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圖書分類號：
密 級：
畢業(yè)設計(論文)
全自動送料小車設計
DESIGN OF AUTOMATIC FEED VEHICLE
學生姓名
沈聰
學院名稱
機電工程學院
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
指導教師
張宏艷
2008年
6月
2日
徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)
徐州工程學院學位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。
本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。
論文作者簽名： 日期： 年 月 日
徐州工程學院學位論文版權(quán)協(xié)議書
本人完全了解徐州工程學院關(guān)于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，即：本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學院所擁有。徐州工程學院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學院可以公布學位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。
論文作者簽名： 導師簽名：
日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
摘要
全自動送料小車集聲、光、電、計算機技術(shù)于一體，綜合了當今科技領域先進的理論和應用技術(shù)。廣泛應用在柔性制造系統(tǒng)和自動化工廠中，具有運輸效率高、節(jié)能、工作可靠、能實現(xiàn)柔性運輸?shù)仍S多優(yōu)點，極大的提高生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)效率。
本文在分析國內(nèi)外送料裝置的現(xiàn)狀與發(fā)展的基礎上，設計了兩后輪獨立驅(qū)動的自動送料小車。其主要設計過程是根據(jù)小車的設計要求合理設計小車的機械結(jié)構(gòu)，由小車的速度選擇合適的直流伺服電動機，然后根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速和小車速度對蝸桿傳動進行設計，再由小車的載荷和速度合理設計軸的結(jié)構(gòu)并選用合適的軸承，最后根據(jù)小車的行駛要求設計單片機控制系統(tǒng)。所設計的小車通過單片機控制直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向能夠?qū)崿F(xiàn)其前進、后退、轉(zhuǎn)彎的功能，達到了沿著設定的路線行駛的目的。
本次設計方案的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊、負載能力大、平穩(wěn)性好、傳動誤差小、轉(zhuǎn)向靈活并且控制簡便。
關(guān)鍵詞：全自動送料小車；蝸桿傳動；單片機
Abstract
Automatic Feed Vehicle integrates sound, light, electricity and the computer technology, and synthesizes advanced theory and the application technology in this world. It is applied widely in the flexible manufacturing system and the automated factory, and has the merits of high transportation efficiency, energy conservation, the operation reliable and the flexible transportation. It can enormously increase production automation levels and production efficiency.
Based on analyzing present situation and development of feeding equipment at home and abroad, two wheels of independent drive are designed. The design process of the car includes: mechanical structure design according to the design requirements, choosing direct current motors based on the speed of the car, then making the worm drive design according to the speed of the motors and car, then to design the axis structure and choose the bearings based on the load and speed of the car, at last making the control system of the microprocessors design according to driving request of the car.
