AGV小車的設(shè)計(jì)說(shuō)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(jiǎn)介 4 1.3 AGV的基本構(gòu)成 6 （1）車體 7 （2）動(dòng)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(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì) 11 1.5.1 AGV的特點(diǎn) 11 1.5.2 AGV小車的發(fā)展趨勢(shì) 12 2 AGV小車總體設(shè)計(jì)方案 13 AGV系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)兩部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括減速器、行走裝置、移載裝置等?？刂平Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括小車主控模塊、導(dǎo)引方式、移載、安全避障、自動(dòng)充電等模塊功能的設(shè)計(jì)。 13 圖2.1 小車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 13 2.1 機(jī)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(cè)傳感器引導(dǎo)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電量檢測(cè)模塊、指示燈模塊等部分組成?？刂平Y(jié)構(gòu)的每個(gè)模塊都和機(jī)械部件有緊密的聯(lián)系，它們必須結(jié)合機(jī)械部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。以下簡(jiǎn)要介紹硬件個(gè)模塊的功能。 14 2.3 程序編寫 15 3 AGV機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 根據(jù)不同的用途，在AGV機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì) 15 3.2 安全擋板 16 為了避免碰撞產(chǎn)生的負(fù)面影響，確保運(yùn)行環(huán)境中人和物的安全，AGV自身的防護(hù)設(shè)施非常重要。除設(shè)有非接觸式探測(cè)外，還裝有急停擋板等機(jī)械安全防護(hù)措施。 16 在實(shí)際應(yīng)用中，每臺(tái)AGV都會(huì)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(yùn)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(huì)對(duì)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(dòng)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(shí)，緩沖器能及時(shí)使自動(dòng)搬運(yùn)車停車。 16 障礙物接觸式緩沖器是一種強(qiáng)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(dòng)有關(guān)限位裝置，強(qiáng)行使其斷電停車。顯然，這種機(jī)構(gòu)的作用將受到路面的光滑平整度、整車及載貨重量、運(yùn)行速度、限位裝置的靈敏度等因素的影響，其安全保護(hù)措施是終端安全保護(hù)屏障。 16 3.3 移動(dòng)機(jī)構(gòu) 16 AGV驅(qū)動(dòng)的方式大致可分成兩種，一種為兩臺(tái)電機(jī)各置于左、右兩邊，利用兩臺(tái)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的運(yùn)作與兩輪差速的方式達(dá)到左右轉(zhuǎn)，前進(jìn)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(dòng)方式，即前輪為轉(zhuǎn)向輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪，稱為舵輪型。前輪利用伺服電機(jī)控制連接前輪的連桿，帶動(dòng)前輪左、右轉(zhuǎn)向，而后輪直接利用步進(jìn)電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)承載車前進(jìn)，停止或后退。 17 圖3.1 差速型轉(zhuǎn)向流程圖 17 這兩種傳動(dòng)方式有不同的控制流程，第一種利用兩個(gè)左、右電機(jī)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(hào)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(shí)承載車則繼續(xù)前進(jìn)，反之，電機(jī)即會(huì)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(hào)。而第二種則類似汽車轉(zhuǎn)向及傳動(dòng)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(hào)后即時(shí)判斷，控制步進(jìn)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度后，輸出訊號(hào)讓承載車?yán)^續(xù)前進(jìn)。 17 圖3.2 舵輪型轉(zhuǎn)向流程圖 17 3.6.2 移載電機(jī)的選擇 20 3.7 AGV小車驅(qū)動(dòng)減速器的設(shè)計(jì) 20 3.7.1 蝸桿蝸輪設(shè)計(jì) 20 3.7.2 蝸輪軸的設(shè)計(jì)與校核 22 3.7.3 蝸桿軸的設(shè)計(jì)與校核 25 3.7.4 軸承和鍵的校核 26 3.7.5 箱體的設(shè)計(jì) 28 4 AGV控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 4.1單片機(jī)控制系統(tǒng) 29 4.1.1 單片機(jī)89C51簡(jiǎn)介 29 B.管腳說(shuō)明 30 XTAL2：來(lái)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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)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(chǔ)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(shí)器，計(jì)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(gè)硬件復(fù)位為止。 32 E.