AGV小車的設(shè)計說明書

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1 目錄 1 1 緒論 3 1.1 研究背景及意義 3 1.2 AGV簡介 4 1.3 AGV的基本構(gòu)成 6 （1）車體 7 （2）動力裝置 7 （3）控制系統(tǒng) 9 （4）安全裝置 9 1.4 AGV的分類 9 1.5 AGV的特點及發(fā)展趨勢 11 1.5.1 AGV的特點 11 1.5.2 AGV小車的發(fā)展趨勢 12 2 AGV小車總體設(shè)計方案 13 AGV系統(tǒng)總體設(shè)計主要分為機械結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)兩部分。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計包括減速器、行走裝置、移載裝置等。控制結(jié)構(gòu)設(shè)計包括小車主控模塊、導(dǎo)引方式、移載、安全避障、自動充電等模塊功能的設(shè)計。 13 圖2.1 小車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 13 2.1 機械結(jié)構(gòu) 13 控制結(jié)構(gòu)主要由主控板、超聲波避障模塊、紅外定位模塊、磁檢測傳感器引導(dǎo)模塊、步進電機驅(qū)動模塊、電量檢測模塊、指示燈模塊等部分組成。控制結(jié)構(gòu)的每個模塊都和機械部件有緊密的聯(lián)系，它們必須結(jié)合機械部件進行設(shè)計和調(diào)試。以下簡要介紹硬件個模塊的功能。 14 2.3 程序編寫 15 3 AGV機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 根據(jù)不同的用途，在AGV機械設(shè)計總體方案中，首先確定AGV的造型十分重要。好的車體造型能在枯燥而繁忙的工作環(huán)境中給人以親切感和安全感。 15 3.1 AGV小車總體構(gòu)架的設(shè)計 15 3.2 安全擋板 16 為了避免碰撞產(chǎn)生的負面影響，確保運行環(huán)境中人和物的安全，AGV自身的防護設(shè)施非常重要。除設(shè)有非接觸式探測外，還裝有急停擋板等機械安全防護措施。 16 在實際應(yīng)用中，每臺AGV都會設(shè)置有障礙物接觸式緩沖器。一般地，障礙物接觸式緩沖器設(shè)置在AGV車身運行方向的前后方，緩沖器的材料具有彈性和柔軟性，這樣，即使產(chǎn)生碰撞事故，也不會對與之碰撞的人和物及其自身造成大的傷害，故障解除后，能自動恢復(fù)其功能。緩沖器的寬度，在正常情況下，大于或等于車身寬度，當(dāng)產(chǎn)生碰撞事故時，緩沖器能及時使自動搬運車停車。 16 障礙物接觸式緩沖器是一種強制停車安全裝置，它產(chǎn)生作用的前題是與其它物體相接觸而發(fā)生一定的變形，從而觸動有關(guān)限位裝置，強行使其斷電停車。顯然，這種機構(gòu)的作用將受到路面的光滑平整度、整車及載貨重量、運行速度、限位裝置的靈敏度等因素的影響，其安全保護措施是終端安全保護屏障。 16 3.3 移動機構(gòu) 16 AGV驅(qū)動的方式大致可分成兩種，一種為兩臺電機各置于左、右兩邊，利用兩臺電機正、反轉(zhuǎn)的運作與兩輪差速的方式達到左右轉(zhuǎn)，前進后退或停止，即差速型。另一種方式則類似汽車的轉(zhuǎn)向及傳動方式，即前輪為轉(zhuǎn)向輪，后輪為驅(qū)動輪，稱為舵輪型。前輪利用伺服電機控制連接前輪的連桿，帶動前輪左、右轉(zhuǎn)向，而后輪直接利用步進電機與減速機構(gòu)帶動承載車前進，停止或后退。 17 圖3.1 差速型轉(zhuǎn)向流程圖 17 這兩種傳動方式有不同的控制流程，第一種利用兩個左、右電機差速轉(zhuǎn)彎，因此控制流程圖如圖3.1所示。經(jīng)由傳感器感應(yīng)地面軌道回傳轉(zhuǎn)向訊號后，馬上經(jīng)由控制系統(tǒng)判斷轉(zhuǎn)向位置，當(dāng)位置正確時承載車則繼續(xù)前進，反之，電機即會繼續(xù)轉(zhuǎn)向直到傳感器與地面軌道子系統(tǒng)回傳直行訊號。而第二種則類似汽車轉(zhuǎn)向及傳動方式，如圖3.2所示，經(jīng)由傳感器與地面軌道子系統(tǒng)回傳轉(zhuǎn)向訊號后即時判斷，控制步進伺服電機旋轉(zhuǎn)的角度后，輸出訊號讓承載車繼續(xù)前進。 17 圖3.2 舵輪型轉(zhuǎn)向流程圖 17 3.6.2 移載電機的選擇 20 3.7 AGV小車驅(qū)動減速器的設(shè)計 20 3.7.1 蝸桿蝸輪設(shè)計 20 3.7.2 蝸輪軸的設(shè)計與校核 22 3.7.3 蝸桿軸的設(shè)計與校核 25 3.7.4 軸承和鍵的校核 26 3.7.5 箱體的設(shè)計 28 4 AGV控制結(jié)構(gòu)設(shè)計 29 4.1單片機控制系統(tǒng) 29 4.1.1 單片機89C51簡介 29 B.管腳說明 30 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 (可見圖4.2 89C51引腳圖) 31 圖4.2 AT89C51引腳圖 32 C.振蕩器特性 32 XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 32 D.芯片擦除 32 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 32 此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 32 E.結(jié)構(gòu)特點 32 8位CPU； 32 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路； 32 32根32I/O； 32 外部存貯器尋址范圍ROM、RAM64K； 32 2個16位的定時器/計數(shù)器； 32 5個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級； 32 全雙工串行口； 32 布爾處理器； 32 4.1.2 89C51主要外圍電路 33 4.2 電機驅(qū)動電路 35 4.3 傳感器檢測電路 39 4.3.1 磁制導(dǎo)模塊 39 圖4.9 磁場分布圖 40 4.3.2 超聲波避障模塊 44 4.3.3 目的地定位停止模塊 46 4.3.4 AGV小車手動控制模塊 47 5 AGV小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 49 5.1 軟件設(shè)計的概述 49 5.2 89C51單片機的軟件設(shè)計計算 49 5.2.1 單片機定時器的計算設(shè)置 49 5.2.2 單片機的中斷設(shè)置 53 5.3 單片機軟件設(shè)計總體流程圖 54 5.4 單片機軟件設(shè)計子程序流程圖 55 5.4.1 手動操作子程序 55 5.4.2 障礙物檢測子程序 56 5.4.3 AGV小車偏離子程序 56 5.4.4 定位停止子程序 57 小 結(jié) 60 參考文獻： 61 翻譯部分 68 中文譯文 68 AGV小車的控制以及路徑預(yù)測 68 1.