AGV自动导引小车的设计毕业论文.doc

1 AGVAGV 自动导引小车的设计毕业论文自动导引小车的设计毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 1 1 ABSTRACTABSTRACT 2 2 第一章第一章 绪论绪论 5 5 1 11 1 AGVAGV 自动导引小车简介自动导引小车简介 5 1 21 2 AGVAGV 自动导引小车的分类自动导引小车的分类 5 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 5 第二章第二章 机械部分设计机械部分设计 6 6 2 12 1 设计任务设计任务 6 2 22 2 确定机械传动方案确定机械传动方案 6 2 32 3 直流伺服电动机的选择直流伺服电动机的选择 7 2 42 4 联轴器的设计联轴器的设计 10 2 52 5 蜗杆传动设计蜗杆传动设计 11 2 62 6 轴的设计轴的设计 14 2 6 1 前轮轴的设计 14 2 6 2 后轮轴的设计 17 2 72 7 滚动轴承选择计算滚动轴承选择计算 22 2 7 1 前轮轴上的轴承 22 2 7 2 蜗杆轴上的轴承 23 2 2 7 3 后轮轴上的轴承 25 第三章第三章 控制系统的设计控制系统的设计 2626 3 13 1 控制系统总体方案控制系统总体方案 26 3 23 2 鉴向鉴向 27 3 33 3 计数的扩展计数的扩展 28 3 43 4 中断的扩展中断的扩展 29 3 53 5 数摸转换器的选择数摸转换器的选择 31 3 63 6 电机驱动芯片选择电机驱动芯片选择 33 3 73 7 运动学分析运动学分析 37 3 7 1 运动学方程 37 3 7 2 转弯半径 38 3 83 8 控制软件的设计控制软件的设计 38 结论与展望结论与展望 4646 致谢致谢 4646 参考文献 参考文献 REFERENCESREFERENCES 4747 3 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 4 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 1 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 5 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 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 6 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 3 2 85 100 5 0 3 0 032 9 8134PabhgN 2 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 FFN 80 84 CD FFN 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 7 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 2 10 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 15 WN 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 A O FS FN P F 8 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 2 1290 M Jgcm 匹配条件为 3 2 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 max n 出转矩 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 9 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 b s s 35 硬度 217 255HBS 2 0 39 k MJ m 销钉的许用切应力为 2 17 0 7 0 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 321N m 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 图 2 7 蜗轮 蜗杆受力分析 各力的大小计算为 10 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 66tan20220 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 4 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 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 3 10 48 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 0 x 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 11 蜗杆头数 直径系数 17 92 分度圆导程角 3 11 38 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 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 11 222 421 1 250 25 1 2519 275 f ddha mcmm 28 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 222 277 52 1 2510 0480 1 a ddm haxmm 2 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 12 2 62 6 轴的设计轴的设计 2 6 12 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 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 d D T 20mm 42mm 12mm 故 20dddmm 13 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 30dmm 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 32lmm 采用轴肩定位 轴肩高度 取 h 3mm 则轴环处的直径 0 07hd 36 V dmm 轴环宽度 b 1 4h 取 5 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 b h 8mm 7mm 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 1 45 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 14 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 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 15 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 4 根据表 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 d 故 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 d D T 30mm 62mm 16mm 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 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26dmm 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 26lmm 16 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d b h 8mm 7mm 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 1 45 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 17 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 18 2 42 111 301 578 N V MFxx 1 x 1 027 5x 在段中 同样将截面左边外力向截面简化 得D B 21222 27 5 N Vra M xFxF xM 027 5 2 x 2 43 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 2 45 2222 1 17377 258293 39519254 85 DH DVD MMMN m m 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 19 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 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2500 h Lh 1000100010 28 96m i n 3 14110 nr d 承的径向力 轴向力 40 42 r FN 0 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 50 000 CS P 查表 13 8 选取 2 4 0 S 20 2 51 000 40 42 rar PX FYFFN 代入上式 满足要求 000 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 Lh 1410 5m i nnr 作用在轴上的轴向载荷 1 110 4 r FN 606 66 a FN 1 