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畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要 AGV 即自動引導小車，它集聲、光、電、計算機技術于一體，綜合了當今科 技領域先進的理論和應用技術。廣泛應用在柔性制造系統和自動化工廠中，具有 運輸效率高、節(jié)能、工作可靠、能實現柔性運輸等許多優(yōu)點，極大的提高生產自 動化程度和生產效率。 本文在分析研究國內外 AGV 現狀與發(fā)展的基礎上，設計了兩后輪獨立驅動的 自動引導小車，其主要工作內容包括：小車機械傳動設計、直流伺服電機的選擇、 AT89C51 單片機控制系統硬件電路、運動學分析、控制系統軟件設計及圓弧插補 程序。所設計的小車能夠實現自主運行、運動軌跡（圓弧、直線）的控制等功能， 達到了沿著設定的路線行駛。 關鍵詞 自動引導小車 單片機控制設計 PWM 技術 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 I 頁 共 I 頁 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要 Title Design on Automatic Guided Vehicle Abstract The 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 manufacturing 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 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 kinematic 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. Keywords Automatic Guided Vehicle Singlechip computer control of design PWM Technique 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 II 頁 共 II 頁 目 錄 1 緒論 .1 1.1 AGV 自動引導小車簡介 .1 1.2 自動引導小車的分類 .1 1.3 國內外研究現狀及發(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 直流伺服電動機的選擇 .4 2.4 聯軸器的設計 .7 2.5 蝸桿傳動設計 .8 2.6 軸的設計 .10 2.7 滾動軸承選擇計算 .18 3 控制系統的設計 .23 3.1 控制系統總體方案 .23 3.2 鑒向 .23 3.3 計數的擴展 .24 3.4 中斷的擴展 .26 3.5 數摸轉換器的選擇 .27 3.6 電機驅動芯片選擇 .29 3.7 運動學分析 .33 3.8 控制軟件的設計 .34 結束語 .42 致謝 .43 參考文獻 .44 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 44 頁 1 緒論 1.1 AGV 自動引導小車簡介 AGV(Automatic Guided Vehicle),即自動引導車，是一種物料搬運設備，是能 在某位置自動進行貨物的裝載，自動行走到另一位置，自動完成貨物的卸載的全自 動運輸裝置。AGV 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，在物流系統中發(fā)生的頻率很高，占據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 自動引導小車的分類 自動引導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。地面有軌小車結構牢固，承載 力大，造價低廉，技術成熟，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，結構緊湊，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體工 件或刀具的輸送，以及有人工介入的工件安裝和產品裝配的輸送系統中。有軌小車 由于需要機械式導軌，其系統的變更性、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 按照引導方式和控制方法的分為有徑引導方式和無徑引導自主導向方式。有徑引導 是指在地面上鋪設導線、磁帶或反光帶制定小車的路徑，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 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢 AGV 是伴隨著柔性加工系統、柔性裝配系統、計算機集成制造系統、自動化立體 倉庫而產生并發(fā)展起來的。日本人認為 1981 年是柔性加工系統元年，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)展速度是非常快的。1981 年美國 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 44 頁 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 。1 目前國內總體看 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 。這說明 AGV 有一個潛在的廣闊市場。1 AGV 從技術的發(fā)展看，主要是從國家線路向可調整線路；從簡單車載單元控制向 復雜系統計算機控制；從原始的段點定期通訊到先進的實時通訊等方向發(fā)展；從落 后的現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、裝配生產線向廣泛的各行業(yè)自動化生產、物料搬運、物品倉儲、商品 配送等行業(yè)發(fā)展。