前轮用于四轮结构的车轮方向。直流服务电机通过减速器直接开启后轮，当两轮不同的速度时可实行差速位置。驱动系统如图2-2（c）所示。 2-2（c） 传动系统三 比较三个方案，四轮结构和三轮结构的承载能力较大，稳定性好。该程序具有差速和转向机构。方案2是基于程序来改善后轮减速机，驱动后轮的传动精度低，误差大， 前轮采用转动车的原理，身体相当复杂。方案3采用两套蜗轮减速机和直流伺服电机，成本相对于方案一和方案二高，但是它的传动差距小，转弯灵敏。因此使用方案三作为设计的主题。 由于第三个程序的传输误差小并且灵活，所以选择方案三作为主题进行设计。这个驱动设备选用蜗轮驱动，它的特点是得到较大的驱动比，构造紧密，传动稳定，杂音小等优势。缺点是传输效果低，为了减少摩擦，材料需要使用青铜，成本较高。由于汽车运动平稳，不需要更好的精度，所以使用蜗轮传动。 该程序使用直流伺服电机驱动，不要使用交流电机，为了让车自由运动，不能因为功率影响它的工作。直流伺服电机由微控制器控制，速度相当准确，所以在后轮转向时，要保证准确的转角。只要在微控制器程序的规定下方便使用汽车全自动化，才能满足工厂的需要。 该程序还应设计制动系统，但由于蜗杆只能在涡轮机驱动，涡轮机不能驱动蜗杆，消除制动机构。一般来说这个解决方案是其他程序最简单和最实用的。2.3 车体计算按照设计条件车体原料采用Q235，由于车体选用矩形状，所以其抗扭截面参数为：车体厚度： 代入数据可得： （本次设计将车体厚度设定为60mm）式中 表示Q235的屈服限制。表示车体收受到的最大弯矩。表示小车宽度。表示小车的车体厚度。2.4直流伺服电机选择伺服电机的主要参数为功率。但是伺服电机的选择不按照电源，而是按照以下指标来选择。2.4.1运动参数车速3m/s，然后轮速为： 式中 表示小车后轮直径。2.4.2 电机的转速 假设蜗轮-蜗杆的减速比i=10 2.4.3 AGV小车的受力分析 图2-3 车轮受力简图小车车架自重为P： N 小车的载荷为G： N 式中 表示小车长度； 表示货物的质量； 表示小车材料密度。（材料为45钢）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，所以 ：， ， ， 解得： 两驱动后轮的受力情况如图2-4所示：图2-4 后轮受力图滚动摩阻力偶矩的大小介于零与最大值之间，所以： M 其中滚动摩擦参数，查阅机械设计手册=4060，取=50mm 牵引力F为： 2.4.4 求换算到电机轴上的负荷力矩 取=0.7, =12402, =0.15式中 表示摩擦系数； F表示牵引力； W表示重物的重力； D表示后轮直径；表示传递效率； 表示传动装置减速比。2.4.5 求换算到电机轴上的负荷惯性 式中 表示车轮的转动惯量；表示蜗杆的转动惯量；表示蜗轮的转动惯量；表示蜗杆的转动惯量。2.4.6 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。电机型号及参数见表2-1。型号电刷材料额定功率转子惯量电机直径电机轴直径电机长度效率MAXONF2260石墨1KW129010020192.570%表2-1 电动机参数2.4.7 电机的验算 所以： 式中 表示电机转子惯量。由以上计算可以看出所选的直流电动机满足设计要求。2.4.8快移时的加速性能最大承载快速转矩产生在AGV小车没有配带证件，从静止命令快速到服务电机的最快速度时。这个最大空载迅速转矩就是服务电机的最大输出转矩。 加速时间 ： 式中 表示机械时间常数为19.2.5联轴器设计选项1联轴器用于枢转轴，使它可以一起转动并传递扭矩。通过刚性传动部件的联轴器分为刚性和弹性两种，也分为固定和移动两种类型。稳固刚性联轴器不能补偿两个轴的相对移动。弹性联轴器包含弥补两个轴的相对移动的弹性部件，并且具备吸收振动并减少撞击的能力。