机电一体化毕业设计(论文)-自动导引小车(AGV)系统的设计.doc
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1、- 1 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 毕毕 业业 设设 计(论计(论 文)文) 设计设计( (论文论文) )题目:题目:AGVAGV 自动导引小车自动导引小车 姓姓 名名 学学 号号 系系 部部 专专 业业 机电一体化 年年 级级 06 级 6 班 指导教师指导教师 2010 年 4 月 24 日 - 2 自动导引小车(AGV)系统的设计 摘 要 随着工厂自动化、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(Automatic Guided Vehicle)即自动导引车作为联系和调节离 散型物流系统以使其作业连续化的必要的自动化搬
2、运装卸手段,其应用范围和技术水平 得到了迅猛的发展。 AGV 是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾驶自动 导引运载车,其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。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, 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 在国内外的发展现状和应用情况,在此基础上,结合毕业设计的课题 要求,设计了红外导引 AGV 小车。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,结合课题要求,选择“红外导引” 作为该系统的
3、导引方式。 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.根据 AGV 系统的控制和工艺要求,确定了控制系统的总体框架结构。硬件方面,选 择合适的传感器、单片机以及电机驱动器,对传感检测电路和单片机控制系统硬件电路 进行了设计:软件方面,采用模块化的编程方式来实现系统的各种功能,并实现了单片机 与电机控制器之间的串口通信。 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。 关键词: AGVAGV;单片机;驱动控制电路;行走策略;控制策略;串口通信。 - 3 THE DESIGN OG AGV SYSTEM
4、 ABSTRACT With the growing of Factory Automation, Computer Integrated Manufacture System and extensive application of Flexible Manufacture System、Automatic Warehouse, the application field and technical level of AGV which contact and adjust the discrete logistics system, make the mission continuous,
5、 has greatly enlarged and improved. AGV is the unmanned driver automatic guided vehicle which has its untouched guided equipment, its control center is the microcontroller and storage battery is driving power, its basic function of automatic action is guided driving, recognizing the address to stop
6、precisely and remove the load. As the valid measure of contemporary logistics processing automation and the key equipment of flexible manufacture system, the AGV has already got more and more extensive application, so that the research on AGV has very important theory meaning and realistic meaning.
7、The dissertation introduced the applications and developments of AGV at home and abroad. Combining with the request of this graduation project topic, we designed a whole infrared rays guided vehicle. The main work in this dissertation was arranged as follows: 1. The constitution of AGV system, the p