This car can realize independence functions of forward recession and turning through the microprocessor controlling speed and steering of the direct current servo motors .It will drive along specific route.
The advantages of design scheme: small in size, great load capacity, smooth driving, small errors of transmission, high maneuverability and convenient operation.
Keyword: Automatic Feed Vehicle Worm drive Microprocessor
III
徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)
目 錄
1 緒論 1
1.1 全自動送料小車簡介 1
1.2 全自動送料小車的分類 1
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
2機械部分設計 3
2.1 設計任務 3
2.2 確定機械傳動方案 3
2.3 車體計算 4
2.4 直流伺服電動機的選擇 4
2.4.1運動參數(shù) 4
2.4.2 電機的轉(zhuǎn)速 4
2.4.3 全自動送料小車的受力分析 5
2.4.4 求換算到電機軸上的負荷力矩 6
2.4.5 求換算到電機軸上的負荷慣性 6
2.4.6 電機的選定 6
2.4.7 電機的驗算 7
2.5 聯(lián)軸器的設計 7
2.6 蝸桿傳動設計 8
2.6.1 選擇蝸桿的傳動類型 8
2.6.2 選擇材料 8
2.6.3 蝸桿傳動的受力分析 8
2.6.4 初選 9
2.6.5 中心距計算 9
2.6.6 傳動基本尺寸 10
2.6.7 齒面接觸疲勞強度驗算 10
2.6.8 輪齒彎曲疲勞強度驗算 10
2.6.9 蝸桿軸撓度驗算 11
2.6.10.精度等級公差的確定 11
2.6.11 熱平衡核算 11
2.7 軸的設計 11
2.7.1 前輪軸的設計 11
2.7.2 后輪軸的設計 14
2.8 滾動軸承選擇計算 18
2.8.1 前輪軸上的軸承 18
2.8.2 蝸桿軸上的軸承 19
2.8.3 后輪上的軸承 21
3 控制系統(tǒng)的設計 23
3.1 控制系統(tǒng)總體概述 23
3.2 鑒相 23
3.3 計數(shù)的擴展 24
3.4 中斷的擴展 25
3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇 26
3.6 電機驅(qū)動芯片選擇 28
3.7 控制軟件的設計 30
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻 34
附錄 35
附錄1 35
英文翻譯 35
中文翻譯 42
35
1 緒論
1.1 全自動送料小車簡介
全自動送料車（即稱AGV），是一種物料搬運設備，是能在某一位置自動進行貨物的裝載，自動行走到另一位置的全自動運輸裝置。它是以電池為動力源的一種自動操縱的工業(yè)車輛。裝卸搬運是物流的功能要素之一，在物流系統(tǒng)中發(fā)生的頻率很高，占據(jù)物流費用的重要部分。因此，運輸工具得到了很大的發(fā)展，其中AGV的使用場合最廣泛，發(fā)展十分迅速。
1.2 全自動送料小車的分類
自動送料小車分為有軌和無軌兩種。
所謂有軌是指有地面或空間的機械式導向軌道。地面有軌小車結(jié)構(gòu)牢固，承載力大，造價低廉，技術(shù)成熟，可靠性好，定位精度高。地面有軌小車多采用直線或環(huán)線雙向運行，廣泛應用于中小規(guī)模的箱體類工件FMS中。高架有軌小車（空間導軌）相對于地面有軌小車，車間利用率高，結(jié)構(gòu)緊湊，速度高，有利于把人和輸送裝置的活動范圍分開，安全性好，但承載力小。高架有軌小車較多地用于回轉(zhuǎn)體工件或刀具的輸送，以及有人工介入的工件安裝和產(chǎn)品裝配的輸送系統(tǒng)中。有軌小車由于需要機械式導軌，其系統(tǒng)的變更性、擴展性和靈活性不夠理想。
無軌小車是一種利用微機控制的，能按照一定的程序自動沿規(guī)定的引導路徑行駛，并具有停車選擇裝置、安全保護裝置以及各種移載裝置的輸送小車。無軌小車按引導方式和控制方法分為有徑引導方式和無徑引導自主導向方式。有徑引導方式是指在地面上鋪設導線、磁帶或反光帶指定小車的路徑，小車通過電磁信號或光信號檢測出自己的所在位置，通過自動修正而保證沿指定路徑行駛。無徑引導自主導向方式中，地圖導向方式是在無軌小車的計算機中預存距離表（地圖），通過與測距法所得的方位信息比較，小車自動算出從某一參考點出發(fā)到目的點的行駛方向。這種引導方式非常靈活，但精度低。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
AGV是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、自動化立體倉庫而產(chǎn)生并發(fā)展起來的。日本人認為柔性加工系統(tǒng)誕生于1981年，這樣計算AGV大規(guī)模應用的歷史也只有15至20年。但是，其發(fā)展速度是非?？斓?。1981年美國通用公司開始使用AGV，1985年AGV保有量500臺，1987年AGV保有量3000臺。資料表明歐洲40%的AGV用于汽車工業(yè)，日本15%的AGV用于汽車工業(yè)，也就是說AGV在其他行業(yè)也有廣泛的應用。
