AGV自动导引小车结构系统设计毕业设计.doc

AGV自动导引小车结构系统设计毕业设计第一章 绪论1.1 AGV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。自动导引车（automatic guided vehicle，AGV），是一种集声、光、电、计算机为一体的简易移动机器人。在结构上有类似于有人驾驶车，只不过它的行驶是在车载微电脑的控制下完成的。主要应用于柔性加工系统、柔性装配系统（以AGV作为活动装配平台）、自动化立体仓库以及其他一些行业作为搬运设备。最早的自动搬运车是1913年福特汽车公司用在底盘装配上，代替了原来的输送机，使原装配时的12小时28分缩短了1小时33分。1956年英国人组成了以电磁感应导向的简易AGVS，从此60年代传到了美国。1959年日本也从这时开始引进AGVS技术。60年代AGVS从自动化仓库进入到柔性加工系统(FMS)。70年代AGV作为生产组成部分而进入了生产系统，从而使AGV得到了迅速发展。特别在汽车制造业得到广泛应用。 我国是从1976年起重机械研究所研制出第一台ADB型AGV；北京邮电部邮政科学技术研究所为上海新火车站邮政枢纽、济南军区仓库研究试制的WZC及WZC一1两种AGV，1991年也投入了运行；中科院沈阳自动化研究所1993年4月在北京新技术展览会上介绍了自行研制的SIA7AGV一1型载重300公斤的自主导引小车，在沈阳某厂试用；1992年天津理工学院研制的带电缆光导AGV。我国台湾省曾委托ADLITTLE咨询公司编制“2000年新兴工业规划”，把开发研制AGVS列为第一类出口导向型优先发展的自动化产业。2000年世界自动化产业需求量为700亿美元，台湾达到36亿美元。最早期的AGV是铺轨式的，车体在预设的铁轨上行驶，利用通信设备控制它的行驶或停止，并没有涉及到传感器。随着传感器技术的飞速发展，各种各样的传感器被使用在AGV中，AGV利用传感器感知周围事物的信息，控制机车的运动，从而实现真正意义上的自动导引。1.2 AGV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。有轨小车如图所示。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。有轨小车如图所示。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。1.3 AGV系统组成现今的AGV基本上由导向模块、行走模块、导向传感器、微处理器、通讯装置、移载装置和蓄电池等构成，如图1所示。其中，微处理器是车的控制核心部分，它把车的各个部分有机地联系在一起，它不仅控制整个车的运行，而且，还通过通讯系统接收地面管理站传来的各种指令，并不断地把车的所处位置、运行状况等信息返回给地面站。通讯装置根据车的通讯方式不同可以是：红外通讯、感应通讯、无线电通讯等。移载方式有手动和自动2种，根据需要可以配置货叉、升降平台、辊子输送机、外伸形货叉、机械手等设备。一定数量的AGV在地面设 施的支持下，按工序完成一定的物料输送任务就构成AGV系统。目前各大高校教学演示、自动化车间及物流配送业的用户对我们的AGV产品反应良好！该产品也广泛应用的行业还包括烟草、汽车制造、家电、金融系统等多个领域。AGV的上市，标志着科技突飞猛进的大中华，让现代化工业城市又向前迈进了一大步，也将是现代化工业企业 自动化发展的必然趋势(1)较高的柔性。 只要改变一下导向程序，就可以很容易地改变、修正和扩充AGV的移动路线。如果改变固定的传送带运输线或有轨小车的轨道，相比之下改造的工作量要大得多。(2)实时监视和控制。 由于控制计算机实时地对AGV进行监视，如果FMS控制系统根据某种需要，要求改变进度表或作业计划，则可很方便地重新安排小车路线。此外，还可以为紧急需要服务，向计算机报告负载的失效、零件错放等事故。如果采用的是无线电控制，可以实现AGV和计算机之间的双向通讯。不管小车在何处或处于何种状态，运动或者静止，计算机都可以用调频法通过它的发送器向任一特定的小车发出命令，且只有响应的那一台小车才能读到这个命令，并根据命令完成某一地点到另一地点的移动、停车装料、卸料、再充电等一系列的动作。另一方面小车向能向计算机发出信号，报告小车的状态、小车故障、蓄电池状态等(3)安全可靠。AGV能以低速运行，一般在1070 mmin范围内操作。通常AGV有微处理器控制，能同本区的控制器通讯，可以防止相互之间的碰撞。有的AGV上面还安装了定位精度传感器或定中心装置，可保证定位精度达到30 mm，精确定位的AGV其定位精度可达到30 mm，从而避免了在装卸站或在运动过程中小车与小车之间发生碰撞，以及工件卡死的现象。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。AGV的显著特点是无人驾驶，AGV上装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。AGV的另一个特点是柔性好，自动化程度高和智能化水平高，AGV的行驶路径可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变，并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比非常低廉。AGV一般配备有装卸机构，可以与其他物流设备自动接口，实现货物和物料装卸与搬运全过程自动化。此外，AGV还具有清洁生产的特点，AGV依靠自带的蓄电池提供动力，运行过程中无噪声、无污染，可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。表3-1 AGV的类型和应用AGV的类型AGV的应用1. 电磁感应引导式AGV1仓储业2. 激光引导式AGV2制造业3. 