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自动导引小车（AVG）的设计【5张图纸】【单片机控制】【优秀】

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自动 导引小车 AVG小车 设计 图纸 单片机控制 小车 自动导引小车
资源描述：

自动导引小车(AVG)的设计

说明书 35页12000字数+开题报告+任务书+答辩提纲PPT+5张CAD图纸

AGV自动导引小车控制系统.dwg

AGV自动导引小车装配图.dwg

任务书.doc

南昌大学毕业设计（论文）封面.doc

实习报告.doc

客户资料--自动导引小车(AGV)的设计

目录.doc

自动导引小车(AVG)的设计开题报告.doc

自动导引小车(AVG)的设计答辩提纲.ppt

自动导引小车(AVG)的设计论文.doc

蜗杆.dwg

蜗轮.dwg

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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。

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。

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。

1.3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/s

2.2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

电机的转速

选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=62

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    ，

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

内容简介：
毕业设计任务书（工科及部分理科专业使用）题 目： 自动导引小车(AGV)的设计 学 院： 机电工程学院 系： 机械工程 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机制023班 学 号： 02122803 学生姓名： 薛亚江 起讫日期： 2006年2月15日5月15日 指导教师： 万伟民 职称： 讲 师 系分管主任： 审核日期： 说 明1. 毕业设计任务书由指导教师填写，并经专业学科组审定，下达到学生。2. 进度表由学生填写，每两周交指导教师签署审查意见，并作为毕业设计工作检查的主要依据。3. 学生根据指导教师下达的任务书独立完成开题报告，3周内提交给指导教师批阅。4. 本任务书在毕业设计完成后，与论文一起交指导教师，作为论文评阅和毕业设计答辩的主要档案资料，是学士学位论文成册的主要内容之一。一、毕业设计的要求和内容（包括原始数据、技术要求、工作要求）设计内容：1自动导引小车(AGV)的设计 。技术要求：负载35KG小车转弯半径71cm小车最大速度10m/min2设计基于单片机控制系统的软硬件。3. 进行运动控制分析，完成对移动机器人运动轨迹（圆弧、抛物线）的控制。设计要求：1. 运用相关专业知识，完成课题的结构方案设计和相关工程设计计算； 2. 完成控制系统的软硬件设计和程序编制；3. 按照工程制图规范完成相关图纸绘制，编写设计说明书；4搜集、阅读相关技术资料，翻译外文文献资料。二、毕业设计图纸内容及张数 绘制机械结构图、控制原理图，图纸折合A0号图幅不少于3张。三、毕业设计实物内容及要求1毕业设计论文一份（8千字以上，并附相关程序清单）。2设计图纸一套（机械结构图、控制原理图）。3外文文献翻译一份（大于2000汉字）。4毕业设计资料的电子文档光盘一张。 四、毕业设计进度计划序号各阶段工作内容起讫日期备注1确定毕业设计任务，查找阅读资料、准备开题报告的编写。 2006-2-152-282完成开题报告撰写，确定设计方案。2006-3-13-43设计机器人移动结构，进行工程计算，绘制结构图。2006-3-53-184设计单片机控制系统硬件，绘制工作原理图。2006-3-194-15控制系统的软件设计和程序编制。2006-4-24-156运动控制分析和轨迹控制。2006-4-164-297外文资料翻译，撰写毕业设计论文，打印整理。2006-4-305-13五、主要参考资料机电伺服控制技术 李思龙主编 东华大学出版社机电设备及其控制 田风桐主编 机械工业出版社先进制造技术 孙大涌主编 机械工业出版社机器人技术及其应用 谢存禧 主编 机械工业出版社MatLab及其应用机械工业出版社六、毕业设计进度表（本表每两周由学生填写一次，交指导教师签署审查意见）第一、二周（2月15日至2月25日）学生主要工作：确定毕业设计的任务, 查找阅读资料，准备开题报告。熟悉课程设计的内容，准备开题报告。指导教师审查意见：年 月 日第三、四周（2 月26 日至 3月4日）学生主要工作：完成开题报告，确定设计方案。