簡介 68 2.系統(tǒng)架構(gòu) 70 2.1AGV設(shè)計 70 2.2控制結(jié)構(gòu) 70 2.3路徑選取 71 3.路徑預(yù)測和控制 73 4.實驗 74 5.總結(jié) 75 致 謝 77 緒論 1.1 研究背景及意義 自動引導(dǎo)車（AGV，Automated Guided Vehicle）是一種無人操縱的自動化運輸設(shè)備，它裝備有電磁或光學(xué)導(dǎo)向設(shè)備，可以按照監(jiān)控系統(tǒng)下達的指令，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，依靠車載傳感器獲得外界環(huán)境信息和自身位置信息，沿著規(guī)定的行駛路線和?？课恢米詣有旭偂? AGV是現(xiàn)代物流系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，在產(chǎn)品生產(chǎn)的整個過程中，僅僅有5%的時間是用于加工和制造，剩余的95%都用于儲存、裝卸、等待加工和輸送。在美國，直接勞動成本所占比例不足生產(chǎn)成本的10%，且這一比例還在不斷下降，而儲存、運輸所占的費用卻占生產(chǎn)成本的40%。因此，目前世界各工業(yè)強國普遍把改造物流結(jié)構(gòu)、降低物流成本作為企業(yè)在競爭中取得勝利的重要措施，為適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，物流正向著現(xiàn)代化的方向發(fā)展。 AGV適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性好、可實現(xiàn)生產(chǎn)和搬運功能的集成化和自動化，在各國的許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2 AGV簡介 1.2.1 AGV的定義 智能引導(dǎo)車(Automated Guided Vehicle)通常稱作AGV。它是一種無人操縱的自動化運輸設(shè)備，屬于工業(yè)機器人的一種，“它能承載一定的重量，按照監(jiān)控系統(tǒng)下達的指令，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的程序依照車載傳感器確定的位置信號，沿著規(guī)定的行駛路線和?？课恢米詣有旭?，”是自動化物流運輸系統(tǒng)、柔性生產(chǎn)組織系統(tǒng)的核心裝置。 AGV是現(xiàn)代自動倉儲技術(shù)發(fā)展的趨勢，它能實現(xiàn)柔性運輸、使用靈活、運輸效率高、節(jié)能、系統(tǒng)工作可靠、無公害，并且可以改善工作環(huán)境，大大節(jié)約人工成本，在發(fā)達國家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，對提高生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)效率有著重要意義。 經(jīng)過多年的拼搏和實踐，我國在AGV基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵原器件開發(fā)、引導(dǎo)車整體設(shè)計及應(yīng)用等方面取得了不少令人鼓舞的成績，但是與國外著名機器人廠家相比，國內(nèi)企業(yè)在整體實力、品牌知名度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品造型、產(chǎn)品性能等方面還存在不少差距，對核心技術(shù)的掌握程度還不夠，適用的行業(yè)范圍仍然不夠廣泛國外已經(jīng)在深層次的挖掘AGV的應(yīng)用領(lǐng)域。 同時國內(nèi)AGV存在價格過高的問題，只能在少數(shù)大企業(yè)推行，我們在注重產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)的同時，也應(yīng)該把目標(biāo)放在如何降低成本上，這樣才有利于AGV在國內(nèi)的廣泛推行。 1.2.2 AGV在行業(yè)中的應(yīng)用 AGV最初應(yīng)用于汽車和工程機械行業(yè)，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，自動化程度的提高，AGV的應(yīng)用也日益廣泛，主要用于汽車業(yè)、煙草業(yè)、印刷業(yè)、家電業(yè)等等。AGV屬于技術(shù)含量較高、成本較高的物流搬運設(shè)備，因此現(xiàn)階段的主要用戶是外資企業(yè)、中外合資企業(yè)和國有大型企業(yè)，民營企業(yè)對AGV的采用量也在增加。AGV主要適用于以下幾個領(lǐng)域： 1、物料搬運 在現(xiàn)代物料搬運中，當(dāng)使用的人及搬運工具的總成本與使用AGV（無人搬運車）的成本基本相當(dāng)時，AGV的市場接受就會自然形成。歐美和日本等發(fā)達國家的人力成本很高，所以AGV的使用較為普及，應(yīng)用遍及各行各業(yè)。例如化工原料及成品搬運；儀器儀表行業(yè)的元器件搬運；印刷出版業(yè)的紙張搬運，如圖1.1；汽車工業(yè)的零部件搬運；醫(yī)院用品的搬運，如圖1.2；國防如武器彈藥、軍需物資等的搬運等。 圖1.1 AGV應(yīng)用于報業(yè)紙卷的搬運 圖1.2 醫(yī)院用搬運AGV 2、柔性裝配線、加工線 AGV不僅可以作為無人自動搬運車輛使用，也可當(dāng)作是一個個可移動的裝配臺、加工臺使用，他們既能自由獨立地分開作業(yè)，又能準(zhǔn)確有序地組合銜接，而且行程沒有物理隔斷，能起到動態(tài)調(diào)節(jié)的作用。這種高度柔性的生產(chǎn)線解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)線的很多不足，應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如轎車總裝線，發(fā)動機裝配線（如圖1.3——圖1.4）、試車線，機床加工線，家電生產(chǎn)線等。 圖1.3 用于汽車發(fā)動機裝配的AGV 圖1.4 上海通用集團使用的裝配型AGV 3、特殊場合 AGV的無人自動搬運優(yōu)勢，解決了一些不適宜人在其中生產(chǎn)或工作的特殊環(huán) 境問題。如核材料、危險品（農(nóng)藥、有毒物品、腐蝕性物品、生化物品、易燃易 爆物品）等。 