目前國內(nèi)總體看AGV的應用剛剛開始，相當于國外80年代初的水平。但從應用的行業(yè)分析，分布面非常廣闊，有汽車工業(yè)，飛機制造業(yè)，家用電器行業(yè)，煙草行業(yè)，機械加工，倉庫，郵電部門等[1]。這說明AGV有一個潛在的廣闊市場。
AGV從技術(shù)的發(fā)展看，主要是從國家線路向可調(diào)整線路；從簡單車載單元控制向復雜系統(tǒng)計算機控制；從原始的定期通訊到先進的實時通訊等方向發(fā)展；從落后的現(xiàn)場控制到先進的遠程圖形監(jiān)控；從領域的發(fā)展看，主要是從較為集中的機械制造、加工、裝配生產(chǎn)線向廣泛的各行業(yè)自動化生產(chǎn)，物料搬運，物品倉儲，商品配送等行業(yè)發(fā)展。
2機械部分設計
2.1 設計任務
設計一臺全自動送料小車，可以在水平面上按照預先設定的軌跡行駛。本設計采用AT89C51單片機作為控制系統(tǒng)來控制小車的行駛，從而實現(xiàn)小車的左、右轉(zhuǎn)彎，直走，倒退，停止功能。
其設計參數(shù)如下：
全自動送料小車的長度：
全自動送料小車的載重：
全自動送料小車的寬度：
全自動送料小車的高度：
全自動送料小車的行駛速度：
2.2 確定機械傳動方案
方案一：采用三輪布置結(jié)構(gòu)。直流伺服電動機經(jīng)過減速器和差速器，通過兩半軸將動力傳遞到兩后輪。全自動送料小車的轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機構(gòu)驅(qū)動前面的一個萬向輪轉(zhuǎn)向。傳動系統(tǒng)如圖2-1所示。
圖2-1 傳動方案一
方案二：采用四輪布置結(jié)構(gòu)。全自動送料小車采用兩后輪獨立驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向，兩前輪為萬向輪的四輪結(jié)構(gòu)形式。直流伺服電動機經(jīng)過減速器后直接驅(qū)動后輪，當兩輪運動速度不同時，就可以實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。傳動系統(tǒng)如圖2-2所示。
圖2-2 傳動方案二
四輪結(jié)構(gòu)與三輪結(jié)構(gòu)相比較有較大的負載能力和較好的平穩(wěn)性。方案一有差速器和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，故機械傳動誤差大。方案二采用兩套蝸輪-蝸桿減速器及直流伺服電動機，成本相對于方案一較高，但它的傳動誤差小，并且轉(zhuǎn)向靈活。因此，采用方案二作為本課題的設計方案。
2.3 車體計算
根據(jù)設計要求車體材料選用Q235，因為車體采用矩形狀，所以其抗彎截面系數(shù)[2]為：
式（2.1）
車體厚度：
式（2.2）
式中 ——表示Q235的屈服極限；
——表示車體收受到的最大彎矩；
——表示小車寬度。
2.4 直流伺服電動機的選擇
伺服電動機的主要參數(shù)是功率(KW)。但是，選擇伺服電動機并不按功率，而是根據(jù)下列指標選擇。
2.4.1運動參數(shù)
小車行走的速度為3m/s，則車輪的轉(zhuǎn)速為：
式（2.3）
式中 ——表示小車后輪直徑。
2.4.2 電機的轉(zhuǎn)速
選擇蝸輪-蝸桿的減速比 i=10
式（2.4）
2.4.3 全自動送料小車的受力分析
圖2-3 車輪受力簡圖
小車車架自重為P N 式（2.5）
小車的載荷為G N 式（2.6）
式中 ——表示小車長度；
——表示貨物的質(zhì)量；
——表示小車材料密度。
取坐標系OXYZ如圖2-3所示，列出平衡方程
由于兩前輪及兩后輪關(guān)于Y軸對稱，則 ，
， 式（2.7）
， 式（2.8）
解得 式（2.9）
兩驅(qū)動后輪的受力情況如圖2-4所示：
圖2-4 后輪受力圖
滾動摩阻力偶矩的大小介于零與最大值之間，即
式（2.10）
M 式（2.11）
其中δ滾動摩阻系數(shù)，查表5-2，δ=40~60，取δ=50mm
牽引力F為：
式（2.12）
2.4.4 求換算到電機軸上的負荷力矩
式（2.13）
取=0.7, =1392.58, =0.15
式中 ——表示摩擦系數(shù)；
F——表示牽引力；
W——表示重物的重力；
D——表示后輪直徑；
——表示傳遞效率；
——表示傳動裝置減速比。
2.4.5 求換算到電機軸上的負荷慣性
式（2.14）
式中 ——表示車輪的轉(zhuǎn)動慣量；
——表示蝸桿的轉(zhuǎn)動慣量；
——表示蝸輪的轉(zhuǎn)動慣量；
——表示渦輪軸的轉(zhuǎn)動慣量。
2.4.6 電機的選定
根據(jù)額定轉(zhuǎn)矩和慣量匹配條件，選擇直流伺服電動機。
電機型號及參數(shù)見表2-1。
表2-1 電動機參數(shù)
型號
電刷材料
額定功率
轉(zhuǎn)子慣量
電機直徑
電機軸直徑
電機長度
效率
MAXONF2260
石墨
1KW
1290
320
20
200
70%
2.4.7 電機的驗算
式（2.15）
即
式中 ——表示電機轉(zhuǎn)子慣量。
由以上計算可以看出所選的直流電動機滿足設計要求。
2.4.8快移時的加速性能
最大空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在全自動送料小車沒有攜帶工件，從靜止以階躍指令加速到伺服電機最高轉(zhuǎn)速時。這個最大空載加速轉(zhuǎn)矩就是伺服電動機的最大輸出轉(zhuǎn)矩。
式（2.16）
加速時間 式（2.17）
式中 ——表示機械時間常數(shù)為19.
