AGV小车的设计与研究

学位论文诚信声明书本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计说明书）是我个人在导师指导下进行的研究（设计）工作及其取得的研究（设计）成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文（设计说明书）中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究（设计）成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究（设计）所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学位论文作者签名：日期：学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：在校期间所做论文（设计）工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文（设计说明书）被查阅和借阅；学校可以公布本学位论文（设计说明书）的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日题目：AGV小车的设计与研究专业：车辆工程学生：（签名）指导教师：（签名）摘要AGV全称自动导引小车（AutomaticGuidedVehiele），它是在计算机的控制下，经磁或激光等导向装置引导并沿程序设定路径运行完成作业的无人驾驶自动小车，伺服驱动。它为现代制造业、现代物流提供了一种高度柔性化和自动化的运输方式。目前AGV小车广泛运用在制造业、物流仓储业、汽车、造纸等行业。随着AGV小车的发展，努力设计一个更为合理简便的操作方式的AGV小车，来适用于更多的领域，AGV得到进一步的推广。本文介绍了运用了最为简单的构造模式，仿真汽车的驱动结构，加以简化，后轮由伺服电机、齿轮传动系统来驱动。前轮由伺服电机驱动，以实现转向。本设计主要进行AGV小车的机械部分设计。关键字：AGV；连杆机构；激光导向Subject:AGVVehicleDesignandResearchAbstractAutomaticGuidedVehicleAGVname(AutomaticGuidedVehiele),itisunderthecontrolofthecomputer,suchasmagneticorlaserguidancedevicetoguideandsetthepathrunningalongtheprocesstocompleteautomaticoperationoftheunmannedvehicle,servodrives.Formodernmanufacturing,modernlogisticstoprovideahighlyflexibleandautomatedmodesoftransport.AGVvehicleiscurrentlywidelyusedinmanufacturing,logistics,warehousing,automotive,paperandotherindustries.WiththedevelopmentofAGVVehicles,reasonableeffortstodesignamoresimplemodeofoperationoftheAGVvehicletoapplytomoreareas,AGVfurtherpromotion.Thispaperintroducestheuseofthemostsimplestructuralmodel,simulation-drivenvehiclestructure,besimplifiedandtherearbytheservomotor,geardriventransmission.Front-wheeldrivenbytheservomotortoachievetheshift.AGVdesignmainlythedesignofmechanicalpartsofthecar.Keywords:AGV;linkage;magneticorientation

目录1.绪论 01.1论文研究的背景及意义 01.2自动导引小车的定义及特点 11.3自动导引小车的发展简史 21.4自动导引小车的应用现状 31．5AGV的关键技术及本论文的研究内容 41.5.1自动导引小车的关键技术 41.5.2本论文研究的主要内容: 51.6本章小结 52.AGV系统结构设计以及动力学建模型 62.1AGV系统结构设置 62.2AGV小车的动力学建模 62.2.1车体运动建模 82.2.2驱动后轮的运动建模 92.2.3车体整体的动力学模型 122.3本章小结 133.AGV中机械部分主要零件的选取 143.1伺服驱动电动机的选取及其参数 143.1.1电机的结构图及其主要参数的选取 153.1.2伺服电机的选取过程 173.1.3减速器的使用范围及选取 193.2伺服电机及其控制 203.2.1伺服电机工作原理 203.2.2伺服电机控制参数 203.3轴的设计及其参数的计算 213.3.1轴设计的方法 213.3.2驱动后轮轴的设计 223.3.3车轮轴的受力分析和校核 243.3.4车轮轴承的受力分析和校核 253.4 齿轮的设计和选取 263.5 本章小结 284.结论与展望 294.1结论 294.2展望 30致谢 31参考文献 321.绪论内容提要:本章介绍本论文研究的重要意义，综述自动导引小车的基本概念、组成及其发展简史、应用现状和前景，并分析目前自动导引小车的主要引导方式、关键技术，在此基础提出了本论文的研究内容。1.1论文研究的背景及意义21世纪制造业将进入一个新阶段，敏捷制造将成为企业的主导模式。能否抓住市场机遇开发出新产品将是企业赢得竞争的主要手段。要减小生产成本对生产批量的依赖，就要发展敏捷制造装备。繁重制造装各的可编程、可重组和快速响应能力使得在进行小批量生产时，可实现接近中、大批量生产的效率。由于机器人具有自主规划、可编程、可协调作业和基于传感器控制等特点，它将成为可重组的敏捷制造生产装备及系统的重要组成部分，为传统制造企业向敏捷制造企业跨越发展提供重要的技术支持。