自动导引小车AVG的设计.doc
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1、AGV自动导引小车的设计摘 要AGV即自动导引小车,它集声、光、电、计算机技术于一体,综合了当今科技领域先进的理论和应用技术。广泛应用在柔性制造系统和自动化工厂中,具有运输效率高、节能、工作可靠、能实现柔性运输等许多优点,极大的提高生产自动化程度和生产效率。本文在分析研究国内外AGV现状与发展的基础上,设计了两后轮独立驱动的自动导引小车,其主要工作内容包括:小车机械传动设计、直流伺服电机的选择、AT89C51单片机控制系统硬件电路、运动学分析、控制系统软件设计及圆弧插补程序。所设计的小车能够实现自主运行、运动轨迹(圆弧、直线)的控制等功能,达到了沿着设定的路线行驶。关键词:自动导引小车,单片机
2、控制,设计,PWM技术Design on Automatic Guided VehicleAbstractThe AGV namely Automatic Guided Vehicle, it collect sound, the light, the electricity, the computer technology in a body, and synthesizes the technical domain advanced theory and the application technology. It widespread applied in the flexible ma
3、nufacturing system and the factory automation, and has the merits of high transportation efficiency, the energy conservation, the work reliable, the flexible transportation. It enormously enhanced production automaticity and production efficiency.Based on the analysis of the domestic and foreign AGV
4、 present situation and its development foundation, AGV with two wheel independent drive is designed. The content of the paper includes: design of mechanical structure and drive of the car, the choice of direct current servo motor, the hardware electric circuit of AT89C51 control system, the kinemati
5、c analysis, the software design of control system and the procedure of interpolation the circular arc. The designed car can realize the functions of independent movement, the path (circular arc, straight line) control and so on, and has achieved to travel along the hypothesis route.Keyword: Automati
6、c Guided Vehicle, singlechip computer control,Design , PWMII目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 AGV自动导引小车简介11.2 AGV自动导引小车的分类11.3国内外研究现状及发展趋势1第二章 机械部分设计22.1设计任务22.2确定机械传动方案22.3直流伺服电动机的选择32.4联轴器的设计5第三章 控制系统的设计193.1 控制系统总体方案193.2 鉴向193.3 计数的扩展203.4 中断的扩展213.5 数摸转换器的选择223.6 电机驱动芯片选择233.7 运动学分析263.8 控制软件的设计27结论3
7、2参考文献(REFERENCES)32致谢32第一章 绪论1.1 AGV自动导引小车简介 AGV(Automatic Guided Vehicle),即自动导引车,是一种物料搬运设备,是能在一位置自动进行货物的装载,自动行走到另一位置,自动完成货物的卸载的全自动运输装置。AGV是以电池为动力源的一种自动操纵的工业车辆。装卸搬运是物流的功能要素之一,在物流系统中发生的频率很高,占据物流费用的重要部分。因此,运输工具得到了很大的发展,其中AGV的使用场合最广泛,发展十分迅速。1.2 AGV自动导引小车的分类自动导引小车分为有轨和无轨两种。所谓有轨是指有地面或空间的机械式导向轨道。地面有轨小车结构牢
8、固,承载力大,造价低廉,技术成熟,可靠性好,定位精度高。地面有轨小车多采用直线或环线双向运行,广泛应用于中小规模的箱体类工件FMS中。高架有轨小车(空间导轨)相对于地面有轨小车,车间利用率高,结构紧凑,速度高,有利于把人和输送装置的活动范围分开,安全性好,但承载力小。高架有轨小车较多地用于回转体工件或刀具的输送,以及有人工介人的工件安装和产品装配的输送系统中。有轨小车由于需要机械式导轨,其系统的变更性、扩展性和灵活性不够理想。无轨小车是一种利用微机控制的,能按照一定的程序自动沿规定的引导路径行驶,并具有停车选择装置、安全保护装置以及各种移载装置的输送小车。无轨小车按引导方式和控制方法的分为有径
9、引导方式和无径引导自主导向方式。有径引导方式是指在地面上铺设导线、磁带或反光带制定小车的路径,小车通过电磁信号或光信号检测出自己的所在位置,通过自动修正而保证沿指定路径行驶。无径引导自主导向方式中,地图导向方式是在无轨小车的计算机中预存距离表(地图),通过与测距法所得的方位信息比较,小车自动算出从某一参考点出发到目的点的行驶方向。这种引导方式非常灵活,但精度低。1.3国内外研究现状及发展趋势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