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 44 頁 2 機械部分設計 2.1 設計任務 設計一臺自動引導小車 AGV，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來控制小車的行駛，從而實現小車的左、右轉彎、 直走、倒退、停止功能。 其設計參數如下： 應達到的技術要求如下： 自動引導小車的長度：500mm 1.負載35 KG 自動引導小車的寬度：300mm 2.小車轉彎半徑71 CM 自動引導小車的行駛速度：100mm/s 3.小車最大速度10 m/s 2.2 確定機械傳動方案 方案一：采用三輪布置結構。直流伺服電動機經過減速器和差速器，通過兩半 軸將動力傳遞到兩后輪。自動引導小車的轉向由轉向機構驅動前面的一個萬向輪轉 向。傳動系統如圖 2.1 所示。 圖 2.1 傳動方案一 方案二：采用四輪布置結構。自動引導小車采用兩后輪獨立驅動差速轉向，兩 前輪為萬向輪的四輪結構形式。直流伺服電動機經過減速器后直接驅動后輪，當兩 輪運動速度不同時，就可以實現差速轉向。傳動系統如圖 2.2 所示。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 44 頁 圖 2.2 傳動方案二 四輪結構與三輪結構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 器和轉向機構，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，并且轉向靈活。因此，采用方 案二作為本課題的設計方案。 2.3 直流伺服電動機的選擇 伺服電動機的主要參數是功率(KW)。但是，選擇伺服電動機并不按功率，而是 更根據下列三個指標選擇。 運動參數：AGV 行走的速度為 100mm/s，則車輪的轉速為 （2.1）2.75r/min1403.610dvn 電機的轉速 選擇蝸輪-蝸桿的減速比 i=62 n140.5r/mi2.76電i （2.2） 自動引導小車的受力分析如圖 2.3 所示： 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 44 頁 OGPFBFCFAFD 2.3 車輪受力簡圖 小車車架自重為 P （2.3）134N9.80.23.5102.83 abhgp 小車的載荷為 G （2.4）mg 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于 Y 軸對稱，則 ，ABFCD ， （2.5）0zF20CPG ， （2.6）xM0.75.12.3CF 解得 15.6NBA 84NDCF 兩驅動后輪的受力情況如圖 2.4 所示： 滾動摩阻力偶矩 的大小介于零與最大值之間，即f （2.7）max0Mf N946.0.1576.max NF （2.8） 其中 滾動摩阻系數，查表 5-2 ， =210，取 =6mm 2 牽引力 F 為 （2.N5.1307.9462maxdMF 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 44 頁 9） 電 機 1/GW 圖 2.4 后輪受力 圖 2.5 前輪受力 摩擦系數 牽引力 F N 重物的重力 W N 滾子直徑 D mm 傳遞效率 傳動裝置減速比 1/G （1） 求換算到電機軸上的負荷力矩（ ）LT （2.10）mN587.0108.9624.15.13 .2)(GDWFL 取 =0.7, =157.66 , =0.15W （2） 求換算到電機軸上的負荷慣性（ ）LJ （2.11） 21234LZJ22mKg036189. 064.13.076.(4 其中 為車輪的轉動慣量； 為蝸桿的轉動慣量；1J2J 為蝸輪的轉動慣量； 為蝸輪軸的轉動慣量。3 4 （3） 電機的選定 根據額定轉矩和慣量匹配條件，選擇直流伺服電動機。 電機型號及參數：MAXON F2260 60mm 石墨電刷 80W J M = 1290gcm2 匹配條件為 3 2maxgc89.361L AOSPF 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 44 頁 max0.251LMJ （2.12） 即 361.89.0.2851 慣量 J 2gcm89.651.39LMJ （2.13） 其中 為伺服電動機轉子慣量 故電機滿足要求。M （4）快移時的加速性能 最大空載加速轉矩發(fā)生在自動引導小車攜帶工件，從靜止以階躍指令加速到伺 服電機最高轉速 時。這個最大空載加速轉矩就是伺服電動機的最大輸出轉矩 。maxn maxT N91.076.0413289.16502aax tJT （2.14） 加速時間 （2.15）S076.19.4MaT 其中，機械時間常數 ms19 2.4 聯軸器的設計 由于電動機軸直徑為 8mm，并且輸出軸削平了一部分與蝸桿軸聯接部分軸徑為 12mm，故其結構設計如圖 2.6 所示。 電 機 軸蝸 桿 軸 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 44 頁 圖 2.6 聯軸器機構圖 聯軸器采用安全聯軸器，銷釘直徑 d 可按剪切強度計算，即 4 （2.16）8mKTDZ 銷釘材料選用 45 鋼。查表 5-2 優(yōu)質碳素結構鋼（GB 699-88） 45 5 調質200mm =637MPa =353MPa =17% =35% bss2x0.39MJ/ 硬度 217255HBS 銷釘的許用切應力為 （2.17）47.5Pa630.5.8)(07b 過載限制系數 k 值 查表 14-4 取 k=1.6 4 mN587.0T m64.075.12.38.d 選用 d=5mm 滿足剪切強度要求。 