自动导向小车((AutomatedGuidedVehicle简称AGV)是移动机器人的一种，是现代制造企业物流系统中的重要设备，主要用来储运各类物料，为系统柔性化、集成化、高效运行提供了重要保证。AGV主要有两类形式，一种是固定路径AGV，它的运行路径是固定的，且有轨道，故导引技术相对简单;另一种是自由路径AGV，由于没有轨道，它为AGV自由运行提供了最大可能，但由于技术限制，AGV沿任意路径自由运行仍是一个有待解决的技术难题。在以往的生产线上，导向式AGV是人们经常采用的方式，有导轨式、磁导引式等方法。这些方法都需要预先规划好AGV的运行路线，而且生产车间的装置不能随意移动。随着生产车间智能化的提高，导向式AGV明显降低了AGV的柔性。因此，非导向式AGV将成为敏捷制造物流系统中的主要选择。在非导向式AGV系统中，AGV的运行路径不需要由附加设备决定，而且当车间的布局变化后，只要及时改变规划系统的软件参数即可满足路径规划要求。资料显示:在产品生产的整个过程中，仅仅有5%的时间是用于加工和制造，剩余的95%都用于储存、装卸、等待加工和输送:在美国，直接劳动成本所占比例不足生产成本的10%，且这一比例还在不断下降，而储存、运输所占的费用却占生产成本的40%.因此，目前世界各工业强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取胜的重要措施，为适应现代生产的需要，物流正在向着现代化的方向发展。自动导引小车AGV适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集成化和自动化，在各国的许多行业都得到广泛的应用。目前，在我国某些汽车、烟草行业，AGV已投入使用，并取得了良好的经济效益。但从使用形式来看，大都采用属于固定路径导向范畴的电磁导引AGV，无固定路径自主导向的AGV由于诸多问题未能完全解决，还没有达到实用。因此进行自山路径导向式AGV的研究，不仅对敏捷物流设备的研制和应用有现实的工程意义，而且对移动机器人路径规划有重要的理论意义。1.2自动导引小车的定义及特点根据美国物流协会定义，AGV是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能的运输小车。AGV是以电池为动力、装有非接触导向装置，独立寻址系统的无人驾驶自动运输车。AGVs是自动导引车系统，它由若干辆沿导引路径行驶，独立运行的AGV组成。AGVs在计算机的交通管制下有条不紊地运行，并通过物流系统软件而集成于整个工厂的生产监控与管理系统中。应用AGV具有很多特点:(1)AGV可十分方便地与其它物流系统实现自动连接，如AS/RS(通过出从库台)、各种缓冲站、自动积放链、升降机和机器人等；实现在工作站之间对物料进行跟踪;对输送进行确认；按计划输送物料并有执行检查记录:与生产线和库存管理系统进行在线连接以向工厂管理系统提供实时信息。(2)采用AGV由于人工检取与堆置物料的劳动力减少，操作人员无需为跟踪物料而进行大量的报表土作，因而显著提高劳动生产率。另外，非直接劳动力如物料仓库会计员、发料员以及运货车调度员的工作的减少甚至完全取消又进一步减低了成本。(3)AGV运输物料时，很少有产品或生产设各的损坏，这是因为AGV按固定路径行驶，不易与加工设备和其他障碍物碰撞。(4)绝大多数AGV的使用者均证明，2到3年从经济上均能收回AGV的投资成本。(5)AGV通过安装在地面之下的电缆或其他不构成障碍的地面导引物，其通道必要时可作其他用处。(6)系统具有极高的可靠性。AGVs由若干台小车组成，当一台小车需要维修时，其它小车的生产率不受影响并保持高度的系统可利用性。(7)节约能源与保护环境。AGV的充电和驱动系统耗能少，能量利用率高，噪音极低对制造和仓储环境没有不良影响。1.3自动导引小车的发展简史世界上第一台AGV是由美国Barrett电子公司于20世纪50年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统，小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶，并具有一个以真空管技术为基础的控制器。到了60年代和70年代初，除Barrett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，统一尺寸的托盘搬运促进了AGV的发展。欧洲的主要制造厂家有Schindler-Digitron,Wagner,HJC,ACS,BT,CFC,FATA,Saxby,Denford和Bleehert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10000台左右，为美、欧、日之首。其应用领域分布为:汽车工业(57峋，柔性制造系统FMS(8)和柔性装配系统FAS(44%),欧洲的AGV技术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。芝加哥的分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的AGVs,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，通用汽车公司成为AGV的最大用户，1986年己达1407台(包括牵引式小车。叉车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),运输量更人，移载时间更短，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，日本累计安装了2312个AGVs,拥有5032台AGV。我国AGV发展历史较短。北京起重运输机械研究所、中国邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、人连组合机床研究所、清华大学、国防科技大学和华东工学院都在进行不同类型的AGV的研制并小批量投入生产。1975年北京起重运输机械研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的AGV,1989年北京邮政科学研究规划院完成我国第一台双向无信电通信的AGV。