1.3 AGV的基本構(gòu)成 如圖1.5所示，AGV的基本構(gòu)成包括：車體、能源儲存裝置、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、控制與通信系統(tǒng)、導(dǎo)引系統(tǒng)。 圖1.5 AGV的基本組成 （1）車體 AGV的車體主要包括車架、驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)向機構(gòu)。 車架通常為鋼結(jié)構(gòu)件,要求具有一定的強度和剛度。 驅(qū)動裝置由驅(qū)動輪（如圖1.6）、減速器、制動器、電機及調(diào)速器等組成,是一個伺服驅(qū)動的速度控制系統(tǒng),驅(qū)動系統(tǒng)可由計算機或人工控制,可驅(qū)動AGV運行并具有速度控制和制動能力。 圖1.6 AGV驅(qū)動輪 根據(jù)AGV運行方式的不同,常見的AGV轉(zhuǎn)向機構(gòu)有鉸軸轉(zhuǎn)向式、差速轉(zhuǎn)向式和全輪轉(zhuǎn)向式等形式。通過轉(zhuǎn)向機構(gòu),AGV可以實現(xiàn)向前、向后或縱向、橫向、斜向及回轉(zhuǎn)的全方位運動。 （2）動力裝置 AGV的動力裝置一般為蓄電池（如圖1.7）及其充放電控制裝置,電池為24V或48V的工業(yè)電池,有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鎳鋅蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池等可供選用,需要考慮的因素除了功率、容量(Ah數(shù))、功率重量比、體積等外,最關(guān)鍵的因素是需要考慮充電時間的長短和維護的容易性。 圖1.7 AGV充電電池 快速充電為大電流充電,一般采用專業(yè)的充電裝備,AGV本身必須有充電限制裝置和安全保護裝置。 充電裝置在AGV上的布置方式有多種,一般有地面電靴式、壁掛式等,并需要結(jié)合AGV的運行狀況,綜合考慮其在運行狀態(tài)下,可能產(chǎn)生的短路等因素,從而考慮配置AGV的安全保護裝置。 在AGV運行路線的充電位置上安裝有自動充電機（如圖1.8），在AGV車底部裝有與之配套的充電連接器（如圖1.9），AGV運行到充電位置后，AGV充電連接器與地面充電接器的充電滑觸板(如圖1.10)連接，最大充電電流可達到200安以上。 圖1.8 自動充電機 圖1.9 車載充電連接器 圖1.10 地面充電劃觸板 （3）控制系統(tǒng) AGV控制系統(tǒng)通常包括車上控制器（如圖1.11）和地面(車外)控制器兩部分，目前均采用微型計算機,由通信系統(tǒng)聯(lián)系。通常,由地面(車外)控制器發(fā)出控制指令,經(jīng)通信系統(tǒng)輸入車上控制器控制AGV運行。 圖1.11 AGV車載控制器 車上控制器完成AGV的手動控制、安全裝置啟動、蓄電池狀態(tài)、轉(zhuǎn)向極限、制動器解脫、行走燈光、驅(qū)動和轉(zhuǎn)向電機控制與充電接觸器的監(jiān)控及行車安全監(jiān)控等。 地面控制器完成AGV調(diào)度、控制指令發(fā)出和AGV運行狀態(tài)信息接收。 控制系統(tǒng)是AGV的核心，AGV的運行、監(jiān)測及各種智能化控制的實現(xiàn),均需通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)。 （4）安全裝置 AGV的安全措施至關(guān)重要,必須確保AGV在運行過程中的自身安全,以及現(xiàn)場人員與各類設(shè)備的安全。 一般情況下,AGV都采取多級硬件和軟件的安全監(jiān)控措施。如在AGV前端設(shè)有非接觸式防碰傳感器和接觸式防碰傳感器,AGV頂部安裝有醒目的信號燈和聲音報警裝置,以提醒周圍的操作人員。對需要前后雙向運行或有側(cè)向移動需要的AGV,則防碰傳感器需要在AGV的四面安裝。一旦發(fā)生故障,AGV自動進行聲光報警,同時采用無線通訊方式通知AGV監(jiān)控系統(tǒng)。 此外,AGV根據(jù)需要還可配置移載裝置,用于貨物的裝卸。 1.4 AGV的分類 AGV從發(fā)明至今已經(jīng)有50多年的歷史，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，其種類和形式變得多種多樣。自動導(dǎo)引小車按其分類方法不同，可有多種形式的自動導(dǎo)引小車。 1. 導(dǎo)引方式是AGV單機控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，根據(jù)AGV小車的導(dǎo)引方式不同，可以將AGV分成以下幾種類型。 ① 電磁導(dǎo)引AGV。電磁導(dǎo)引是傳統(tǒng)的導(dǎo)引方式之一，它是在AGV的行駛路徑埋設(shè)金屬導(dǎo)線，并加載低頻、低壓導(dǎo)引電流，使導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，AGV上的感應(yīng)線圈通過對導(dǎo)引磁場強弱的識別和跟蹤，實現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。其主要優(yōu)點就是引線隱蔽、不易污染和破損、導(dǎo)引原理簡單可靠、制造成本比較低。其主要的缺點是路徑的復(fù)雜性有限、擴充或更改很麻煩、容易受到干擾。 ② 慣性導(dǎo)引AGV。慣性導(dǎo)引是在AGV上安裝慣性陀螺儀，在行駛地面上安裝定位塊，AGV可通過對陀螺儀偏差信號的計算及地面定位塊信號的采集來確定自身的位置和方向，從而實現(xiàn)導(dǎo)引。其主要優(yōu)點是技術(shù)先進、定位準(zhǔn)確性較高、靈活性強、便于組合和兼容。缺點是陀螺儀對振動較敏感，地面條件對AGV的可靠性影響很大，后期維護成本較高。 ③ 激光導(dǎo)引AGV。激光導(dǎo)引是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過發(fā)射激光束，并采集由不同角度的反射板反射回來的信號，根據(jù)三角幾何運算來確定其當(dāng)前的位置和方向，實現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。其主要優(yōu)點是定位精度高、地面無需其它定位設(shè)施、能夠適應(yīng)復(fù)雜的路徑條件及工作環(huán)境、可快速變更行駛路徑和修改運行參數(shù)。缺點是車型構(gòu)造需首先保證激光掃描器的視場要求、AGV抗光干擾的糾錯能力有一定的局限性。 ④ 視覺導(dǎo)引AGV。視覺導(dǎo)引控制室利用圖像傳感器采集路面上條帶狀路徑標(biāo)線的圖像信息，通過計算機處理、識別，計算出車輛與路徑標(biāo)線之間的相對位置偏差從而控制運行方向，保證AGV沿著路徑標(biāo)線運行。優(yōu)點是引導(dǎo)路徑的設(shè)置和變更簡單方便，成本低，易維護。缺點是容易受到光線的干擾。 ⑤ 磁力感應(yīng)導(dǎo)引AGV。