2.5 蝸桿傳動設計 2.5.1 選擇蝸桿的傳動類型 根據 GB/T 10085-1988 的推薦，采用漸開線蝸桿(ZI)。 2.5.2 選擇材料 蝸桿要求表面硬度和耐磨性較高，故選用材料 40Cr。蝸輪用灰鑄鐵 HT200 制造， 采用金屬模鑄造。 2.5.3 蝸桿傳動的受力分析如圖 2.7 所示 確定作用在蝸輪上的轉矩 T2 按 Z=1，故取效率 =0.7,則 4 （2.18）23508N.m.70819.5109.5109.5 6126262 /inPnPT 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 44 頁 圖 2.7 蝸輪-蝸桿受力分析 各力的大小計算為 （2.19）N4.52.87211 dTFat （2.20）6.0.321ta （2.21）8.2tan60tn21 rF 2.5.4 按齒根彎曲疲勞強度進行設計 根據漸開線蝸桿傳動的設計準則，按齒根彎曲疲勞強度進行設計。蝸輪輪齒因 彎曲強度不足而失效的情況，多數發(fā)生在蝸輪齒數較多或漸開線傳動中。 彎曲疲勞強度條件設計的公式為 4 （2.22）221.53FaKTmdYz 確定載荷系數 K4 由于工作載荷較穩(wěn)定，故取 0 載荷分布不均系數 K =1，由表 11-15 選取使用4 系數 KA=1.15。由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數 KV=1.1,則 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 44 頁 （2.23）1.5.1265AVK 由表 11-8 得，蝸輪的基本許用彎曲應力 F=48MPa 4 假設 31048，蝸輪的當量齒數 26z （2.24）23362.29cos10Vz48 根據 ， ，從圖 11-19 中可查得齒形系數 20 x26.9Vz4 2.3FaY 螺旋角系數 （2.25）1970Y10 32 m.348625.53dm 由表 11-2 得 4 中心距 a=50mm 模數 m=1.25mm 分度圓直徑 2.41d 蝸桿頭數 直徑系數 17.92 3125dm1z 分度圓導程角 =31138 蝸輪齒數 變位系數2620.x 2.5.5 蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸 (1) 蝸桿 軸向齒距 （2.26）m925.3.14mPa 齒頂圓直徑 （2.27）9.4.121 hd 齒根圓直徑 （2.28）m275.).250.(4.)(21cadf 蝸桿軸向齒厚 （2.29）961321mS (2) 蝸輪 傳動比 （2.30）216zi 蝸輪分度圓直徑 （2.31）m5.762.12mzd 蝸輪喉圓直徑 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 44 頁 m1.804.125.7)(222 ）（xhamda （2.32） 蝸輪齒根圓直徑 （2.33）475.)2.041(25.7)(222 cxhadf 蝸輪咽喉母圓半徑 （2.34）m9.82022agdr 2.5.6 精度等級公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設計的自動引導小車屬于精密傳動，從 GB/T 10089-1988 圓柱蝸桿、 蝸輪精度中選擇 6 級精度，側隙種類為 d,標注為 6d,GB/T 10089-1988。 2.5.7 熱平衡核算 由于該蝸輪-蝸桿傳動是漸開線傳動，蝸輪-蝸桿產生的熱傳遞到空氣中，故無 須熱平衡計算。 2.6 軸的設計 2.6.1 前輪軸的設計（結構如圖 2.8） 前輪軸只承受彎矩而不承受扭矩，故屬于心軸。 圖 2.8 前輪軸結構 （1）求作用在軸上的力 自動引導小車的前輪受力，受力如圖 2-9a 所示。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 44 頁 CF N42.08.2121 CF （2）軸的結構設計 （a）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 粗細順序作了初步安排。 （b）根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 初步選擇滾動軸承。自動引導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。由軸承產品目錄中初步選取單列深溝球軸承 6004，其尺寸為 dDT=20mm42mm12mm,故 d =d =d =20mm。 右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得 6004 型軸承的定位軸肩高 度 h=2.5mm，因此取 d =25mm。 取安裝左、右輪輻處的軸段的直徑 d =30mm;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 34mm，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 l =32mm。左右輪輻的左段采用軸肩定位，軸肩 高度 ，取 h=3mm，則軸環(huán)處的直徑 d =36mm。軸環(huán)寬度 b1.4h，取0.7hd l =5mm。 軸用彈性擋圈為標準件。選用型號為 GB 894.1-86 20，其尺寸為 d0=20mm,故 d =d =19mm ,l =l =1.1mm ,l =13-1.1=11.9。 其余尺寸根據前輪軸上關于左右輪輻結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 2.8 所示。 （c）軸上零件的周向定位 左右輪輻與軸的周向定位采用平鍵聯接。