该院已能进行AGV的批量生产，己生产的和正在制造的AGV达23台(截止于1996年)。沈阳自动化所在AGV技术方面己取得了多项研究开发成果和专利，解决了AGV车体设计、控制、导航和高度管理等一系列关键技术问题，形成了装配型AGV和搬运型AGV两大系列产品，成为国内唯一能够提供自主品牌AGV产品的单位。其产品性能国内领先，达到国际先进水平，井于19%年度将搬运型AGV系统技术出口韩国三星公司，实现了高技术出口。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了六台AGV，用于装配线上，可以说是汽车土_业中用得较成功的AGV。以上的AGV均为固定路径导引方式。清华大学独立研制的“自由路径自动导向AGV'属无固定路径导引的类型，在路径跟踪研究方面具有较高的水平。我国越来越多的工厂，科研机构已采用AGV为汽车装配、邮政报刊分拣输送、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。如:上海金山化工厂、华宝空调器厂、哈尔滨飞机制造厂、上海新车站邮政枢纽等，所采用的AGV既有国外引进也有国产的。80年代，AGV就已进入我国市场，今后必将得到迅速发展和普及应用。这不仅是现代工业迅速发展的需要，更主要是AGV本身所独具有的优越性所决定的。AGV自动导向车系统，是伴随着柔性装配系统、计算机集成制造系统以及白动化立体仓库产业发展起来的，是物流系统中革命性的换代产品。作为一种高效物流输送设备和工厂自动化的理想手段，随着经济的发展，在我国AGV的应用领域必将越来越大。1.4自动导引小车的应用现状由于AGV具有机能集中、地上系统简单、施工和系统构成容易等优点，因此，广泛地应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、发电厂、电子行业的超净车间等诸多行业。其运行速度可达到百米/分钟，运输能力可以从几千克到儿十吨。AGV是一种非常有前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统(FMS)和柔性装配系统(FAS)中被认为是最有效的物料运输设备。随着电子和控制技术的发展，AGV的技术也在不断进步，正在朝着性能更优越、更廉价、自由度更高、超大型化和微型化方向发展。其应用领域也在不断扩展。这种十儿年前只是用作工厂内的物流输送设各，现在己经不仅仅局限于工厂之内，己成功地应用到办公室、饭店、医院和超级市场等诸多部门，并且取得了很好的效果。AGV的应用领域主要在制造业，在重型机械及部分非制造业中也有应用。AGV在制造业中主要用于物料分发、装配和加工制造二个方面[411。其中装配作业中AGV用量最大，而汽车工业又是AGV的应用大户。美国通用汽车公司90%的AGV用于汽车装配线，西欧各国用于汽车装配的AGV占整个AGV数量的57Yo。物料分发主要是指生产工序间的物料移送和仓库作业中的物料移送。随着电子工业的进一步发展，电子工业中AGV的使用极具市场潜力。其原因在于消费者需求的变化日益加快，生产系统必须适应市场的变化要求，其中FMS(柔性制造系统)即为以灵活的生产方式适应市场变化的制造方式，对于FMS来说，各加工单元之间的中(小)批量元器件的送发效率要求极高，而AGV能提供柔性最好的输送，AGV可以很方便地对AGV的输送工艺路线进行编程，使之按要求的路径和方式到达装配线的指定位置。在净化室中，AGV更可大显身手，它可满足净化耍求极高的操作。在重型机械行业中，AGV主要用来运送模具和原材料(如成卷带钢等)。因而AGV要求承载量人，通常为2.22-4.5t,最大者可达6.3t。配各了功率较大的移藏装置也是这类AGV的特点。在AGV上配备大型机器人用以对大型金属构件进行喷漆(如屹机骨架的喷漆)是AGV在重型行业中的应用之一在非制造业中，AGV的应用越来越普遍。现代化的庆院安装AGV系统，把取样从门诊部自动运送到中央化验室;把药物、医疗用品、食品、衣着用品从中央物料管理中心输送到医院的各个部门。邮政部门也广泛采用AGV，如将邮件进台区的邮件输送到处理区，将处理区的邮件输送到邮件出台区。为了加大运输量，使用了牵引式AGV系统，一次可以牵引多台邮件车。大型的办公大楼也开始安装AGV系统，用以运送邮件、电文和包裹到各个分区部门。宾馆业采用AGV把食品从厨房运送到客房。AGV也可作为机器人的“脚”，使机器人可在更大范围内自动完成作业，如在AGV上配各机器人用于光整水泥地面。在具有核辐射危险的地方，常使用AGV机器人用于核材料的搬运。1．5AGV的关键技术及本论文的研究内容1.5.1自动导引小车的关键技术为使自动导弓}小车成功地完成一项任务，最主要的是如何使小车在复杂的环境中以较小的代价到达目的地。这就涉及到如下几个问题的解决，即：(1)如何从环境中得到自动导引小车周围的障碍物信息及其它相关信息；(2)如何根据内部及外部传感器来回答小车当前处于环境中的什么位置；(3)如何根据小车的当前位置和当前信息确定行动策略；(4)如何产生合适的驱动信号使小车运动在预定的轨迹上。这四个问题的解决对于在实时环境中运动的小乍来说是缺一不可的，与此相对应的技术即为传感器技术、自定位技术、规划决策技术和运动控制技术。1.5.2本论文研究的主要内容:(I)激光导引AGV模型的总体结构设计；(2)激光导引AGV的总体结构分析；1.6本章小结本章介绍了本论文研究的重要意义，综述了自动导引小车的基本概念、组成及其它的发展简史和应用现状和前景，并分析目前自动导引小车的主要引导方式、关键技术，在此基础上提出了本论文的研究内容。激光导引具有精度高、柔性好的特点，本论文研究中用其来实现AGV的引导。2.AGV系统结构设计以及动力学建模型内容提要：设计了一辆前后轮分独立驱动的小车，后轮用步进电机驱动，实现动力源，前轮由私服电机驱动，实现转向。并建立其动力学方程。2.1AGV系统结构设置所设计的AGV小车的模型如图2.1所示。小车采用前后轮独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。前轮有电机带动直推轴焊接横轴来实现转向。四轮结构与三轮结构相比有较大的负载能力和平稳性。蓄电池组2.伺服交流电动机3.激光扫描仪4.车载控制器5.无线通讯装置6.伺服交流电动机7.