8、ath guided means and their principles were discussed. According to the requests of the topic, infrared rays guided method was used in the AGV system. 2. The design of AGV mechanical structure was introduced, in terms of driving manner and working requests, the type of the chassis, electrical motor a
9、nd storage battery etc. was chosen and designed. 3. According to the control and the craftwork requests of the AGVS, the total frame structure of control system was designed. About hardware, the right sensor, MCU and motor controller had been chosen, the sensing circuits and MCU controlling hard cir
10、cuits was designed, about software, to achieve many system functions, and to realize serial communication between the MCU and motor controller, blocking programming method was employed. 4. On the base of summarizing the dissertation, the development prospect of AGV research was put forward. Key word
11、s: AGV; MCU; Drive and control circuit; Running str - 4 目录 第 1 章 绪 论.7 1.1 概述 7 1.2 发展趋势及发展前景 7 13 AGV 系统的构成与 AGV 的结构 .8 1.3.1 AGV 系统的构成.8 1.3.2 AGV 的结构.9 第 2 章 AGV 的总体设计 10 2. 1 总体设计 10 2. 2 小车运动分析 13 2.3 传感器的选用 .14 2.3.1 总体设计与实现14 2.3.2 声波传感器避障原理14 2.3.3 声波模块具体功能简介15 2.3.4 规格参数15 第 3 章 AGV 机械结构和驱动
12、转向系统的设计 .16 3.1 AGV 机械结构的设计 .16 3.1.1 车体尺寸结构设计 .17 3.1.2 驱动方式的选择 18 3.1.3 传感器的布置 .19 3.2.1 电机的选择20 - 5 3.2.2 行走系统的驱动装置21 3.4 电源部分选择 24 第 4 章控制系统与行走策略25 4.1 控制系统 .25 4.1.1 控制系统总体方案25 2).计数的扩展26 3).中断的扩展27 4).数模转换器的选择28 5).5).电机驱动芯片选择30 4.1.2 电源模块33 4.1.3 光电耦合器(TLP521-4)34 4.2 行走策略 .34 4. 3 传感器采样.35 4
13、. 4 控制策略.35 4. 5 动作类型 36 4.5.1 直线路径行走36 4.5.2 特殊路径的行走37 4.5.3 左转弯37 4.5.4 右转弯37 4.5.5 停车37 第 5 章 总结与展望.38 - 6 5.1 全文总结 .38 5.2 研究展望 .38 感谢39 参考文献40 - 7 第第 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 概述概述 AGV(Automatic Guided Vehicle)自动导引车是上世纪 50 年代发展起来的智能 搬运型机器人。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
14、计算机系统控制,完成 无人驾驶及作业的设备。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 AGV(Automated Guided Vehicles)10 万台以上。近年来,自动化技术呈现加速发展的趋势,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,与传统的传送辊道或传送带相比, AGV 输送路线具有施工简单、路径灵活,不占用空间、较好的移动性、柔性等优点。 1.21.2 发展趋势及发展前景发展趋势及发展前景
15、1913 年,美国福特汽车公司使用有轨底盘装配车。1953 年,美国 Barrett Electric 制 造了世界上第一台采用埋线电磁感应式的跟踪路径自动导向车,也被称作“无人驾驶牵 引车” 。20 世纪 70 年代中期,具有载货功能的 AGV 在欧洲得到迅速发展和推广应用,并 被引入美国用于自动化仓储系统和柔性装配系统的物料运输。从 80 年代初开始,新的导 向方式和技术得到更广泛研究和开发。90 年代以来,AGV 从仅由大公司应用,正向小公 司单台应用转变,而且其效率和效益更好。AGV 按照引导方式不同分为:固定路径导引、 自由路径导引等。按照移载方式不同分为:侧叉式移载、叉车式移载、推
16、挽式移载、辊 道输送机式移载、升降台式移载、机械手式移载等. 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