视觉引导式AGV3邮局、图书馆、港口码头4铁磁陀螺惯性引导式AGV4烟草、医药、食品、化工5光学引导式AGV5危险场所和特种行业1.4自动引导小车结构设计AGV自动导引小车的引导原理是根据自动导引小车行走的轨迹进行编程，数字编码器检测出的电压信号判断其与预先编程的轨迹的位置偏差，控制器根据位置偏差调整电机转速对偏差进行纠正，从而使自动导引小车沿预先编程的轨迹行走。因此AGV自动导引小车行走过程中，需不断地根据输入的位置偏差信号调整电机转速，对系统进行实时控制。 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。步进电机经减速器后通过驱动轮提供驱动力，当两轮运动速度不同时就可以实现差速转向。 （1）车体 包括底盘、车架、壳体和控制室和相应的机械电气结构如减速箱、电机、车轮等所组成，是AGV的基础部分。具有电动车辆的结构特征和无人驾驶自动作业的特殊要求。车架常用钢构件焊接而成，重心越低越有利于抗倾翻。板上常安置移载装置、电控系统、按键、显示屏等。 （2）车架 车架是整个AGV小车的机体部分，主要用于安装轮子、光感应器、伺服电机和减速器。车架上面安装伺服电机驱动器、PCD板和电瓶。对于车架的设计，要有足够的强度和硬度要求，故车架材料选用铸造铝合金，牌号为6061。其中6061质量比较轻，焊接性好。 （3）车轮车轮采用实心橡胶轮胎。车体后面两主动轮为固定式驱动轮，与轮毂式电机相连。前面两个随动轮为旋转式随动轮，起支承和平衡小车的作用。 （4）载荷传送装置 AGV的载荷传送装置为一平板，其作用为运输箱体类零件到指定工位。主要用来装载箱体类零件，运送物料等. （5） 驱动装置驱动AGV运行并具有速度控制和制动能力的子系统。主要包括电机、减速器、驱动器、控制与驱动电路等。驱动系统一般为闭环方式与开环方式，前者以伺服直流电机为主，后者以步进电机为主。 （6） 动力系统 蓄电池是目前AGV使用的唯一电源。用来驱动车体、车上附属装置，如控制、通讯、安全等。AGV周边设施使用一般工业电力，根据用途而有不同要求。如充电间频率发生器、自动门、计算机室、通讯装置以及工作环境所需装置的动力等。根据车型、运行及载荷量而采用不同功率的蓄电他，一般都是蓄电池组合体。常用直流电压为12伏、24伏、48伏及72伏。1.5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。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。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。第二章 机械部分设计2.1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/s2.2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计方案。2.3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）电机的转速 选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=62 （2-2）自动导引小车的受力分析： 图2-3 车轮受力简图小车车架自重为P （2-3）小车的载荷为G （2-4）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 ， ， （2-5） ， （2-6）解得 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 （2-7） （2-8）其中滚动摩阻系数，查表5-2，=210，取=6mm 牵引力F为 （2-9） 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/G1） 求换算到电机轴上的负荷力矩（） （2-10） 取=0.7, =157.66, =0.152） 求换算到电机轴上的负荷惯性（） （2-11） 其中 为车轮的转动惯量；为蜗杆的转动惯量；为蜗轮的转动惯量；为蜗轮轴的转动惯量。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。电机型号及参数：MAXON F2260 60mm 石墨电刷 80W 匹配条件为 （2-12）即 惯量 （2-13）其中为伺服电动机转子惯量 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。 （2-14）加速时间 （2-15）其中 机械时间常数2.4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。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 （2-16）销钉材料选用45钢。查表5-2 优质碳素结构钢（GB 699-88）45 调质 200mm =637MPa =353MPa =17% =35% 硬度217255HBS 销钉的许用切应力为 （2-17） 过载限制系数k值 查表14-4 取k=1.6 T=0.321Nm 选用d=5mm满足剪切强度要求。2.5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 （2-18）图2-7 蜗轮-蜗杆受力分析各力的大小计算为 （2-19） （2-20） （2-21） 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 （2-22）确定载荷系数K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）由表11-8得，蜗轮的基本许用弯曲应力 假设 31048，蜗轮的当量齿数 （2-24）根据，从图11-19中可查得齿形系数 螺旋角系数 （2-25） 由表11-2得 中心距a=50mm 模数m=1.25mm 分度圆直径 蜗杆头数 直径系数17.92 分度圆导程角=31138 蜗轮齿数 变位系数5.