轻型自动无轨输送车结构设计

摘要轻型自动无轨输送车又称为自动引导小车,AGVAUTOMATICGUIDEDVEHICLE，是一种装备有独立动力源，有自动导向系统的无人驾驶的无轨输送车。它是一个集软、硬件为一体的自动化系统，它集成了计算机、自动控制、电子、图像处理、通信、机械等多个学科技术。随着工业自动化、计算机集成制造系统技术的逐步发展以及柔性制造系统、自动化立体仓库的广泛应用，AGV作为联系和调节离散型物流系统以使其作业连续化的必要的自动化搬运装卸手段，其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。它也在加快物流、降低成本、缩短生产周期、提高经济效益等方面都有显著的作用，得到越来越广泛的应用。AGV是以微控制器为控制核心、装有非接触导引装置、以蓄电池为动力的无人驾驶自动导引输送车，其自动作业的基本功能是导向行驶、按址停车。作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV已经得到了越来越广泛的应用，因此对AGV的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。本文介绍了AGV的分类、在国内外的发展现状以及应用，在此基础上，结合毕业设计的课题要求，进行了轻型自动无轨输送车整体结构设计。其研究内容主要包括以下几个方面1论述了AGV系统的组成、路径导引方式及原理。2介绍了AGV车体机械结构的设计，并根据小车的驱动方式和工作要求，对底盘、电机、蓄电池等进行了设计和选型。3对机械结构中所涉及的零部件进行了校核和选择。4在总结全文的基础上，对AGV小车的设计和研究提出了展望。关键字自动无轨输送车；行走策略；结构设计；柔性制造系统；ABSTRACTLIGHTAUTOMATICTRACKLESSTRANSPORTVEHICLEISALSOKNOWNASTHEAUTOMATICGUIDEDVEHICLEISANUNMANNEDCARRIEREQUIPPEDWITHANINDEPENDENTPOWERSOURCEANDAUTOMATICGUIDANCESYSTEMAUTOMATICGUIDEDVEHICLEAGVSYSTEMISANAUTOMATEDSYSTEMCONSISTSOFSOFTWAREANDHARDWAREITINCLUDESSEVERALTECHNOLOGIES，SUCHASCOMPUTER,AUTOMATICCONTROL，ELECTRONIC，IMAGEPROCESSING，COMMUNICATION,MACHINERYANDSOONWITHTHEGROWINGOFFACTORYAUTOMATION,COMPUTERINTEGRATEDMANUFACTURESYSTEMANDEXTENSIVEAPPLICATIONOFFLEXIBLEMANUFACTURESYSTEM、AUTOMATICWAREHOUSE,THEAPPLICATIONFIELDANDTECHNICALLEVELOFAGVWHICHCONTACTANDADJUSTTHEDISCRETELOGISTICSSYSTEM,MAKETHEMISSIONCONTINUOUS,HASGREATLYENLARGEDANDIMPROVEDITALSOHASASIGNIFICANTROLEINSPEEDINGUPTHELOGISTICS，REDUCINGCOSTS，SHORTINGTHEPRODUCTIONCYCLEANDENHANCINGECONOMICEFFICIENCYTHEREFORE，AGVHASBEENMOREANDMOREWIDELYAPPLICATIONAGVISTHEUNMANNEDDRIVERAUTOMATICGUIDEDVEHICLEWHICHHASITSUNTOUCHEDGUIDEDEQUIPMENT,ITSCONTROLCENTERISTHEMICROCONTROLLERANDSTORAGEBATTERYISDRIVINGPOWER,ITSBASICFUNCTIONOFAUTOMATICACTIONISGUIDEDDRIVING,RECOGNIZINGTHEADDRESSTOSTOPPRECISELYASTHEVALIDMEASUREOFCONTEMPORARYLOGISTICSPROCESSINGAUTOMATIONANDTHEKEYEQUIPMENTOFFLEXIBLEMANUFACTURESYSTEM,THEAGVHASALREADYGOTMOREANDMOREEXTENSIVEAPPLICATION,SOTHATTHERESEARCHONAGVHASVERYIMPORTANTTHEORYMEANINGANDREALISTICMEANINGTHISPAPERINTRODUCESTHECLASSIFICATIONOFAGV,DEVELOPMENTSTATUSATHOMEANDABROADASWELLASTHEAPPLICATION,ONTHISBASIS,COMBINEDWITHTHESUBJECTOFGRADUATIONDESIGNREQUIREMENTS,THELIGHTAUTOMATICTRACKLESSTRANSPORTATIONCAROVERALLSTRUCTUREDESIGNTHERESEARCHCONTENTMAINLYINCLUDESTHEFOLLOWING1THECONSTITUTIONOFAGVSYSTEM,THEPATHGUIDEDMEANSANDTHEIRPRINCIPLESWEREDISCUSSED2THEDESIGNOFAGVMECHANICALSTRUCTUREWASINTRODUCED,INTERMSOFDRIVINGMANNERANDWORKINGREQUESTS,THETYPEOFTHECHASSIS,ELECTRICALMOTORANDSTORAGEBATTERYETCWASCHOSENANDDESIGNED3THECOMPONENTSARECHECKEDANDSELECTION4ONTHEBASEOFSUMMARIZINGTHEDISSERTATION,THEDEVELOPMENTPROSPECTOFAGVRESEARCHWASPUTFORWARDKEYKKKWORDSAUTOMATICTRACKLESSTRANSPORTVEHICLE；RUNNINGSTRATEGY；CONFIGURATIONDESIGN；FLEXIBLEMANUFACTURINGSYSTEM；1绪论511概述512轻型自动无轨输送车在国内外的发展现状5121国外发展现状5122国内发展现状613轻型自动无轨输送车的研究方向814轻型自动无轨输送车的结构组成9141引导系统9142行走系统10143车体系统11144车载控制系统1115轻型自动无轨输送车的应用12151应用特点12152应用领域1316本课题的提出1417本章小结142轻型自动无轨输送车的总体结构设计1521车体部分结构设计15211车体外轮廓设计15212车体底盘设计15213载物篮的设计1622传动部分结构设计16221电机的选择和安装16222联轴器的选择17223轴的设计18224轴承及轴承座的选型与设计1823行走部分结构设计2024动力部分结构设计与选型2225其他部分的选型与安装23251超声波传感器的选型与安装23252红外线传感器的选型与安装2426本章总结253结构设计零部件的检验与校核2531传动轴的检验与校核2632联轴器的检验与校核2933轴承的检验与校核3034键的检验与校核3135固定载物篮角钢的检验与校核3236本章总结334总结与展望341绪论11概述轻型自动无轨输送车又称为自动引导小车,AGVAUTOMATICGUIDEDVEHICLE，它是由美国物流协会定义的。其定义内容如下AGV是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够按照规定的导引路线行走，具有小车运行和停车装置、安全保护装置以及各种移载功能的运输小车。AGV是现代工业自动化物流系统中的关键设备之一，它是以电池为动力，装备有电磁或光学等自动导航装置，能够独立自动寻址，并通过计算机系统控制，完成无人驾驶及作业的设备。它是上世纪50年代发展起来的智能搬运型机器人，自从1913年美国福特汽车公司使用有轨底盘装配车，1954年英国采用地下埋线电磁感应导向车以来，到九十年代全世界拥有AGVAUTOMATEDGUIDEDVEHICLES10万台以上。近年来，由于自动化技术发展程度的大大加深，国内自动化立体仓库和自动化柔性装配线进入发展与普及阶段。其中，在自动仓库与生产车间之间，各工位之间，各段输送线之间，AGV起了无可替代的重要作用，与传统的传输方式相比具有自动化程度高、路径灵活、不占用空间、较好的移动性、安全可靠、反应灵敏、智能操作及维修方便等诸多优点，因而广泛应用于制造业、国防、电子行业、服务行业、机械行业等各行各业。12轻型自动无轨输送车在国内外的发展现状121国外发展现状AGV扮演物料运输的角色已经半个多世纪了。第一辆AGV诞生于1953年，它是由一辆牵引式拖拉机改造而成的，带有车兜，在一间杂货仓库中沿着布置在空中的导线运输货物。这种导引方式一直使用到二十世纪七十年代初。1955年，英国第一个将轻型自动无轨输送车运用到生产线上，这使得运输效率大为改观，同时也提高了工作效率。四年之后，美国又一次看到了轻型自动无轨输送车的优点，并将其运用于自动化仓库中。到上世纪五十年代末到六十年代初期时，已有多种类型的牵引式AGV用于工厂和仓库中的货物运输。六十年代和七十年代初，除BASRRETT公司以外，WEBB和CLARK公司在AGV市场中也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的AGV技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盆促进了AGV的发展。欧洲的主要制造厂家有SCHINDLERDIGITRON,WOGNERHJC,ACS,BTCFC,FATA,SAXBY,DENFORD和BLECBERT等。70年代中期，欧洲约装备了520个AGV系统，共有4800台小车，1985年发展到一万台左右，为美、欧、日之首。欧洲的AGV技术于80年代初，通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的KEEBLER分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的AGV。1981年JOHN公司将AGV连接到AS/RS，以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1984年，通用汽车公司便成为AGV的最大用户，1986年已达1407台包括牵引式小车、叉式小车和单元装载小车，1987年又新增加1662台。