磁力感應(yīng)導(dǎo)引是指在地面上貼上磁帶，通過磁感應(yīng)信號實現(xiàn)導(dǎo)引。這種方法是目前使用最多的導(dǎo)引方式，其優(yōu)點是改變、擴充路徑比較容易。缺點是易受環(huán)路周圍金屬物質(zhì)的干擾，對磁帶的機械損傷極為敏感。 ⑥ 紅外導(dǎo)引AGV。紅外導(dǎo)引是利用反射式光電紅外收發(fā)管作為AGV(Automated Guided Vehicle)尋航檢測裝置,通過在路面上鋪設(shè)顏色分明的顏色帶對光線的反射差異不同來實現(xiàn)導(dǎo)航，一般是在黑色地面上鋪設(shè)白帶。這種導(dǎo)引方法的優(yōu)點就是不受電，磁等外界事物影響，實現(xiàn)方法簡單。其缺點是易受外界光照和路面清潔度干擾。 2.按照自主程度劃分，AGV可分為智能型和普通型兩類。 ① 智能型AGV。每臺AGV的控制系統(tǒng)中通過編程都存在有全部運行路線和線路區(qū)段控制信息，AGV只需知道目的地就可以自動選擇最佳路線完成規(guī)定的任務(wù)。AGV系統(tǒng)的主控機與各臺AGV之間通過無線連續(xù)通訊，控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)視所有AGV的工作和運行位置。即使通訊中斷，AGV仍能以多種降格方式運行工作。 ② 普通型AGV。這種類型的AGV控制系統(tǒng)比較簡單，其本身的所有功能、路線規(guī)劃和區(qū)段控制都由主控機進行控制。因此主控機必須有很強的處理能力。當(dāng)主控機出現(xiàn)故障時，AGV只能停止工作。 3.根據(jù)功能用途可以分成搬運型AGV和裝配型AGV。 ① 搬運型AGV主要是完成貨物的搬運功能，類似于叉車的功能。 ② 裝配型AGV是在完成貨物搬運的同時具有輔助裝配的功能，它更像一臺智能的機器人。 4.按照驅(qū)動模式分類AGV可分為3種驅(qū)動類型：單輪驅(qū)動模式（SD-SteerDriving），差速驅(qū)動模式（Differential Driving）和全方向驅(qū)動模式QUAD（QuadMotion）。 ① 單輪驅(qū)動是指用一個驅(qū)動輪兼有行走和轉(zhuǎn)向功能，兩個從動輪為固定腳輪，在穩(wěn)定性不夠時，可增加活動腳輪為輔助支撐。單輪驅(qū)動方式的AGV運動性能稍差，轉(zhuǎn)彎半徑較大，但導(dǎo)引的可靠行高。 ② 差速驅(qū)動是指AGV左右對稱安裝兩個不帶轉(zhuǎn)向的驅(qū)動輪，以一個或多個活動腳輪為從動輪，依靠左右輪的差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，差速驅(qū)動模式的AGV能夠?qū)崿F(xiàn)單輪驅(qū)動的一切功能，轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性較好，但由于差速模式的限制，驅(qū)動輪的磨損較為嚴重。 ③ 全方向驅(qū)動是指以兩個驅(qū)動輪，均兼有行走和轉(zhuǎn)向功能，以兩個或多個活動腳輪為從動輪，一般2個驅(qū)動輪安裝于AGV的前后兩段。全方向驅(qū)動在不同的情況下可以實現(xiàn)單輪驅(qū)動和差速驅(qū)動，全方向驅(qū)動的AGV是目前最靈活的，但由于機構(gòu)復(fù)雜，控制硬件成本和控制難度都會相應(yīng)增加。 1.5 AGV的特點及發(fā)展趨勢 1.5.1 AGV的特點 作為一種物流輸送設(shè)備與傳統(tǒng)的輸送設(shè)備相比，AGV具有以下主要特點： 1. 運行路線設(shè)定靈活。AGV的運行路線可以由地面管理站來設(shè)定，即可以沿某一環(huán)路運行，也可以再兩個或多個站點之間往復(fù)行駛。 2. 柔性高。小車的發(fā)送和調(diào)度一改以往的其他輸送設(shè)備的固定運行模式，完全由地面站靈活調(diào)配。 3. 線路容易變更。更改路線只需改變導(dǎo)引線即可，在無路徑導(dǎo)引方式中，只改變軟件程序即可完成，增減線路和車輛也很方面。 4. 具有避開障礙物報警的功能。AGV車體裝有紅外或超聲探測裝置，遇障礙或兩車相近時自動報警并停車。 5. 可與計算機控制的全自動化生產(chǎn)裝配系統(tǒng)有機地相連。由于地面站采用計算機管理，所以很方便地提供自動存取、數(shù)控設(shè)備、自動裝配等系統(tǒng)的接口。 6. AGV還具有清潔生產(chǎn)地特點。AGV依靠自帶的蓄電池提供動力，運行過程中低噪音、無污染、改善作業(yè)環(huán)境。 1.5.2 AGV小車的發(fā)展趨勢 隨著電子和控制技術(shù)的發(fā)展，AGV的技術(shù)也在不斷進步，正在朝著性能更優(yōu)越、更廉價、自由度更高、超大型化和微型化方向發(fā)展。其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展。這種十幾年前只是用作工廠內(nèi)的物流輸送設(shè)備，現(xiàn)在己經(jīng)不僅僅局限于工廠之內(nèi)，己成功地應(yīng)用到辦公室、飯店、醫(yī)院和超級市場等諸多部門，并且取得了很好的效果。 2 AGV小車總體設(shè)計方案 AGV系統(tǒng)總體設(shè)計主要分為機械結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)兩部分。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計包括減速器、行走裝置、移載裝置等。控制結(jié)構(gòu)設(shè)計包括小車主控模塊、導(dǎo)引方式、移載、安全避障、自動充電等模塊功能的設(shè)計。 整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示，其中方框中所包含的主控制模塊、步進電機的驅(qū)動模塊、行走裝置構(gòu)成步進電機的整個行走系統(tǒng)。 圖2.1 小車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 2.1 機械結(jié)構(gòu) AGV 的機械結(jié)構(gòu)主要由車架，移載裝置，驅(qū)動部件三大部分組成。其中驅(qū)動部件是機械部分的核心部分，它主要完成小車的行走，導(dǎo)向等任務(wù)。本設(shè)計中的小車使用的是三輪二驅(qū)，即后面兩個為電機驅(qū)動的定向輪，前面為萬向輪。移載裝置是由幾根滾筒組成，將這些滾筒間隔的固定在小車，然后通過一個步進電機帶動它們轉(zhuǎn)動，這樣就可以將貨物自動的卸載。在進行小車的機械設(shè)計時需要在小車上面預(yù)留一些位置用來放置紅外模塊，超聲波模塊，磁檢測傳感器，主控板和蓄電池等設(shè)備。 2.2 控制結(jié)構(gòu) 控制結(jié)構(gòu)主要由主控板、超聲波避障模塊、紅外定位模塊、磁檢測傳感器引導(dǎo)模塊、步進電機驅(qū)動模塊、電量檢測模塊、指示燈模塊等部分組成?？