2.5 聯(lián)軸器的設計
由于電動機軸直徑為Φ20mm，輸出軸銷平一部分后與聯(lián)軸器相連，聯(lián)軸器的直徑為Ф50mm，其結(jié)構(gòu)設計如圖2-5所示。
圖2-5 聯(lián)軸器機構(gòu)圖
聯(lián)軸器采用安全聯(lián)軸器，銷釘直徑d可按剪切強度計算，即
式（2.18）
式中 K—— 表示過載限制系數(shù)；
T ——表示電機轉(zhuǎn)矩；
D——表示聯(lián)軸器直徑；
Z——表示銷的個數(shù)。
銷釘材料選用45鋼。查表5-2知：
表2-2 45鋼力學性能
牌號
試樣毛坯尺寸
硬度HBS
45
217~225
637
353
17%
35%
0.39
銷釘?shù)脑S用切應力為；
式（2.19）
過載限制系數(shù)k值由表14-4查 得k=1.6
式（2.20）
由計算可知選用d=5mm的銷釘滿足剪切強度要求。
2.6 蝸桿傳動設計
2.6.1 選擇蝸桿的傳動類型
根據(jù)GB/T 10085-1988的推薦，采用漸開線蝸桿(ZI)。
2.6.2 選擇材料
蝸桿要求表面硬度和耐磨性較高，故材料選用40Cr。蝸輪用灰鑄鐵HT300制造，采用金屬模鑄造。
2.6.3 蝸桿傳動的受力分析
確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2：
按Z=2，由電機參數(shù)表2-1得η=0.7,則
式（2.21）
圖2-6 蝸輪-蝸桿受力分析
各力的大小計算為；
F 式（2.22）
式（2.23）
式（2.24）
2.6.4 初選
當量摩擦系數(shù) 設=2m/s~5m/s，查表13-6取大值
選值 在圖13.11的i=10線上選?。?
=0.40，（z=2），
2.6.5 中心距計算
蝸輪轉(zhuǎn)距 式（2.25）
=9.55
=46103.45
使用系數(shù) 按題意查表12.9 K
轉(zhuǎn)速系數(shù) Z=（ Z=0.7
彈性系數(shù) 根據(jù)蝸輪材料查表13.2 Z
壽命系數(shù) = Z=1.09
接觸系數(shù) 由圖13.12查出 =2.7
接觸疲勞極限 查表13.2 =265MPa
接觸疲勞最小安全系數(shù) 自定
中心距
==78.56
取
2.6.6 傳動基本尺寸
蝸桿頭數(shù) =2.07 式(2.26)
取=2。
蝸輪齒數(shù) =20 式(2.27)
模數(shù) =8 式(2.28)
蝸桿分度圓直徑 = a=0.40=40 式(2.29)
蝸輪分度圓直徑 式(2.30)
蝸桿導程角 式(2.31)
=21.8
蝸輪寬度 式(2.32)
=48
蝸桿圓周速度 式(2.33)
相對滑動速度 式(2.34)
當量摩擦系數(shù) 由表13.6查得（與假設有出入，毋須作調(diào)整，以計算為準），
2.6.7 齒面接觸疲勞強度驗算
許用接觸應力 []==0.7=156MPa 式(2.35)
最大接觸應力 ==152=92.4MPa 式(2.36)
因為< []所以按齒面接觸疲勞強度驗算該蝸桿合格。
2.6.8 輪齒彎曲疲勞強度驗算
齒根彎曲疲勞強度極限 由表13.2查得
彎曲疲勞最小安全系數(shù) 自定
許用彎曲疲勞應力 =82MPa 式（2.37）
輪齒最大彎曲應力 [] 式（2.38）
由輪齒彎曲疲勞強度驗算可知該蝸桿滿足要求。
2.6.9 蝸桿軸撓度驗算
軸慣性距 式（2.39）
允許蝸桿撓度 [=0.032mm 式（2.40）
蝸桿軸撓度 式（2.41）
=
=0.001
通過對蝸桿的撓度驗算此蝸桿合格。
2.6.10.精度等級公差的確定
考慮到所設計的全自動送料小車屬于精密傳動，從GB/T 10089-1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇6級精度。
2.6.11 熱平衡核算
由于該蝸輪-蝸桿傳動是開式傳動，蝸輪-蝸桿產(chǎn)生的熱傳遞到空氣中，故無須熱平衡計算。
2.7 軸的設計
2.7.1 前輪軸的設計
前輪軸只承受彎矩而不承受扭矩，故屬于心軸。
圖2-7 前輪軸結(jié)構(gòu)
2.7.1.1 求作用在軸上的力
全自動送料小車的前輪受力，受力如圖2-8a所示。
由式（2.9）得 式（2.42）
式（2.43）
2.7.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設計
1）擬定軸上零件的裝配方案
裝配方案是：左輪輻板、右輪輻板、螺母、套筒、滾動軸承、軸用彈性擋圈依次從軸的右端向左安裝，左端只安裝滾動軸承和軸用彈性擋圈。這樣就對各軸段的順序作了初步安排。
2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
(1)初步選擇滾動軸承。全自動送料小車前輪軸只受彎矩的作用，主要承受徑向力而軸向力較小，故選用單列深溝球軸承。由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取單列深溝球軸承6214，其尺寸為d×D×T=70mm×125mm×24mm,故。