美国各公司在欧洲技术的基础上将AGV发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制系统可联网于FMS或CIMS，运输量更大，移载时问更短，具有在线充电功能，以便24小时运行，小车和控制器可靠性更高。此时美国的AGV生产厂商从23家1983年骤增至74家1985年。日本的第一家AGV工厂于1966年由一家运输设备供应厂与美国的WEBB公司合资开设。到1988年，日本AGV制造厂已达20多家，如大福、FANUC公司、MURATA村田公司等。到1986年，日本己累计安装了2312个AGV系统，拥有5032台AGV。在国外，AGV应用最早、用量最大的行业就是汽车制造业，约占AGV销售总量的三分之一。其次，AGV在印刷、造纸、新闻出版等重型搬运作业中以及食品、饮料、酿酒、制药、电子等洁净化车间应用也较为广泛。122国内发展现状国内发展状况相对于发达国家来说的话较为落后，国内的发展现状主要依赖于以下两种方式一是进行自主研发，二是引进海外的产品和技术。在国内自主研发方面二十世纪六十年代开始研究。1976年，北京起重运输机械研究所研制的ZDB1型自动搬运车是最早的实用型AGV。1988年，原邮电部北京邮政科学技术研究所等单位研制了邮政枢纽AGV。1991年，中科院沈阳自动化所与新松机器人自动化股份有限公司为沈阳金杯汽车公司总装线上设计的九台自动装配系统，并于1996年获得国家科学技术进步三等奖，是当时国内较先进的使用型AGV。1992年，天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。1998年昆明船舶设备公司在红河卷烟厂研究多模式激光导引无人自动车22辆，红河项目于2002年获国家科学技术进步二等奖。同期天津师范大学、吉林大学、吉大易飞、北京军区后勤部、北京机科发展公司、北京易亨集团等也进行了试验研究。在引进国外技术与产品方面1980年，上海石化总厂为涤纶长丝作业从日本大福公司引进国内第一套AGVS。九十年代初，华宝空调装配线上使用了日本进口的电磁导引AGV。1996年，玉溪卷烟厂首家在烟草行业引进三星的52台AGV，这是国内企业中使用数量最多的AGV系统。河北承德输送机械厂合资引进美国WEBB公司AGV技术。天津理工学院研制的TIT1全方位视觉引导自动车，属国家863高科技项目，已通过鉴定，达到八十年代末国际先进水平。九十年代中期，昆船公司在引进国外最先进AGV技术的基础上，先后承担了数十个AGV系统的设计、安装；其水平代表了目前国内的最高水平。昆明船舶设备公司研制的各种导引形式的AGV系统已经广泛应用于烟草行业，汽车行业，造币行业等。目前全国AGVS不超过60套，AGV不超过400台。其中烟草行业应用最多，已有20家采用了AGV，绝大部分采用激光导引技术。以中科院沈阳自动化所为金杯汽车公司设计的AGV系统为例进行说明，中国科学院沈阳分院成功开发的自动导引车AGV和自动导引车系统AGVS主要用于汽车等生产线，实现动态装配，可提高装配线的自动化水平。在中国汽车生产总装线上首次使用具有自主版权的AGV产品和系统。沈阳金杯客车制造有限公司总装车间有9台AGV构成的发动机、后桥、油箱装配副环线，已经投入生产运行两年。该AGV具有自动动态跟踪、提升、定位、装配功能，已达国际先进水平。且获得多项专利，如双举升载人自动装配导引车、双倍行程举升装置等。运用该产品及系统技术可大大提高总装生产线动态装配的自动化程度，减少设备投资及提高生产效率。以金杯客车制造有限公司的9台AGV应用工程为例，据估算，一台AGV国产价格要比进口的便宜20万元人民币，应用工程系统的设计调试技术费的差额更大。13轻型自动无轨输送车的研究方向随着科技进步和工业化程度的提高，未来的轻型自动无轨小车将在各方面都的倒影一步的优化设计，其工作效率将大幅度提高。未来的轻型自动无轨输送车将是一种集高度智能化、引导精确化、移载方式多元化、优化电池于一身的智能化移动机器人。（1）智能化轻型自动无轨输送车属于智能机器人的一个分支。在现代物流自动化技术中，轻型自动无轨输送车技术最具有智能化的特征，随着科技的进步，车载计算机的硬件功能将日趋完善，同时软件也会进一步升级以满足更高的要求的轻型自动无轨输送车的发展需求，使AGV及AGV系统具有从网络、无线或红外接收上升到客户指令，自动导引，自动行驶，路线优化，自动作业，交通管理，车辆调度，安全避碰，自动充电，自动诊断，实现了AGV的智能化，信息化，数字化、网络化、柔性化、敏捷化、节能化、绿色化。（2）引导精确化轻型自动无轨输送车技术经过半个多世纪的发展，已经由刚开始的埋线电磁导引技术，到CCD的光学磁带识别、周边图像识别导引技术，再到基于陀螺导航的定位引导技术逐步发展，至20世纪90年代，瑞典的NDC公司推出基于激光反射测角定位技术，又将轻型自动无轨输送车引导技术引领到了一个更高的水准，导引技术的进步，提高了行程路径的柔性化，同时提高了定位精度，由正负10毫米，提高至正负5毫米，甚至正负3毫米。GPS定位导航技术在大型最大可达40TAGV上得到应用。随着工业的进步与发展，GPS定位导航技术一定会在轻型自动无轨输送车引导技术上发挥巨大作用，也会大大提高引导的精确程度。（3）移载方式多元化针对不同的工作需求，出现了背辊式，背链式，推挽式，牵引式，龙门式，侧叉式、前叉式、后叉式、三向叉式、升降伸缩叉式等。由于移载技术，驱动技术、电池技术的进步，促进了载重/自重比的大幅提高，即同样载重量，先进车型自重远远小于落后车型。使车辆移动的能耗成倍降低，因而可以少装电池，使AGV的自重、功耗形成良性循环。