按 d由手冊查得平鍵截面 bh=8mm7mm(GB/T 1095-1979),鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為 28mm(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。滾動軸承與軸的周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。 （d）確定軸上圓角和倒角尺寸 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 44 頁 取軸端倒角為 145，各軸肩處的圓角半徑為 R1。 （3）求軸上的載荷 首先根據軸的結構圖作出軸的計算簡圖。根據軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖 McM 圖 2.9 前輪軸的載荷分析圖 N42.08.2121 cFm3921L 8.576391 LMC （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， 。mN38.1576C 對截面 C 進行強度校核，由公式 4 （2.35）1caMW 由表 15-1 得，45 鋼 調質 4 P601 由表 15-4 得， （2.36）3 2323 m84.0)(48.)( dtbW 1MPa69.157ca 因此該軸滿足強度要求，故安全。 2.6.2 后輪軸的設計 后輪軸在工作中既承受彎矩又承受扭矩，故屬于轉軸。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 44 頁 圖 2.10 后輪軸結構 （1）求后輪軸上的功率 、轉速 和轉矩2P2n2T 取蝸輪-蝸桿傳動的效率 =0.7,則 （2.37）KW056.78.02 r/min75.2n mN23T （2）作用在蝸輪上的力 N6.02tF4.2aF8.02rF （3）初步確定軸的最小直徑 先按式（15-2 初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為 45 鋼，調質處理。根4 據表 15-3 ，取 =115，于是得40A （2.38）m5.17.206153320min PAd 后輪軸的最小直徑是安裝輪輻處軸的直徑 。由于輪輻與軸采用鍵聯結，故d d =26mm。 （4）軸的結構設計 （a）擬定軸上零件的裝配方案 裝配方案是：蝸輪、套筒、深溝球軸承、軸用彈性擋圈依次從軸的左端向右安 裝；右端安裝深溝球軸承、透蓋、內輪輻、軸端擋圈從右端向左安裝。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 44 頁 （b）根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 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 6206，其尺寸為 dDT=30mm62mm16mm，故 d =d =d =30mm。 右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得 6206 型軸承的定位軸肩高 度 h=3mm,因此，取 d =36mm。 軸用彈性擋圈為標準件。選用型號為 GB 894.1-86 30,其尺寸為 d0=30mm，故 d =28.6mm， l =1.7mm。 取安裝輪輻處的軸段的直徑 d =26mm。輪輻的寬度為 27mm,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 。26lm 其余尺寸根據零件的結構可任意選取。確定了軸上的各段直徑和長度如圖 2.10 所示。 （c）軸上零件的周向定位 蝸輪與軸的周向定位采用平鍵聯接。按 由手冊查得平鍵截面 bh=8mm7mm,d 鍵槽長為 25mm。輪輻與軸的配合為 H8/h7。 （d）確定軸上圓角和倒角尺寸 取軸端倒角為 145，各軸肩處的圓角半徑為 。1R （5）求軸上的載荷 后輪軸上的受力分析 2.11a。 L1=L2=27.5mm L3=41mm (a) 在水平面上后輪軸的受力簡圖為 2.11b。 由靜力平衡方程求出支座 A、B 的支反力 N3.06.2121 tNHFF 三個集中力作用的截面上的彎矩分別為 m8.45.73.01 LMNHDAHBM 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 共 44 頁 圖 2.11 后輪軸的載荷分析圖 (b) 在垂直面上后輪軸的受力簡圖 2.11c。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 共 44 頁 由靜力平衡方程求出支座 A、B 的支反力 NFaNV4.522 m5.037DMa （2.39） ， 0A 2121130raNVFLMFLL （2.40） 122131NVraFL )415.27(6.5.205.7875. =-127.87 ， 0yF1220NVrFF （2.41） 122NVrNVF =220.8-157.66+127.87 =190.01N 在 段中，將截面左邊外力向截面簡化，得AD (2.42)1110.9)(XFXMNV1027.5x 在 段中，同樣將截面左邊外力向截面簡化，得B (2.43)21227.5NVraxxM.2 =190.0127.5+190.01X2-220.8X2+2030.5 =7283.275-29.79X2 在 段中，同樣將截面右邊外力向截面簡化，得BC (2.44)333157.6MxFx3041x 0VAC 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 共 44 頁 mN75.2.01.9左VDM .830975283右 6.46.VB 計算 A、B、C、D 截面的總彎矩 M 0ACmN497.857.5238.412221 左VDHDM (2.45) (2.46)6.103.22222 右VDHD mN640EBM 后輪軸上的轉矩 2358T （6）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4 (2.47)MPa83.784.2)506(.1073)( 222 WTMDCa 其中， 為折合系數，取 =0.6 為軸的抗彎截面系數，由表 15-4 得W4 3 323 m84.20)(801.)