結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 32 8位CPU； 32 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； 32 32根32I/O； 32 外部存貯器尋址范圍ROM、RAM64K； 32 2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 32 5個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)； 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(jī)驅(qū)動(dòng)電路 35 4.3 傳感器檢測(cè)電路 39 4.3.1 磁制導(dǎo)模塊 39 圖4.9 磁場(chǎng)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(dòng)控制模塊 47 5 AGV小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 49 5.1 軟件設(shè)計(jì)的概述 49 5.2 89C51單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)計(jì)算 49 5.2.1 單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)算設(shè)置 49 5.2.2 單片機(jī)的中斷設(shè)置 53 5.3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)總體流程圖 54 5.4 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)子程序流程圖 55 5.4.1 手動(dòng)操作子程序 55 5.4.2 障礙物檢測(cè)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(xiàn)： 61 翻譯部分 68 中文譯文 68 AGV小車的控制以及路徑預(yù)測(cè) 68 1.簡(jiǎn)介 68 2.系統(tǒng)架構(gòu) 70 2.1AGV設(shè)計(jì) 70 2.2控制結(jié)構(gòu) 70 2.3路徑選取 71 3.路徑預(yù)測(cè)和控制 73 4.實(shí)驗(yàn) 74 5.總結(jié) 75 致 謝 77 緒論 1.1 研究背景及意義 自動(dòng)引導(dǎo)車（AGV，Automated Guided Vehicle）是一種無(wú)人操縱的自動(dòng)化運(yùn)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(dá)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?dòng)行駛。 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(gè)過(guò)程中，僅僅有5%的時(shí)間是用于加工和制造，剩余的95%都用于儲(chǔ)存、裝卸、等待加工和輸送。在美國(guó)，直接勞動(dòng)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(chǔ)存、運(yùn)輸所占的費(fèi)用卻占生產(chǎn)成本的40%。因此，目前世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)普遍把改造物流結(jié)構(gòu)、降低物流成本作為企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和搬運(yùn)功能的集成化和自動(dòng)化，在各國(guó)的許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2 AGV簡(jiǎn)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(wú)人操縱的自動(dòng)化運(yùn)輸設(shè)備，屬于工業(yè)機(jī)器人的一種，“它能承載一定的重量，按照監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)的指令，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的程序依照車載傳感器確定的位置信號(hào)，沿著規(guī)定的行駛路線和?？课恢米詣?dòng)行駛，”是自動(dòng)化物流運(yùn)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(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，它能實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)輸、使用靈活、運(yùn)輸效率高、節(jié)能、系統(tǒng)工作可靠、無(wú)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(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率有著重要意義。 經(jīng)過(guò)多年的拼搏和實(shí)踐，我國(guó)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(jì)及應(yīng)用等方面取得了不少令人鼓舞的成績(jī)，但是與國(guó)外著名機(jī)器人廠家相比，國(guó)內(nèi)企業(yè)在整體實(shí)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(duì)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(guó)外已經(jīng)在深層次的挖掘AGV的應(yīng)用領(lǐng)域。 同時(shí)國(guó)內(nèi)AGV存在價(jià)格過(guò)高的問(wèn)題，只能在少數(shù)大企業(yè)推行，我們?cè)谧⒅禺a(chǎn)品技術(shù)開發(fā)的同時(shí)，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(guó)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(jī)械行業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自動(dòng)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(yùn)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(guó)有大型企業(yè)，民營(yíng)企業(yè)對(duì)AGV的采用量也在增加。AGV主要適用于以下幾個(gè)領(lǐng)域： 1、物料搬運(yùn) 在現(xiàn)代物料搬運(yùn)中，當(dāng)使用的人及搬運(yùn)工具的總成本與使用AGV（無(wú)人搬運(yùn)車）的成本基本相當(dāng)時(shí)，AGV的市場(chǎng)接受就會(huì)自然形成。歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)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(yùn)；儀器儀表行業(yè)的元器件搬運(yùn)；印刷出版業(yè)的紙張搬運(yùn)，如圖1.1；汽車工業(yè)的零部件搬運(yùn)；醫(yī)院用品的搬運(yùn)，如圖1.2；國(guó)防如武器彈藥、軍需物資等的搬運(yùn)等。 