物流AGV自動導(dǎo)引小車的設(shè)計,物流,agv,自動,導(dǎo)引,小車,設(shè)計 物流AGV自動導(dǎo)引小車的設(shè)計 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： AGV小車集人工智能、信息處理和圖像處理為一體，綜合了當(dāng)今科技領(lǐng)域先進(jìn)的理論和應(yīng)用技術(shù)。在了解現(xiàn)代先進(jìn)的關(guān)于機(jī)器人方面資料的前提下，結(jié)合自己所學(xué)的知識，設(shè)計出一種簡單實用，應(yīng)用方便簡單的兩輪驅(qū)動的自動導(dǎo)引小車AGV和驅(qū)動裝置，可以有效培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用機(jī)械設(shè)計制造知識，并根據(jù)工程實際要求，進(jìn)行問題的分析解決，從而提高獨立工作的能力，適應(yīng)社會需求。 2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 本課題是進(jìn)行自動引導(dǎo)小車（AGV）的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其研究內(nèi)容如下： 1、運用相關(guān)專業(yè)知識，完成課題的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和相關(guān)工程設(shè)計計算； 2、完成控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和程序編制； 3、按照工程制圖規(guī)范完成相關(guān)圖紙繪制，編寫設(shè)計說明書； 應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求如下： 1、負(fù)載≤35KG； 2、小車轉(zhuǎn)彎半徑≥71cm； 3、小車最大速度≤10m/min。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實物樣品等〕： 1、相關(guān)資料的英文翻譯與文獻(xiàn)綜述； 2、設(shè)計自動引導(dǎo)小車的結(jié)構(gòu)； 3、設(shè)計單片機(jī)的控制系統(tǒng)，繪制控制系統(tǒng)原理圖； 4、畢業(yè)設(shè)計論文。 畢業(yè)設(shè)計成果以設(shè)計圖樣和說明書形式提交。要求圖樣規(guī)范，符合國家標(biāo)準(zhǔn)；說明書層次分明、論據(jù)可靠、計算正確、圖標(biāo)規(guī)范、語句通順。 4．主要參考文獻(xiàn)： [1] 朱光力．專用自動鉆床液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計．北京：機(jī)床與液壓，2004． [2] 徐灝主編．機(jī)械設(shè)計手冊．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991． [3] 王衛(wèi)兵等．可編程序控制器原理及應(yīng)用．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998． [4] 許福玲，陳堯明主編．液壓與氣壓傳動．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004． [5] 邱宣懷主編．機(jī)械設(shè)計．北京：高等教育出版社，1997． [6] 王伯平主編．互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000． 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進(jìn)度計劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 20XX年 3 月 9 日 ~ 3月 23 日 3 月 24 日 ~ 4月 6 日 4 月 7 日 ~ 5月 11日 5 月 12 日 ~ 5月 31 日 6 月 1 日 ~ 6月 9 日 6月 10日 ~ 6月 14 日 熟悉課題，準(zhǔn)備相關(guān)資料，完成資料翻譯 設(shè)計自動引導(dǎo)小車的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相關(guān)傳動零件的設(shè)計，繪制裝配圖 設(shè)計單片機(jī)的控制系統(tǒng)，繪制控制系統(tǒng)原理圖 控制系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計，編寫圓弧插補(bǔ)程序 撰寫并打印設(shè)計說明書，整理相關(guān)資料 準(zhǔn)備論文答辯 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 20XX年 月 日 系部意見： 系部主任： 20XX年 月 日 附件1：外文資料翻譯譯文 應(yīng)用于電氣系統(tǒng)的可編程序控制器 摘要 此項目主要是研究電氣系統(tǒng)以及簡單有效的控制氣流發(fā)動機(jī)的程序和氣流系統(tǒng)的狀態(tài)。