( dtb 選定軸的材料為 45 鋼，調質處理，由表 15-1 查得 -1=60MPa 4 因此 ，故安全。1ca 2.7 滾動軸承選擇計算 2.7.1 前輪軸上的軸承 要求壽命 Lh2500h ，轉速 ，軸承的徑向力r/min96.28104.310dvn 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁 共 44 頁 ，軸向力 。N42.0rF0aF （1）由上述條件試選軸承 試選 6004 型軸承，查表 16-2 4 K38.9rCKN02.5OCr/min150lin （2）按額定動載荷計算 由式 (2.48) 4 610hlP 對球軸承 =3， (2.49) PraPrfXFYf 查表 13-6 自動引導小車 4 1.2 代入得 N504.84. 93.710968504.83 C 故 6004 型軸承能滿足要求。 （3）按額定靜載荷校核 由式 (2.50)0CSP 查表 13-8 ，選取 =240S (2.51)N42.000rarFYX 代入上式， 滿足要求。N84.2.5200PC 2.7.2 蝸桿軸上的軸承 要求壽命 ，轉速 ，軸承的徑向載荷 ，作hhLr/min5.10n 4.10r 用在軸上的軸向載荷 。6.nF （1） 由上述條件試選軸承 選 30203 型軸承，查表 5-24 5 （脂潤滑） KN8.9rC2.130Cr/min90lin0.35e 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁 共 44 頁 圖 2.12 蝸桿軸上的軸承受力 （2） 按額定動載荷計算 (2.52)N47.321021YFSr 12 69.47.3SSa ，1F.2aPrfXF 查表 15-12 ， 5.2Pf ， ， 1639.780.3504arFe 0.41.7YN8.129)6.1.(21 ， ， 23.90.350.4ar eFX0 48.12.)(22 arpYFXfP 由式 15 60hnLCP03N64125.458.12906310631 hnLPC0.31063162h 均小于 滿足要求。12 N0 （3） 按額定靜載荷校核 由表 515 0CSP 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 共 44 頁 查表 15-14 ，取 501.8S10.79.52arFY N86.1.6014.101 arFXP 20.94.52arF N.120r 均小于 ，滿足要求。012P3C （4） 極限轉速校核 由式 (2.53) max12linf ，由圖 15-5 得 1290.58.62PC5f ，由圖 15-6 得 1.7arF520.fr/min901maxn ，由圖 15-5 得 213.480.679PC51f ，由圖 15-6 得 2.arF52f r/min9012maxn 小于 和 滿足要求。nmax12 2.7.3 后輪軸上的軸承 要求軸承的壽命 ，轉速 ，軸承 A 的徑向載荷h50hLr/in75.2n ；軸承 B 的徑向載荷N08.319.622121 NVHrF ；軸向載荷為 。由于軸9.6222r NFa2.65 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。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁 共 44 頁 （1）由上述給定條件試選軸承 試選 6206 型軸承，查表 15-19 5 （脂潤滑）KN91.4rCKN01.rCr/min950lin （2）按額定動載荷計算 由式 610hLP 對球軸承 ，3 PrafXFY 由 查表 15-19 065.20.651aFC5 0.19,2.3eY 由 查表 15-19 .930.197ar e5 rPF 查表 15-12 自動引導小車 5 .2Pf 代入得 N84071 1965.05.26846C 故 6206 型軸承能滿足要求。 （3） 按額定靜載荷校核 由式 0CSP 查表 15-14 ，選取 501S 由式 .93arF 查表 15-19 ， 時， 50.8arF01,XY 得 N70rFP 代入上式， 滿足要求。SNC100 （4） 極限轉速校核 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁 共 44 頁 max12linf 由 查圖 15-5 840.56319PC5 1f 查圖 15-6 .2.7arF52f 代入 r/min901maxn 滿足要求。axr/i5.2 3 控制系統的設計 3.1 控制系統總體方案 本系統使用 AT89C51 單片機作為核心的控制運算部分。連接在電機上的數字編 碼器在電機運轉時發(fā)出的脈沖信號，經過自行設計和制作的脈沖鑒向電路，可以得 到電機的運轉方向；來自鑒向電路的正反方向的脈沖信號進入到兩塊 8253 計數器進 行計數，以獲得電機的旋轉速度和位移；經過在 AT89C51 單片機上運行的各種控制 程序的適當運算以后，輸出的控制量經過兩塊 DAC1208 轉換器變成模擬量，輸出到 兩塊 UC3637 直流電動機脈寬調制器，通過 H 橋開關放大器，作為執(zhí)行機構的速度或 者力矩給定，從而控制電機的運轉，使整個 AGV 自動引導小車能夠完成所設計的控 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 44 頁 制任務。 