2考虑到连接可靠性，工作环境，使用寿命，结构简单，价格较低的扭矩，不可以两轴相对移动。所以选择铸铁固定刚性联轴器的材料。3耦合检查与选择：（1）计算转矩:CA TcTn=10000 （2）转速: p 1140r/min10000r/min KA工作条件系数（根据机械设计手册，KA为1.5）T - 额定扭矩Tn和np是所选型号的额定转矩和允许速度计算结果可以根据机械设计手册，选择孔上的GYS型，额定转矩63，允许速度10000r/mim，质量1.72KG，惯性矩为0.0015剩余的一般尺寸如图2-5所示：图2-5 联轴器机构图2.6蜗轮设计2.6.1蠕虫选择的好处 1.AGV车需要制动系统，所以为了节省机械制动，选择蜗轮可以更好地满足这一要求。 2.蜗杆可以获得大量的传动比，结构紧凑，传动平稳，噪音低具有良好的传动比。2.6.2选择蠕虫的驱动器类型 为了能够使用滚刀作为圆柱齿轮来适合批量生产。因此根据GB/T10085-1988的建议，使用渐开线。2.6.3选择材料 考虑到运行速度的负载很大，要求的表面硬度和耐磨性，所以原料选取45钢，表面硬化，硬度为45-55HRC，齿面毛躁度Ra0.8-0.4。 考虑到轮速3m/s，铸造性能好，耐冲击性好，成本低，使用开式驱动。蜗轮由10-3铝青铜ZCuAl10Fe3制成，由砂型铸造制成。2.6.4蜗杆驱动力分析 1.允许接触应力，检查机械设计手册H=230MPa 2.允许弯曲应力，检查机械设计手册F=80MPa 3.选择蜗杆头Z1的数量，并估计驱动效率 根据i=10，检查机械设计手册，蜗杆头Z1=4，然后蜗杆头数Z2=ixZ1=10x4=40 根据Z1=4，检查机械设计手册，蜗杆传动效率为0.7 4.确定作用在蜗轮T2上的扭矩： 根据Z=2，由电机参数表2-1得=0.7, 所以： 蜗杆转矩 蜗轮转矩 Ft1Fa1Fr1Fa2Ft2Fr2图2-6 蜗轮-蜗杆受力分析各力的大小计算为；蜗杆圆周力蜗轮轴向力 F 蜗杆轴向力蜗轮圆周力 蜗杆径向力蜗轮径向力 2.6.5 初步中心距计算1.取使用系数kA,根据材料综合弹性系数zE=160（由于是刚与铝青铜配对，查机械设计手册），当d1/a取0.4时，接触系数Zp取2.8 =63mm 初步定取中心距100mm 2.6.6 确定模数，蜗轮齿轮，蜗轮直径系数，蜗杆导程角 中心距等参数由式2.24得=0.68=38.24mm =由机械设计手册可查到取圆柱蜗杆的基本尺寸和参数如下： mm 由式 因此成立，故上述数据符合设计标准。导程角 2.6.7 传动基本几何尺寸归纳如下：蜗杆头数：蜗轮齿数：=40 模数： =5 蜗杆分度圆直径：=50 蜗轮分度圆直径：= 蜗杆导程角： =21.8相对滑动速度：蜗杆，蜗轮齿顶高：=5mm蜗杆，蜗轮齿根高：蜗杆齿顶圆直径：蜗轮喉圆直径：=210mm蜗杆齿根圆直径：蜗轮齿根圆直径：蜗杆轴向齿距，蜗轮端面齿距：蜗轮蜗杆径向间隙：蜗轮蜗杆中心距;蜗轮宽度: =38蜗杆圆周速度：2.6.8 校核弯曲强度1.蜗轮齿形系数由当量齿数： 查机械设计手册得：2. 蜗轮齿根弯曲应力 因为 所以按蜗轮齿根弯曲强度合格。2.6.9 蜗杆轴刚度验算轴惯性距: 允许蜗杆挠度: =0.02mm 蜗杆轴挠度: = =0.0006通过对蜗杆的挠度验算此蜗杆合格。2.6.10精度等级公差确定考虑到AGV汽车设计是一种精密驱动，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，蜗杆精度选择7精度。2.6.11热平衡会计由于蜗轮传动是开式驱动器，所以蜗杆产生的热量传递到空气中，因此没有热平衡计算。2.7轴设计2.7.1前桥设计前桥只承受力矩，不承受扭矩，属于心轴。1.轴的材料选择考虑到前桥是一个重要的轴线，加上其速度和功率都不大，所以选择45结构钢，淬火回火，检查机械设计手册材料力学性能数据：脉动周期的拐角应力轴的静应力下的弯曲应力2.