圖1.1 AGV應(yīng)用于報(bào)業(yè)紙卷的搬運(yùn) 圖1.2 醫(yī)院用搬運(yùn)AGV 2、柔性裝配線、加工線 AGV不僅可以作為無(wú)人自動(dòng)搬運(yùn)車輛使用，也可當(dāng)作是一個(gè)個(gè)可移動(dòng)的裝配臺(tái)、加工臺(tái)使用，他們既能自由獨(dú)立地分開作業(yè)，又能準(zhǔn)確有序地組合銜接，而且行程沒(méi)有物理隔斷，能起到動(dòng)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(dòng)機(jī)裝配線（如圖1.3——圖1.4）、試車線，機(jī)床加工線，家電生產(chǎn)線等。 圖1.3 用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的AGV 圖1.4 上海通用集團(tuán)使用的裝配型AGV 3、特殊場(chǎng)合 AGV的無(wú)人自動(dòng)搬運(yùn)優(yōu)勢(shì)，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(wèn)題。如核材料、危險(xiǎn)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(chǔ)存裝置、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 車架通常為鋼結(jié)構(gòu)件,要求具有一定的強(qiáng)度和剛度。 驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)輪（如圖1.6）、減速器、制動(dòng)器、電機(jī)及調(diào)速器等組成,是一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)的速度控制系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可由計(jì)算機(jī)或人工控制,可驅(qū)動(dòng)AGV運(yùn)行并具有速度控制和制動(dòng)能力。 圖1.6 AGV驅(qū)動(dòng)輪 根據(jù)AGV運(yùn)行方式的不同,常見的AGV轉(zhuǎn)向機(jī)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(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),AGV可以實(shí)現(xiàn)向前、向后或縱向、橫向、斜向及回轉(zhuǎn)的全方位運(yùn)動(dòng)。 （2）動(dòng)力裝置 AGV的動(dòng)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(shí)間的長(zhǎng)短和維護(hù)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(hù)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(yùn)行狀況,綜合考慮其在運(yùn)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(hù)裝置。 在AGV運(yùn)行路線的充電位置上安裝有自動(dòng)充電機(jī)（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(yùn)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(dá)到200安以上。 圖1.8 自動(dòng)充電機(jī) 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(jì)算機(jī),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(yùn)行。 圖1.11 AGV車載控制器 車上控制器完成AGV的手動(dòng)控制、安全裝置啟動(dòng)、蓄電池狀態(tài)、轉(zhuǎn)向極限、制動(dòng)器解脫、行走燈光、驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向電機(jī)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(yùn)行狀態(tài)信息接收。 控制系統(tǒng)是AGV的核心，AGV的運(yùn)行、監(jiān)測(cè)及各種智能化控制的實(shí)現(xiàn),均需通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)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(yùn)行過(guò)程中的自身安全,以及現(xiàn)場(chǎng)人員與各類設(shè)備的安全。 一般情況下,AGV都采取多級(jí)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(hào)燈和聲音報(bào)警裝置,以提醒周圍的操作人員。對(duì)需要前后雙向運(yùn)行或有側(cè)向移動(dòng)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(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警,同時(shí)采用無(wú)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(kuò)展，其種類和形式變得多種多樣。自動(dòng)導(dǎo)引小車按其分類方法不同，可有多種形式的自動(dòng)導(dǎo)引小車。 1. 導(dǎo)引方式是AGV單機(jī)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(chǎng)，AGV上的感應(yīng)線圈通過(guò)對(duì)導(dǎo)引磁場(chǎng)強(qiáng)弱的識(shí)別和跟蹤，實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。其主要優(yōu)點(diǎn)就是引線隱蔽、不易污染和破損、導(dǎo)引原理簡(jiǎn)單可靠、制造成本比較低。其主要的缺點(diǎn)是路徑的復(fù)雜性有限、擴(kuò)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(guò)對(duì)陀螺儀偏差信號(hào)的計(jì)算及地面定位塊信號(hào)的采集來(lái)確定自身的位置和方向，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。其主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)、定位準(zhǔn)確性較高、靈活性強(qiáng)、便于組合和兼容。缺點(diǎn)是陀螺儀對(duì)振動(dòng)較敏感，地面條件對(duì)AGV的可靠性影響很大，后期維護(hù)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(guò)發(fā)射激光束，并采集由不同角度的反射板反射回來(lái)的信號(hào)，根據(jù)三角幾何運(yùn)算來(lái)確定其當(dāng)前的位置和方向，實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。其主要優(yōu)點(diǎn)是定位精度高、地面無(wú)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(yùn)行參數(shù)。