整個控制系統的組成框圖如圖 3.1 所示： 圖 3.1 控制系統的組成框圖 3.2 鑒向 伺服電機根據控制要求能夠工作在四個不同的象限，作為系統的狀態(tài)檢測部分， 必須能夠檢測電機的轉速及分辨電機不同的旋轉方向。安裝在電機旋轉軸上的數字 編碼器在電機運轉時能夠產生相位相差 90 度的兩路脈沖信號，電機的旋轉方向可以 由鑒向電路對此兩路脈沖進行鑒向后獲得，其原理如圖 3.2 所示。 圖 3.2 鑒向原理 伺服電機反轉時，A相脈沖超前于B相脈沖90度，在cp十端輸出反向計數脈沖， 當正轉時，B相脈沖超前于A相脈沖90度，在cp一端輸出正向計數脈沖，見圖3.3中的 (b)和(c所示，分辨出的脈沖進入脈沖計數電路進行計數，再由計算機讀入進行處 理。其電路圖見圖3.3中的(a)所示。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 44 頁 圖 3.3 電機轉向分辨電路 本次設計使用的數字編碼器為500P/ R ,即電機每旋轉一周輸出500個脈沖,電機 到車輪的減速齒輪的減速比為62 : 1 ,因此車輪每前進或者后退一周產生50062 即31000個脈沖,可見分辯率非常高。編碼器的脈沖輸出為差動形式,鑒向電路接收差 動形式的脈沖信號,鑒向后輸入到8253計數器。 3.3 計數的擴展 為了得到驅動輪運轉的速度、位移等,而數字編碼器的輸出經過鑒向電路提供的 是電機的正轉和反轉脈沖,必須對這些脈沖分別進行計數、運算才能得到所要的速度、 位移等狀態(tài)量。本系統中使用了兩塊8253計數器,每塊芯片具有三個16 位計數器。 四個獨立的計數器即1# 、2 # 、3 # 和4 # 分別用于兩臺電機的正/ 反轉脈沖的計 數。 8253可編程定時器計數器可由軟件設定定時與計數功能，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位計數器通道，每個 計數器都可以按照二進制或二十進制計數，每個計數器都有6種工作方式，計數頻 率可高達2MHz，芯片所有的輸入輸出都與TTL兼容。 8253的內部結構框圖如圖3.4所示；引腳如圖3.5所示。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁 共 44 頁 圖3.4 8253內部結構框圖 圖3.5 8253引腳圖 U6地址為：8000H計數器0 8001H計數器1 8002H計數器2 8003H控制字 U7地址為：6000H計數器0 6001H計數器1 6002H計數器2 6003H控制字 U6讀/寫控制邏輯接線： ， ， ；4CSY0QA1 U7讀/寫控制邏輯接線： ， ， 。3 U6芯片中計數器0和計數器1用于左輪電機正反轉計數，并處于工作方式3。U7芯 片中計數器0和計數器1用于右輪電機正反轉計數，并處于工作方式3。在中斷服務程 序中，這四個計數器分別對兩臺伺服電機的正/ 反脈沖進行計數，所得到的計數值 減掉上一次的計數值，就可以得到在這一時間周期內的各路脈沖數。右輪反轉、正 轉和左論反轉、正轉的結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移動機器人的狀態(tài)量了。 3.4 中斷的擴展 AT89C51 單片機是使用兩個級聯的 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 IRQ8IRQ15 使用。8259A 作為一種可編程中斷控制器， 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁 共 44 頁 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， 最多可用于 9 片 8259A 芯片級連，由其構成級連機構可以管理 64 級中斷。 圖3.6 8259A引腳圖 8259A的外部引腳： ：數據線， CPU通過數據線向8259A發(fā)送各種控制命令和讀取各種狀態(tài)信70D 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。INTA ：讀信號，低電平有效，通知8259A將某個寄存器的內容送到數據總線上。RD ：寫信號，低電平有效，通知8259A從數據線上接受數據（即命令字）。W ：片選信號，低電平有效。CS ：端口選擇，指出當前哪個端口被訪問。0A ：接收設備的中斷請求。7IR ：級聯端，指出具體的從片。在采用主從式級聯的多片8259A的系20CS 統中，主從片的 對應連接在一起。20ACS ：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PEN 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傳送數據時， 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 28 頁 共 44 頁 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。SPEN 本次設計采用兩片8259A進行級聯：主片的 引腳連接從片的中斷請求 INT，如2IR 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 和數據信號 互相連在一起。主片CAS和從片CAS互相連在一ITA07D 起，當從片數量較多時，可以在主片CAS和從片CAS之間增加驅動器。主片的 接高電平。從片的 接低電平。在8259A 的主從式級聯方式中，中斷的優(yōu)SPENSPEN 先級設置類似于單片機的情況。級聯如圖3.7所示。 AT89C5174HC388259AU0UU主從U48259A 圖3.7 8259A的級聯 3.5 數摸轉換器的選擇 將數字量轉換為模擬量的器件稱為數/模轉換器(digital-analog converter),簡 稱為DAC。