它的實踐基礎(chǔ)包括基于氣流的專有控制器、自動化設(shè)計、氣流系統(tǒng)的控制程序和基于微控制器的電子設(shè)計。 1.簡介 使用電氣技術(shù)的自動化系統(tǒng)主要由三個組成部分：發(fā)動機(jī)或馬達(dá)，感應(yīng)器或按鈕，狀如花瓣的控制零部件。現(xiàn)在，大部分的系統(tǒng)邏輯操作的控制器都被程序邏輯控制器（PLC）所取代。PLC的感應(yīng)器和開關(guān)是輸入端，而發(fā)動機(jī)的直接控制閥是輸出端，其中有一個內(nèi)部程序操控所有運行必需的邏輯，模擬其他的裝置如計算器、定時器等，對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行控制。 因為可以根據(jù)需要無數(shù)次創(chuàng)建和模擬這樣的系統(tǒng)，所以皆由PLC的使用，此項目有靈活的優(yōu)點。因此，可以節(jié)省時間，減少失誤的危險，同時在使用相同材料的情況下，它可以更加精密。 市場上的許多家公司都使用了常規(guī)的PLC，它不僅可以用氣流系統(tǒng)來控制，還可以用各種電氣設(shè)備。PLC 的用途廣泛，可以應(yīng)用于許多工業(yè)生產(chǎn)中，甚至用于建筑物的安全和自動化系統(tǒng)中。 由于以上的各種特性，在一些實際應(yīng)用中PLC提供了很多的資源，甚至包括不控制系統(tǒng)的資源，電氣系統(tǒng)就是一種這樣的應(yīng)用。對于自動化的工程，PLC的使用是比較昂貴的，尤其是對那些小型的系統(tǒng)。 針對這種情況可行的一種辦法是創(chuàng)建一個可提供特定尺寸和功能的控制器。這種控制器可以根據(jù)微控制器來制作。 這種基于微控制器的適用范圍比較小，只能用于一個類型的機(jī)器或者可以用做一個像普通PLC一樣可以被編程的控制器，那樣它就可以通過可變化的邏輯程序來進(jìn)行各種作業(yè)。所有的這些特性根據(jù)具體需要的不同而不同，具體的設(shè)計者的經(jīng)驗的不同而不同。但是這種設(shè)計的主要優(yōu)點在于設(shè)計人員非常了解自己的控制器，可以自由掌握控制器的大小尺寸，改變它的功能。這就意味著此項目有更多的獨特性，但同時系統(tǒng)的控制也由它的設(shè)計者所控制。 2.電氣系統(tǒng) 人們可以從一個自動化系統(tǒng)中找到三個上文中提到的基本部件，外加一個控制系統(tǒng)的邏輯線路。只有成熟先進(jìn)的技術(shù)能做出特定的邏輯線路和執(zhí)行正確操作所需要的部件升級。 對于一個簡單的運動，系統(tǒng)自動程序可以完成，但是對于間接或更加復(fù)雜的運動，系統(tǒng)的程序就會產(chǎn)生復(fù)雜的線路和錯誤的信號。這是就需要另一種方法可以節(jié)省時間，產(chǎn)生清晰線路，能夠防止偶然的信號交疊和線路堵塞。 這種方式的不同標(biāo)準(zhǔn)的線路基法叫循序漸進(jìn)式或規(guī)則系統(tǒng)，它對氣流和電氣系統(tǒng)非常有效，而且也是此項目的一個基礎(chǔ)。它包括根據(jù)發(fā)動機(jī)狀態(tài)各個不同變化所設(shè)基礎(chǔ)上的系統(tǒng)。 第一步是為每個步驟設(shè)計那些種標(biāo)準(zhǔn)的線路。第二步是連接接收來自感應(yīng)器，開關(guān)和先前的運動信號，同時把空氣或電傳送給每個步驟的補(bǔ)給線。如圖中所示， 1 和 2 標(biāo)準(zhǔn)線路是為氣流的和電氣系統(tǒng)服務(wù).我們能夠很清楚的看到每一步驟和下一個步驟之間的聯(lián)系。 3.控制器內(nèi)部的應(yīng)用原理 上述方法可以使發(fā)動機(jī)的每一個運動都被很好地用步驟來定義。這也就是說發(fā)動機(jī)的每一次運動變化都是系統(tǒng)的一個新的狀態(tài)，而兩個不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變叫做步驟。 先前提到的標(biāo)準(zhǔn)線路可以幫助設(shè)計人員定義系統(tǒng)的不同狀態(tài)和不同步驟的變化所帶來的不同環(huán)境。在設(shè)計的最后階段，系統(tǒng)中會有一個從來不變化的序列和明確的輸入和輸出端。我們把一個序列從輸入端輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，由輸出端輸出。 