AGV自动导引小车结构系统全设计.doc

精品 感谢下载载 山东理工职业学院 毕 业 设 计 论 文 设计 论文 题目 AGV 自动导引小车 姓 名 夏 杰 精品 感谢下载载 学 号 029409300156 院 部 工程技术学院 专 业 机 电 一 体 化 年 级 09 级 指导教师 2011 年 10 月 15 日 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 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 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 自动导引小车 单片机控制 设计 PWM 技术 精品 感谢下载载 Abstract The 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 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 目 录 第一章 绪论 1 1 1 AGV 自动导引小车简介 1 1 2 AGV 自动导引小车的分类 2 1 3 AGV 系统组成 3 1 4 自动引导小车结构设计 4 1 5 国内外研究现状及发展趋势 5 第二章 机械部分设计 7 2 1 设计任务 7 2 2 确定机械传动方案 7 2 3 直流伺服电动机的选择 8 2 4 联轴器的设计 11 2 5 蜗杆传动设计 12 2 6 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 精品 感谢下载载 2 7 滚动轴承选择计算 21 2 7 1 前轮轴上的轴承 21 2 7 2 蜗杆轴上的轴承 22 2 7 3 后轮轴上的轴承 24 第三章 控制系统的设计 26 3 1 控制系统总体方案 26 3 2 鉴向 27 3 3 计数的扩展 28 3 4 中断的扩展 29 3 5 数摸转换器的选择 30 3 6 电机驱动芯片选择 32 3 7 运动学分析 36 3 7 1 运动学方程 36 3 7 2 转弯半径 36 3 8 控制软件的设计 37 结论与展望 43 致谢 45 参考文献 REFERENCES 44 精品 感谢下载载 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 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SIA7 AGV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 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 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10 70 m min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 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 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 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 1 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 精品 感谢下载载 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 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 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 精品 感谢下载载 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 2 7 max 0 f MM 精品 感谢下载载 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 3 电机的选定 A O FS FN P F 精品 感谢下载载 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 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 精品 感谢下载载 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 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 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 精品 感谢下载载 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 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 66 tan20220 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 精品 感谢下载载 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选取使用 4 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 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 精品 感谢下载载 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 22 1 25 6277 5dmzmm 31 蜗轮喉圆直径 222 277 52 1 251 0 0480 1 a ddm haxmm 2 32 蜗轮齿根圆直径 222 277 52 1 251 0 040 2574 475 f ddm haxcmm 2 33 蜗轮咽喉母圆半径 2 22 11 5080 19 95 22 ga radmm 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 精品 感谢下载载 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 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 精品 感谢下载载 深沟球轴承 6004 其尺寸为 d D T 20mm 42mm 12mm 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 30dmm 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32lmm 轴肩定位 轴肩高度 取h 3mm 则轴环处的直径 轴环0 07hd 36 V dmm 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 精品 感谢下载载 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 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 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 精品 感谢下载载 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 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 精品 感谢下载载 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 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 精品 感谢下载载 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 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 精品 感谢下载载 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 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 2 43 21222 27 5 N Vra M xFxF xM 027 5 2 x 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 精品 感谢下载载 157 66416464 06 VB MNm m 计算A B C D截面的总弯矩M 0 AC MM 2222 1 17377 258293 39519254 85 DH DVD MMMN m m 2 45 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 22 22 2 20470 850 623508 10 85 2288 84 D ca MT M Pa W 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 7 滚动轴承选择计算 2 7 1 前轮轴上的轴承 精品 感谢下载载 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 00 0 CS P 查表13 8 选取 2 4 0 S 2 51 000 40 42 rar PX FYFFN 代入上式 满足要求 00 0 5020240 4280 84CNS PN 2 7 2 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 精品 感谢下载载 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 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 精品 感谢下载载 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 00 0 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 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 精品 感谢下载载 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 故 6206 型轴承能满足要求 精品 感谢下载载 3 按额定静载荷校核 由式 00 0 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 00 0 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 控制系统的设计 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 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 精品 感谢下载载 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 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