數/模轉換器的主要技術指標有分辨率、轉換精度、線性誤差和建立時間。 分辨率 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 。412.210 轉換精度 以最大的靜態(tài)轉換誤差的形式給出。DAC1208芯片為12位數/模轉換 器其最大誤差為: ,精度為 。1210.2nFSAV0.1 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 29 頁 共 44 頁 線性度 指 DAC 的實際轉換特性曲線和理想直線之間的最大偏移差。 建立時間 在數字輸入端發(fā)生滿量程碼的變化以后，數/模轉換器的模擬輸出穩(wěn) 定到最終值1/2LSB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的內部結構及引腳如圖3.8和圖3.9所示。 圖 3 - 8 D A C 圖3.8 DAC1208的內部結構圖 圖3.9 DAC1208的引 腳圖 DAC1208內部對輸入數據具有兩級緩存：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。在實際應用中，如果只有一路模擬量輸出。 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實現同步。 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，數據被直接送入數/模轉換電路進行數/模轉換。12ILEWRXFECS CSWR1AGND DI9DI8DI2 DI3DI4 DI5 DI6DI 7 VREFRfbDGND VcBYTE1/BYTE2WR 2XFER Iout2Iout1 DAC1208 1 1098 765 432 20 141516 171819 13121 24232 21 (LSB)DI0DI1 DI1(MSB)DI10 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 30 頁 共 44 頁 +5V+5VOAOAAT89C5174LS32764624DC120874HC138U0U1UU3U9UU10DC28 圖3.10 DAC1208雙緩沖連接方式 U9輸入寄存器地址為3FFFH DAC寄存器地址為5FFFH U10輸入寄存器地址為1FFFH DAC寄存器地址為5FFFH 本次設計采用DAC1208芯片的數/模轉換器其連接方式如圖3.10所示。 為高電平時，選中數據 輸入到8位輸入寄存器；當BYTE14DII 為低電平時，選中數據 輸入到 4位輸入寄存器； 片選信號，30 CS 低電平有效，和輸入鎖存信號 一起決定第一級數據鎖存是否有效。 第一1ILEWR ILE 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。 控制信WRXFERXF 號，低電平有效，和 一起決定第二級數據鎖存是否有效。 模擬電流輸出端，2 1OUTI DAC寄存器全1時最大，全0時為0。 模擬電流輸出端，和 有一個常數差：2OUTI 常數，此常數對應一個固定基準電壓的滿量程電流。 參考電壓輸2OUTII REFV 入端，可正可負， -10+10v 。 3.6 電機驅動芯片選擇 電機驅動采用PWM技術來驅動直流伺服電動機。PWM技術為脈寬調制技術其可通 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inu 信號成線性關系的方波脈沖串，利用該方波脈沖串驅動功率放大電路，從而控制伺 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 31 頁 共 44 頁 服電機的轉速。采用PWM技術的優(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 統中得到了廣泛的應運用。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生微振，以克服靜摩擦，改善運行特性。即 (3.1)TMf 其中 ， 為力矩常數， 為PWM電源電壓， 為電感， 為電機靜摩4MCfkULTCULT 擦力矩。 （2）微振的最大角位移應小于設定的位置誤差。即 (3.2)3192CTkfLJ 其中J為轉動慣量， 為設定的位置誤差。 （3）盡量減少電機產生的高頻功耗。即應使得 (3.3)2ATRfL 其中 為電內阻。AR 一般伺服電機的電感很小，如果切換頻率不高，導致交流分量很大，很容易損壞 功率晶體管。在此采用PWM芯片UC3637和H功率橋放大電路來驅動伺服電機，其 UC3637原理如圖3.11所示，根據上述原則選擇切換頻率為30KHz。 UC3637的特點： 單電源或雙電源工作， 5.2v0 雙路PWM信號輸出，驅動電流能力為100mA 限流保護 欠電壓封鎖 有溫度補償，2.5V閥值的關機控制 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 32 頁 共 44 頁 圖3.11 UC3637原理框圖 UC3637的結構與功能： 三角波發(fā)生器：CP，CN，S1，SR1；PWM比較器：CA，CB；輸出控制門：NA，NB； 限流電路：CL，SRA，SRB；誤差放大器：EA；關機比較器：CS； 欠電壓封鎖電路：UVL。 UC3637最具特色的是三角波振蕩器，三角波產生電路如圖3.12所示。 圖3.12 恒幅三角波產生電路 三角波參數的計算 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 33 頁 共 44 頁 取PWM定時電路充電電流為0.5Ma,則有 (3.4)0.5STHTVR6 (3.5)4THCf 其中， 為PWM 頻率。