刂平Y(jié)構(gòu)的每個模塊都和機械部件有緊密的聯(lián)系，它們必須結(jié)合機械部件進行設(shè)計和調(diào)試。以下簡要介紹硬件個模塊的功能。 （1） 主控板 主控板采用AT89C51單片機控制，該芯片具有功耗低、功能多、體積小等特點，使用方便。 （2）超聲波避障模塊 超聲波模塊是用來檢測小車行駛途中是否有障礙物，當(dāng)超聲波發(fā)射傳感器發(fā)射的聲波在傳播途中碰到障礙物時會發(fā)生反射，而被反射的聲波信號將被超聲波接受傳感器接受，主控芯片接到信號后，立即發(fā)出停車信號。該模塊保證小車在行駛途中避免和障礙物碰撞影響小車的正常行駛。 （3）紅外定位模塊 AGV小車的停車是利用紅外模塊來實現(xiàn)的，該模塊有一對紅外傳感器組成。紅外信號碰到深色的物體時將被大部分吸收，而碰到淺色物體時將被大部分反射，利用這一特點，在小車停車位置鋪上白帶，當(dāng)小車檢測到很強的發(fā)射信號時，就表示小車需要停車定位。 （4）磁檢測傳感器引導(dǎo)模塊 AGV小車的運行路線是通過鋪設(shè)在地面上的磁條來制導(dǎo)的，霍爾傳感器通過對稱的裝的小車的兩側(cè)，通過檢測磁通量大小來轉(zhuǎn)換成電壓的大小，當(dāng)兩個傳感器有偏差時說明小車運行有偏差，需調(diào)整。 （5）步進電機驅(qū)動模塊 AGV小車步進電機驅(qū)動模塊選用產(chǎn)品RORZE步進電機驅(qū)動器。 （6）電量檢測模塊 電量檢測模塊主要是用來檢測蓄電池是否需要充電，該模塊利用簡單的電壓檢測法來測試電量。由于蓄電池提供的電壓是12V，當(dāng)蓄電池的電壓低于11V時，就需要充電或者更換電池。 （7）指示燈模塊 指示燈模塊主要用來指示小車各個功能模塊的運行狀況，同時還指示各個硬件電路的運行狀況。 2.3 程序編寫 AGV小車的程序編寫主要包括對主控芯片的程序的編寫，以及各個功能模塊和通用子程序的編程。具體的實現(xiàn)方法在第5章有介紹，在這里就不在具體闡述了。 3 AGV機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)不同的用途，在AGV機械設(shè)計總體方案中，首先確定AGV的造型十分重要。好的車體造型能在枯燥而繁忙的工作環(huán)境中給人以親切感和安全感。 3.1 AGV小車總體構(gòu)架的設(shè)計 AGV小車一般由車體、能源儲存裝置、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動系統(tǒng)、精確停車裝置、車上控制器、安全系統(tǒng)、導(dǎo)引系統(tǒng)等組成。 整個過程小車能夠完成自動裝卸，自動運行，實現(xiàn)前進、轉(zhuǎn)彎和停止。本課題路線設(shè)計為一正方形路線，AGV小車在正方形一側(cè)路線裝貨點裝貨（貨物為輕質(zhì)的正方體箱體），運行到另一側(cè)路線卸貨點進行卸貨，轉(zhuǎn)彎半徑大約1m。 本設(shè)計的AGV小車，按照磁導(dǎo)航的方式進行導(dǎo)引，采用AT89C51單片機作為控制系統(tǒng)來控制小車的運行。 AGV小車大小確定為： 自動導(dǎo)引車的長度：800mm 自動導(dǎo)引車的寬度：600mm 自動導(dǎo)引車的高度：600mm 整個系統(tǒng)采用上車體和下車體通過轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)而成，上車體是移載系統(tǒng)，主要包括移載驅(qū)動電機和傳送滾筒；下車體是整個AGV小車的核心，它包括車體系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、車上控制系統(tǒng)。 底盤支架是自動導(dǎo)引小車的支撐平臺，無論是電路控制部件還是動力部件都要通過底盤支撐，因此底盤的性能在很大程度上決定了自動導(dǎo)引車的性能。小車底盤的性能主要由穩(wěn)定性、剛性、重量、體積、離地高度和靈活性等幾個參數(shù)決定。根據(jù)小車的重量以及傳感器對離地高度要求，本小車采用鋁合金板作為小車底盤，鋁合金具有重量輕，硬度高的特點，極大地減輕了小車底盤的重量，厚度為10mm,其上加工用于方便調(diào)整傳感器的槽和孔，并在上面安裝驅(qū)動輪座、萬向輪、蓄電池和集成芯片等。小車底盤距離地面為22mm,大大增加了小車的抗傾翻性能。 AGV小車外殼采用厚度為5mm的鋁合金板，板上裝有電控系統(tǒng)、按鍵、傳感器和指示燈等。外殼要求應(yīng)沒有突出的部分，以防止碰撞其他物體。 3.2 安全擋板 為了避免碰撞產(chǎn)生的負面影響，確保運行環(huán)境中人和物的安全，AGV自身的防護設(shè)施非常重要。除設(shè)有非接觸式探測外，還裝有急停擋板等機械安全防護措施。 在實際應(yīng)用中，每臺AGV都會設(shè)置有障礙物接觸式緩沖器。一般地，障礙物接觸式緩沖器設(shè)置在AGV車身運行方向的前后方，緩沖器的材料具有彈性和柔軟性，這樣，即使產(chǎn)生碰撞事故，也不會對與之碰撞的人和物及其自身造成大的傷害，故障解除后，能自動恢復(fù)其功能。緩沖器的寬度，在正常情況下，大于或等于車身寬度，當(dāng)產(chǎn)生碰撞事故時，緩沖器能及時使自動搬運車停車。 障礙物接觸式緩沖器是一種強制停車安全裝置，它產(chǎn)生作用的前題是與其它物體相接觸而發(fā)生一定的變形，從而觸動有關(guān)限位裝置，強行使其斷電停車。顯然，這種機構(gòu)的作用將受到路面的光滑平整度、整車及載貨重量、運行速度、限位裝置的靈敏度等因素的影響，其安全保護措施是終端安全保護屏障。 3.3 移動機構(gòu) AGV驅(qū)動的方式大致可分成兩種，一種為兩臺電機各置于左、右兩邊，利用兩臺電機正、反轉(zhuǎn)的運作與兩輪差速的方式達到左右轉(zhuǎn)，前進后退或停止，即差速型。另一種方式則類似汽車的轉(zhuǎn)向及傳動方式，即前輪為轉(zhuǎn)向輪，后輪為驅(qū)動輪，稱為舵輪型。前輪利用伺服電機控制連接前輪的連桿，帶動前輪左、右轉(zhuǎn)向，而后輪直接利用步進電機與減速機構(gòu)帶動承載車前進，停止或后退。 圖3.1 差速型轉(zhuǎn)向流程圖 這兩種傳動方式有不同的控制流程，第一種利用兩個左、右電機差速轉(zhuǎn)彎，因此控制流程圖如圖3.1所示。經(jīng)由傳感器感應(yīng)地面軌道回傳轉(zhuǎn)向訊號后，馬上經(jīng)由控制系統(tǒng)判斷轉(zhuǎn)向位置，當(dāng)位置正確時承載車則繼續(xù)前進，反之，電機即會繼續(xù)轉(zhuǎn)向直到傳感器與地面軌道子系統(tǒng)回傳直行訊號。而第二種則類似汽車轉(zhuǎn)向及傳動方式，如圖3.2所示，經(jīng)由傳感器與地面軌道子系統(tǒng)回傳轉(zhuǎn)向訊號后即時判斷，控制步進伺服電機旋轉(zhuǎn)的角度后，輸出訊號讓承載車繼續(xù)前進。 圖3.2 舵輪型轉(zhuǎn)向流程圖 在本次設(shè)計中，估計小車的重量（包含貨物）為50Kg,采用三輪差速驅(qū)動的方式，其中后面兩輪為驅(qū)動輪，前輪為萬向輪，用于平衡車體。