由上述条件试选轴承 选 30203 型轴承 查表 5 24 5 脂润滑 19 8CkN 0 13 2CkN l i m 9000m i nnr 0 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 4X 1 7Y 1 1 20 4110 41 7606 661290 58PN 2 2 32 47 0 2940 35 110 4 a r F e F 1X 0Y 21 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 CC 19800CN 3 按额定静载荷校核 由表 1510 5 000 CS P 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 22 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 Lh 22 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 FFFN 65 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 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 23 故 6206 型轴承能满足要求 3 按额定静载荷校核 由式 000 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 000 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 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 24 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 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 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 25 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 500 62 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 26 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 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 IRQ8 IRQ15 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 27 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 如上图 数据线 CPU通过数据线向8259A发送各种控制命令和读取各种 70 DD 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 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RD 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 20 CASCAS 的系统中 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SP EN 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SP EN 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 2 I R 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I N TA 07 DD 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 28 器 主片的接高电平 从片的接低电平 在8259A的主从式级联SP ENSP EN 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 AT89C51 74HC138 8259A U0 U8 U5 主 从 U4 8259A 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 4 12 1 2 44210 21 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 1 110 0 00122 2 22 2 nn FSFS AV 0 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 29 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 12 I LEW R W RXFER CS 转换 5V 5V OAOA AT89C51 74LS373 27646264 DAC1208 74HC138 U0 U1 U2U3 U9 U8 U10 DAC1208 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5FFFH U10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 CS WR1 AGND DI9 DI8DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 VREF Rfb DGND Vcc BYTE1 BYTE2 WR2 XFER Iout2 Iout1 DAC1208 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 20 14 15 16 17 18 19 1312 11 24 23 22 21 LSB DI0 DI1 DI11 MSB DI10 30 为高电平时 选中数据输入到8位输入寄存器 当BYTE BYTE 114 D ID I 为低电平时 选中数据输入到4位输入寄存器 片选BYTE BYTE 30 D ID I C S 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 1 I LE W R 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I LE 1 W R 和同时有效 写信号2 作为第二级锁存信号 必须和同时C SI LE 2 W RXFER 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 XFER 2 W R 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 1O U T I 2O U T I 和有一个常数差 常数 此常数对应一个固定基准电压的满 1O U T I 12O U TO U T II 量程电流 参考电压输入端 可正可负 R EF V1010V 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 i n u 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 TM ff 其中 为力矩常数 为PWM电源电压 为电感 为电机4 MC fkULT k C ULT 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 3 192 C T kU f LJ 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 31 3 4 2 A T R f L 其中为电内阻 A R 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 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 32 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 0005 STH T VV R 6 3 6 0 0005 4 T TTH C f V 6 其中 为PWM频率 由允许电机最大电流决定 T f max 3 21IA S R 3 7 max 0 2 S R I 对于图3 12所示的控制系统 要求 24 S VV max 10 c VV 10 IN Rk PWM 频率30fkHz 限流 max 8IA 取 1a 33 B 2 v 1 v x o y P A Q L 计算得 3 8 4 3 max 1 21 2 1024 2 16 55 11024 2 1 INS cS R V a Rk VV a 3 9 43 43 22 1016 55 103 45 IN RRRk 3 10 3 4 4 24 3 45 10 3 768 22 10 S R IN V R VV R 3 768 TH VV 3 11 3 23 3 768 22 16 55 106 16 243 768 TH STH V RRk VV 243 768 55 536 0 00050 0005 STH T VV Rk 13 16 55RRk 9 3 0 00050 0005 1 11 10 44 30 103 768 T TTH CF f 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 TH V S V T R 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 T C S If 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 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 12 2 p vv v 12 coscos 2 p vv xv 34 3 13 3 14 12 si nsi n 2 p vv yv 3 15 1 21 v B A vv 3 16 图 3 13 AGV 自动导引小车示意图 121 vvv AB 整理成矩阵形式 3 17 2 1 2 1 11 2 sin