指导教师审查意见：年 月 日第五、六周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：年 月 日 第七、八周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：年 月 日第九、十周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：年 月 日第十一、十二周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：年 月 日第十三、十四周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：年 月 日第十五、十六周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：年 月 日第十七、十八周（ 月 日至 月 日）学生主要工作：指导教师审查意见：年 月 日七、其他（学生提交）1开题报告1份 2外文资料译文1份（2000字以上，并附资料原文） 3论文1份（8000字以上） 指 导 教 师： 学科组负责人： 学生开始执行 任务书日期： 学生姓名： 送交毕业设计日期： 密级： NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR（20022006年）题 目 自动导引小车(AGV)的设计 学 院： 机电工程学院 系 机械 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机制023班 学 号： 02122803 学生姓名： 薛 亚 江 指导教师： 万 伟 民 起讫日期： 2006.2.13 毕业设计（论文）要求装订成册并应包含以下主要内容一、 毕业设计（论文）任务书二、 开题报告三、 毕业设计（论文）1、中文摘要2、外文摘要3、毕业设计（论文）全文四、 外文资料译文五、 外文资料原文- 1 -实 习 报 告 学生姓名： 薛 亚 江 学 号： 02122803 专业班级： 023班 实习单位： 温州大荣纺织仪器有限公司 实习时间： 2006-3-15 2006年 3 月 18 日实 习 报 告一. 实习目的1.了解一般机电产品的开发过程。 2.熟悉电子元器件，并掌握一定的编程能力。3.通过本次校外实习为毕业设计打下基础，以便更好的完成毕业设计。 二. 实习内容本次毕业实习的单位是我自己找的，我主要是在技术科里从事产品的开发。温州大荣纺织仪器有限公司是专业生产纺织仪器的企业，并能根据客户的需求自行设计纺织仪器。该公司的主要产品用于纺织企业、质检、商检、科研院所等场合。生产的产品主要包括纤维、纱线、针织、印染、服装、土工、无纺材料等系列检测仪器达一百多种。在我实习的这一个月里，对于YG（B）021DX型台式单纱强力机很熟悉。先将该产品介绍如下。使用范围：可用于棉、毛、麻、丝、化纤等纤维纯纺和混纺纱线的抗拉断裂强力及断裂伸长的测试。自紧式夹持器，绝无打滑或夹伤纱线，与传感器柔性联结，上纱时不会对传感器造成任何不良影响。技术参数：1、电源：电压AC 220V+-10% 50Hz2、电动机：步进电机3、打印机：80列窄行24针打印机4、数据处理量：512次试验5、仪器外形尺寸：370（L）530（W）930（H）mm6、测力精度：0.2%F . S7、取样长度：100mm、250mm、500mm(三档任选)8、拉伸速度：10-1000mm/min无级调速，数字显示速度，误差1%9、测力范围及最小分度值： 规 格：-1型 -3型 -4型 测力范围:0-1000cN 0-3000cN 0-5000Cn 分 度 值：0.5cN 1cN 2cN 该设备主要用来检测单根纱线的强力，以及纱线的伸长率，以及测试的总次数中最大的强力值、平均值。任意调整上夹持器的上升速度，但下降速度不可调，当到达最下位置时自动停止下降。该仪器使用相当简单，用单根纱线先经过导线沟、上夹持器、下夹持器夹紧纱线。这时就可以对单根纱线的强力进行测试。电子单纱强力机采用数码管显示，内容包括实验的日期、湿度、温度、速度、夹持距离等。在实习的一个月里，我做了一个电子钟。从硬件设计到编程序全都是我一个人做的。硬件原理图如下图，整个电路用25个元器件。用P1口的8根线驱动LED数码管的段码；用P3口驱动LED数码管的位脚。由于89C2051的I/O口的上拉内阻有14K左右，无法为LED数码管提供必要的工作电流，特添加了8只1K电阻，使LED数码管的每段电流在2mA左右。数码管全部点亮时电流16mA小于20mA,89C2051可以安全工作。为了节省I/O口，键盘处理采用动态扫描方式。先置P30=0，P31=P32=1，再读取P31、P32的状态，如果P31、P32=0，则说明有键按下。进行必要的去抖动处理后，便可得到相应的键值。 硬件设计电路原理图电子钟的LED数码管排列PCB布线图 三、实习总结通过短短的一个月校外实习，我学到了很多知识。对机电产品的开发有了一定的认识。对于一个产品，首先，进行市场分析；其次，确定产品的功能及检验标准；再次，进行机械机构的设计；然后，进行总体方案的设计；再后，进行控制部分的设计；最后，进行产品的出厂调试。在这一个月里我学会使用烧写器、仿真器及串行的数据存储器芯片。在校外实习期间，让我把学校学的知识应用到实践当中，学到更多的知识我很开心。IAGV 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IIDesign on Automatic Guided VehicleAbstractThe 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.IA Abstractbstract.II第一章第一章 绪论绪论.11.11.1 AGVAGV 自动导引小车简介自动导引小车简介 .11.21.2 AGVAGV 自动导引小车的分类自动导引小车的分类 .11.31.3 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.22.12.1 设计任务设计任务 .22.22.2 确定机械传动方案确定机械传动方案 .22.32.3 直流伺服电动机的选择直流伺服电动机的选择 .32.42.4 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.193.13.1 控制系统总体方案控制系统总体方案.193.23.2 鉴向鉴向.193.33.3 计数的扩展计数的扩展.203.43.4 中断的扩展中断的扩展.213.53.5 数摸转换器的选择数摸转换器的选择.223.63.6 电机驱动芯片选择电机驱动芯片选择.233.73.7 运动学分析运动学分析.263.83.8 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。 