17、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,它常用于工厂,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,地下采矿厂中进行材料运输,也用于海洋和太空探索 - 8 等。这说明 AGV 有一个潜在的广阔市场。 1 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。 自动导航车开发的一个
18、主要领域是导航和控制,导航的本质就是避免迷路和与障碍物相撞 成功的到达目的地.所以,自动导引小车具有很大的发展前景. 13AGVAGV 系统的构成与系统的构成与 AGVAGV 的结构的结构 1.3.11.3.1 AGVAGV 系统的构成系统的构成 AGV 一般采用轮式驱动,具有电动车的特征。AGV 小车能在地面控制系统的统一调度 下,自动搬运货物,实现自动化的物料传送。因其具有灵活性、智能化等特点,能够方 便地重组系统,达到生产过程中的柔性化运输之目的。较之传统的人工或半人工的物料 输送方式,AGV 系统大大减轻了劳动强度和危险性,提高了工作效率,在机械、电子、纺 织、卷烟、医疗、食品、造纸等
19、行业都可以发挥作用。国外的 AGV 系统设计,应用水平 都比较高,应用范围也很广泛。国内的应用相对少一些,但是在各方面的共同努力下, 国内的 AGV 系统的设计水平和应用水平正在接近或赶超国际先进水平。 AGV 系统由控制台、通讯系统、地面导航系统、充电系统、AGV 和地面移载设备组成, 如图 1-1 所示。 待命站 充电系统 路径AGV 图 1-1 AGV 系统示意图 其中主控计算机负责 AGV 系统与外部系统的联系与管理,它根据现场的物料需求状 况向控制台下达 AGV 的输送任务。在 AGV 电池容量降到预定值后,充电系统给 AGV 自动 地面移 栽设备 - 9 充电。地面移载设备一般采用
20、滚道输送机、链式输送机等将物料从自动化仓库或工作现 场自动移载到 AGV 上,反之也可以将物料从 AGV 上移载下来并输送到目的地。AGV、充电 系统、地面移载设备等都可以根据实际需要及工作场地任意布置,这也体现了 AGV 在自 动化物流中的柔性特点。 1.3.21.3.2 AGVAGV 的结构的结构 AGV 由车载控制系统、车体系统、导航系统、行走系统、移载系统和安全与辅助系统 组成。 (1)车载控制系统 车载控制系统是 AGV 的核心部分,一般由计算机控制系统、导航系统、通讯系统、 操作面板及电机驱动器构成.计算机控制系统可采用 PLC、单片机及工控机等。导航系统 根据导航方式不同可分为电
21、磁导航、磁条导航、激光导航和惯性导航等不同形式.通过导 航系统能使 AGV 确定其自身位置,并能沿正确的路径行走。通讯系统是 AGV 和控制台之 间交换信息和命令的桥梁,由于无线电通讯具有不受障碍物阻挡的特点,一般在控制台 和 AGV 之间采用无线电通讯,而在 AGV 和移载设备之间为了定位精确采用光通讯.操作面 板的功能主要是在 AGV 调试时输入指令,并显示有关信息,通过 RS232 接口和计算机相 连接。AGV 上的能源为蓄电池,所以 AGV 的动作执行元件一般采用直流电动机、步进电动 机和直流伺服电机等。 (2)车体系统 它包括底盘、车架、壳体和控制器、蓄电池安装架等,是 AGV 的躯
22、体,具有电动车 辆的结构特征。 (3)行走系统 它一般由驱动轮、从动轮和转向机构组成.形式有三轮、四轮、六轮及多轮等,三轮 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、差速转向或独立转向方 式。 (4)移载系统 它是用来完成作业任务的执行机构,在不同的任务和场地环境下,可以选用不同的 移载系统,常用的有滚道式、叉车式、机械手式等。 (5)安全与辅助系统 为了避免 AGV 在系统出故障或有人员经过 AGV 工作路线时出现碰撞,AGV 一般都带有 障碍物探测及避撞、警音、警视、紧急停止等装置。另外,还有自动充电等辅助装置。 (6)控制台 控制台可以采用普通的 IBM-PC 机,如条件恶
23、劣时,也可采用工业控制计算机,控制 台通过计算机网络接受主控计算机下达的 AGV 输送任务,通过无线通讯系统实时采集各 AGV 的状态信息。根据需求情况和当前各 AGV 运行情况,将调度命令传递给选定的 - 10 AGV。AGV 完成一次运输任务后在待命站等待下次任务。如何高效地、快速地进行多任务 和多 AGV 的调度,以及复杂地形的避碰等一系列问题都需要软件来完成。由于整个系统 中各种智能设备都有各自的属性,因此用面向对象设计的 C+语言来编程是一个很好的选 择。在编程时要注意的是 AGV 系统的实时性较强,为了加快控制台和 AGV 之间的无线通 讯以及在此基础上的 AGV 调度,编程中最好
24、采用多线程的模式,使通讯和调度等各功能 模块互不影响,加快系统速度。 (7)通讯系统 通讯系统一方面接受监控系统的命令,及时、准确地传送给其它各相应的子系统, 完成监控系统所指定的动作:另一方面又接收各子系统的反馈信息,回送给监控系统,作 为监控系统协调、管理、控制的依据。 由于 AGV 位置不固定,且整个系统中设备较多,控制台和 AGV 间的通讯最适宜用无 线通讯的方式。控制台和各 AGV 就组成了一点对多点的无线局域网,在设计过程中要注 意两个问题: 无线电的调制问题 无线电通讯中,信号调制可以用调幅和调频两种方式。在系统的工作环境中,电磁 干扰较严重,调幅方式的信号频率范围大,易受干扰,
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