力在轴上的作用AGV前轮力，如下图2-7（a）所示。 图2-7（a） 前轮轴结构由公式（2.9）得： 3.初步确定轴的最小直径实行运算时，一般只运算轴上承担最大弯矩的直径。最大负弯矩在截面C上，对截面C进行强度计算，由公式 的单位为；的单位是MPa。由表15-1查得，45号钢经过调节处理后其运用弯曲应力为=55MPa ，代入数据得考虑到轴上有一个键所直径增加4%-5%,故取最小直径30mm。4.轴的结构设计（1）准备轴的组装组装方案是：左轴承端盖，密封件，车轮螺母，滚动轴承，右轴承盖。从轴的左端依次向安装的右侧，使轴的顺序做了初步安排。（2）根据轴向定位的要求确定轴的各部分的直径和长度1.安装滚动轴承AGV前桥必须经过弯矩的效果，关键承受径向力和轴向力小，所以选用单列深沟球轴承（GBT276-1994）。最初选自轴承产品目录，尺寸dDB=50mm90mm20mm。滚动轴承的右侧与肩部轴向定位。通过机械设计手册对6210轴承定位肩高h= 3.5mm。滚动轴承的左端由轴承盖和密封圈安装。密封材料由毯子（FZ/T92010-1991）矩形毯子油制成。直径为49mm。滚动轴承的内轴和轴的配合程度是确保轴径公差为k6滚动轴承外圈和轴承座可选基础系统干扰H82.安装前轮根据轮70mm，宽120mm，直径200mm，肩高8mm，环直径86mm，环宽11.2mm，辐条宽120mm，为了可靠地按左右轮，轴部应为较短轮的宽度，以确保车轮和轴具有良好的中性点，因此选择车轮孔和轴系，具有干扰H7/n63.键盘选择（GBT-1095-2003）轮和轴的固定经过平键连接。按照机械设计手册，检测平面按键的关键尺寸如下：宽度=16mm，高度=10mm，半径=0.5mm，长度=100mm，深度=6mm。键槽铣刀加工长度为100mm。4.螺母安装选型（GBT193-2003）（GBT197-2003）因为这个连接主要是锁定车轮，所以选择细牙普通螺纹，螺纹需要缩回螺纹，所以在左边留下一个4mmx2mm的推槽。检查机械设计手册，选择M60x1.5，长度为22mm，右中径和上限公差代码，螺母宽度为15mm，因此该螺纹标记为M60x1.5-5g6g-L5.套筒的选型和安装目的是找到正确的轴承，根据机械设计手册可以看出，孔径70mm，圆形尺寸80mm，长度6mm，靠近左轴承，直径57mm，孔50mm，长2mm，总长8mm圆形和倒角尺寸肩半径为0.545，圆角R0.5肩半径。详细尺寸如图2-7（b）所示。图2-7（b） 前轮轴结构2.7.2后桥设计 后轴在工作时受到扭矩，并受到扭矩的影响。1.轴的材料选择 考虑后桥是一个重要的轴线，加上其速度和功率不大，所以选择45钢结构钢，淬火回火，检查机械设计手册材料力学性能数据： MPa 轴的脉动循环的许用弯曲应力MPa 轴的静应力下的弯曲应力MPa2.求后轮轴上的功率、转速和转矩取蜗轮-蜗杆传动的效率=0.7,则 式（2.39） 3.作用在蜗轮上的力 蜗轮轴向力 蜗轮圆周力蜗轮径向力4.初步确定轴的最小直径。 先按公式 查机械设计手册，45钢取114 是指该轴的传递功率，是指该轴的最小的直径代入数据可得 考虑到轴上有一个键所直径增加4%-5%,故取最小直径25mm，且出现在车轮键槽处。5.轴设计结构（1）准备轴的组装根据左轴承端盖，封闭件，齿轮，套筒，右轴承端盖，车轮从轴的左侧依次安装到右侧，使初始布置顺序的轴。（2）根据轴向定位的要求确定轴的各部分的直径和长度1.轴承由于轴主要受到径向力的影响，同时承受一定的轴向力，所以使用深沟球轴承6214（GB/T276-1994）其尺寸为70mm125mm24mm，左侧为滚动轴承定位右侧。根据机械设计手册检查6214轴承高度h=4.5mm定位，所以套筒直径为88mm，轴承盖在左侧和使用密封件，轴具有柔性环锁。根据机械设计手册，轴承端孔直径为116mm。