减速器8.驱动车轮图2.1AGV小车的模型图由于采用了两轮独立驱动差速转动的方式，因此两个驱动车轮的速度的同步性成，成为车辆稳定运行的一个重要指标。鉴于此，齿轮减速结构与车轮通过柔性连轴器来连接。2.2AGV小车的动力学建模自从AGV问世以来，人们在自动导引车的控制过程中一般满足于基于运动学的控制模型，而很少有人进行基于动力学的控制设计等方面的内容。事实表明，根据AGV车体动力学模型，可以得到直接的电机输入与行走、导向车轮转速的非线性的耦合关系，将对指导车体机械结构设计、路径规划以及合理的路径跟踪控制规律设计有重要而且深远的意义。由于AGV在实际问题中有较严格地面要求的环境中运动，车速较低，限定了加速度的问题，而不会发生明显的车体“上跳”运动的现象出现，故可以在二维空间来研究其动力学模型。现以我以后轮为电机带动齿轮来实现动力驱动的方式传达力矩，前轮则为由电机直接带动轴的转动从而达到转动的方式来实现转向的AGV为例建立动力学模型。AGV由车体、蓄电池和充电系统、驱动装置、转向装置、精确停车装置、车上控制器、通信装置、信息采样子系统、超声探障保护子系统、移载装置和车体方位计算子系统等等组成。“智能”较高的AGV都有车上控制器，它类似于机器人控制器，用以对AGV进行监控。控制器计算机通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。通常监控器可完成以下监控:手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制和充电接触器等。某些AGV具有编程能力，允许小车离开导引路径，驶向某个示教地点，完成任务后路原道返问到导引路径上来根据上述的介绍，我们可以不难看出同步行进的四轮AGV机械结构分为以下几个部分:车体部分：包括车架、蓄电池、驱动电机、转向电机和齿轮减速机构等，车体受到由后轮传动来的驱动力和前轮的反作用力的作用。驱动后轮：所受的外力可能有两部分组成。一部分是地面的作用力：另一部分是来自车体给于的外力。其中这部分力包括自身的支撑反力和电机产生的等效驱动力矩等。通过齿轮改变转速来调节速率可以得到不用的转速，从而改变AGV的的运动行进方向，已经更好的做到预定的线路跟踪。前轴和连轴：起到支撑作用，同时车轮和竖轴是同轴的，前轮的转动有地面给于的摩擦力也有电机传递的力矩。2.2.1车体运动建模车体受力的示意图见图2.2。图中L、A为驱动左后轮、和驱动右后轮与车体的连接处。图中的R、B为导向左前轮和导向又前轮与车架连接处的垂直点。车体在L、R、A、和B处分别是受到图示沿X、Y方向的阻力和沿Z方向的扭矩。C则为车体的重心，通过C建立起瞬时惯性坐标系O-XYZ,X轴则平行于L=R的连线，Z轴垂直于车体的平面。为车体集合参数，分别表示的是车体质心的X向、Y向的速度和Z向的角速度。在经过了上述的假设的基础之上，我们不难可以得到车体动力学方程如下：(2.1)(2.2)(2.3)上面式子中分别为车体质心的质量和转动惯量。车体的前轮A、B处的运动方程为（2.4）（2.5）（2.6）（2.7）（2.8）（2.9）（2.10）（2.11）车体L和R处运动的方程为：（2.12）（2.13）（2.14）（2.15）（2.16）（2.17）（2.18）(2.19)2.2.2驱动后轮的运动建模左后轮受力图见图2.3所示，图中瞬时惯性坐标系L-与图2.2的方向是一致的，可以认为是由O-XYZ平移到L点从而形成的坐标系，相对应，他们是车体与左轮之间大小相等方向相反的作用力（力矩）和反作用力（力矩）。是驱动电机经过齿轮减速后传递给左轮的驱动力矩，是轴承对左轮的摩擦阻力矩，是滚动阻力矩，是地面对左轮的侧滑动摩擦力，是轴承对左轮的滚动摩擦力，是地面对车轮的扭矩摩擦力矩，是左后轮的转动角速度（为转动轴）。左后轮动力学方程为(2.20)(2.21)(2.22)(2.23)上式中，分别是左后轮的质量‘以及其沿着旋转轴的转动惯量、沿着轴的转动惯量和半径。为其在L-XYZ坐标下的速度，与车体对应点的速度是同一值。是左后轴沿轴的扭转角速度。对于右后轮来说，传动齿轮啮合是在轴中心处，故左右受的力是相同的，因此建立类似的动力学方程为：(2.24)(2.25)(2.26)(2.27)上述各式中，有关物理量的具体意义同对左后轮的说明类似，这里就不做过多说明了。由于AGV速度和加速度均较小的原因，轮子的侧滑阻力很大，假设其中的。这样看来车体将以位于左右轮轴线上的某一点为瞬时速度中心，以角速度w转动，我们根据所了解的知识，我们不难看出一点，通过左右轮转动计算，根据下图2.4所示：即：(2.28)（2.29）将以上的2个式子带入（2.14），（2.18）中可以看到（2.30）(2.3.1)将代入式子（2.12）和式子（2.13）即可得（2.32）(2.33)式子（2.14）和式子（2.15）可改写成（2.34）（2.35）式子（2.4）至式子（2.11）变为（2.36）（2.37）（2.38）（2.39）（2.40）（2.41）(2.42)（2.43）2.2.3车体整体的动力学模型为了能够更好的取得车体整体的动力学模型，根据AGV的实际情况作出如下的简化：(1)左右前轮和轴是一体的，再前行或后退的同时不打滑，只看做是纯滚动，则有：(2)车体设计左右是对称的，则有：(3)左轮的直径及其质量和右轮(4)前轮左右也是一致的和后轮的大小重量以及有些不受力或比较想的部分我们可以忽略不计其的转动惯量，即：在上述简化后的基础上，联立前述车体、左右驱动后轮的动力方程可以得到车体整体的动力学方程。该动力学方程中可以表示为左、右轮所受的动力和左、右轮转动的角速度之间的关系。任何一种导引方法的实现最终都归结为路径跟踪控制的问题上。对于固定路径型的AGV由于具有体现路径的导引媒介物，通过传感器就可直接获得车体对路径的横向偏差和车体方向偏差，以这种偏差作为误差信号通过车体动力学直接对车体进行跟踪控制。但是对于自由路径型AGV，车体对路径之偏差量的获取就要困难得多，以车体方位推算导向的自由路径AGV为例，其方位和对于路径的偏差是通过对车轮转动角度积分计算而获得，其要实现需较大的计算量和通信量。作为一种较好的解决办法是差速驱动的自由路径控制。其路径可简化为一系列直线段和圆弧段的组合。只要保证左右轮的转动角速度满足给定的比例关系(即同步误差为零)，AGV就能跟踪这种具有恒定半径(直线和圆弧)的路径。车体动力学方程是实现差速驱动的理论基础之一，结合模糊控制方法，可以实现差速驱动路径跟踪过程。2.3本章小结动力学方程能够帮助AGV的建模、车体结构、刚度设计和路径跟踪控制提供理论依据的基础。本章主要介绍了所设计及其制作的一辆有电机带动齿轮差动驱动后轮，前轮有电机直接控制实现转向的的四轮AGV小车，并建立了所需要的运动学方程。