結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。 小車萬向輪輪徑為75mm，輪寬27mm，全高93mm，輪質(zhì)材料為尼龍，具有靈活、輕松和耐用等特點，其轉(zhuǎn)動部位（腳架轉(zhuǎn)動、輪子滾動）用的是摩擦系數(shù)小的材料經(jīng)特殊工藝處理后組裝而成的，輪子直徑為75mm，適合本小車的總體設(shè)計比例，不易發(fā)生熱變形，更耐用。 小車的驅(qū)動輪直徑為160mm，采用鑄鐵橡膠面驅(qū)動輪，其優(yōu)點在于不僅承載能力大，而且橡膠與地面的附著系數(shù)大，保證了足夠的驅(qū)動能力。兩驅(qū)動輪相互獨立對稱，通過2個驅(qū)動電機分別進行控制，小車通過差速進行方向控制。 圖3.3 AGV車體結(jié)構(gòu)圖 3.4 小車的驅(qū)動減速器 小車的減速器采用單級蝸桿減速器，蝸桿減速器的尺寸不大，同時可以獲得較大的傳動比，工作平穩(wěn)，噪聲小，輸出軸和輸入軸可以不在同一個軸線上，也可以不在同一平面上，但效率比較低，選用蝸桿減速器的另一個重要特點就是在控制蝸桿螺旋角大小的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)蝸輪蝸桿減速器的反向自鎖功能，利用這個特點可以使AGV小車能夠方便的實現(xiàn)制動，不用再單獨的安裝制動器，簡化小車結(jié)構(gòu)。 蝸桿類型選擇阿基米德圓柱蝸桿，材料為45號鋼，蝸輪材料采用錫青銅，這樣有利于抗磨損。 3.5 小車的移載裝置 AGV移載機構(gòu)采用聯(lián)軸滾筒結(jié)構(gòu)進行移送貨物，通過與電機相連的滾筒轉(zhuǎn)動繼而帶動其他滾筒轉(zhuǎn)動移送貨物，滾筒結(jié)構(gòu)如圖3.4所示（滾筒選用SC2240雙槽“O”型帶滾筒，滾筒直徑為50mm,軸徑為12mm,長度為450mm）。 圖3.4 AGV滾筒結(jié)構(gòu)圖 考慮步進電機步步距精度高、輸出轉(zhuǎn)矩大，無需測量部件，結(jié)構(gòu)緊湊，且在電脈沖控制下可以快速啟動、正反轉(zhuǎn)，便于控制，因此本系統(tǒng)的移載結(jié)構(gòu)采用步進電機來帶動滾筒轉(zhuǎn)動。步進電動機也稱為脈沖電動機，它將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或者直線位移，即給一個脈沖電信號，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步。隨著新技術(shù)、新器件的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了細分驅(qū)動的步進電機，即將原來步進電機的步距角逐步細化，使原來的一步分為幾步走完。這種方式不僅可以減小步距角，而且減小頻率較低時的振蕩，大大增加了控制精度。根據(jù)移載系統(tǒng)的負載重量和移載速度的要求，本系統(tǒng)采用RORZE兩相混合式步進電機M26473S,為兩相步進電機，力矩可達1.2Nm，完全可以移載貨物。 3.6 AGV電機的選擇 3.6.1 驅(qū)動電機的選擇 1. 運行阻力分析 當(dāng)小車勻速行駛時，驅(qū)動功率僅需克服摩擦阻力f摩和風(fēng)的阻力f風(fēng)，由于小車在室內(nèi)運行，因而f風(fēng)非常小，可以忽略不計。當(dāng)小車加速運行時，還要克服自身的慣性力f慣。因此，小車總的推力為：F=f摩+f慣 ① 摩擦阻力f摩 摩擦阻力f摩由車輪軸承間的阻力f1和車輪與道路之間的滾動摩擦力f2兩部分構(gòu)成。即:f摩=f1+f2。 (1)車輪軸承阻力 式中：P---車輪輪壓，整車重量約為50Kg,3輪承載，故P=50/39.8=163.3N； D---車輪直徑，D=160mm； d---車輪軸樞直徑， d=20mm ---車輪軸承摩擦系數(shù)，滾動軸承 (2)車輪與道路之間的滾動摩擦阻力 式中:N---車輪載荷。因為車輪為硬材質(zhì)，取N=P=163.3N； ---路面阻力系數(shù).參照水泥混凝土路面，?。? 所以f2=0.015163.3=2.4495N 即摩擦阻力f摩=f1+f2=2.4495+0.306=2.7555N ② 慣性力f慣 f慣=ma 式中:---車輛加速度度（) ，設(shè)小車在0.4秒內(nèi)達到0.2m/s, m---AGV小車的總重量。m=50kg 所以f慣=ma=500.5=25N 因此小車總的推力為 F=f摩+f慣=2.7555+25=27.7555N 2. 電機驅(qū)動功率的計算 式中:v---小車移動速度(m/s) v=0.2m/s F---總推力(N)。F=27.7555N ---從電動機到車輪傳動的總傳動效率，取=0.75 m---驅(qū)動電機的總數(shù)。m=2 所以功率N=27.75550.2/2/0.75=3.7007W 3.電機扭矩的計算 電機扭矩M是電機功率和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。 式中:n---電機的轉(zhuǎn)速(r/min) n=700r /min 所以扭矩M=303.7007/3.14159/700=0.0505Nm 本系統(tǒng)用兩個步進電機作為驅(qū)動電機，步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，其功用是將脈沖信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，本小車選擇步進電機M26A33S作為驅(qū)動電機,其參數(shù)如表3.1所示。 表3.1 M26A33S步進電機參數(shù) 相數(shù) 2 步距角（） 1.8 相電流（A） 3.0 最大靜止轉(zhuǎn)矩（Nm） 1.3 轉(zhuǎn)動慣量（） 360 尺寸（mm）直徑/長度 56/76 驅(qū)動電壓（V） 18-40 3.6.2 移載電機的選擇 設(shè)貨物的重量為10Kg，貨物與滾筒之間的最大靜摩擦系數(shù)，則，貨物對滾筒的最大靜止轉(zhuǎn)矩為： 根據(jù)移載系統(tǒng)的負載重量和移載速度的要求，本系統(tǒng)采用RORZE兩相混合式步進電機M26473S，為兩相步進電機，力矩可達1.2Nm，完全可以移載貨物。 3.7 AGV小車驅(qū)動減速器的設(shè)計 3.7.1 蝸桿蝸輪設(shè)計 AGV小車驅(qū)動減速器選擇單級蝸桿減速器，蝸桿傳動類型為阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)。預(yù)計每天工作8小時，每年工作300天，預(yù)期壽命5年。 1. 選擇材料 考慮的蝸桿的傳動功率不大，速度只是中等，故選擇45鋼，蝸桿螺旋部分要求淬火，硬度為45-55HRC，蝸輪用鑄造錫青銅ZCuSn5Pb5Zn5，金屬模鑄造，為了節(jié)約貴重金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。 