1AGV 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/s2.22.2 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。毕业设计（论文）开题报告题 目： 自动导引小车（AGV）的设计 学 院： 机电工程学院 系 机械工程系 专 业： 机械制造设计及其自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 填表日期： 引言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。1913年，美国福特汽车公司使用有轨底盘装配车。1953年，美国Barrett Electric制造了世界上第一台采用埋线电磁感应式的跟踪路径自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车”。20世纪70年代中期，具有载货功能的AGV在欧洲得到迅速发展和推广应用，并被引入美国用于自动化仓储系统和柔性装配系统的物料运输。从80年代初开始，新的导向方式和技术得到更广泛研究和开发。90年代以来，AGV从仅由大公司应用，正向小公司单台应用转变，而且其效率和效益更好。AGV按照引导方式不同分为：固定路径导引、自由路径导引等。按照移载方式不同分为：侧叉式移载、叉车式移载、推挽式移载、辊道输送机式移载、升降台式移载、机械手式移载等。一、 选题的依据及意义：本课题为自立课题。AGV是集人工智能、信息处理和图像处理为一体，综合了当今科技领域先进的理论和应用技术。属于移动式机器人的一个分支。它最早是在美国发展起来的，在国外已经有几十年的历史了。因此，AGV被广泛应用在仓储业、邮局、图书馆、港口码头、机场以及危险场所和特种作业的场合。AGV是一种非常有发展前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统（FMS）中被认为是最有效的物料运输设备。二、 国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）：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。三、 本课题研究内容 （1）自动导引小车AGV的总体结构设计；（2）自动导引小车AGV的自动引导系统设计；（3）自动导引小车AGV的运动控制系统软、硬件设计。四、 本课题研究方案 （1）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3所示。 图1 有轨小车 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，如图4所示。图2 无轨小车无轨小车也叫自动导引小车（Automatic Guided VehicleAGV），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）AGV自动导引小车的工作原理：光学引导式AGV的工作原理如图3，即在小车预定路径的地面贴上白色反光带小车上装有七组光电感测器成H型分布称，光电感测器通过白色反光带来检测反射回来的信号，并将该光信号转换成电信号控制小车的运动。反光带有连续粘贴和断续粘贴两种方法，FMS中常采用连续粘贴法。光学引导方式对于改变小车的预定路径很方便，只要重新粘贴反光带即可，但反光带易污染和破损，不适合油雾重、粉尘多、环境不好的车间。 图3 光学引导原理本次设计采用光学引导方式的AGV （3）AGV的结构设计 AGV小车结构示意图4。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-后轮，2-减速器，3-电瓶，4-光感应器，5-前轮，6-单片机，7-车架，8-步进电机驱动器，9-步进电机图4 AGV结构示意图 1、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、步进电机和减速器。车架上面安装步进电机驱动器、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。2、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。3、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。（4）AGV的自动引导系统设计 采用的光电传感器如图5所示。型号为EE-SPY402，属于反射型光电感測器，入光时ON，侦測距离约5mm，并附动作指示灯电源电压为DC524V，控制输出80mA。光电感測器电源电压5V，当侦測到前方有反射物体时，动作指示灯亮，out端与负端形成通路，且out端由4V高电位降为0V低电位。此反射型光电感測器所侦測到前方的反射物体以白色为标准。 图5 光电感測器单片机与光电感测器连接电路如圖6所示，分別将七组光电感測器的out端接至单片机的P0口，供应5V电压，且负端输出与单片机共接地；单片机一次读取P0口的状态，组合成二进位系统，经过程序处理与判断，获得当时AGV的位置。七组光电感测器排成H型来检测AGV的当前位置。图6 AT89C51单片机与光电感测器的连接五、 研究目标、主要特色及工作进度：1. 究目标：在了解现代先进的关于机器人方面资料的前提下，结合自己所学的知识，设计出一种简单实用，应用方便简单的两轮驱动的自动导引小车AGV和驱动装置。 2. 要特色：该AGV是基于单片机控制系统而设计出来的，还结合了近几年来的先进的研究成果，结构简单，实用性强，操作方便。3.工作进度1 确定毕业设计任务，查找阅读相关资料、准备开题报告的编写。2006-2-152-282完成开题报告撰写，确定设计方案。