10、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。目前国内总体看AGV的应用刚刚开始,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,有汽车工业,飞机制造业,家用电器行业,烟草行业,机械加工,仓库,邮电部门等。这说明AGV有一个潜在的广阔市场。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
11、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。第二章 机械部分设计2.1设计任务设计一台自动导引小车AGV,可以在水平面上按照预先设定的轨迹行驶。本设计采用AT89C51单片机作为控制系统来控制小车的行驶,从而实现小车的左、右转弯,直走,倒退,停止功能。其设计参数如下:自动导引小车的长度:500mm自动导引小车的宽度:300mm自动导引小车的行驶速度:100mm/s2.2确定机械传动方案方案一:采用三轮布置结构。直流伺服电动机经过减速器和差速器,通过两半轴将动力传递到两后轮。自动导引小车的转向由转向机构
12、驱动前面的一个万向轮转向。传动系统如图2-1所示。图2-1 传动方案一方案二:采用四轮布置结构。自动导引小车采用两后轮独立驱动差速转向,两前轮为万向轮的四轮结构形式。直流伺服电动机经过减速器后直接驱动后轮,当两轮运动速度不同时,就可以实现差速转向。传动系统如图2-2所示。图2-2 传动方案二四轮结构与三轮结构相比较有较大的负载能力和较好的平稳性。方案一有差速器和转向机构,故机械传动误差大。方案二采用两套蜗轮-蜗杆减速器及直流伺服电动机,成本相对于方案一较高,但它的传动误差小,并且转向灵活。因此,采用方案二作为本课题的设计方案。2.3直流伺服电动机的选择伺服电动机的主要参数是功率(KW)。但是,
13、选择伺服电动机并不按功率,而是更根据下列三个指标选择。运动参数:AGV行走的速度为100mm/s,则车轮的转速为 (2-1)电机的转速 选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=62 (2-2)自动导引小车的受力分析: 图2-3 车轮受力简图小车车架自重为P (2-3)小车的载荷为G (2-4)取坐标系OXYZ如图2-3所示,列出平衡方程由于两前轮及两后轮关于Y轴对称,则 , , (2-5) , (2-6)解得 两驱动后轮的受力情况如图2-4所示:滚动摩阻力偶矩的大小介于零与最大值之间,即 (2-7) (2-8)其中滚动摩阻系数,查表5-2,=210,取=6mm 牵引力F为 (2-9) 图2-4 后轮受力
14、图2-5 摩擦系数 牵引力 F N 重物的重力 W N滚子直径 D mm 传递效率 传动装置减速比 1/G1) 求换算到电机轴上的负荷力矩() (2-10) 取=0.7, =157.66, =0.152) 求换算到电机轴上的负荷惯性() (2-11) 其中 为车轮的转动惯量;为蜗杆的转动惯量;为蜗轮的转动惯量;为蜗轮轴的转动惯量。3) 电机的选定根据额定转矩和惯量匹配条件,选择直流伺服电动机。电机型号及参数:MAXON F2260 60mm 石墨电刷 80W 匹配条件为 (2-12)即 惯量 (2-13)其中为伺服电动机转子惯量 故电机满足要求。4) 快移时的加速性能最大空载加速转矩发生在自动
15、导引小车携带工件,从静止以阶跃指令加速到伺服电机最高转速时。这个最大空载加速转矩就是伺服电动机的最大输出转矩。 (2-14)加速时间 (2-15)其中 机械时间常数2.4联轴器的设计由于电动机轴直径为8mm,并且输出轴削平了一部分与蜗杆轴联接部分轴径为12mm,故其结构设计如图2-6所示。图2-6 联轴器机构图联轴器采用安全联轴器,销钉直径d可按剪切强度计算,即 (2-16)销钉材料选用45钢。查表5-2 优质碳素结构钢(GB 699-88)45 调质 200mm =637MPa =353MPa =17% =35% 硬度217255HBS 销钉的许用切应力为 (2-17) 过载限制系数k值 查
16、表14-4 取k=1.6 T=0.321Nm 选用d=5mm满足剪切强度要求。2.5蜗杆传动设计1.选择蜗杆的传动类型根据GB/T 10085-1988的推荐,采用渐开线蜗杆(ZI)。2.选择材料蜗杆要求表面硬度和耐磨性较高,故材料选用40Cr。蜗轮用灰铸铁HT200制造,采用金属模铸造。3.蜗杆传动的受力分析确定作用在蜗轮上的转矩T2按Z=1,估取效率=0.7,则 (2-18)图2-7 蜗轮-蜗杆受力分析各力的大小计算为 (2-19) (2-20) (2-21) 4.按齿根弯曲疲劳强度进行设计根据开式蜗杆传动的设计准则,按齿根弯曲疲劳强度进行设计。蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况,多数发生
17、在蜗轮齿数较多或开式传动中。弯曲疲劳强度条件设计的公式为 (2-22)确定载荷系数K由于工作载荷较稳定,故取载荷分布不均系数K=1,由表11-15选取使用系数KA=1.15。由于转速不高,冲击不大,可取动载系数KV=1.1,则 (2-23)由表11-8得,蜗轮的基本许用弯曲应力 假设 31048,蜗轮的当量齿数 (2-24)根据,从图11-19中可查得齿形系数 螺旋角系数 (2-25) 由表11-2得 中心距a=50mm 模数m=1.25mm 分度圆直径 蜗杆头数 直径系数17.92 分度圆导程角=31138 蜗轮齿数 变位系数5.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1)蜗杆轴向齿距 (2-26)齿
18、顶圆直径 (2-27)齿根圆直径 (2-28)蜗杆轴向齿厚 (2-29)2)蜗轮传动比 (2-30)蜗轮分度圆直径 (2-31)蜗轮喉圆直径 (2-32)蜗轮齿根圆直径 (2-33)蜗轮咽喉母圆半径 (2-34)6.精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的自动导引小车属于精密传动,从GB/T 10089-1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择6级精度,侧隙种类为7.热平衡核算由于该蜗轮-蜗杆传动是开式传动,蜗轮-蜗杆产生的热传递到空气中,故无须热平衡计算。2.6轴的设计2.6.1前轮轴的设计前轮轴只承受弯矩而不承受扭矩,故属于心轴。 图2-8 前轮轴结构 1.求作用在轴上的力自动导引小车的前轮受
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