滚动轴承的右侧定位在左侧，所以宽度为9mm，直径为88mm。环的长度为12.6mm，长度为13mm。轴承盖和密封圈在右侧，轴带有柔性环锁。根据机械设计手册，轴承端孔直径为116mm。滚动轴承的左端由轴承端盖和密封圈紧固，密封材料由橡皮布制成（FZ/ T92010-1991），直径为88mm安装正确的轴承，为了使车轮不会摩擦到车身，从顶盖必须保持10mm，然后安装车轮。2.轴由弹性环制成。 选择型号GB894.1-1986，其尺寸为50，所以安装在左右轴承端。3.安装车轮轮轴的直径。轮辐的宽度为120mm，直径为300mm。为了可靠地按压辐条，轴部分应该稍短于辐条的宽度。所以肩高是5mm。同时为了确保车轮和轴的中性好，所以选择车轮孔和轴与基座系统，轮辐和轴与H7/p6。4.蜗轮的轴向定位蜗轮的直径为70mm，厚度为38mm。（GB/T1095-2003）横截面为14mm9mm，钥匙长度34mm，轴槽深5.5mm，轮毂槽深度尺寸3.8mm，蜗杆孔和轴孔选用H7/K6过渡检验。5.袖套蜗杆孔的直径为70mm，蜗轮和轴为过渡配合，选择H7/k6。套管的内孔和套筒为74mm，外径为86mm，长度为21mm。6.圆形和倒角尺寸取R2轴肩半径为145圆角半径的轴端倒角。图2-7（c） 后轮轴结构7.查找轴上的负载后轴力分析如图2-10所示。在图中，L1=L2=61mm; L3=106mm。（1）后桥在水平面上的推力如图2-11所示。 由静力平衡方程求出支座A、B的支反力 三个集中力作用的截面上的弯矩分别为： 图2-10 后轮轴受力图图2-7（d） 水平受力和弯矩图图2-7(e) 垂直受力和弯矩图图2-7(f) 合成弯矩 (2).在垂直面上后轮轴的受力简图如图2-12所示。由静力平衡方程求出支座A、B的支反力 ， 解得： ， 在段中，将截面左边外力向截面简化，所以： 其中 在段中，同样将截面左边外力向截面简化，所以： 其中 在段中，同样将截面右边外力向截面简化，所以： 其中 计算A、B、C、D截面的总弯矩M如图2-13所示。 后轮轴上的转矩 8.按弯扭合成应力校核轴的强度实行核准时，一般只核准轴上承担最大弯矩和扭矩的截面强度。由公式（15-5）得： 式中 表示折合系数为0.6。为轴D处的抗弯截面系数： 选取轴的原料为45钢，调节处理，由表15-1查得许用弯曲应力 因为，所以该轴满足强度要求。2.7.3方向轴的设计 旋转轴只能在运行过程中转矩，属于传动轴。1.轴的材料选择 考虑到轴的方向是一个重要的轴线，加上其转速和扭矩不大，所以选择45结构钢，淬火回火，检查机械设计手册材料力学性能数据： MPa 轴的脉动循环的许用弯曲应力MPa 轴的静应力下的弯曲应力MPa2.初步确定轴的最小直径。按公式 2.7.4车身设计1.车身材料选择 考虑到车身需要承受很大的压力，所以使用Q235优质碳素结构钢，淬火回火。2.最初确定轴的最小厚度根据设计要求，主体材料采用Q235，因为机身呈矩形，所以弯曲截面系数为车体厚度： 代入数据可得： 式中 表示Q235的屈服极限，（经过查机械设计手册可得）。表示车体收受到的最大弯矩。表示小车宽度。表示小车的车体厚度。3.车身的结构设计车身的基本尺寸被抛出，所以选择砂铸。由于需要加工，如图2-7（h）所示（1）安装前轮外壳由于汽车的精度不高，所以不需要太多的关注（2）安装后轮托架由于后轮支架对于汽车很重要，所以需要确保转向或驾驶的准确性，我们要求支架和车身进行H7/k6转换（3）倒角和圆角的大小取轴端倒角145，圆角半径为R2肩半径。详细尺寸如图2-7（h）所示。图2-7（h）2.8 滚动轴承选择计算2.8.1 前轮轴上的轴承根据每天工作八小时的机械规定轴承预期寿命为，转速为：，轴承的径向力，轴向力。由上述条件初步按机械设计手册选取轴承。试选6210型轴承，查机械设计手册得出如表2-3表2-3 6214轴承性能（脂润滑）1.