（4）电池的优化由刚开始的一般酸性蓄电池到现在高性能的蓄电池，以及高性能碱性蓄电池，这不仅大幅度的提高了蓄电池的充放电比，大大地缩短了充电等待时间，使小车可不知疲倦地连续工作在优化的路径上,因而所需台数下降,的投资与人工叉车的投资差距正在缩小,而且使用可以节省人工成本。同时也实现了工业的节能化、绿色化。14轻型自动无轨输送车的结构组成轻型自动无轨输送车主要由引导系统、行走系统、车体系统、车载控制系统等组成。141引导系统引导系统主要是由不同的引导方式来决定的，引导方式主要有以下两种一种叫固定路径引导方式，另一种叫做自由路径引导方式。下面分别介绍下两种引导方式的原理及优缺点（1）固定路径引导方式又可分为电磁感应引导、磁带导引、光学导引等。电磁感应引导方式的工作原理是在地槽中埋设电线，用交流频率发生器通以530KHZ的交电流，形成沿导线扩展的交变磁场。利用电磁感应原理，通过AGV车体上的电磁传感器检测出电磁信号的强弱变化，引导AGV沿埋设的路线行驶。这种引导方式的优点是技术很成熟，控制精度和可靠性较高，引线掩蔽，不易被污染和破损，对声光无干扰。缺点是施工时间长，费用高,路径的改变和扩充困难，复杂交叉路径及有钢筋地板的情况下难以实现。磁带引导方式的工作原理是采用磁带确定行驶路径，通过车体上的磁性传感器检测信号以确定车辆的行驶方向。这种引导方式的优点是路径比较容易改变或扩充。缺点是易受环路周围金属物质的干扰，磁带易被污染，导引的可靠性较差。光学导引方式的工作原理是采用具有稳定反光率的色带确定行驶路径，通过车体上的光电传感器检测信号以调整车辆的行驶方向。这种引导方式的优点是导向线路敷设费用低。缺点是要求地面平整，色带保持清洁完整。（2）自由路径引导方式又可分为超声波引导、惯性引导、激光引导、视觉引导、GPS引导等。超声波引导方式的工作原理是利用墙面或类似物体对超生波的反射信号进行定位导向。其优点是需设置反射镜面。其缺点是当运行环境的反射情况较复杂时应用十分困难。惯性引导方式的工作原理是采用陀螺仪检测AGV的方位角并根据从某一参考点出发所测定的距离来确定当前位置，通过与给定的路线进行比较来控制AGV的行驶方向。其优点是技术先进，灵活性强，便于组合，柔性极好。其缺点是陀螺仪对振动较敏感，另外可能需要辅助定位措施。激光引导方式的工作原理是AGV实时接收四周固定设置的反射镜片反射过来的激光信号，通过连续的三角几何运算来确定AGV的当前位置，引导AGV沿规定的路径行驶。其优点是定位精度高；适合多种环境；适应复杂路径和狭窄通道。其缺点是系统成本较高；扫描头需较高位置。视觉引导方式的工作原理是通过CCD摄像机生成AGV周围场景的图象，与计算机系统中存储的环境地图进行特征匹配，从而可以确定出车体的当前位姿。其优点是不要求人为设置任何物理路径，因而柔性较高；随着计算机图像采集、储存和处理技术的飞速发展，该种AGV的实用性越来越强。其缺点是目前实时性较差，系统成本较高。GPS引导的工作原理是通过全球定位系统对非固定路面系统中的控制对象进行跟踪和制导。其优点是适合室外远距离的跟踪和制导。其缺点是精度取决于GPS的精度及控制对象周围环境等因素；技术还处于发展完善中，不够成熟。142行走系统行走机构这主要是靠轮子完成，由主动轮、从动轮和导向轮组成。有三轮的、四轮的、六轮的以及多轮的。轮子的布置方式也各有不同，下图是几种常见的轮子布置方式。三轮式结构一般采用前轮转向和驱动，四轮或六轮一般采用双轮驱动，并采用差速传动或者独立转向方式转向。四轮式1四轮式2三轮式六轮式143车体系统车体系统包括底盘、PLC放置台、车身、载物箱、蓄电池安装架等。这几部分构成了轻型自动无轨输送车的躯干，地盘主要起到支撑整体的作用，是整个车体的主要部分，车体的驱动系统主要安装在车的底盘上。PLC放置台固定在车的底盘上，主要安装小车的控制系统，车身主要是用来放置载物箱以及安装附属装置的。载物箱安装于车身的顶部，符合人体工程学设计理念，方便工作人员及时将满载的货物箱取下，同时放上空货物。箱蓄电池安装架也固定在小车的底盘上，这样方便蓄电池的安装或者当蓄电池报废时很容易就可以更换新的。144车载控制系统车载控制系统主要由电机驱动模块、单片机、超声波测距模块、RPR220红外传感器等部分构成，通过外部编入程序来控制电动机的转动，从而实现前进、转弯、停止等指令。下图是控制系统的简单逻辑图。15轻型自动无轨输送车的应用151应用特点轻型自动无轨输送车是一种智能的搬移机器人，它主要承担的任务就是搬运货物，一般它都被应用在特定的行业中，例如车间中以及仓储行业中。轻型自动无轨输送车在导引的柔性、空间的利用、运行的安全性以及使用费用等方面与其他的运输工具相比，都具有不可超越的优势。总结来说，它有以下这些所特有的应用特点（1）提高了企业的生产加工产率，降低了企业在运输货物方面的资金，从而能直接提高企业的经济利益，同时也实现对物流的自动化控制；（2）安装方便，而且能方便地与其他的轻型自动无轨输送车、工作人员以及数控中心等配合作业，提高生产效率；（3）使企业和工厂的设备具有更大的灵活性，便于其布局的改变和调整，以及设施的更换；（4）使得货物的运输和装卸变得更加灵活和及时，提高了工厂设备的利用率和工人的工作效率；（5）便于与其他的设备一同构成高精度的动态跟踪系统；（6）具有低噪音、无污染的特点，能够很好地改善车间的作业环境，同时也起到节约能源与保护环境的作用。152应用领域鉴于轻型自动无轨输送车有以上一些应用特点，因此它能够将工作人员从繁重的体力劳动解放出来，使得企业和工厂大幅度减少对工人的依赖，在提高工作效率的同时还能能更大程度的节省成本。