2006-3-13-43设计自动导引小车的结构，进行相关传动零件的工程计算，绘制装配图。2006-3-53-184设计单片机的控制系统，绘制控制系统原理图。2006-3-194-15运动学分析和校外实习报告的编写。2006-4-24-156控制系统的软件流程图设计，编写圆弧插补程序。2006-4-164-297 外文资料翻译，撰写毕业设计文，打印整理。2006-4-305-13六、参考文献：1孔令中现代物流设备设计与选用M北京：化学工业出版社，2005.10 2哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学M（）第六版北京：高等教育出版社，2004.13戴曙金属切削机床M北京：机械工业出版社，2000.54濮良贵，纪名刚机械设计M第七版北京：高等教育出版社，20045唐金松简明机械设计手册M第二版上海：上海科学技术出版社，2000.106谭建成电机控制专用集成电路M北京：机械工业出版社，19997朱晓春数控技术M北京：机械工业出版社，2001.58李广第，朱月秀，王秀山单片机基础M北京：北京航空航天大学出版社，2001.7 9张迎新，杜小平，樊桂花，雷道振单片机初级教程M北京航空航天大学出版社，2000.610机械设计手册编委会机械设计手册M新版第5册北京：机械工业出版社，1997 自动导引小车 AGV 的设计 学号 姓名 指导教师 内容 一 研究的目的和意义二 机械传动设计三 控制系统设计 一 研究的目的和意义 AGV AutomaticGuidedVehicle 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被广泛应用在仓储业 邮局 图书馆 港口码头 机场以及危险场所和特种作业的场合 AGV是一种非常有发展前途的物流输送设备 尤其在柔性制造系统 FMS 中被认为是最有效的物料运输设备 二 机械部分设计 AGV的功能 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 10m min 机械传动方案 涡杆 涡轮 车轮 电机 前轮的机械结构 套杯 支架 后轮的机械结构 小车车体受力 蜗杆传动设计 控制系统设计 硬件的组成 AT89C51单片机 程序存储器2764 8K 8 数据存储器6264 8K 8 两块8253可编程定时器 计数器 两块8259A中断控制器 两块12位DAC1208数 模转换器 两块UC3637直流电机驱动器 单片机存储器扩展 扩展了8K的数据存储器和8K的程序存储器接线如下图 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IRQ8 IRQ15使用 接线如下图 移动小车运动学分析 P A Q L B 小车转弯半径计算 取小车转弯的最小半径为R 710mm 转弯时的左 右轮转速 软 软件流程设计 谢谢各位老师的指导 IAGV 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IIDesign on Automatic Guided VehicleAbstractThe 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.IA Abstractbstract.II第一章第一章 绪论绪论.11.11.1 AGVAGV 自动导引小车简介自动导引小车简介 .11.21.2 AGVAGV 自动导引小车的分类自动导引小车的分类 .11.31.3 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.22.12.1 设计任务设计任务 .22.22.2 确定机械传动方案确定机械传动方案 .22.32.3 直流伺服电动机的选择直流伺服电动机的选择 .32.42.4 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.193.13.1 控制系统总体方案控制系统总体方案.193.23.2 鉴向鉴向.193.33.3 计数的扩展计数的扩展.203.43.4 中断的扩展中断的扩展.213.53.5 数摸转换器的选择数摸转换器的选择.223.63.6 电机驱动芯片选择电机驱动芯片选择.233.73.7 运动学分析运动学分析.263.83.8 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.321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。 1AGV 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/s2.22.2 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）d10001000 622.75min3.14 140vnr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： OGPFBFCFAFDABCD图 2-3 车轮受力简图小车车架自重为 P （2-32.85 100.5 0.3 0.032 9.8134PabhgN3）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 ，ABFFCDFF ， （2-5）0zF 220ACFFPG ， （2-6）0xM 0.0750.172 0.30CGPF 解得 157.66ABFFN80.84CDFFN4两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fM （2-7）max0fMM （2-8）max0.006 157.660.946NMFN m其中 滚动摩阻系数，查表 5-2，=210，取 =6mm 2牵引力 F 为 （2-9）max0.94613.50.072MFNd 电 机1/GW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（）LT （2-10）19.821000LFWDTG 13.50.15 157.6614019.80.726210000.587N m取=0.7, =157.66, =0.15WN2） 求换算到电机轴上的负荷惯性（）LJ （2-11）2121342LZJJJJJZ2210.00003490.0047660.000131 0.0000604620.000036189kg m 其中 为车轮的转动惯量；为蜗杆的转动惯量；1J2J为蜗轮的转动惯量；为蜗轮轴的转动惯量。