3.AGV中机械部分主要零件的选取内容提要：本章主要介绍了这次AGV机械部分设计中的一些主要部件的选取。比如说有私服驱动电动机的选取、控制转向的电动机的选取，传动齿轮的选取等。介绍其选取方法只要结构及其主要的参数问题。3.1伺服驱动电动机的选取及其参数伺服驱动电动机是用来控制后轮驱动行进的原动力机构，是支持和为整个车体提供动力的元件。它的选取关系到车体的运动快慢及其能够产生多大的扭矩，多大的驱动力。在这次电机部分的选取中，结合老师的指导及其研究找个了下面这个较为合适的私服电动机作为后轮的驱动电机。其外观如图3.1。图3.1伺服电机外观图由于这次车体不是很大，外形尺寸：长*宽*高：800mm*590mm*350mm；能够承受的重物也不是很大，大概再10斤到50斤左右的工件，所以为了节省原材料和不必要的能源浪费，所以电动机的选取尤为重要，此次我选取了额定功率为1.5KW的电机足以保证给车体提供驱动动力及其达到不必要的浪费。选取的驱动电机为ACH-13150A所以选取的两个电机则均为方形；驱动电机：边长为260MM，圆柱形；外径为电压等级：L-220VA额定功率：1500W位置传感器：M-光学编码器电机额定转速：1500rpm冷却方式：N-自然空冷外形：方形转向电机：边长为142MM，圆柱形，外径为Φ61电压等级：L-72VA额定功率：400W电机额定转速：3000rpm冷却方式：N-自然空冷外形：方形3.1.1电机的结构图及其主要参数的选取选取的ACH-13150A（1500W）交流私服电动机的结构示意图如图3.3。图3.3伺服电机结构示意图选取的JSF60-40-30-DF-1000交流私服电动机的结构示意图如图3.4。图3.4伺服电机示意图驱动电机其主要参数如表3-1。表3-1伺服电机参数表型号ACH-13150A（1500W）额定功率（KW）0.611.52相数、线电压（V）3相220V额定转速（rpm)1500rpm最高转速（rpm）1750rpm最高机械转速（rpm）2000rpm额定转矩（N.m）5.89.61419最大转矩（N.m）17294257额定线电流（A）转子惯性（Kg.c）12233445电机外型尺寸（mm）L160210274310L155555555H25555H312121212D2110110110110D322222222D4165165165165D59999D6145145145145光轴或键连结，如采用键连接，则键尺寸为（mm）L345454545L441414141T8888H18888H418181818转子位置反馈：2500线、5000线光学编码器、旋转变压器可选制动器：带制动电机总长加25mm制动器电压：直流24V出现方式：航空插头或电缆线可选3.1.2伺服电机的选取过程A)选择电机的容量电动机所需要的功率Pd=kW由式Pw=kW因此，Pd=kW由电动机至车轮的传动总效率为=式中：、、、分别为轴承、齿轮传动、联轴器和轮轴的传动效率。取=0.98（滚动轴承），=0.97（不包括轴承效率），=0.99（联轴器），=0.96，则=0.98=0.82所以B)确定电动机的转速轮轴工作转速为：二级圆柱齿轮减速器传动比=12.5~20，则总的传动比合理范围为=12.5~20，故电动机转速的可选范围为:——搬运车所需工作功率，指搬运车轮前进所需功率，kW；——由电动机至搬运车轮轴的总效率；——搬运车的运行阻力，N；——搬运车轮的线速度，m/s。（已经确定搬运小车运行速度大约为30m/min，通过运算转换的0.5m/s）综合考虑上述得出的结论：选择表3-1中130L_M10NS中额定功率为1.5KW的交流伺服电机为此次设计的驱动电机。（C）根据电动机和减速器的结构尺寸选择出联轴器和键。取载荷系数=1.3，则联轴器的计算转矩为：根据计算转矩、最小轴径、轴的转速，查标准GB5014-85或手册，选用弹性柱销联轴器，其型号为：电动机和减速器之间的联轴器：YL122×32；减速器和轮轴之间的联轴器：YL948×80；执行标准：GB5843—86。电动机上的键：;减速器输入端的键：；减速器输出端的键：；——键的宽度，mm；——键的长度，mm；——键的厚度，mm；3.1.3减速器的使用范围及选取（1）适用范围ZDY、ZLY、ZSY外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮减速器，可用于冶金、矿山、起重运输、水泥、建筑、化工、纺织、轻工等行业。减速器高速轴转速不大于1500r/min；减速器齿轮传动圆周速度不大于20m/s；减速器工作环境温度为-40~45℃，低于0（ZDL为单级，ZLY为两级，ZSY为三级，Y代表硬齿面）（2）减速器的选取轮轴的转速；电机的额定转速；减速器的传动比；取减速器的传动比为；实际轮轴的转速；车轮的实际线速度；综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量和减速器的传动比，选择的减速器型号ZLY112—20—ⅠZBJ19004—88[8]。3.2伺服电机及其控制3.2.1伺服电机工作原理伺服电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由环形分配器、功率驱动装置、步进电机构成一个开环的定位运动系统，当系统接受一个电脉冲信号时，伺服电机的转轴将转过一定的角度或移动一定的直线距离，电脉冲输入越多，电机转轴转过的角度或直线位移就越多;同时，输入电脉冲的频率越高，电机转轴的转速或位移速度就越快。步进电机控制的最大特点是没有积累误差，常用于开环控制。步进电机系统由控制器、驱动器及步进电机构成，它们三者之间是相互配套的。伺服电机转轴输出的角位移量与输入的脉冲数成正比，通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量，而通过改变输入脉冲频率可实现调速。