除此之外，在一些具有危险性的工作中，它能够代替人们去完成，因此，它在工业制造领域有着广泛的应用。其主要应用领域有以下几个仓储行业是AGV最早应用的场所。1954年世界上首台AGV在美国的SOUTHCAROLINA州的MERCURYMOTORFREIGHT公司的仓库内投入运营，用于实现出入库货物的自动搬运。目前世界上约有2万台各种各样AGV运行在2100座大大小小仓库中。海尔集团于2000年投产运行的开发区立体仓库中，9台AGV组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地完成了每天23400的出入库货物和零部件的搬运任务。近年来，作为CIMS的基础搬运工具，AGV的应用深入到机械加工、家电生产、微电子制造、卷烟等多个行业，生产加工领域成为AGV应用最广泛的领域。在邮局、图书馆、码头和机场等场合，物品的运送存在着作业量变化大，动态性强，作业流程经常调整，以及搬运作业过程单一等特点，AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求。瑞典于1983年在大斯得哥尔摩邮局、日本于1988年在东京多摩邮局、中国在1990年于上海邮政枢纽开始使用AGV，完成邮品的搬运工作。在荷兰鹿特丹港口，50辆称为“YARDTRACTORS”的AGV完成集装箱从船边运送到几百码以外的仓库这一重复性工作。对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染等特殊要求的烟草、医药、食品、化工等行业中，AGV的应用也受到重视。在国内的许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。在军事上，以AGV的自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察，英国军方正在研制的MINDERRECCE是一辆侦察车，具有地雷探测、销毁及航路验证能力的自动型侦察车。在钢铁厂，AGV用于炉料运送，减轻了工人的劳动强度。在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所，AGV用于物品的运送，避免了危险的辐射。在胶卷和胶片仓库，AGV可以在黑暗的环境中，准确可靠的运送物料和半成品。下图为轻型自动无轨输送车的应用实例轻型自动无轨输送车在车间中搬运货物16本课题的提出轻型自动无轨输送车是一种搬移智能机器人，它是工业自动化物流系统中不可或缺的主要设备之一，也是各行各业在未来发展中不可替代的一部分，同时它也是近些年机器人大赛中的重要比赛项目，许多大学和科研机构都将这个课题列为重要的研究项目。本课题是以二零一三年机械专业本科毕业设计为蓝本，提出简单易行的轻型自动无轨输送车的结构设计。17本章小结本章对轻型自动无轨输送车在国内外的发展现状、研究方向、结构组成以及它的应用领域做了具体的阐述和分析。其中，本文对结构组成方面的一些核心部件予以重点介绍，对其应用领域进行了分析，同时也提出了本课题的研究目的。2轻型自动无轨输送车的总体结构设计21车体部分结构设计211车体外轮廓设计根据轻型自动无轨输送车不同的用途，在总体结构设计方案中，首先确定它的外部造型十分重要。好的车体造型能在枯燥而繁忙的工作环境中给人以亲切感和安全感。另外，在车间中也要考虑到车间的具体情况，比如说车间过道的宽度，地面的情况等更方面的因素。考虑到以上因素，我们将轻型自动无轨输送车的外轮廓设计为圆形的桶状结构，它是将矩形的钢板通过冲压的方式冲压成圆筒状，再用螺栓将其固定。另外，它也是通过螺栓与底板固定在一起，采用可拆卸联接，这样的设计提高了零部件的互换性，便于零部件的安装和拆卸，车体部分是主要的承力部件，它是连接底盘和载物篮的部件，应满足以下几个要求1车体的强度和刚度必须满足小车承载及运行加速时的要求2在保证车体有足够刚度的条件下，尽量减轻车体本身的重量，以提高有效承载重量3尽量降低车体重心，提高整车的抗倾翻能力4车体外轮廓不应有突出部分，以防止碰撞其他物体根据有以上几点要求，结合课程设计的要点，并能更好地满足实际任务的需要，小车的整体尺寸设计为0808115M长宽高。212车体底盘设计底盘部分是整车最重要的部件，因为主要零部件，例如驱动电机、传动部件、行走机构以及控制元件等都安装在小车的底盘部分。总体来说，小车的底盘部分也相当于汽车底盘，它与各部分基本上都用螺栓连接，之所以采用这样的的连接方式是为了方便零件的拆装和更换，底盘的设计及工艺的合理性直接影响AGV的定位精度，因此在设计时要注意各安装部件安装孔的位置精度，同时要保证其误差在允许的范围之内，以提高小车的整体控制精度。213载物篮的设计根据本课程设计的相关要求，本轻型自动无轨输送车主要是运送一些小型零部件的，同时也考虑到成本问题以及小车外部轮廓，我们将载物篮设计为带提手的圆形篮子形状，载物篮的具体尺寸设计为直径073M，深度03M。它安装在车体内部的焊接角钢上边，当小车满载货物到指定地点时，工作人员能够及时的将载物篮取下，然后再换上空载物篮。这样的话，一台轻型自动无轨输送车就能够配多个载物篮，提高了小车的运送效率，同时也使得企业和工厂需要小车的总台数大大减少，节约了在运输方面的预算。22传动部分结构设计221电机的选择和安装（1）电机的选择轻型自动无轨输送车是电动车的一种，而电机是电动车的驱动源，提供给整车提供动力。