右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得6214型軸承的定位軸肩高度h=4.5mm，因此取。
(2)取安裝左、右輪輻處的軸段Ⅵ的直徑;輪輻的左端采用軸肩定位，右端用螺母夾緊輪輻。已知輪輻的寬度為125mm，為了使螺母端面可靠地壓緊左右輪輻，此軸段應略短于輪輻的寬度，故取。左右輪輻的左段采用軸肩定位，軸肩高度，取h=6mm，則軸環(huán)處的直徑。軸環(huán)寬度b≥1.4h，取。
(3)軸用彈性擋圈為標準件。選用型號為GB 894.1-85 50，其尺寸為,故
, ,。
其余尺寸根據(jù)前輪軸上關(guān)于左右輪輻結(jié)合面基本對稱可任意確定尺寸，確定了軸上的各段直徑和長度如圖2-7所示。
3）軸上零件的軸向定位
左右輪輻與軸的軸向定位采用平鍵聯(lián)接。按由手冊查得平鍵截面b×h=25mm×14mm。
(GB/T 1095-1979),鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為100mm(標準鍵長見GB/T 1096-1979),同時為了保證左右輪輻與軸配合有良好的對中性，故選擇左右輪輻與軸的配合為H7/n6。滾動軸承與軸的軸向定位是借過度配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為j7。
4）確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑為R1。
2.7.1.3.求軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖。
圖2-8 前輪軸的載荷分析圖
式（2.44）
式（2.45）
式（2.46）
2.7.1.4.按彎曲應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩的截面強度。最大負彎矩在截面C上，。
對截面C進行強度校核，由公式
式（2.47）
由表15-1查得，45號鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后其許用彎曲應力為。
在C處的抗彎截面系數(shù)為：
式（2.48）
因此該軸滿足強度要求。
2.7.2 后輪軸的設計
后輪軸在工作中既承受彎矩又承受扭矩，故屬于轉(zhuǎn)軸。
圖2-9 后輪軸結(jié)構(gòu)
2.7.2.1 求后輪軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
取蝸輪-蝸桿傳動的效率=0.7,則
式（2.49）
2.7.2.2 作用在蝸輪上的力
2.7.2.3 軸的結(jié)構(gòu)設計
1)擬定軸上零件的裝配方案
裝配方案是：蝸輪、套筒、左端的深溝球軸承、軸用彈性擋圈依次從軸的左端向右安裝；右端的深溝球軸承、透蓋、輪輻、軸端蓋依次從軸右端向左安裝。
2)根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
(1)初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列深溝球軸承。單列深溝球軸承6218，其尺寸為d×D×T=90mm×160mm×30mm，故。
右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得6218型軸承的定位軸肩高度h=6mm,因此，取。
(2)軸用彈性擋圈為標準件。選用型號為GB 894.1-86 50,其尺寸為，故，。
(3)取安裝輪輻處的軸段Ⅵ的直徑。輪輻的寬度為125mm,為了使軸端擋圈可靠地壓緊輪輻，此軸段應略短于輪輻的寬度，故取。
其余尺寸根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)可任意選取。確定了軸上的各段直徑和長度如圖2-9所示。
3)軸上零件的軸向定位
蝸輪與軸的軸向定位采用平鍵聯(lián)接。按由手冊查得平鍵截面b×h=14mm×9mm,鍵槽長為40mm。輪輻與軸的配合為H8/h7。
4)確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑為R1。
2.7.2.4 求軸上的載荷
后輪軸上的受力分析如圖2-10。
圖中L1=L2=61mm ；L3=106mm。
1)在水平面上后輪軸的受力簡圖為2-11。
由靜力平衡方程求出支座A、B的支反力
式(2.5)
三個集中力作用的截面上的彎矩分別為：
式(2.51)
式(2.52)
圖2-10 后輪軸受力圖
圖2-11 水平受力和彎矩圖
圖2-12 垂直受力和彎矩圖
圖2-13 合成彎矩
2)在垂直面上后輪軸的受力簡圖如圖2-12所示。
由靜力平衡方程求出支座A、B的支反力
式（2.53）
式（2.54）
， 式(2.55)
解得： 式（2.56）
， 式(2.57)
（與假設方向相反）
在段中，將截面左邊外力向截面簡化，得
其中 式(2.58)