伺服电机主要由定子和转子构成。定子的主要结构是绕组，三相、四相、五相步进电机分别有3个、4个、5个绕组，其它依此类推。绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为步进电机的“相序”。转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用卜有规律地通电、断电工作时，转子周围就会有一个按此规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，正是这样，使得转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。伺服电机步距角的计算公式为:式子中的N为伺服电机的一个通电循环拍数，Z为转子的齿数。3.2.2伺服电机控制参数通过设置伺服电机驱动器的工作方式和细分数，由单片机控制8253输出的脉冲频率可以推算出伺服电机的转速，再结合驱动轮的几何参数，就可以得到脉冲频率与车辆行走距离、速度之间的关系，推导过程如下:设驱动器细分为d，脉冲数为c，伺服电机固有步距角为a,8253输出脉冲频率为f，减速器传动比为i,驱动轮半径为R。通过伺服电机驱动器细分后，伺服电机的步距角：电机所转的角度可以由以下式子表示：输入C个脉冲所需要的时间为：可得到电机的转速为：则小车的速度为：伺服电机的脉冲频率f为：由车辆速度表达式(4.5)可以看出，车辆行驶速度由脉冲频率f、步距角a、细分数d,传动比I和驱动轮半径R决定。其中步距角为电机固定参数，传动比为减速器固定参数，因此驱动轮尺寸定好以后，小车的运动控制最终是通过可编程计数器8253发出的脉冲频率f和伺服电机驱动器的设定细分数d来实现控制。细分值越大，伺服电机越平稳、噪音越小、振动越小，但同时电机转速也越慢。所以，要综合考虑各方面因素，在满足平稳性和运行速度之间做好权衡，才能较好的控制好电机。3.3轴的设计及其参数的计算3.3.1轴的设计方法轴的设计是根据给定的轴的功能要求(传递功率或转矩，所支持零件的要求等)和满足物理、几何约束的前提下，确定轴的最佳形状和尺寸，尽管轴设计中所受的物理约束很多，但设计时，其物理约束的选择仍是有区别的，对一般的用途的轴，满足强度约束条件,具有合理的结构和良好的工艺性即可。对于静刚度要求高的轴，如机床主轴，工作时不允许有过大的变形，则应按刚度约束条件来设计轴的尺寸。对于高速或载荷作周期变化的轴，为避免发生共振，则应需按临界转速约束条件进行轴的稳定性计算。

轴的设计并无固定不变的步骤，要根据具体情况来定，一般方法是：

(1)按扭转强度约束条件或与同类机器类比，初步确定轴的最小直径；

(2)考虑轴上零件的定位和装配及轴的加工等几何约束，进行轴的结构设计，确定轴的几何尺寸；

值得指出的是：轴结构设计的结果具有多样性。不同的工作要求、不同的轴上零件的装配方案以及轴的不同加工工艺等，都将得出不同的轴的结构型式。因此，设计时，必须对其结果进行综合评价，确定较优的方案。

(3)根据轴的结构尺寸和工作要求，选择相应的物理约束，确定合适的参照物体，检验是否满足相应的物理约束。若不满足，则需对轴的结构尺寸作必要修改，应该实施再设计，直至满足要求。3.3.2驱动后轮轴的设计由于是驱动电机驱动后轮使小车前进，在此一切相关数据与计算都是以后车轮为依据车轮轴转速=67r/min驱动电机的额定功率kW轮轴传递功率为受转矩T（Nmm）的实心圆轴，其切应力：Mpa轴的最小直径：轴的材料取45钢，上两式中——轴的抗扭截面系数，mm3；——轴传递的功率，kW；——轴的转速，r/min；——许用切应力，MPa；——与轴的材料有关的系数，可由表3-2查得。表3-2轴材料的选取一览表：轴的材料Q235,20Q255,Q275,354540Cr,38SiMnMo/MPa12160151482013525125301183511240106451025298轴最小直径取35mm。轴上键的规格为和；执行标准：GB1096—79。图3.4为后轮车轴尺寸图：图3.4驱动后轮轴尺寸图由于转向前轮的结构比较简单，故不重复说明选取过程，根据最短轴也为直径为35mm，所以可以选择出轴上的键为为，执行标准：GB1096—79。图3.5为前车轮车轴尺寸图：图3.5转向前轮的尺寸图3.3.3车轮轴的受力分析和校核假设前后轴受力均匀，以后车轮轴为例。轴的材料选用45钢调质，=650MPa,=360MPa计算支撑反力垂直面反力合成弯矩许用应力许用应力值用插入法由表５－１查得：校核轴径轴径21mm<25mm校核完毕下表3-3为选择轴和心轴材料一览表，表3-3转轴和心轴的许用弯曲应力（MPa）材料碳素钢40013070405001707545600200955570023011065合金钢80027013075100033015090铸钢400100503050012070403.3.4车轮轴承的受力分析和校核大部分滚动轴承是由于疲劳点饰而失效的。轴承中任一原件出现疲劳剥落扩展迹象前运转的总转数或一定转速下的工作小时称为轴承寿命。实际选择轴承时常以基本额定寿命为标准。轴承的基本额定寿命是指90%可靠度、常用材料和加工质量、常规运转条件下的寿命，以符号Ｌ10(r)或L10h(h)表示。标准中规定将基本额定寿命为一百万转（106r）时轴承所能承受的恒定载荷取为基本额定动载荷C。也就是说，在基本额定动载荷作用下，轴承可以工作一百万转而不发生点饰失效，其可靠度为90%。当量动载荷式中——径向载荷，N；——轴向载荷，N；X、Y——径向动载荷系数和轴向动载荷系数，可查。由于机械工作时常具有振动和冲击。为此，轴承的当量动载荷应按下式计算：由于不受轴向力，所以=式中——冲击载荷系数，由表5-2可查；——径向力，取875N。表3-4冲击载荷系数载荷性质机器举例平稳运转或轻微冲击电机、水泵、通风机、汽轮机1.0~1.2中等冲击车辆、机床、起重机、内燃机、冶金设备1.2~1.8强大冲击破碎机、轧钢机、振动筛、工程机械、石油钻机1.8~3.0当轴承的当量动载荷为时以转速为的基本额定寿命为：106r式中——当量动载荷，N；——基本额定寿命，常以106r为单位（当寿命为一百万转时，=1）；——寿命指数，球轴承=3；C——基本额定动载荷，查表取43.2N。