3J4J3） 电机的选定AOFSFNPF5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 21290MJgcm匹配条件为 32m ax361. 89LLJJgcm （2-12）max0.251LMJJ即 361.890.2510.250.28051惯量 （2-13）J21290361.891651.89MLJJJgcm其中为伺服电动机转子惯量 MJ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。maxnmaxT （2-14）maxmax22 3.14 40001651.890.916060 0.076anTJJN mt加速时间 （2-15）44 0.0190.076aMTTs其中 机械时间常数19MTms2.42.4 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 46 （2-16） 8mKTdD Z销钉材料选用 45 钢。查表 5-2 优质碳素结构钢（GB 699-88） 545 调质 200mm =637MPa =353MPa =17% =35% bss 硬度 217255HBS 20.39kMJ m 销钉的许用切应力为 （2-17） 0.70.80.75 637477.75BMPa 过载限制系数 k 值 查表 14-4 取 k=1.6 4 T=0.321Nm 8 1.6 5780.6463.14 12 1 477.75dmm 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 （2-6662221120.08 0.79.55 109.55 109.55 102350822.75PPTN mmnn i18）7图 2-7 蜗轮-蜗杆受力分析各力的大小计算为 （2-19）112122 58765.2218taTFFNd （2-20）212222 23508606.6677.5atTFFNd （2-21）00122tan20606.66 tan20220.8rrtFFFN 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）221221.53FaFKTm dYYz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 4KA=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 1.11.265AVKKKK 由表 11-8得，蜗轮的基本许用弯曲应力 434FMPa假设 31048，蜗轮的当量齿数 262z = （2-24）22336262.29coscos 310Vzz 48根据，从图 11-19中可查得齿形系数 20x 262.29Vz 422.3FaY螺旋角系数 （2-25）310110.9773140 Y 48140 2311.53 1.265 235082.3 0.977334.3762 48m dmm由表 11-2得 4中心距 a=50mm 模数 m=1.25mm 分度圆直径 122.4dmm23135m dmm蜗杆头数 直径系数 17.92 分度圆导程角 =31138 11z 蜗轮齿数 变位系数262z 20.04x 5.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸81）蜗杆轴向齿距 （2-26）3.14 1.253.925apmmm齿顶圆直径 （2-27）*11222.42 1 1.2524.9addha mmm 齿根圆直径 （2-28）*11222.421 1.250.25 1.2519.275fddha mcmm 蜗杆轴向齿厚 （2-29）113.14 1.251.962522asmmm2）蜗轮传动比 （2-30）2162621ziz蜗轮分度圆直径 （2-31）221.25 6277.5dmzmm蜗轮喉圆直径 （2-*222277.52 1.251 0.0480.1addm haxmm 32）蜗轮齿根圆直径 （2-*222277.52 1.251 0.040.2574.475fddm haxcmm 33）蜗轮咽喉母圆半径 （2-34）22115080.19.9522garadmm6.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。 CFF180.8440.422CFFFN1=22.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。0.07hd36Vdmm5Vlmm(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020dmm, ,。19ddmm1.1llmm13 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。