缺點(diǎn)是車型構(gòu)造需首先保證激光掃描器的視場(chǎng)要求、AGV抗光干擾的糾錯(cuò)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(guò)計(jì)算機(jī)處理、識(shí)別，計(jì)算出車輛與路徑標(biāo)線之間的相對(duì)位置偏差從而控制運(yùn)行方向，保證AGV沿著路徑標(biāo)線運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是引導(dǎo)路徑的設(shè)置和變更簡(jiǎn)單方便，成本低，易維護(hù)。缺點(diǎn)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(guò)磁感應(yīng)信號(hào)實(shí)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(diǎn)是改變、擴(kuò)充路徑比較容易。缺點(diǎn)是易受環(huán)路周圍金屬物質(zhì)的干擾，對(duì)磁帶的機(jī)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(cè)裝置,通過(guò)在路面上鋪設(shè)顏色分明的顏色帶對(duì)光線的反射差異不同來(lái)實(shí)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(diǎn)就是不受電，磁等外界事物影響，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)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(tái)AGV的控制系統(tǒng)中通過(guò)編程都存在有全部運(yùn)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(dòng)選擇最佳路線完成規(guī)定的任務(wù)。AGV系統(tǒng)的主控機(jī)與各臺(tái)AGV之間通過(guò)無(wú)線連續(xù)通訊，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視所有AGV的工作和運(yùn)行位置。即使通訊中斷，AGV仍能以多種降格方式運(yùn)行工作。 ② 普通型AGV。這種類型的AGV控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)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(jī)進(jìn)行控制。因此主控機(jī)必須有很強(qiáng)的處理能力。當(dāng)主控機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，AGV只能停止工作。 3.根據(jù)功能用途可以分成搬運(yùn)型AGV和裝配型AGV。 ① 搬運(yùn)型AGV主要是完成貨物的搬運(yùn)功能，類似于叉車的功能。 ② 裝配型AGV是在完成貨物搬運(yùn)的同時(shí)具有輔助裝配的功能，它更像一臺(tái)智能的機(jī)器人。 4.按照驅(qū)動(dòng)模式分類AGV可分為3種驅(qū)動(dòng)類型：?jiǎn)屋嗱?qū)動(dòng)模式（SD-SteerDriving），差速驅(qū)動(dòng)模式（Differential Driving）和全方向驅(qū)動(dòng)模式QUAD（QuadMotion）。 ① 單輪驅(qū)動(dòng)是指用一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪兼有行走和轉(zhuǎn)向功能，兩個(gè)從動(dòng)輪為固定腳輪，在穩(wěn)定性不夠時(shí)，可增加活動(dòng)腳輪為輔助支撐。單輪驅(qū)動(dòng)方式的AGV運(yùn)動(dòng)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(dòng)是指AGV左右對(duì)稱安裝兩個(gè)不帶轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)輪，以一個(gè)或多個(gè)活動(dòng)腳輪為從動(dòng)輪，依靠左右輪的差速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，差速驅(qū)動(dòng)模式的AGV能夠?qū)崿F(xiàn)單輪驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪的磨損較為嚴(yán)重。 ③ 全方向驅(qū)動(dòng)是指以兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，均兼有行走和轉(zhuǎn)向功能，以兩個(gè)或多個(gè)活動(dòng)腳輪為從動(dòng)輪，一般2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪安裝于AGV的前后兩段。全方向驅(qū)動(dòng)在不同的情況下可以實(shí)現(xiàn)單輪驅(qū)動(dòng)和差速驅(qū)動(dòng)，全方向驅(qū)動(dòng)的AGV是目前最靈活的，但由于機(jī)構(gòu)復(fù)雜，控制硬件成本和控制難度都會(huì)相應(yīng)增加。 1.5 AGV的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì) 1.5.1 AGV的特點(diǎn) 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(diǎn)： 1. 運(yùn)行路線設(shè)定靈活。AGV的運(yùn)行路線可以由地面管理站來(lái)設(shè)定，即可以沿某一環(huán)路運(yùn)行，也可以再兩個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)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(yùn)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(wú)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(bào)警的功能。AGV車體裝有紅外或超聲探測(cè)裝置，遇障礙或兩車相近時(shí)自動(dòng)報(bào)警并停車。 5. 可與計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)化生產(chǎn)裝配系統(tǒng)有機(jī)地相連。由于地面站采用計(jì)算機(jī)管理，所以很方便地提供自動(dòng)存取、數(shù)控設(shè)備、自動(dòng)裝配等系統(tǒng)的接口。 6. AGV還具有清潔生產(chǎn)地特點(diǎn)。AGV依靠自帶的蓄電池提供動(dòng)力，運(yùn)行過(guò)程中低噪音、無(wú)污染、改善作業(yè)環(huán)境。 1.5.2 AGV小車的發(fā)展趨勢(shì) 隨著電子和控制技術(shù)的發(fā)展，AGV的技術(shù)也在不斷進(jìn)步，正在朝著性能更優(yōu)越、更廉價(jià)、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(kuò)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(jí)市場(chǎng)等諸多部門，并且取得了很好的效果。 2 AGV小車總體設(shè)計(jì)方案 AGV系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)兩部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括減速器、行走裝置、移載裝置等?？