2. 按齒面接觸強度進行設(shè)計 根據(jù)閉式蝸桿蝸輪的設(shè)計準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強度進行計算，再校核齒根彎曲疲勞強度。則傳動中心距為： (1) 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩=9.551000P/n=1.15Nm (2) 確定載荷系數(shù)K 因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布系數(shù),,由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可選取動荷系數(shù),則 (3)確定彈性影響系數(shù)和 因選用的是鑄青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故=155，先假設(shè)蝸桿分度圓d1和傳動中心矩a的比值d1/a=0.5，可查得 (4)確定許用接觸應(yīng)力 根據(jù)蝸輪材料為ZCuSn5Pb5Zn51，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC，可從機械設(shè)計手冊中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 壽命系數(shù)= （5）計算中心矩 取中心矩a=47.5mm 因i=30 取m=1.25mm 蝸桿分度圓直徑d1=20mm 這時， =2.85 查得，因為，因此以上計算結(jié)果可用 3.蝸輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸 （1） 蝸桿 分度圓直徑 模數(shù) 直徑系數(shù)q=16，齒頂圓 齒根圓 分度圓導(dǎo)程角，蝸桿軸向齒厚 （2） 蝸輪 蝸輪齒數(shù) 變位系數(shù)為 傳動比 蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根直徑 蝸輪厚度 ，取 4.校核齒根彎曲疲勞強度 當(dāng)量齒數(shù) 根據(jù) 查得齒形系數(shù)=2.5 螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力 從機械手冊中查得： ZCuSn5Pb5Zn5制造的蝸輪的基本許用應(yīng)力 所以 ： 滿足要求 3.7.2 蝸輪軸的設(shè)計與校核 1.軸的材料的選擇和初步估計軸的直徑 考慮到減速器為普通中用途中小功率減速傳動裝置，軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩。 選取軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)機械設(shè)計手冊，取A0=115，并且P3=3.6145w,n3=700/30=23.33r/min,于是得： 2.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1） 確定軸的結(jié)構(gòu)方案 左軸承從軸的左端裝入，靠軸肩定位。蝸輪也是從軸的左端裝入，右軸承從軸的右端裝入，蝸輪左側(cè)端面靠軸肩定位，蝸輪和左軸承之間用定位套筒使左軸承右端面得以定位，右軸承和中間軸肩之間用定位套筒使右軸承左端面得以定位，左軸承左端采用擋圈固定，軸的2個軸承采用深溝球軸承。軸的結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。 A段 根據(jù)，d要符合標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑，查GB/T276-94,選滾動軸承型號6004，為深溝球軸承，，其寬度T=12mm。軸承潤滑方式選擇：，選擇脂潤滑?？紤]軸承脂潤滑，取軸承距箱體內(nèi)壁距離f=3mm,該段寬度。 B段 該段為蝸輪的軸段，蝸輪軸段的直徑的右端為定位軸肩，，與傳動零件相配合的軸段，根據(jù)傳動零件的輪轂寬。蝸輪的輪轂寬度為B=35mm，所以該段寬度=35mm。 C段 取蝸輪右端定位軸肩高度h=4mm，則軸環(huán)直徑。軸段長度。 D段 該段也是軸承支撐段，為了符合標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑，查 GB/T276-94，選擇滾動軸承型號為16005，同樣為深溝球軸承，,其寬度T=12mm。軸承的潤滑軸承潤滑方式選擇：。選擇脂 圖3.6 渦輪軸的示意圖 潤滑?？紤]軸承脂潤滑，取軸承距箱體內(nèi)壁距離f=3mm,。 E段 該段為軸輸出端，為了使車輪定位，在右軸承和車輪之間使用定位套筒，，為了在軸向固定住車輪，軸的最右端加工成螺紋形式，使用螺母和墊圈擰緊。 到此，已經(jīng)初步確定了軸端各段直徑和長度，軸的總長：L=5+20+35+5+20+52.5+24=161.5mm。 3.軸的強度的校核 （1）軸向零件的同向定位 渦輪，車輪與軸的同向定位采用平鍵。按d2由GB/T1095—2003,GB/T1096--2003查得平鍵截面 bh=8mm7mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為28mm，同時為了保證蝸輪與軸配合有良好的對中性，故選擇蝸輪輪轂與軸端配合為，鍵型選擇B型；同樣，車輪與軸的連接，選用B型普通平鍵bh l=6mm6mm18mm，車輪與軸的配合為，滾動軸承與軸的同向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 （2）確定軸上的圓角和倒角尺寸 參考機械設(shè)計手冊，取倒角245，各軸肩處的圓角半徑為A段B段之間為1mm，B段C段之間為2mm，C段D段之間為1mm，D段E段之間為1mm。 （3）確定各向應(yīng)力和反力 蝸輪分度圓直徑d=75 mm 轉(zhuǎn)矩T=1.15 Nm 蝸輪的切向力為： Ft=2T/d=21150/75=30.667 N 蝸輪的徑向力為： =30.667tan20/cos1118′35″ =10.827 N 蝸輪的軸向力為： =30.667tan1118′35″ =6.134 N 垂直面上的支撐反力： = =9.193 N 其中68為兩軸承中心的跨度，36.5為蝸輪中心到右邊軸承中心的距離。 N 水平平面： N N （4）確定彎距 Nmm 垂直彎矩： Nmm Nmm 合成彎矩： = 593.89Nmm =521.9 Nmm 扭矩T=1150 Nmm （5）按彎矩合成應(yīng)力校核該軸端強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面）的強度。軸單向旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力。取α=0.6 軸端計算應(yīng)力： 故是安全的。 