McFF1F2M图 2-9 前轮轴的载荷分析图 121180.8440.4222FFFN1239LLmm 1140.42 391576.38CMFLN 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 CMN mm对截面 C 进行强度校核，由公式 4 （2-35）1caMW由表 15-1得，45 钢 调质 4160MPa由表 15-4得， 4 （2-36）223338 43043.14 302288.84322322 30bt dtdWmmd 11576.380.6892288.84caMPa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2P2n2T取蜗轮-蜗杆传动的效率=0.7,则 （2-37）20.08 0.70.056PPKW 222.75minnnr223508TN mm2.作用在蜗轮上的力 21263.8tFN265.22aFN2460rFN3.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 415-3，取=115，于是得 40A （2-38）233min020.05611515.522.75PdAmmn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。26dmm4.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。36dmm12(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030dmm，。28.6dmm1.7Lmm(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=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 122111263.8631.922NHNHtFFFN三个集中力作用的截面上的弯矩分别为11631.9 27.517377.25HDNHMFLN mm0HAHBMM13 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 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，将截面左边外力向截面简化，得AD (2-42) 111301. 578N VMFxx1x1027. 5x14在段中，同样将截面左边外力向截面简化，得D B (2-43) 2122227. 5N VraM xFxF xM027. 52x 222301. 57827. 5301. 5784602527. 27510820. 67158. 422xxx在段中，同样将截面右边外力向截面简化，得BC (2-44) 333157. 66M xFxx3041x 0VAVCMM 301. 57827. 58293. 395VDMNm m 10820. 67158. 422010820. 67VDMNm m 157. 66416464. 06VBMNm m计算 A、B、C、D 截面的总弯矩 M 0ACMM2222117377. 258293. 39519254. 85DH DVDMMMN m m(2-45) (2-46)2222217377. 2510820. 6720470. 85DH DVDMMMNm m646406BVBMMNm m 后轮轴上的转矩 223508TTNm 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)2222220470. 850. 62350810. 852288. 84DcaMTM PaW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 22333843043. 14302288. 8432232230btdtdWm md 选定轴的材料为 45 钢，调质处理，由表 15-1查得 4160M Pa 15因此，故安全。1ca2.72.7 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2500hLh100010001028. 96m i n3. 14110nrd的径向力，轴向力。40. 42rFN0aF1 由上述条件试选轴承试选 6004 型轴承，查表 16-2 4 9. 38rCkN05. 02rCkNl i m15000m i nnr2 按额定动载荷计算由式 (2-48) 466010hnLCP对球轴承=3， (2-49)PraPrPfXFYFf F查表 13-6 自动导引小车 41. 2Pf代入得 1. 240. 4248. 504PN 366028. 96250048. 50479. 14938010CNN故 6004 型轴承能满足要求。3 按额定静载荷校核由式 (2-50)00 0CS P查表 13-8，选取=2 40S (2-51)00040. 42rarPX FYFFN代入上式，满足要求。00 05020240. 4280. 84CNS PN2.7.22.7.2 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2500hLh1410. 5m i nnr，作用在轴上的轴向载荷。1110. 4rFN606. 66aFN1 由上述条件试选轴承选 30203 型轴承，查表 5-24 516 （脂润滑） 19. 8CkN013. 2CkNl i m9000m 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)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. 4arFeF1X0Y 22221. 2110. 4132. 48PraPrPfXFYFf FN由式 152 566010hnLCP103101033116660601410. 525001290. 5864331010hnLCPN101033226660601410. 52500132. 486601010hnLCPN均小于满足要求。