刂平Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括小車主控模塊、導(dǎo)引方式、移載、安全避障、自動(dòng)充電等模塊功能的設(shè)計(jì)。 整個(gè)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊、行走裝置構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)行走系統(tǒng)。 圖2.1 小車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu) AGV 的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由車架，移載裝置，驅(qū)動(dòng)部件三大部分組成。其中驅(qū)動(dòng)部件是機(jī)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(jì)中的小車使用的是三輪二驅(qū)，即后面兩個(gè)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定向輪，前面為萬(wàn)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(guò)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)它們轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以將貨物自動(dòng)的卸載。在進(jìn)行小車的機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)需要在小車上面預(yù)留一些位置用來(lái)放置紅外模塊，超聲波模塊，磁檢測(cè)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(cè)傳感器引導(dǎo)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電量檢測(cè)模塊、指示燈模塊等部分組成。控制結(jié)構(gòu)的每個(gè)模塊都和機(jī)械部件有緊密的聯(lián)系，它們必須結(jié)合機(jī)械部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。以下簡(jiǎn)要介紹硬件個(gè)模塊的功能。 （1） 主控板 主控板采用AT89C51單片機(jī)控制，該芯片具有功耗低、功能多、體積小等特點(diǎn)，使用方便。 （2）超聲波避障模塊 超聲波模塊是用來(lái)檢測(cè)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(shí)會(huì)發(fā)生反射，而被反射的聲波信號(hào)將被超聲波接受傳感器接受，主控芯片接到信號(hào)后，立即發(fā)出停車信號(hào)。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(lái)實(shí)現(xiàn)的，該模塊有一對(duì)紅外傳感器組成。紅外信號(hào)碰到深色的物體時(shí)將被大部分吸收，而碰到淺色物體時(shí)將被大部分反射，利用這一特點(diǎn)，在小車停車位置鋪上白帶，當(dāng)小車檢測(cè)到很強(qiáng)的發(fā)射信號(hào)時(shí)，就表示小車需要停車定位。 （4）磁檢測(cè)傳感器引導(dǎo)模塊 AGV小車的運(yùn)行路線是通過(guò)鋪設(shè)在地面上的磁條來(lái)制導(dǎo)的，霍爾傳感器通過(guò)對(duì)稱的裝的小車的兩側(cè)，通過(guò)檢測(cè)磁通量大小來(lái)轉(zhuǎn)換成電壓的大小，當(dāng)兩個(gè)傳感器有偏差時(shí)說(shuō)明小車運(yùn)行有偏差，需調(diào)整。 （5）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 AGV小車步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用產(chǎn)品RORZE步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 （6）電量檢測(cè)模塊 電量檢測(cè)模塊主要是用來(lái)檢測(cè)蓄電池是否需要充電，該模塊利用簡(jiǎn)單的電壓檢測(cè)法來(lái)測(cè)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(shí)，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(lái)指示小車各個(gè)功能模塊的運(yùn)行狀況，同時(shí)還指示各個(gè)硬件電路的運(yùn)行狀況。 2.3 程序編寫 AGV小車的程序編寫主要包括對(duì)主控芯片的程序的編寫，以及各個(gè)功能模塊和通用子程序的編程。具體的實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)不同的用途，在AGV機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì) AGV小車一般由車體、能源儲(chǔ)存裝置、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)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(gè)過(guò)程小車能夠完成自動(dòng)裝卸，自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎和停止。本課題路線設(shè)計(jì)為一正方形路線，AGV小車在正方形一側(cè)路線裝貨點(diǎn)裝貨（貨物為輕質(zhì)的正方體箱體），運(yùn)行到另一側(cè)路線卸貨點(diǎn)進(jìn)行卸貨，轉(zhuǎn)彎半徑大約1m。 本設(shè)計(jì)的AGV小車，按照磁導(dǎo)航的方式進(jìn)行導(dǎo)引，采用AT89C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)來(lái)控制小車的運(yùn)行。 AGV小車大小確定為： 自動(dòng)導(dǎo)引車的長(zhǎng)度：800mm 自動(dòng)導(dǎo)引車的寬度：600mm 自動(dòng)導(dǎo)引車的高度：600mm 整個(gè)系統(tǒng)采用上車體和下車體通過(guò)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(dòng)電機(jī)和傳送滾筒；下車體是整個(gè)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(dòng)導(dǎo)引小車的支撐平臺(tái)，無(wú)論是電路控制部件還是動(dòng)力部件都要通過(guò)底盤支撐，因此底盤的性能在很大程度上決定了自動(dòng)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(gè)參數(shù)決定。