AGV自动导引小车结构系统全设计.doc

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3.4 中断的扩展3.5 数摸转换器的选择3.6 电机驱动芯片选择3.7 运动学分析3.7.1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）BPAQL (3-12) (3-13) （3-14）(3-15) (3-16) 图3-13 AGV自动导引小车示意图整理成矩阵形式： (3-17)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