目前常用的电动车辆驱动系统有三种第一种是直流电机驱动系统，20世纪90年代前的电动汽车几乎全是直流电机驱动的。直流电机本身效率低，体积和质量大，换向器和电刷限制了它转速的提高，其最高转速为60008000R/MIN。但由于其有以上一些缺点目前除了小型车外，电动车很少采用直流电机驱动系统。第二种是感应电机交流驱动系统。该系统是20世纪90年代发展起来的新技术，目前尚处于发展完善阶段。电机一般采用转子鼠笼结构的三相交流感应电动机。电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。其具有效率高、体积小、质量小、结构简单，免维护、易于冷却和寿命长等优点，该系统调速范围宽，而且能实现低速恒转矩，高速恒功率运转，但交流电机控制器成本较高。目前，世界上众多著名的电动汽车中，多数采用感应电机交流驱动系统。第三种是永磁同步电机交流驱动系统，其中永磁同步电机包括无刷直流电机和三相永磁同步电机，而永磁同步电机和无刷直流电机相比，永磁同步电机交流驱动系统的效率较高，体积最小，质量最小，也无直流电机的换向器和电刷等缺点。但该类驱动系统永磁材料成本较高，只在小功率的电动汽车中得到一定的应用。但永磁同步电机是最有希望的高性能电机，是电动汽车电机的发展方向。出于直流电机本身具有控制系统简单，调速方便，不需逆变装置等优点，并且本课题设计的轻型自动无轨输送车不需要工作在高速大功率之上，因此，在本文仍采用直流电机作为驱动系统的动力源。我们设计的轻型自动无轨输送车原理样车载重总质量为50KG，制动距离不大于05M，行走速度不高于50M/MIN，满载行不低于10M/MIN，初步选择电机的种类为直流伺服电机。（2）电机安装位置的确定因为本课程设计中，我们采用差数传动，因此，将电动机布置在小车底盘的左右两侧，两个主动轮用两个电动机分别驱动，电动机用螺栓固定在小车底盘的下表面上，采用这样的布局方式方便拆装和更换。222联轴器的选择在本设计方案中，我们采用联轴器联接电机输出轴和传动轴。它的作用是联接两轴使两轴共同回转以传递运动和转矩，能实现轴与轴之间的联接、分离，从而实现动力的传递和中断。由于制造和安装误差，受载时零部件的弹性变形与温差变形，联轴器所联接的两轴线不可避免的要产生相对偏移，因此，联轴器还应具有一定的补偿两轴偏移的能力。联轴器可分为以下几种机械式联轴器、液力联轴器、电磁式联轴器。其中机械式联轴器可分为三大类刚性联轴器用于联接两轴能严格对中，工作时不发生相对错位的场合。挠性联轴器用于联接两轴有较大安装误差及工作时两轴有相对位移的场合。安全联轴器存在一个保险环节（如销钉、可动联接等），其只能承受限定载荷。考虑到本方案的结构设计要求，本联轴器是用于联接两轴能严格对中，工作时不发生相对错位的场合，所以我们选用刚性联轴器其中的一种，GY3型凸缘联轴器。223轴的设计轴做为传动部分的主要部件，它将电机传递的转矩传动到轮子上，保证轻型自动无轨输送车能够正常的行走。轴的材料我们选用45钢，为了保证它的力学性能，在加工过程中应对其进行热处理。在轴的设计过程中，处应按工作能力要求外，还必须满足一些其他的要求，例如，在轴上零件不允许在轴上作轴向移动时，需要用轴向固定的方式使它们在轴上有确定的位置；为传递转矩时，轴上的零件还应该做周向固定；对轴与其他零件（如滑动轴承、移动齿轮）间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求；轴的加工、热处理、装配、检验、维修等都应有良好的工艺性；对重型轴还需考虑毛坯制造、探伤、起重等问题。考虑到轴的设计工艺要求以及本设计要求，我们将轴设计成阶梯状，并在轴较小的一端加工出螺纹，目的是为了固定小车的主动轮，其结构如下图所示，对其进行结构强度的校核我们将在下一章中着重介绍。224轴承及轴承座的选型与设计（1）轴承的选型轴承为机械中的固定机件，当其他机件在轴上彼此产生相对运动时，用来保持轴的中心位置及控制该运动的机件。按照工作摩擦性质的不同，可以分为滑动轴承和滚动轴承。根据本设计的要求，我们选择的轴承为滚动轴承中的一类深沟球轴承，其代号为6204GB/T276，它结构简单，主要承受径向载荷，也可以承受一定的双向轴向载荷。其摩擦系数小，极限转速高，价格实惠。2轴承座的设计轴承座是用来支撑轴承的，固定轴承的外圈，仅仅让内圈转动，外圈保持不动，始终与传动的方向保持一致，并且保持平衡；轴承座的概念就是轴承和箱体的集合体,以便于应用,这样的好处是可以有更好的配合,更方便的使用,减少了使用厂家的成本至于形状,多种多样,通常是一个箱体,轴承可以安装在其中。在本设计过程中，我们采用立式轴承座，用螺栓将其与小车底盘固定在一起，这样设计方便在轴承座被破坏时进行及时的更换。下边用三视图的形式展示为轴承座的具体设计图23行走部分结构设计本轻型自动无轨输送车采用四轮结构形式，轮子布置如下图所示前后其中，左右的两个为主动轮，作为行走机构的主要部件。小车采用差速转向控制，故每个主动轮都有独立的驱动电机。为了使系统运行可靠且维护方便，本系统采用两个直流电机作为驱动电机。同时，为了安装、操作方便。行走部分包括两方面的内容一是主动轮子部分的设计与选型；二是万向轮部分的设计与选型。（1）主动轮主动轮我们采用腹板轮子，并在轮子上套上一圈非充气式橡胶，这样既增加了轮子与地面间的摩擦系数，使得运行更加平稳，又减少了轮子与地面之间的直接接触，减少了轮子磨损量。下图为轮子的示意图（2）万向轮万向轮是指安装在脚轮轮子的支架能在动载或者静载中水平360度旋转。