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1）蜗杆轴向齿距 （2-26）齿顶圆直径 （2-27）齿根圆直径 （2-28）蜗杆轴向齿厚 （2-29）2）蜗轮传动比 （2-30）蜗轮分度圆直径 （2-31）蜗轮喉圆直径 （2-32）蜗轮齿根圆直径 （2-33）蜗轮咽喉母圆半径 （2-34）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。2.6轴的设计2.6.1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。 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。 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。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。(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，取h=3mm，则轴环处的直径。轴环宽度b1.4h，取。(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, ,。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。图2-9 前轮轴的载荷分析图 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，。对截面C进行强度校核，由公式 （2-35）由表15-1得，45钢 调质 由表15-4得， （2-36） 因此该轴满足强度要求，故安全。2.6.2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。 图2-10 后轮轴结构1.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 （2-37） 2.作用在蜗轮上的力 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15-3，取=115，于是得 （2-38）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。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。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。(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，。(3)取安装轮辐处的轴段的直径。轮辐的宽度为27mm,为了使轴端挡圈可靠地压紧轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取。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=41mm1)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 三个集中力作用的截面上的弯矩分别为 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 （2-39） ， (2-40) ， (2-41) 在段中，将截面左边外力向截面简化，得 (2-42)在段中，同样将截面左边外力向截面简化，得 (2-43) 在段中，同样将截面右边外力向截面简化，得 (2-44) 计算A、B、C、D截面的总弯矩M (2-45) (2-46) 后轮轴上的转矩 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 (2-47)其中，为折合系数，取=0.6 为轴的抗弯截面系数，由表15-4得 选定轴的材料为45钢，调质处理，由表15-1查得 因此，故安全。2.7滚动轴承选择计算2.7.1前轮轴上的轴承要求寿命，转速，轴承的径向力，轴向力。1 由上述条件试选轴承试选6004型轴承，查表16-2 2 按额定动载荷计算由式 (2-48)对球轴承=3， (2-49)查表13-6 自动导引小车 代入得 故6004型轴承能满足要求。3 按额定静载荷校核由式 (2-50)查表13-8，选取=2 (2-51)代入上式，满足要求。2.7.2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。1 由上述条件试选轴承选30203型轴承，查表5-24 （脂润滑） 图2-12 蜗杆轴上的轴承受力2 按额定动载荷计算 (2-52) ，查表15-12， ， ， ， ， 由式 均小于满足要求。3 按额定静载荷校核由表 查表15-14，取 均小于，满足要求。4 极限转速校核由式 (2-53)，由图15-5得 ，由图15-6得 ，由图15-5得 ，由图15-6得 小于和满足要求。2.7.3后轮轴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，故只需对轴承A进行校核。1 由上述给定条件试选轴承试选6206型轴承，查表15-19 （脂润滑）2 按额定动载荷计算由式 对球轴承， 由 查表15-19 由 查表15-19 查表15-12 自动导引小车 代入得 故6206型轴承能满足要求。3 按额定静载荷校核由式 查表15-14，选取 由 查表15-19，时， 得 代入上式，满足要求。4 极限转速校核 由 查图15-5 查图15-6 代入 满足要求。第三章 控制系统的设计3.1 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：图3-1 控制系统的组成框图3.2 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。