12CC19800CN3 按额定静载荷校核由表 1510 500 0CS P17查表 15-14，取 501. 8S110115. 7890. 5221arFFY0101010. 5110. 41606. 66661. 86raPX FYFN 220110. 2940. 5221arFFY 022110. 4rPFN均小于，满足要求。0102PP013200CN4 极限转速校核由式 (2-53)m ax1 2l i mnf f n，由图 15-5得 11290. 580. 065219800PC 511f，由图 15-6得 115. 789arFF 520. 5fm ax110. 590004500m i nnr，由图 15-5得 2132. 480. 006719800PC 511f ，由图 15-6得 220. 294arFF 521f m ax 21190009000m i nnr小于和满足要求。nm ax1nm ax 2n2.7.32.7.3 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2500hLh22. 75m i nnr；轴承 B 的径向载荷2222111631. 9301. 578700rN HN VFFFN；轴向载荷为。2222222631. 90. 762631. 9rN HN VFFFN65. 22aFN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. 91CkN010. 01CkNl i m9500m i nnr2 按额定动载荷计算由式 66010hnLCP对球轴承，3 PraPfXFYF由 查表 15-19 065. 220. 006510010aFC 50. 19,2. 3eY由 查表 15-19 65. 220. 0930. 19700arFeF 5rPF 查表 15-12 自动导引小车 51. 2Pf代入得 1. 2700840PN 366022. 7525008401264. 651491010CNN故 6206 型轴承能满足要求。3 按额定静载荷校核由式 00 0CS P查表 15-14，选取 501S由 0. 093arFF查表 15-19，时， 50. 8arFF001,0XY得 0700rPFN代入上式，满足要求。00 010010700CNS PN4 极限转速校核 m ax1 2l i mnf f n由 查图 15-5 8400. 056314910PC 511f19 查图 15-6 65. 220. 093700arFF 521f代入 m ax1195009500m i nnr 满足要求。m ax22. 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：，；4CSY00QA11QAU7读/写控制逻辑接线：，。3CSY00QA11QA22U6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8259A70DD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。0A：接收设备的中断请求。07IRIR：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，20CASCAS主从片的对应连接在一起。20CASCAS：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8259A进行级联：主片的引脚连接从片的中断请求INT，如果某2I R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I N TA07DD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SP EN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。SP EN级联如图3-7所示。 23AT89C5174HC1388259AU0U8U5主从U48259A图3-7 8259A的级联3.53.5 数摸转换器的选择数摸转换器的选择 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。41212. 4421021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。112 11100. 001222 222nnFSFSAV0. 01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CSWR1AGNDDI9DI8DI2DI3DI4DI5DI6DI7VREFRfbDGNDVccBYTE1/BYTE2WR2XFERIout2Iout1DAC1208110987654322014151617181913121124232221(LSB)DI0DI1DI11(MSB)DI1024DAC1208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。12I LEW R W RXFERCS+5V+5VOAOAAT89C5174LS37327646264DAC120874HC138U0U1U2U3U9U8U10DAC1208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BYTE BYTE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114D ID IBYTE BYTE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30D ID IC S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1I LE W RI LE1W R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C SI LE2W R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XFERXFER2W R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1O U TI2O U TI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1O U TI12O U TO U TII满量程电流。