若轴承工作转速为nr/min，可求出以小时数为单位的基本额定寿命轴承达到预期寿命。齿轮的设计和选取在本设计中，所采用传动方式为齿轮传动，并选用锥齿轮。和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是：工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围广等。同时齿轮传动应满足下列两项基本要求：传动平稳——要求瞬时传动比不变，尽量减小冲击、振动和噪声；这样可以更好的传动动力加大平衡稳定的行进。承载能力高——要求在尺寸小，重量轻的前提下，齿轮的强度高、耐磨性好，在预定的使用期限内不出现断齿等实效现象。在齿轮设计、生产和科研中，有关齿廓曲线、齿轮强度、制造精度、加工方法以及热处理工艺等，基本上都是围绕着两个基本要求进行的。也是处理和达到精度要求的最为重要的环节。锥齿轮标准模数m和基本齿廓的确定如表3-5和表3-6；表3-5标准模数m[9]锥齿轮GB12368-9011.1251.251.3751.51.755544.555.566.578910111214161820表3-6直齿锥齿轮基本齿廓基本参数齿形角a齿顶高工作齿高顶隙c齿根圆角半径锥齿轮GB12369-9020°m2m0.2m0.3m根据结构设计，由表3-5初取标准模数m＝2.5，再由表3-4确定锥齿轮基本齿廓尺寸数据：齿顶高＝2.5工作齿高=5顶隙c=0.5齿根圆角半径=0.75大端分度圆直径d=mz，可得齿数z=30齿宽b=0.3×RＲ为锥距得b=13.317取b=14，锥距Ｒ和大端分度圆直径已知，可得分锥角＝57.65°根据啮合公式即可算出2个齿轮传递功率的大小，达到所要求的部分。本章小结小车的基本零件和速度、承重都要合适，通过不同的要求有不同的选择，经过合理的计算，选择了合适的驱动电机、转向电机、前后轮轴、锥齿轮的尺寸型号，使得小车的各个零件不仅节省了不必要的浪费，还能保证平稳的运行。4.结论与展望4.1结论本文主要研究了激光导引AGV小车的机械装配，在小车机械设计的基础上可以增加旋转编码器的路径轨迹来运用推算导向法，并将两者相结合用于实现激光导引AGV的自动引导，自制了一辆两后轮独立驱动、差速转向的小车，结合小车的运动控制理论进行了相关的实验，为进一步研究和开发激光导引的AGV小车奠定了坚实的基础。本文的土要研究结论如下:(1)自动导引小车的结构设计。由于设计的小车是前后轮相互独立，后轮驱动，前轮转向。再此基础上，进行稳定的运输。外形结构，采取了钢板与方管的非端面焊接，这样既减轻的车身的重量，还能保证了运载货物的重量。(2)自动引导小车的动力系统结构。小车采用前后轮独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。前轮有电机带动直推轴焊接横轴来实现转向，车辆稳定运行的一个重要指标。动力学方程能够帮助AGV的建模、车体结构、刚度设计和路径跟踪控制提供理论依据的基础。(3)机械部分主要零件的选取。AGV机械部分设计中的一些主要部件的选取。通过计算对伺服驱动电动机的选取、控制转向的电动机的选取，传动齿轮的选取等。选取不同的电机，在确保安全稳定的运行下，还要保证动力最低的浪费。(4)AGV运动控制系统及其实现小车通过两个步进电机实现差速驱动，并由单片机控制8253芯片产生驱动步进电机运行所需的脉冲信号，与单片机的定时器相配合来完成步进电机的升、降速控制。PC机与单片机之间的通信由串口通信来完成，串口通信接口标准RS-232目前己在微机通信接口中广泛采用，它的硬件编程要求比较简单，价格便宜，而且连接方便，对于双向连接只需要3根线。4.2展望在本文研究工作的基础上，作者认为以下几个力面有待进一步的研究:(1)进一步研究檄光导引的理论和实现方法，搭建一个实际的激光扫描仪，并对其数据处理速度、方位计算准确性进行应证。(2)完善基于旋转编码器的路径轨迹推算导向法，结合激光导引方位计算原理用于激光导引AGV的自动导引。(3)研究无线通讯的基本理论，并将其应用于AGV的通信。(4)研究激光导引AGV的路径规划和避障保护控制系统。(5)进一步研究激光导引AGV的运动控制问题，解决AGV实际行走时诸多因素对精度影响的问题。(6)建立实际的激光导引AGV小车，将理论与实践紧密结合。致谢经过半年的忙碌和工作学习，本次毕业设计已经接近尾声，此时，我的心情无法平静。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，查阅文献不够，没有养成良好的习惯，不能够注重观察，注重细节，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及我亲爱的同学们的帮助支持，想要完成这个设计是难以想象的。在此向王老师致以我诚挚的谢意！以及我最为感恩的尊重！我在论文的编写过程中，从方案初定到开题；从查阅资料到系统的开发；从如何开发到实施；从论文修改到完成，整个过程中都悉心指导。王老师不仅知识丰富、治学严谨、工作一丝不苟，而且谈吐幽默，风趣，让我在毕业设计这个过程中学到了不少知识。同时感谢为我细心分析，指导帮助的亲爱的同学们，在整个毕业设计过程给予我很多帮助。我在这里也表示最诚挚的感谢！在论文即将完成之际，我要感谢西安科技大学对我四年的培养。感谢在这样一所有浓郁学术气氛的学校中学到的点点滴滴，从一个懵懂少年，慢慢历练成为一个有所为有所不为的，积极上进的当代大学生。感谢教我知识和做人的每一位老师。感谢给予我帮助的同学、朋友。在这里请接受我诚挚的谢意!最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！参考文献邱宣怀.机械设计.北京；高等教育出版社，1997（2006重印）罗圣国.龚掕义。机械设计课程设计指导书.高等教育出版社1990.4王德夫.姜勇.李长顺.韩学栓机械设计手册；北京；化学工业出版社；1997年陈顺平，梅德庆，陈子辰.激光导引ACV的自动导引系统设计.工程设计学报,2003,10(5):279-282陈顺平，梅德庆，陈了辰激光导引差速转向AGV的控制系统设计‘机电工程，2003,20(5):87-89T.立贤，汀滨琦.用单片机实现步进电机变速控制的方法.应用科技，2003,30(1):42-42,54李海波，何雪涛步进电机升降速的离散控制.