根據(jù)小車的重量以及傳感器對(duì)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(diǎn)，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(dòng)輪座、萬(wàn)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(méi)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(fù)面影響，確保運(yùn)行環(huán)境中人和物的安全，AGV自身的防護(hù)設(shè)施非常重要。除設(shè)有非接觸式探測(cè)外，還裝有急停擋板等機(jī)械安全防護(hù)措施。 在實(shí)際應(yīng)用中，每臺(tái)AGV都會(huì)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(yùn)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(huì)對(duì)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(dòng)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(shí)，緩沖器能及時(shí)使自動(dòng)搬運(yùn)車停車。 障礙物接觸式緩沖器是一種強(qiáng)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(dòng)有關(guān)限位裝置，強(qiáng)行使其斷電停車。顯然，這種機(jī)構(gòu)的作用將受到路面的光滑平整度、整車及載貨重量、運(yùn)行速度、限位裝置的靈敏度等因素的影響，其安全保護(hù)措施是終端安全保護(hù)屏障。 3.3 移動(dòng)機(jī)構(gòu) AGV驅(qū)動(dòng)的方式大致可分成兩種，一種為兩臺(tái)電機(jī)各置于左、右兩邊，利用兩臺(tái)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的運(yùn)作與兩輪差速的方式達(dá)到左右轉(zhuǎn)，前進(jìn)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(dòng)方式，即前輪為轉(zhuǎn)向輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪，稱為舵輪型。前輪利用伺服電機(jī)控制連接前輪的連桿，帶動(dòng)前輪左、右轉(zhuǎn)向，而后輪直接利用步進(jìn)電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)承載車前進(jìn)，停止或后退。 圖3.1 差速型轉(zhuǎn)向流程圖 這兩種傳動(dòng)方式有不同的控制流程，第一種利用兩個(gè)左、右電機(jī)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(hào)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(shí)承載車則繼續(xù)前進(jìn)，反之，電機(jī)即會(huì)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(hào)。而第二種則類似汽車轉(zhuǎn)向及傳動(dòng)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(hào)后即時(shí)判斷，控制步進(jìn)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度后，輸出訊號(hào)讓承載車?yán)^續(xù)前進(jìn)。 圖3.2 舵輪型轉(zhuǎn)向流程圖 在本次設(shè)計(jì)中，估計(jì)小車的重量（包含貨物）為50Kg,采用三輪差速驅(qū)動(dòng)的方式，其中后面兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，前輪為萬(wàn)向輪，用于平衡車體。結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。 小車萬(wàn)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(diǎn)，其轉(zhuǎn)動(dòng)部位（腳架轉(zhuǎn)動(dòng)、輪子滾動(dòng)）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(jì)比例，不易發(fā)生熱變形，更耐用。 小車的驅(qū)動(dòng)輪直徑為160mm，采用鑄鐵橡膠面驅(qū)動(dòng)輪，其優(yōu)點(diǎn)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(dòng)能力。兩驅(qū)動(dòng)輪相互獨(dú)立對(duì)稱，通過(guò)2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別進(jìn)行控制，小車通過(guò)差速進(jìn)行方向控制。 圖3.3 AGV車體結(jié)構(gòu)圖 3.4 小車的驅(qū)動(dòng)減速器 小車的減速器采用單級(jí)蝸桿減速器，蝸桿減速器的尺寸不大，同時(shí)可以獲得較大的傳動(dòng)比，工作平穩(wěn)，噪聲小，輸出軸和輸入軸可以不在同一個(gè)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(gè)重要特點(diǎn)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(gè)特點(diǎn)可以使AGV小車能夠方便的實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，不用再單獨(dú)的安裝制動(dòng)器，簡(jiǎn)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(hào)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(jī)構(gòu)采用聯(lián)軸滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行移送貨物，通過(guò)與電機(jī)相連的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)繼而帶動(dòng)其他滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)度為450mm）。 圖3.4 AGV滾筒結(jié)構(gòu)圖 考慮步進(jìn)電機(jī)步步距精度高、輸出轉(zhuǎn)矩大，無(wú)需測(cè)量部件，結(jié)構(gòu)緊湊，且在電脈沖控制下可以快速啟動(dòng)、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(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，它將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或者直線位移，即給一個(gè)脈沖電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。隨著新技術(shù)、新器件的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了細(xì)分驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，即將原來(lái)步進(jìn)電機(jī)的步距角逐步細(xì)化，使原來(lái)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(shí)的振蕩，大大增加了控制精度。