在本设计中，它的作用是当自动无轨输送车接收到转弯指令时配合主动轮一起转动，同时也对整个车体起到一定的支撑作用。现在市场上有各种各样的万向轮，因此不用在对其进行设计，直接选购就可以了。在选择万向轮时应该注意以下几个方面的问题一是要正确选择轮子的材质，这其中，首先要考虑使用路面的大小、障碍物、使用场地上残留的物质（如铁屑、油脂等）、所处的环境状况（如高温、常温和低温）及车轮所能承载的重量等不同条件来决定选择合适的车轮材质；二是要计算单个车轮的承载重量；三是要决定轮径的大小，通常直径越大越能保证地面不受损失；四是传动的灵活性，单轮越大就越省力，单轮安装上滚珠轴承，能够承载较重的载荷，转动更轻便，灵活安静。根据以上一些要求，结合本设计的具体要求，我们选择了适合的万向轮，其具体参数如下轮子直径为150MM，轮宽51MM,全高为193MM,其转动半径为127MM采用的材料是靠科技聚氨酯。下图为它的示意图24动力部分结构设计与选型现在大多数轻型自动无轨输送车都采用蓄电池为系统提供动力源，常用的蓄电池有以下几个种类镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、铅酸蓄电池、锂电池等。下面就对以上几种类型的电池进行简单比较（1）镍镉蓄电池它内阻小，可供大电流放电，放电时电压变化小与其他种类电池相比之下，镍镉电池可耐过充电或放过电，操作简单方便放电电压依据其放电电流多少有些差异，大体上是12V左右镍镉电池的放电终止电压为1OV/CELL，实使用温范围在200C600C，在此范围内可进行放电。可重复500次以上的充放电。（2）镍氢蓄电池镍氢电池能量比镍镉电池大二倍,用专门的充电器充电可在一小时内快速充电,自放电特性比镍镉电池好，充电后可保留更长时间,可重复500次以上的充放。（3）铅酸蓄电池铅酸电池是一种使用最广泛的电池，它以海绵状的铅作为负极，二氧化铅作为正极，我们把这二种物质称为活性物质，用硫酸水溶液作为电解液，它们共同参与电池的电化学反应。（4）锂电池拥有高能量密度。与高容量镍镉电池相比，体积能量是其15倍，能量密度是其2倍。高电压，平均使用电压为36V，是镍镉电池、镍氢电池的3倍，使用电压平坦并且高容量，广泛的使用温度200C600C。充放电寿命长，经过500次放电后其容量至少还有70以上由于锂电池具备了能量密度高电压高，工作稳定等特点。经过对以上几常见蓄电池的研究分析，再结合本设计要求，我们选择锂电池作为本轻型自动无轨输送车的动力源，电池的型号为6DZM10，它的额定电压为12V,额定电流为10AH。为考虑到蓄电池的充电及更换等问题，因此用四个焊接在底盘内表面的角钢将蓄电池固定住，具体安装的位置见装配图，安装在小车底盘的后侧，这样可以将小车整体的重心降低，这样就更大程度上降低了轻型自动无轨输送车在行走过程中发生侧翻的可能性，提高了整体的运载平稳性。25其他部分的选型与安装251超声波传感器的选型与安装超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T,然后求出距离SCT/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如下图所示。图24超声波测距原理框图根据本设计的要求，采用HCSR04超声波测距模块，它的测量精度可高达3MM,模块包括三个部分，超声波发射器、接收器和控制电路。下表是HCSR04超声波测距模块的电气参数电气参数HCSR04超声波测距模块工作电压DC5V工作电流15MA工作频率40KHZ最远射程4M最近射程2CM测量角度15度输入触发信号10US的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸452015MM由于超声波传感器的主要作用是测量小车在行驶过程中，地面是否存在障碍物的，因此将它布置在小车的正前方，并靠近小车底部位置，这样保证它在行驶的过程中如果遇到障碍物时能够及时的停车保证货物及车间工作人员的人生安全。252红外线传感器的选型与安装红外线传感器利用地面颜色与色带颜色的反差，在明亮的地面上用黑色色带，在黑暗的地面上用白色色带。导引车的下面装有光源，用以照射色带。由色带反射回来的光线由光学检测器（传感器）接受，经过检测和运算回路进行计算，将计算结果传至驱动回路，由驱动回路控制驱动系统工作。当AGV偏离导引路径时，传感器检测到的亮度不同，经过运算回路计算出相应的偏差值，然后由控制回路对轻型自动无轨输送车的运行状态进行及时修正，使其回到导引路径上来。因此，小车能够始终沿着色带的导引轨迹运行。结合本设计的具体要求，选择的红外线传感器的型号为RPR220。它具有以下几个优点具有信号输出指示；带安装孔，方便固定安装；输出有效信号为低电平，指示灯亮；灵敏度可调，对应调节感应距离；单路信号输出，可以直接接单片机IO口；电路板输出开关量TTL电平。下图是它的实物图在本设计方案中，采用两个红外线传感器，分别布置在小车底盘的下表面上，距离一般以小车循迹黑线宽度的23倍为适宜。26本章总结本章主要对轻型自动无轨输送车的总体的结构设计进行了分析说明，包括小车的外部轮廓、小车的底盘、载物篮、电机的选型与安装、联轴器、轮子以及蓄电池等各部分的做了具体的选型和设计，这样就对轻型自动无轨输送车的结构的整体设计做出了具体的规划，为轻型自动无轨输送车的进一部实现提供了依据。3结构设计零部件的检验与校核在第二章中，根据已有的经验，以及设计的基本要求，我们初步确定了传动轴的长度以及各部分的尺寸，还有键、支撑轴的轴承以及联轴器等部件，我们也在上一章中初步确定了型号和尺寸，在这一章中，我们将对危险轴、轴承、键、联轴器等主要危险零部件进行检验和校核。