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。3.3 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：，；U7读/写控制逻辑接线：，。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。3.4 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。图3-6 8259A引脚图 ：读信号，低电平有效，通知8259A将某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）。：片选信号，低电平有效。：端口选择，指出当前哪个端口被访问。：接收设备的中断请求。：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，主从片的对应连接在一起。：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，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。本次设计采用两片8259A进行级联：主片的引脚连接从片的中断请求INT，如果某一个引脚下面没有连接从片，则可以直接连接外部中断请求；而主片、从片的中断响应信号和数据信号互相连在一起。主片CAS和从片CAS互相连在一起，当从片数量较多时，可以在主片CAS和从片CAS之间增加驱动器。主片的接高电平。从片的接低电平。在8259A的主从式级联方式中，中断的优先级设置类似于单片机的情况。级联如图3-7所示。 图3-7 8259A的级联3.5 数摸转换器的选择 将数字量转换为模拟量的器件称为数/模转换器(digital-analog converter),简称为DAC。数/模转换器的主要技术指标有分辨率、转换精度、线性误差和建立时间。分辨率 指最小输出电压与最大输出电压之比。本次设计采用DAC1208芯片，故其分辨率为。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。线性度 指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。 建立时间 在数字输入端发生满量程码的变化以后，数/模转换器的模拟输出稳定到最终值1/2LSB时所需要的时间，当输出的模拟量为电流时，这个时间很短。DAC1208的内部结构及引脚如图3-8和图3-9所示。 图3-8 DAC1208的内部结构图 图3-9 DAC1208的引脚图DAC1208内部对输入数据具有两级缓存：8位输入寄存器、4位输入寄存器和12位DAC寄存器，这三个寄存器可以分别选通。DAC1208有三种工作方式：单缓冲方式、双缓冲方式、直通方式。所谓的单缓冲方式就是使DAC1208的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出。所谓双缓冲方式，就是把DAC1208的两个锁存器都接成受控锁存方式。本次设计采用双缓冲方式，目的是为了让两个直流伺服电机能够实现同步。所谓直通方式，输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式，即信号均有效，数据被直接送入数/模转换电路进行数/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本次设计采用DAC1208芯片的数/模转换器其连接方式如图3-10所示。为高电平时，选中数据输入到8位输入寄存器；当为低电平时，选中数据输入到4位输入寄存器；片选信号，低电平有效，和输入锁存信号一起决定第一级数据锁存是否有效。第一级允许锁存，高电平有效。写信号1，作为第一级锁存信号，必须和同时有效。写信号2，作为第二级锁存信号，必须和同时有效。控制信号，低电平有效，和一起决定第二级数据锁存是否有效。模拟电流输出端，DAC寄存器全1时最大，全0时为0。模拟电流输出端，和有一个常数差：常数，此常数对应一个固定基准电压的满量程电流。参考电压输入端，可正可负，。3.6 电机驱动芯片选择电机驱动采用PWM技术来驱动直流伺服电动机。PWM技术为脉宽调制技术其可通过输入直流电压，在其输出可以得到频率固定、脉冲幅度一定、脉冲宽度与输入信号成线性关系的方波脉冲串，利用该方波脉冲串驱动功率放大电路，从而控制伺服电机的转速。采用PWM技术的优点是，PWM具有较高的切换频率，这有助于克服伺服电机的静摩擦力矩，与其线性功率放大器相比，功耗低且效率高，因而在伺服系统中得到了广泛的应运用。为了改善伺服电机的运行特性，必须适当选择PWM的切换频率，其选择可参考以下原则：a)切换频率应能使电机轴产生微振，以克服静摩擦，改善运行特性。即 (3-1)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。即 (3-3)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。即应使得 (3-4)其中为电内阻。一般伺服电机的电感很小，如果切换频率不高，导致交流分量很大，很容易损坏功率晶体管。在此采用PWM芯片UC3637和H功率桥放大电路来驱动伺服电机，其UC3637原理如图3-11所示，根据上述原则选择切换频率为30KHz。UC3637的特点：单电源或双电源工作，双路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阀值的关机控制图3-11 UC3637原理框图 UC3637的结构与功能：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；欠电压封锁电路：UVL。UC3637最具特色的是三角波振荡器，三角波产生电路如图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 (3-5) (3-6)其中，为PWM