在段中，同樣將截面左邊外力向截面簡化，得
其中 式(2.59)
在段中，同樣將截面右邊外力向截面簡化，得
其中 式(2.60)
計算A、B、C、D截面的總彎矩M如圖2-13所示。
式(2.61)
式(2.62)
后輪軸上的轉(zhuǎn)矩
2.7.2.5 按彎扭合成應力校核軸的強度
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D）的強度。
由式（15-5）得
式(2.63)
式中 ——表示折合系數(shù)為0.6。
為軸D處的抗彎截面系數(shù)：
選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得許用彎曲應力
因為，所以該軸滿足強度要求。
2.8 滾動軸承選擇計算
2.8.1 前輪軸上的軸承
要求壽命，轉(zhuǎn)速，軸承的徑向力，軸向力。
由上述條件試選軸承。
試選6214型軸承，查表16-2
表2-3 6214軸承性能
（脂）
1） 按額定動載荷計算
由公式
式(2.64)
對深溝球軸承=3，
式(2.65)
查表13-6 全自動送料小車
代入得
故6214型軸承能滿足要求。
按額定靜載荷校合
由公式 式（2.66）
查表13-8，選取=2
式(2.67)
代入上式，滿足要求。
2.8.2 蝸桿軸上的軸承
要求壽命，轉(zhuǎn)速，軸承的徑向載荷，作用在軸上的軸向載荷。
由上述條件試選軸承。
選2207型軸承，查表5-24得
表2-4 2207軸承性能
（脂）
圖2-11 蝸桿軸的軸承受力圖
1） 按額定動載荷計算
式(2.68)
因為 式(2.69)
所以 ， 式(2.70)
式(2.71)
查表15-12，
， ， 式(2.72)
式(2.73)
， ， 式(2.74)
式（2.75）
由公式
式（2.76）對調(diào)心球軸承
式(2.77)
式(2.78)
均小于滿足要求。
2）按額定靜載荷校核
由公式
式（2.79）
查表13-14，取
式（2.80）
式（2.81）
式（2.82）
均小于，滿足要求。
3）極限轉(zhuǎn)速校核
由公式（15-11）
式(2.83)
， 由圖15-5得
， 由圖15-6得
式(2.84)
，由圖15-5得
， 由圖15-6得
式(2.85)
因為小于和所以該軸承滿足要求。
2.8.3 后輪上的軸承
要求軸承的壽命，轉(zhuǎn)速，軸承A的徑向載荷 式（2.86）
軸承B的徑向載荷 式（2.87）
軸向載荷為。由于軸承A承受的載荷大于軸承B的載荷，故只需對軸承A進行校核。
由上述給定條件試選軸承
試選6218型軸承，查表15-19
表2-5 6218軸承性能
（脂）
1）按額定動載荷計算
由公式 式（2.88）
對深溝球軸承，
式（2.89）
由 查表15-19 ，
由 式（2.90）
查表15-12 得
代入得：
式（2.91）
式（2.92）
故6218型軸承能滿足要求。
2）按額定靜載荷校核
由公式
式(2.93)
查表15-14，選取
由
查表15-19， 時，
得 式（2.94）
代入上式，滿足要求。
2） 極限轉(zhuǎn)速校核
式（2.95）
由 查圖15-5
查圖15-6
代入
式（2.96）
滿足要求。
3 控制系統(tǒng)的設計
3.1 控制系統(tǒng)總體概述
本系統(tǒng)使用AT89C51單片機作為核心的控制運算部分。連接在電機上的數(shù)字編碼器在電機運轉(zhuǎn)時發(fā)出的脈沖信號，經(jīng)過自行設計和制作的脈沖鑒相電路，可以得到電機的運轉(zhuǎn)方向；來自鑒相電路的正反方向的脈沖信號進入到兩塊8253計數(shù)器進行計數(shù)，以獲得電機的旋轉(zhuǎn)速度和位移；經(jīng)過在AT89C51單片機上運行的各種控制程序的適當運算以后，輸出的控制量經(jīng)過兩塊DAC1208轉(zhuǎn)換器變成模擬量，輸出到兩塊UC3637直流電動機脈寬調(diào)制器，通過H橋開關(guān)放大器，作為執(zhí)行機構(gòu)的速度或者力矩給定，從而控制電機的運轉(zhuǎn)，使整個全自動送料小車能夠完成所設計的控制任務。
整個控制系統(tǒng)的組成框圖如下：
圖3-1 控制系統(tǒng)的組成框圖
3.2 鑒相
伺服電機根據(jù)控制要求能夠工作在四個不同的象限，作為系統(tǒng)的狀態(tài)檢測部分，必須能夠檢測電機的轉(zhuǎn)速及分辨電機不同的旋轉(zhuǎn)方向。安裝在電機旋轉(zhuǎn)軸上的數(shù)字編碼器在電機運轉(zhuǎn)時能夠產(chǎn)生相位相差90度的兩路脈沖信號，電機的旋轉(zhuǎn)方向可以由鑒相電路對此兩路脈沖進行鑒相后獲得，其原理[9]如圖3-2所示。
圖3-2 鑒相原理圖
伺服電機反轉(zhuǎn)時，A相脈沖超前于B相脈沖90度，在cp十端輸出反向計數(shù)脈沖，當正轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前于A相脈沖90度，在cp一端輸出正向計數(shù)脈沖，見圖3-3中的(b)和(c}所示，分辨出的脈沖進入脈沖計數(shù)電路進行計數(shù)，再由計算機讀入進行處理。其電路圖見圖3-3中的(a)所示。