31传动轴的检验与校核根据小车整体结构上的设计合理性，我们将轴设计成如下图的阶梯状，从左向右依次增大，从左到右依次安装轮子，轴承和联轴器。最左边的轴上有螺纹，目的是为了在周向上固定住主动轮轴，的长度为165MM，最小直径为14MM。传动轴在整个系统中承担传递动力和扭矩的作用，其最细的地方时承受能力最为薄弱的一方之一，轴的材料为45钢。按照许用应力的计算方法现对轴进行校核。根据机械设计课程所学知识，受转矩T（）的实心圆周，其切应力写成设计公式，轴的最小直径上两式中，轴的抗扭截面系数，；轴的传递功率，；轴的转速，；许用切应力，；与轴材料相关的系数，差机械设计课本，可又表查的。对于受弯矩较大的轴宜取较小的值。当轴上有键槽时，应适当增大轴直径单键增大，双键增大。对于钢，其强度计算公式中的系数如下，。车轮半径01M，由于没有减速系统，电动机轴通过联轴器直接和轴连接连接，故，N轴N电机，传动比I1N159R/MIN16R/MIN将轴的转速，周传递的功率带入式中可求的D13MM,但考虑到轴上还开有键槽，故取14MM较为合理。上图为轴的受力图，下面我们更具安全系数校核方法，对轴的强度进行校核。在轴上边，初步分析I、II两个横截面尺寸变化明显，有较大的应力和应力集中，下面我就对截面I进行强度校核根据机械设计课本，有计算项目计算内容计算结果轴的材料选用45钢调制，360MPA由机械设计课本表32所列公式可求得疲劳极判断危险截面限044044650030030650286195脉动循环疲劳极限17172861616195486312等效系数018025有效应力集中系数在截面处，有直径变化，过度圆角半径R2MM,D/D22/2011,R/R2/220090和650，从机械设计课本附录表1中查出（用插值法）137，120。如果一个截面上有多种产生应力集中的结构，则分别求出其有效应力集中系数，从中取最大值表面状态系数由机械设计课本附录表5查的092（16，）尺寸系数由机械设计课本附录表6查的091，089安全系数弯曲安全系数设为无限寿命，1，由机械设计课本式165得32联轴器的检验与校核在上一章中，我们确定了联轴器的型号为GY3型凸缘联轴器，下面我们就对它进行校核验算。下表是GY3型凸缘联轴器的性能参数名称参数需用转矩（R/MIN）9500轴孔直径（MM）24轴孔长度（MM）Y型52型38转动惯量（KG）00025质量（KG）238下面我们将对GY3型凸缘联轴器进行转矩的校核查阅相关资料，上式中，M为GY3型凸缘联轴器扭矩，；F为GY3型凸缘联轴器所所的扭力，；R为轮子的转动半径，。小车整体的满载质量为M100,R01将数据代入上式中，可得59849112因此，GY3型凸缘联轴器选择合理。33轴承的检验与校核轻型自动化无轨小车传动系统中，有两个轴承分别布置在小车底盘的左右两侧，为对称结构，因此我们只需要对其中的一个进行校核验算就可以了。由于我们这选用的是深沟球轴承，所以轴承所承受的主要是径向力，5098490049由于轴的直径为20MM,所以选用的是轴承6204，其具体参数如下表所示型号DMMDMMBMMCRCOR6204204714135665由于轴承所受的轴向力很小，即FAO,所以有X1，Y0取中等冲击，由机械设计课本表188可查的，冲击载荷系数EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMAT15。当量动载荷按下式计算EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMATEMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMAT将数据代入上式中，可得EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMAT150490735EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMAT根据机械设计课本中式187，可求得一小时数为单位的基本额定寿命EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMATH式中，P当量动载荷，EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMAT；N为轴承的转速，EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMAT；EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMAT为轴承的额定动载荷。将数据代入上式中，可得EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMATEMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMAT24000H轻型自动化无轨小车使用的预定寿命为10年，每年工作300天，一天工作16小时,工作时间的占空比为02。其工作的时间为EMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMATEMBEDEQUATIONKSEE3MERGEFORMAT1030016029600H所以轴承是满足要求的。34键的检验与校核本