按额定动载荷计算由公式 对深沟球轴承=3， 查机械设计手册 全自动小车 代入得 故6210型轴承能满足要求。按额定静载荷校合由公式 查表机械设计手册，选取（静强度安全系数）=2 代入上式，满足要求。2.8.2 蜗杆轴上的轴承要求寿命，转速，轴承的径向载荷，作用在轴上的轴向载荷。由上述条件试选轴承。选6205型轴承，查机械设计手册得到表2-4得 表2-4 2207轴承性能（脂润滑）图2-11 蜗杆轴的轴承受力图1.按额定动载荷计算 ， 查机械设计手册， ， ， ， ， 由公式 均小于满足要求。2.按额定静载荷校核由公式 查表13-14，取 均小于，满足要求。3.极限转速校核 由公式（15-11） ， 由图15-5得 ， 由图15-6得 ， 由图15-5得 ， 由图15-6得 因为小于和所以该轴承满足要求。2.8.3 后轮上的轴承要求轴承的寿命，转速，轴承A的径向载荷： 轴承B的径向载荷： 轴向载荷为。由于轴承A承受的载荷大于轴承B的载荷，所以只需对轴承A进行校核。由上述给定条件试选轴承试选6214型轴承，查表15-19表2-5 6218轴承性能（脂）1.按额定动载荷计算由公式 对深沟球轴承， 由 查表15-19 ，由，查表15-12 得 代入得： 故6218型轴承能满足要求。2.按额定静载荷校核由公式 查表15-14，选取 由：查表15-19， 时， 得： 代入上式，满足要求。3.极限转速校核 由 查图15-5 查图15-6 代入 满足要求。3.控制系统设计3.1整体控制系统程序 该系统采用AT89C51微控制器作为核心控制部分。 通过设计和制造脉冲检测电路，可以在电机运行时获得连接到电机的数字编码器的脉冲信号。从警告电路的正负方向的脉冲信号进入两个8253计数器，电机计数得到速度和位移; AT89C51微控制器操作后经过各种控制程序进行适当的操作，两个DAC1208转换器输出控制转换为模拟和输出到两个UC3637直流电机的脉宽调制器，通过H桥开关放大器，作为执行器的转速或转矩给予控制电机的运行，使整个AGV自动引导车完成控制任务设计 整个控制系统的框图如下：图3-1 控制系统的组成框图3.2鉴向 伺服电机可根据控制要求在四种不同的现象下运行。作为系统的状态检测单元，需要能够检测电动机的速度来区分电动机的不同的旋转方向。安装在电机轴上的数字编码器可以在电机运行时产生90度的两个脉冲。 参考电路可以获得电动机的旋转方向。 原理如图所示图3-2 鉴向原理 当服务电机反转时，A相冲击在B相冲击中提前90度，反向计数冲击在cp端输出。当正向冲击转动时，B相冲击在A相冲击中前进90度，如图3-3（b）和（c）所示，脉冲分辨率电路被计数，然后由计算机处理。电路如图3-3（a）所示。图3-3 电机转向分辨电路 本设计使用的数字编码器为500P/R，即电机输出每脉冲500脉冲，电机转速比为62：1，因此前轮和后轮每周产生50062或31000个脉冲，可见分辨率非常高，计数器电路接收脉冲信号的差分形式，然后将其输入到8253计数器。3.3展开计数 为了获取驱动轮的速度移动等，数字编码器由检查电路的输出由电动机的正向和反向脉冲提供。这些脉冲必须计数，运行速度可以是国家所需的数量。这个设备运用两个8253计算器，每个具备三个16位计算器。四个单独的计算器1，2，3和4，分别适用两个电机的正/反转冲击计算。 8253可编辑固定器可以经过系统定时和计算性能实行设定，与CPU合并工作，不需要CPU时间。它有三个单独的16位计算器轨道，每个计算器可以是二进制计算，每个计算器有6种工作，计算速率高达2MHz，全部的芯片输入和输出都与TTL一样。 8253内部框图如图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：，；U7读/写控制逻辑接线：，。 U6单片机计算器0和计算器1适用于电机正转和反转计算，并处在工作模式3. U7单片机计算器0和计算器1适用于右电机正负计算，并处在运行模式3.