3.7.3 蝸桿軸的設(shè)計與校核 1.軸的材料的選擇，確定許用應(yīng)力 考慮到減速裝置為普通中用途中小功率減速傳動裝置，軸主要傳遞蝸桿的轉(zhuǎn)矩。材料選取45號鋼，淬火處理，[σb]=600MPa [σb-1] =55MPa。 2按扭轉(zhuǎn)強度初步估計軸的最小直徑 由于該軸輸入端需要與步進電機相連，需使用到聯(lián)軸器，為了使用方面簡單，根據(jù)步進電機輸出軸的直徑，選用泊頭市天碩聯(lián)軸器廠生產(chǎn)的LK6-16微型波紋管聯(lián)軸器，該種波紋管聯(lián)軸器采用高柔性不銹鋼，具有高扭矩剛性，零回轉(zhuǎn)間隙，順時針與逆時針回轉(zhuǎn)特性完全相同，使用地位螺絲固定，軸向、徑向和角度錯位在平穩(wěn)均勻中得到補償，使用張緊方式，安裝空間小，裝卸方面。 根據(jù)聯(lián)軸器的尺寸要求，。 3 軸的結(jié)構(gòu)的設(shè)計 (1)確定軸的結(jié)構(gòu)方案 左軸承從軸的左端裝入，靠軸套定位，右軸承從軸的右端裝入，也是靠軸套定位。軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.7所示。 圖3.7 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)示意圖 （2）確定各軸段直徑和長度 A段 根據(jù)選擇的聯(lián)軸器尺寸要求，。 B段 為了便于裝拆軸承內(nèi)圈，且符合標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑，查GB/T276—94,選滾動軸承型號為6201，軸承為深溝球軸承，，其寬度T=10mm。軸承潤滑方式選擇：。選擇脂潤滑。考慮軸承脂潤滑，去軸承距箱體內(nèi)壁距離f=2mm,。 C段 該段主要是軸從軸承端到蝸桿端的過渡段，取。 D段 該段為軸的蝸桿部分，其分度圓直徑，長度。 E段 同C段。 F段 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑，查GB/T276—94,選滾動軸承型號為6201，軸承為深溝球軸承，，其寬度T=10mm。軸承潤滑方式選擇：。選擇脂潤滑。軸承的右端定位使用軸承端蓋，取端蓋的寬度6mm，端蓋的左端深入箱體2mm，則。 3.7.4 軸承和鍵的校核 1.軸承的校核 查表GB/T276—94,6004深溝球軸承的額定動載荷Cr=9.38103 N，基本靜載荷Cor=5.02103 N；16005型號深溝球軸承的額定動載荷Cr=10.0103 N，基本靜載荷Cor=5.85103 N，6201深溝球軸承的額定動載荷Cr=6.82103 N，基本靜載荷Cor=3.05103 N，因此只需校核6201深溝球軸承即可。 （1）軸承受到的徑向載荷Fr1和Fr2由前面設(shè)計蝸輪時求得的： N N N N N N （1） 求兩軸承計算軸向力Fa1和Fa2查表GB/T297-1994 可知e=0.35 N N 軸向力 N 因為 N （3）求當(dāng)量動載荷P1和P2 >e 分別計算P1、P2，取fp=1.5,則 P1=fp(X1Fr1+Y1Fa1) =1.5 （0.418.85+1.711.14） =39.72 N P2=fp（1Fr2）=21.45 N （4）驗算軸承壽命 因為P1>P2，故應(yīng)按P1計算，所以軸承的受力大小計算： =1821728.7 h >12000h 所以軸承滿足壽命要求。 2．鍵的強度校核 鍵1選擇的是：Bh=8mm7mm L=28mm l=L-b=28-8=20mm k=0.5h=0.57=3.5mm 鍵2選擇的是：Bh=6mm6mm L=18mm l=L-b=18-6=12mm k=0.5h=0.56=3mm 故是安全的，2個鍵都合格。 3.7.5 箱體的設(shè)計 由于AGV小車的結(jié)構(gòu)比較簡單，減速器箱體采用敞開式，箱體采用鑄造工藝，材料選用HT200，因其屬于中小型鑄件，鑄件的最小壁厚為5毫米，取箱體底部厚度為5 mm，蝸輪軸的箱體支撐面厚度為15mm，因其不僅受蝸輪影響，更重要的是其輸出之間連車輪支撐整個小車的重量，故其壁厚應(yīng)該選的厚些。其蝸桿軸支撐面為12mm。整個箱體是根據(jù)2個軸的交錯角度，空間，進行設(shè)計的，其外形尺寸為112mm80mm123mm。箱體的底部與小車底盤之間采用焊接的方式相連。 4 AGV控制結(jié)構(gòu)設(shè)計 AGV自動導(dǎo)引車的控制系統(tǒng)是自動導(dǎo)引車的核心，本章主要介紹控制系統(tǒng)的硬件平臺。在本小車的設(shè)計中，控制系統(tǒng)主要安裝在小車的底盤上面，在設(shè)計小車的車身構(gòu)造時，在小車的下層已經(jīng)留有足夠的空間來布置小車控制系統(tǒng)的硬件電路，控制系統(tǒng)主要包括AT89C51單片機系統(tǒng)及其外圍電路、電機驅(qū)動電路和傳感器檢測電路等。 4.1單片機控制系統(tǒng) 4.1.1 單片機89C51簡介 AGV小車的控制系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89C51單片機，如圖4.1。89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 A. 主要特性： 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 　　壽命：1000寫/擦循環(huán) 　　數(shù)據(jù)保留時間：10年 　　全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 　　三級程序存儲器鎖定 　　128*8位內(nèi)部RAM 　　32可編程I/O線 　　兩個16位定時器/計數(shù)器 圖4.1 　　5個中斷源 　　可編程串行通道 　　低功耗的閑置和掉電模式 　　片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 B.管腳說明 VCC：供電電壓。 　　GND：接地。 　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 　　P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 　　P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 　　P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 　　P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 　　口管腳 備選功能 　　P3.0 RXD（串行輸入口） 　　P3.1 TXD（串行輸出口） 　　P3.2 /INT0（外部中斷0） 　　P3.3 /INT1（外部中斷1） 　　P3.4 T0（記時器0外部輸入） 　　P3.5 T1（記時器1外部輸入）