根據(jù)移載系統(tǒng)的負(fù)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(jìn)電機(jī)M26473S,為兩相步進(jìn)電機(jī)，力矩可達(dá)1.2Nm，完全可以移載貨物。 3.6 AGV電機(jī)的選擇 3.6.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 1. 運(yùn)行阻力分析 當(dāng)小車勻速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(yùn)行，因而f風(fēng)非常小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)小車加速運(yùn)行時(shí)，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(dòng)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(dòng)軸承 (2)車輪與道路之間的滾動(dòng)摩擦阻力 式中:N---車輪載荷。因?yàn)檐囕啚橛膊馁|(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(dá)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(jī)驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算 式中:v---小車移動(dòng)速度(m/s) v=0.2m/s F---總推力(N)。F=27.7555N ---從電動(dòng)機(jī)到車輪傳動(dòng)的總傳動(dòng)效率，取=0.75 m---驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總數(shù)。m=2 所以功率N=27.75550.2/2/0.75=3.7007W 3.電機(jī)扭矩的計(jì)算 電機(jī)扭矩M是電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。 式中:n---電機(jī)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(gè)步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)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(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，本小車選擇步進(jìn)電機(jī)M26A33S作為驅(qū)動(dòng)電機(jī),其參數(shù)如表3.1所示。 表3.1 M26A33S步進(jìn)電機(jī)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(dòng)慣量（） 360 尺寸（mm）直徑/長(zhǎng)度 56/76 驅(qū)動(dòng)電壓（V） 18-40 3.6.2 移載電機(jī)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(duì)滾筒的最大靜止轉(zhuǎn)矩為： 根據(jù)移載系統(tǒng)的負(fù)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(jìn)電機(jī)M26473S，為兩相步進(jìn)電機(jī)，力矩可達(dá)1.2Nm，完全可以移載貨物。 3.7 AGV小車驅(qū)動(dòng)減速器的設(shè)計(jì) 3.7.1 蝸桿蝸輪設(shè)計(jì) AGV小車驅(qū)動(dòng)減速器選擇單級(jí)蝸桿減速器，蝸桿傳動(dòng)類型為阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)。預(yù)計(jì)每天工作8小時(shí)，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(dòng)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 根據(jù)閉式蝸桿蝸輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。則傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(jì)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(shí)， =2.85 查得，因?yàn)?，因此以上?jì)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(dòng)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(qiáng)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(jī)械手冊(cè)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(jì)與校核 1.軸的材料的選擇和初步估計(jì)軸的直徑 考慮到減速器為普通中用途中小功率減速傳動(dòng)裝置，軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩。 選取軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(jì) （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(gè)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(dòng)軸承型號(hào)6004，為深溝球軸承，，其寬度T=12mm。軸承潤(rùn)滑方式選擇：，選擇脂潤(rùn)滑?？紤]軸承脂潤(rùn)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(dòng)零件相配合的軸段，根據(jù)傳動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)軸承型號(hào)為16005，同樣為深溝球軸承，,其寬度T=12mm。軸承的潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑方式選擇：。選擇脂 圖3.6 渦輪軸的示意圖 潤(rùn)滑?？紤]軸承脂潤(rùn)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(zhǎng)度，軸的總長(zhǎng)：L=5+20+35+5+20+52.5+24=161.5mm。 3.軸的強(qiáng)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(zhǎng)為28mm，同時(shí)為了保證蝸輪與軸配合有良好的對(duì)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(dòng)軸承與軸的同向定位是由過(guò)渡配合來(lái)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面）的強(qiáng)度。