在停止服务过程中，四个计算器分别对两个服务电机的正/负脉冲实行计算，结果计数减去最后一个计数值，从而可以获得时间段内的脉冲数。 正向旋转的结果分别存储在临时变量temp1，temp2，temp3和temp4中，通过在主程序状态下运行可以获得移动机器人。3.4扩展中断AT89C51微型限制器运用两个级联的8259A限制器来停止。主8259A芯片上的IRQ2从芯片IRQ8延伸到IRQ15.8259A，因为可编程中断控制器是集成芯片。因此它用来掌管CPU停止要求输入，关键可以供应停止向量，隐蔽所有停止输入等性能。每个8259A单片机可以直接掌管8级停止，高达98259A单片机级，其构造可以连接到掌管64停止。8259A的外部引脚：CPU经过数据线向8259A发送所有限制指令读取状况信息。INT：中断请求连接到CPU的INTR引脚，用于向CPU发出中断请求。：接收CPU中断响应信号。图3-6 8259A引脚图：读信号为低电平，通知8259A将寄存器的内容发送到数据总线。：输入信号，低电平有效，通知8259A从数据线接收参数。：片选信号，低电平有效。：端口选择，指示当前访问的端口。：接收设备中断请求。：在具备主从级联的多片8259A设备中，主从片的相连在一起。：缓冲器允许双功能。它有两个用途：当用作输入时，用于确定胶片8259A是主要胶片。用作输出时，当参数从8259A输送到CPU时，有输出信号用作开启信号来限制缓冲器的接收和输送。该设计使用两个8259A级联：主芯片引脚从芯片中断请求INT连接，假如下面的引脚没有连接单片机，就可以直接连接外部停止要求; 从电影中断响应信号和数据信号连接起来。主要的CAS互连，当切片数量，可以在主要CAS中添加驱动器。在8259A主从级联方式下，停止优先级与微限制器相似。级联如图3-7所示。 图3-7 8259A的级联3.5数量的触摸转换器选择 D/A转换器的主要技术指标是分辨率，转换精度，线性误差和建立时间。分辨率是最小输出电压与最大输出电压的比值。本设计采用DAC1208芯片，所以分辨率为： 。转换精度以最大的静态转换误差的形式给出。DAC1208芯片为12位数/模转换器其最大误差为：,精度为。线性是指DAC的实际转换特性与理想直线之间的最大偏差。稳定时间是数字输入改变后D/A转换器的模拟输出稳定在最终值1/2LSB所需的时间。当输出模拟电流时，它的时间很短。DAC1208的内部结构和引脚如图3-8和图3-9所示。 图3-9 DAC1208的引脚图图3-8 DAC1208的内部结构图 DAC1208在输入数据上具有两个级别的缓冲：一个8位输入寄存器，一个4位输入寄存器和一个可以单独门控的12位DAC寄存器。 DAC1208有三种操作模式：单缓冲模式，双缓冲模式，通过模式。 所谓的单缓冲模式是使DAC1208的两个输入寄存器处于直通模式，而另一个在控制锁存模式。实际上只有一个模拟输出。 所谓的双缓冲模式是将DAC1208两个锁存器连接到受控锁存模式。这种使用双缓冲模式的设计的目的是允许两个直流伺服电机同步。 所谓的直通模式是输入寄存器和DAC寄存器通过连接方式，即信号有效，数据直接进入电路进行数模转换。图3-10 DAC1208双缓冲连接方式U9输入寄存器地址为3FFFH DAC寄存器地址为5FFFHU10输入寄存器地址为1FFFH DAC寄存器地址为5FFFH 本设计采用DAC1208芯片，数模转换器连接如图3-10所示。为高电平时，选择数据输入到8位寄存器; 当为低电平时，选择数据输入到4位寄存器; 芯片选择信号，低电平有效，输入锁存信号一起确定，第一级数据锁定存款是否有效，高电平有效。作为第一级锁存信号，写入信号1，必须和同时有效。 写入信号2，必须和同时有效。 控制信号，低电平有效，并和判断二级数据锁存是否有效。