北京化工大学学报，2003,30(1):92-94宋小鹏，盛仲FA.多功能步进电机控制器软件设计.华北工学院学报，2003,24(1):58-61陈细军，谭民.VC编程中的串口通信技术.计算机应用，,2001,21(9):94.95王宏伟.昊建设，基于VC++6.0的串行通信设计与实现.黄石高等专科学校学报，2003,19(2):16-19附录部分：（中英文翻译）RobotRobotisatypeofmechantronicsequipmentwhichsynthesizesthelastresearchachievementofengineandprecisionengine,micro-electronicsandcomputer,automationcontrolanddrive,sensorandmessagedisposeandartificialintelligenceandsoon.Withthedevelopmentofeconomicandthedemandforautomationcontrol,robottechnologyisdevelopedquicklyandalltypesoftherobotsproductsarecomeintobeing.Thepracticalityuseofrobotproductsnotonlysolvestheproblemswhicharedifficulttooperateforhumanbeing,butalsoadvancestheindustrialautomationprogram.Atpresent,theresearchanddevelopmentofrobotinvolvesseveralkindsoftechnologyandtherobotsystemconfigurationissocomplexthatthecostatlargeishighwhichtoacertainextentlimittherobotabroaduse.Todevelopmenteconomicpracticalityandhighreliabilityrobotsystemwillbevaluetorobotsocialapplicationandeconomydevelopment.Withtherapidprogresswiththecontroleconomyandexpandingofthemoderncities,theletofsewageisincreasingquickly:Withthedevelopmentofmoderntechnologyandtheenhancementofconsciousnessaboutenvironmentreserve,moreandmorepeoplerealizedtheimportanceandurgentofsewagedisposal.Activebacteriamethodisaneffectivetechniqueforsewagedisposal，Thelacunarisplasticisaneffectivebasementforactivebacteriaadhesionforsewagedisposal.Theabundancerequirementforlacunarisplasticmakesitisaconsequentfortheplasticproducingwithautomationandhighproductivity.Therefore,itisverynecessarytodesignamanipulatorthatcanautomaticallyfulfilltheplasticholding.Withtheanalysisoftheproblemsinthedesignoftheplasticholdingmanipulatorandsynthesizingtherobotresearchanddevelopmentconditioninrecentyears,aeconomicschemeisconcludedonthebasisoftheanalysisofmechanicalconfiguration,transformsystem,drivedeviceandcontrolsystemandguidedbytheideaofthecharacteristicandcomplexofmechanicalconfiguration,electronic,softwareandhardware.Inthisarticle,themechanicalconfigurationcombinesthecharacterofdirectioncoordinateandthearthrosiscoordinatewhichcanimprovethestabilityandoperationflexibilityofthesystem.Themainfunctionofthetransmissionmechanismistotransmitpowertoimplementdepartmentandcompletethenecessarymovement.Inthistransmissionstructure,thescrewtransmissionmechanismtransmitstherotarymotionintolinearmotion.Wormgearcangivevarytransmissionratio.Bothofthetransmissionmechanismshaveacharacteristicofcompactstructure.Thedesignofdrivesystemoftenislimitedbytheenvironmentconditionandthefactorofcostandtechnicallever.''''Thestepmotorcanreceivedigitalsignaldirectlyandhastheabilitytoresponseouterenvironmentimmediatelyandhasnoaccumulationerror,whichoften