軸單向旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力。取α=0.6 軸端計(jì)算應(yīng)力： 故是安全的。 3.7.3 蝸桿軸的設(shè)計(jì)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(dòng)裝置，軸主要傳遞蝸桿的轉(zhuǎn)矩。材料選取45號(hào)鋼，淬火處理，[σb]=600MPa [σb-1] =55MPa。 2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估計(jì)軸的最小直徑 由于該軸輸入端需要與步進(jìn)電機(jī)相連，需使用到聯(lián)軸器，為了使用方面簡(jiǎn)單，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)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(shí)針與逆時(shí)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(cuò)位在平穩(wěn)均勻中得到補(bǔ)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(jì) (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(zhǎng)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(dòng)軸承型號(hào)為6201，軸承為深溝球軸承，，其寬度T=10mm。軸承潤(rùn)滑方式選擇：。選擇脂潤(rùn)滑?？紤]軸承脂潤(rùn)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(guò)渡段，取。 D段 該段為軸的蝸桿部分，其分度圓直徑，長(zhǎng)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(dòng)軸承型號(hào)為6201，軸承為深溝球軸承，，其寬度T=10mm。軸承潤(rùn)滑方式選擇：。選擇脂潤(rùn)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(dòng)載荷Cr=9.38103 N，基本靜載荷Cor=5.02103 N；16005型號(hào)深溝球軸承的額定動(dòng)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(dòng)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(jì)蝸輪時(shí)求得的： N N N N N N （1） 求兩軸承計(jì)算軸向力Fa1和Fa2查表GB/T297-1994 可知e=0.35 N N 軸向力 N 因?yàn)? N （3）求當(dāng)量動(dòng)載荷P1和P2 >e 分別計(jì)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(yàn)算軸承壽命 因?yàn)镻1>P2，故應(yīng)按P1計(jì)算，所以軸承的受力大小計(jì)算： =1821728.7 h >12000h 所以軸承滿足壽命要求。 2．鍵的強(qiáng)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(gè)鍵都合格。 3.7.5 箱體的設(shè)計(jì) 由于AGV小車的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(gè)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(gè)箱體是根據(jù)2個(gè)軸的交錯(cuò)角度，空間，進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì) AGV自動(dòng)導(dǎo)引車的控制系統(tǒng)是自動(dòng)導(dǎo)引車的核心，本章主要介紹控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。在本小車的設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)主要安裝在小車的底盤上面，在設(shè)計(jì)小車的車身構(gòu)造時(shí)，在小車的下層已經(jīng)留有足夠的空間來(lái)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(jī)系統(tǒng)及其外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和傳感器檢測(cè)電路等。 4.1單片機(jī)控制系統(tǒng) 4.1.1 單片機(jī)89C51簡(jiǎn)介 AGV小車的控制系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)，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(chǔ)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(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 A. 主要特性： 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 　　壽命：1000寫/擦循環(huán) 　　數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 　　全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 　　三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 　　128*8位內(nèi)部RAM 　　32可編程I/O線 　　兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 圖4.1 　　5個(gè)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(shí)鐘電路 B.管腳說(shuō)明 VCC：供電電壓。 　　GND：接地。 　　P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)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(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 　　P1口：P1口是一個(gè)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 　　P2口：P2口為一個(gè)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，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(shí)，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(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)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(shí)器0外部輸入） 　　P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）