圖3-3 電機轉(zhuǎn)向分辨電路圖
本次設計使用的數(shù)字編碼器為500P/ R ,即電機每旋轉(zhuǎn)一周輸出500個脈沖,電機到車輪的減速齒輪的減速比為10 : 1 ,因此車輪每前進或者后退一周產(chǎn)生500×10 即5000個脈沖,可見分辨率非常高。編碼器的脈沖輸出為差動形式,鑒相電路接收差動形式的脈沖信號,鑒相后輸入到8253計數(shù)器。
3.3 計數(shù)的擴展
為了得到驅(qū)動輪運轉(zhuǎn)的速度、位移等,而數(shù)字編碼器的輸出經(jīng)過鑒相電路提供的是電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)脈沖,必須對這些脈沖分別進行計數(shù)、運算才能得到所要的速度、位移等狀態(tài)量。本系統(tǒng)中使用了兩塊8253計數(shù)器,每塊芯片具有三個16 位計數(shù)器。四個獨立的計數(shù)器即1# 、2 # 、3 # 和4 # 分別用于兩臺電機的正/ 反轉(zhuǎn)脈沖的計數(shù)。
8253可編程定時器／計數(shù)器可由軟件設定定時與計數(shù)功能，設定后與CPU并行工作，不占用CPU時間，功能強，使用靈活。它具有3個獨立的16位計數(shù)器通道，每個計數(shù)器都可以按照二進制或二十進制計數(shù)，每個計數(shù)器都有6種工作方式，計數(shù)頻率可高達2MHz，芯片所有的輸入輸出都與TTL兼容。
8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖[8]如圖3-4所示；引腳[8]如圖3-5所示。
圖3-4 8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
圖3-5 8253引腳圖
U6芯片中計數(shù)器0和計數(shù)器1用于左輪電機正反轉(zhuǎn)計數(shù)，并處于工作方式3。U7芯片中計數(shù)器0和計數(shù)器1用于右輪電機正反轉(zhuǎn)計數(shù)，并處于工作方式3。在中斷服務程序中,這四個計數(shù)器分別對兩臺伺服電機的正/ 反脈沖進行計數(shù),所得到的計數(shù)值減掉上一次的計數(shù)值,就可以得到在這一時間周期內(nèi)的各路脈沖數(shù)。右輪反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)和左輪反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)的結(jié)果分別存于臨時變量temp 1、temp 2、temp 3 和temp 4 中,在主程序中通過對它們進行運算就可以得到小車的狀態(tài)量了。
3.4 中斷的擴展
AT89C51單片機是使用兩個級聯(lián)的8259A 中斷控制器來控制中斷的。主8259A 芯片上的IRQ2 擴展成從片上的IRQ8~IRQ15 使用。8259A作為一種可編程中斷控制器，是一種集成芯片。它用來管理輸入到CPU的各種中斷申請，主要外圍設備，能提供中斷向量、屏蔽各種中斷輸入等功能。每一個8259A芯片都能直接管理8級中斷，最多可以用9片8259A芯片級連，由其構(gòu)成級連機構(gòu)可以管理64級中斷。
8259A的外部引腳[8]如圖3-6。
圖3-6 8259A引腳圖
：數(shù)據(jù)線，CPU通過數(shù)據(jù)線向8259A發(fā)送各種控制命令和讀取各種狀態(tài)信息。
INT：中斷請求，和CPU的INTR引腳相連，用來向CPU提出中斷請求。
：中斷響應，接收CPU的中斷響應信號。
：讀信號，低電平有效，通知8259A將某個寄存器的內(nèi)容送到數(shù)據(jù)總線上。
：寫信號，低電平有效，通知8259A從數(shù)據(jù)線上接受數(shù)據(jù)（即命令字）。
：片選信號，低電平有效。
：端口選擇，指出當前哪個端口被訪問。
：接收設備的中斷請求。
：級聯(lián)端，指出具體的從片。在采用主從式級聯(lián)的多片8259A的系統(tǒng)中，主從片的對應連接在一起。
：主從片/緩沖器允許，雙功能引腳，雙向。它有兩個用處：當作為輸入時，用來決定本片8259A是主片還是從片。作為輸出時，當從8259A往CPU傳送數(shù)據(jù)時，由引出的信號作為總線啟動信號，以控制總線緩沖器的接收和發(fā)送。
本次設計采用兩片8259A進行級聯(lián)：主片的引腳連接從片的中斷請求INT，如果某一個引腳下面沒有連接從片，則可以直接連接外部中斷請求；而主片、從片的中斷響應信號和數(shù)據(jù)信號互相連在一起。主片CAS和從片CAS互相連在一起，當從片數(shù)量較多時，可以在主片CAS和從片CAS之間增加驅(qū)動器。主片的接高電平。從片的接低電平。在8259A的主從式級聯(lián)方式中，中斷的優(yōu)先級設置類似于單片機的情況。