由允許電機最大電流 決定 。Tf A21.3maxISR (3.6)ax0.SRI 對于圖3.12所示的控制系統，要求： V24S 10maxcVK10iNR PWM 頻率 f=30KHz 限流 Imax=8A 取 1a 計算得 (3.7)K5.162410)(2max3 VRSCIN (3.8).35.6434IN (3.9) V78.102.434ISRV768.3TH (3.10) K16.78.324)105.62(233 THSV5.0.RK1631F10.78.04.5. 93THTVfC 式中： 為三角波峰值的轉折（閾值）電壓； 為電源電壓； 為定時電阻；THVSVTR 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 34 頁 共 44 頁 B 2v1xoy P A Q L 為定時電容； 為恒流充電電流； 為振蕩頻率。C3637具有一個高速、帶寬為TCSIf kHz、輸出低阻抗的誤差放大器，既可以作為一般的快速運放，亦可作為反饋補償運 放。 3.7 運動學分析 3.7.1 運動學方程 AGV 自動引導小車的速度分析。 已知車輪驅動速度，求機構本體移動速度和旋轉角速度。 兩后輪分別驅動四輪機構的速度分析（Q 為瞬心，P 為后輪中心） (3.11)12pv (3.12)12coscospvx （3.13）12ininpyv (3.14)12BA (3.15) 11v 圖 3.13 AGV 自動引導小車示意圖 整理成矩陣形式： 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 35 頁 共 44 頁 (3.16) 21211sin2icovJByx 為雅可比矩陣。J 3.7.2 轉彎半徑 小車在轉彎時以速度 勻速轉彎；小車兩主動輪之間的距離為 B；小車兩主動輪 中心（假設小車質量分布均勻）與轉彎圓心的距離即轉彎半徑為 R；車輪半徑為 r； 兩輪的速度分別為 ；小車與行駛路面的摩擦系數為 ，則有12 (3.17)2Rg1 6m.708.94)/10( 查表 5-2 取 2 m 故取小車轉彎的最小半徑為 。710R 左、右輪的速度為 1 (3.18)22rBAm/s486.07104.3)/()67(4)2( rRVBv (3.19)1rR/s397.)/()2()(1rA 3.8 控制軟件的設計 根據機器人的線速度和角速度的表達式(3.11) 和(3.15) ,可以計算狀態(tài)量x、y 和: （3.20）12q （3.21）B (3.22)02trldtb 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 36 頁 共 44 頁 （3.23）00cos2trlxdt (3.24)intrly 采用數值積分方法進行近似檢測: 將區(qū)間 劃分成若干充分小的子區(qū)間t ， 則只要子區(qū)間 相對于移動機器人的運動速度選10t21,ntt 1i 擇得充分小,或者控制周期比較短,則檢測精度可以達到使用的要求。表達式如下: (3.25)112ntnrldtb （3.261cosntrlx ） (3.27)11si2ntn rlydt 另外,考慮到系統的各個狀態(tài)量都是通過數字編碼器輸出的脈沖信號進行檢測的,要 將脈沖信號轉換為機器人移動的距離及轉過的角度,必須對脈沖信號進行定標,即確 定每個脈沖與驅動輪移動的距離的系數。已知驅動輪的半徑 r = 70mm ,電機到車輪 的減速齒輪的變比為62 : 1 ,電機每旋轉一周發(fā)出500個脈沖,從而可以得到脈沖當 量應為2 PI 70/(500 62) ,即0.01418mm/P 。 對于控制系統的軟件編程語言，要根據系統的要求進行選擇，一般要求代碼簡 捷，執(zhí)行效率高，實時性好。AGV自動引導小車的引導原理是根據自動引導小車行走 的軌跡進行編程，數字編碼器檢測出的電壓信號判斷其與預先編程的軌跡的位置偏 差，控制器根據位置偏差調整電機轉速對偏差進行糾正，從而使自動引導小車沿預 先編程的軌跡行走。因此AGV自動引導小車行走過程中，需不斷地根據輸入的位置偏 差信號調整電機轉速，對系統進行實時控制。為對AGV自動引導小車實施控制，需要 對硬件進行操作。 整個AGV自動引導小車的控制流程如圖3.14所示。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 37 頁 共 44 頁開 始函 數 、 變 量 、 中 斷 初 始 化讀 取 預 設 路 徑 坐 標路 徑 規(guī) 劃 及 軌 跡 插 補讀 取 上 次 運 行 誤 差 序 列AGV平 滑 啟 動 環(huán) 節(jié)軌 跡 檢 測到 第 一 段 軌 跡 終 點 嗎 ？第 二 段 軌 跡 控 制 環(huán) 節(jié) 到 終 點 了 嗎 ？存 儲 本 次 軌 跡 控 制 誤 差 序 列 偏 差 自 動 校 正 D/A輸 出結 束YNYN第 i段 軌 跡 控 制 環(huán) 節(jié) ND/A輸 出偏 差 自 動 校 正Y到 第 段 軌 跡 終 點 嗎 ？ 圖3.14 控制系統程序結構圖 程序開始：先設置函數和變量，并對各芯片進行初始化；讀取預先設置軌跡的 坐標；對軌跡進行插補；讀取上次的誤差，自動引導小車啟動；進行軌跡的檢測； 判斷第一段路徑走完沒有；NO則把檢測的實際軌跡和預先設置的軌跡相比較產生偏 差，接著把偏差送給D/A轉換器，從而控制自動引導小車沿預先設定的軌跡行走。 YES則走下一段軌跡，接著判斷是否到達終點，到達終點結束；沒到達終點則繼續(xù)走 下一段軌跡。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 38 頁 共 44 頁 下面為圓弧插補程序，流程圖如圖3.15。 DDA圓弧插補程序： XP BIT 00H ； X向溢出標志 YP BIT 01H ； Y向溢出標志 XS EQU 60H ； 起點坐標X YS E