模拟电流输出，DAC寄存器全部为1最大.模拟电流输出，和有常数差，常数，该常数对应固定参考电压满量程电流。参考电压输入，可正可负。3.6电机驱动芯片选择 电机驱动器使用PWM驱动直流伺服电机。PWM技术用于脉宽调制技术，可直流电压输入，输出可固定频率，脉冲幅度恒定，脉冲宽度与输入信号之间的线性关系为方波脉冲，采用方波脉冲驱动 放大电路，从而控制伺服电机的速度。使用PWM技术的优点是PWM具有较高的开关频率，有助于克服伺服电机的静摩擦转矩，由于伺服系统功耗低，效率高。与线性相比伺服系统广泛使用功率放大器。为了提高伺服电机的运行特性，必须正确选择PWM开关频率，选择可参考以下原理： (a)开关频率应使电机轴产生微振动以克服静摩擦并改善操作特性。这是： 其中，为力矩常数，为PWM电源电压，为电感，为电机静摩擦力矩。(b)微振的最大角位移应小于设定的位置误差。所以： 其中J为转动惯量，为设定的位置误差。(c)尽量减少电机产生的高频功耗。所以： 其中为电内阻。 一般伺服电机非常小，如果开关频率不高会导致大的交流元件，容易损坏功率晶体管。在使用PWM芯片UC3637和H功率驱动伺服电机时，UC3637的原理如图3-11所示，按照上述原则，选择开关频率为30KHz。UC3637特点： 单电源或双电源工作 双PWM信号输出，驱动电流能力为 限流保护 欠电压封锁 有温度补偿，2.5V阈值关机控制图3-11 UC3637原理框图 UC3637结构及功能： 三角波发生器：CP，CN，S1，SR1;PWM比较器：CA，CB; 输出控制门：NA，NB; 限流电路：CL，SRA，SRB; 误差放大器：EA; 关机比较器：CS; 欠电压闭锁电路：UVL。UC3637是三角波振荡器最具特色的电路，如图3-12所示。图3-12 恒幅三角波产生电路 三角波参数的计算取PWM定时电路充电电流为0.5Ma,则有 其中，为PWM频率。由允许电机最大电流决定。 对于图3-12所示的控制系统，要求： PWM频率限流取 计算得 式中：为三角波峰值的转折电压；为电源电压；为定时电阻；为定时电容；为恒流充电电流；为振荡频率。C3637具有一个高速、带宽为kHz、输出低阻抗的误差放大器，既可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。3.7运动学分析3.7.1运动学方程AGV自动引导速度分析。已知驱动速度，寻求移动速度和旋转角速度。后轮驱动四轮机构的速度分析（Q是瞬时中心，P是后轮的中心） (3-15) 整理成矩阵形式： 为雅可比矩阵。3.7.2转弯半径小车在转弯时以速度匀速转弯；小车两主动轮之间的距离为B；小车两主动轮中心（假设小车质量分布均匀）与转弯圆心的距离即转弯半径为R；车轮半径为r；两轮的速度分别为；小车与行驶路面的摩擦系数为。则有 查表5-2 取 故取小车转弯的最小半径为。左、右轮的速度为 3.8 控制软件的设计根据机器人的线速度和角速度的表达式(3-12) 和(3-16) ,可以计算状态量x、y 和: 采用数值积分方法进行近似检测: 将区间划分成若干充分小的子区间， 则只要子区间相对于移动机器人的运动速度选择得充分小,或者控制周期比较短,则检测精度可以达到使用的要求。表达式如下: 考虑到数字编码器输出的脉冲信号来检测系统的状态量。要将脉冲信号转换为机器人移动的距离和角度，必须校准脉冲信号。已知驱动轮的半径r=70mm，齿轮减速比为62：1，电机每旋转发送500个脉冲，使脉冲当量为2*PI*70，因此为0.01418mm/P。 对于控制系统软件编程语言，根据系统要求选择，一般要求一个简单的代码，执行效率高，实时性好。根据自动引导车辆的轨迹编制AGV自动导向车的指导原则。编程轨迹的位置偏差由数字编码器检测的电压
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