参考电压输入端，可正可负，。R EFV1010V 3.63.6 电机驱动芯片选择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i nu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。25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)TMff其中，为力矩常数，为PWM电源电压，为电感，为电机静摩擦4MCfkULTkCULT力矩。b)微振的最大角位移应小于设定的位置误差。即 (3-3)3192CTkUfLJ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)2ATRfL其中为电内阻。AR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，2.520 V双路PWM信号输出，驱动电流能力为100mA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 26UC3637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)0.0005STHTVVR 6 (3-6)0.00054TTTHCf V 6其中，为PWM频率。由允许电机最大电流决定。Tfmax3.21IASR (3-7)max0.2SRI对于图3-12所示的控制系统，要求：24SVV max10cVV 10INRkPWM 频率30fkHz限流max8IA27B2v1vxoyPAQL取 1a 计算得 (3-8)43max1212 1024 216.5511024 21INScSR VaRkVVa (3-9)434322 1016.55 103.45INRRRk (3-10)34424 3.45 103.76822 10SRINV RVVR3.768THVV (3-11)3233.76822 16.55 106.16243.768THSTHVRRkVV243.76855.5360.00050.0005STHTVVRk1316.55RRk930.00050.00051.11 1044 30 103.768TTTHCFf V式中：为三角波峰值的转折（阈值）电压；为电源电压；为定时电阻；为定THVSVTRTC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SIf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。3.73.7 运动学分析运动学分析3.7.13.7.1 运动学方程运动学方程AGV 自动导引小车的速度分析。已知车轮驱动速度，求机构本体移动速度和旋转角速度。两后轮分别驱动四轮机构的速度分析（Q 为瞬心，P 为后轮中心） (3-12)122pvvv (3-13)12coscos2pvvxv （3-12si nsi n2pvvyv14）(3-15) 121v BAvv121vvvAB (3-16) 图 3-13 AGV 自动导引小车示意图整理成矩阵形式： 28 (3-17)2121112sin2sin2cos2cosvvJvvBByx为雅可比矩阵。J3.7.23.7.2 转弯半径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12 (3-18)2Rg 1 查表 5-2 取 210000 60708. 649. 8Rm m 24m m故取小车转弯的最小半径为。710Rm m左、右轮的速度为 1 (3-19)2222rRBA 22271026010000 600. 4486443. 1470710RBm msrR (3-20)1222rRBA 12271026010000 600. 3097443. 1470710RBm msrA3.8 控制软件的设计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: （3-21）122q （3-22）21B (3-23)0012trlrdtb （3-24）00cos2trlxxrdt (3-25)00sin2trlyyrdt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， 0t10t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,121,nntttt1iitt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: (3-26)1112nntnnrltrdtb （3-27）111cos2nntnnnrltxxrdt29 (3-28)111sin2nntnnnrltyyrdt另外,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。已知驱动轮的半径r = 70mm ,电机到车轮的减速齿轮的变比为62 : 1 ,电机每旋转一周发出500个脉冲,从而可以得到脉冲当量应为2
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