3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇
將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(digital-analog converter),簡稱為DAC。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有分辨率、轉(zhuǎn)換精度、線性誤差和建立時間。
分辨率是指最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。本次設計采用DAC1208芯片，故其分辨率為。
轉(zhuǎn)換精度是以最大的靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。DAC1208芯片為12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器其最大誤差為:,精度為。
線性度是指DAC的實際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之間的最大偏移差。
建立時間是在數(shù)字輸入端發(fā)生滿量程碼的變化以后，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的模擬輸出穩(wěn)定到最終值±1/2(最低有效位)時所需要的時間，當輸出的模擬量為電流時，這個時間很短。
DAC1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳[8]如圖3-7和圖3-8所示。
。
圖3-7 DAC1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3-8 DAC1208的引腳圖
DAC1208內(nèi)部對輸入數(shù)據(jù)具有兩級緩存：8位輸入寄存器、4位輸入寄存器和12位DAC寄存器，這三個寄存器可以分別選通。
DAC1208有三種工作方式：單緩沖方式、雙緩沖方式、直通方式。
所謂的單緩沖方式就是使DAC1208的兩個輸入寄存器中有一個處于直通方式，而另一個處于受控的鎖存方式。
所謂雙緩沖方式，就是把DAC1208的兩個鎖存器都接成受控鎖存方式。本次設計采用雙緩沖方式，目的是為了讓兩個直流伺服電機能夠?qū)崿F(xiàn)同步。
所謂直通方式，輸入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式，即信號均有效，數(shù)據(jù)被直接送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。
本次設計采用DAC1208芯片的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器其工作步驟為：為高電平時，選中數(shù)據(jù)輸入到8位輸入寄存器；當為低電平時，選中數(shù)據(jù)輸入到4位輸入寄存器；片選信號，低電平有效，和輸入鎖存信號一起決定第一級數(shù)據(jù)鎖存是否有效。第一級允許鎖存，高電平有效。寫信號1，作為第一級鎖存信號，必須和同時有效。寫信號2，作為第二級鎖存信號，必須和同時有效?？刂菩盘?，低電平有效，和一起決定第二級數(shù)據(jù)鎖存是否有效。模擬電流輸出端，DAC寄存器全1時最大，全0時為0。模擬電流輸出端，和有一個常數(shù)差：常數(shù)，此常數(shù)對應一個固定基準電壓的滿量程電流。參考電壓輸入端，電壓范圍為。
3.6 電機驅(qū)動芯片選擇
電機驅(qū)動采用PWM技術(shù)[6]來驅(qū)動直流伺服電動機。PWM技術(shù)為脈寬調(diào)制技術(shù)，可通過輸入直流電壓，在其輸出可以得到頻率固定、脈沖幅度一定、脈沖寬度與輸入信號成線性關(guān)系的方波脈沖串，利用該方波脈沖串驅(qū)動功率放大電路，從而控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。采用PWM技術(shù)的優(yōu)點是，PWM具有較高的切換頻率，這有助于克服伺服電機的靜摩擦力矩，與其線性功率放大器相比，功耗低且效率高，因而在伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。為了改善伺服電機的運行特性，必須適當選擇PWM的切換頻率，其選擇可參考以下原則：
1)切換頻率應能使電機軸產(chǎn)生微振，以克服靜摩擦，改善運行特性。即[6]
式(3.1)
式（3.2）
式中 ——表示PWM的切換頻率；
——表示電機頻率；
K——表示力矩常數(shù)；
——表示PWM電源電壓；
L——表示電感；
T——表示電機靜摩擦力矩。
2)微振的最大角位移應小于設定的位置誤差。即[6]
式(3.3)
式中 J——表示轉(zhuǎn)動慣量；
——表示設定的位置誤差。
3)盡量減少電機產(chǎn)生的高頻功耗。即應使得[6]