這些步驟的所有過程都是在微控制器內(nèi)部進(jìn)行的，并且以同樣的方式在運行著。部件的序列在控制器里被 5個位元組規(guī)劃；每個部分都有程序的一個步驟結(jié)構(gòu)。輸入端有二個位元組,輸出端有一個，其他結(jié)構(gòu)部分和附加功能步驟有兩個。在編程之后，部件序列被內(nèi)部微控制器的記憶所儲藏，因此，他們是可讀的而且可以運行。 不同于傳統(tǒng)的PLC，這種控制器的工作目的是成為特定領(lǐng)域設(shè)計的多用控制器。傳統(tǒng)的 PLC 的系統(tǒng)運行程序是一個循環(huán)的線路：輸入一個圖像,運行所有的內(nèi)部程序, 然后升級輸出的狀態(tài)。這一個控制器以不同的方式工作,它讀取步驟的結(jié)構(gòu),等待輸入,然后升級或輸出，然后直接跳躍到下一個步驟，開始另一次的程序運行。 它也有局限性，例如這種控制器有時會不執(zhí)行指令，在同一程序指令下，會出現(xiàn)某一個運行的反復(fù)等等，但是這一個問題可以通過外部的邏輯運行解決。另外，這中控制器在沒有序列的系統(tǒng)上不能夠被應(yīng)用。這些局限性也是這個系統(tǒng)的特性，這種系統(tǒng)的每一個應(yīng)用都必須要有相應(yīng)的系統(tǒng)分析。 4.控制器的特色 這種控制器以微集成電路微控制器 PIC16F877 為基礎(chǔ),它擁有全部此次項目所需要的資源。它有足夠的插孔，線路連續(xù)通訊 EEPROM 記憶解救系統(tǒng)的所有結(jié)構(gòu)和步驟的序列。它提供了項目所需要的所有的運行，例如定時器和分岔等。 我們做出了控制器的資源目錄，想盡可能的使它變的完善。在步驟的運行過程中，程序自動選擇如何讀取每一步驟的結(jié)構(gòu)。這個操作有兩個位元組位于電子輸入處。一個位元組位于輸出端，還有一個被用作內(nèi)部定時器，類似輸入或暫停功能。EEPROM 記憶內(nèi)部是 256 位元組，可以儲藏所有步驟的運行,即可以儲藏 48個步驟之間的所有運行。 除了一個互動菜單外，這種控制器還有一個控制臺和一些指令按鈕，他們一起控制各個步驟的運行和連續(xù)性，也控制其他的一些裝置。 4．1交互作用 在實際運行操作中，控制器需要有一些輔助設(shè)備幫助它和使用者進(jìn)行互動，可以提供可靠的操作監(jiān)控，同時對氣流系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制。 交互工作模式：在主要的程序中，使用者可以根據(jù)指導(dǎo)發(fā)出信號來進(jìn)行具體步驟的操作 LCD 平臺可以顯示系統(tǒng)工作的狀態(tài)，衡量輸入，輸出，計時器和運行的數(shù)據(jù)等。 嘀嘀聲用來提示重要警示，停止，開始和一些緊急情況的發(fā)生亮燈表示接通電源，和輸入，輸出狀態(tài)。 4．2 安全性 如果想正常運行程序，必須保證每一個步驟都正確的執(zhí)行。更重要的是，應(yīng)該有預(yù)防運行故障和問題的解決方法?？刂破魈峁┝诉@種可能性，通過使用兩個內(nèi)部虛擬線路同時運行。他們可以重新啟動程序，隨時恢復(fù)到程序的原有狀態(tài)。有兩個輸入端共同工作可以快速的運行這些功能。 4．3 接口 程序運行序列可以用控制器的接口來編程。一臺計算機(jī)的接口也可以用來升級使用程序。使用者能利用接口配置一連串定義序列的步驟位元組。但是也可以設(shè)計一個程序,利用可視資源為使用者翻譯所需要的信息。 但是，如果想聯(lián)結(jié)電腦接口和控制器，至少應(yīng)該有一個儀器來保證數(shù)據(jù)的可靠性。 4.4. 固件 主要的線環(huán)是通過讀取EEPROM 記憶中的每一資訊步驟進(jìn)行工作。 在每個步驟中，系統(tǒng)的狀態(tài)被儲存，同時它也在顯示器上被顯示。根據(jù)使用者的構(gòu)造,它能利用分流或暫停應(yīng)付緊急線路情況來保證系統(tǒng)安全。 5. 電氣系統(tǒng)例子 這種系統(tǒng)不只是適應(yīng)于特定的機(jī)器。它由四個主動器組成。 主動器 A ， B 和 C 是兩倍的，只有 D是單倍的。第一步，主動器A 開始運行，并保持在一個特定的位置一直到一個循環(huán)的結(jié)束，如圖 5 所示它可以確定某一對象的下一運動。第二步，當(dāng)A 完成了它的工作后，主動器 C 連同 B 一起開始盡可能多的產(chǎn)生電流圈，并受 B 的運行速度的限制，而 B 速度由一個流動的控制活瓣管理。B 和 C 是一起工作的主動器的例子,當(dāng) B 慢慢地推動一個物體的時候, C 有時則重復(fù)它的工作。 第三步，當(dāng) B 到達(dá)最后的位置時候, C 停止立刻它的循環(huán)運動并且回到開始的位置。利用回旋的電流工作的主動器 D 連同 返回來的C一起工作。第四步，主動器 D 快速往返來回運動一次。D 可以充當(dāng)一個工具，在物體上的表面上打洞。當(dāng) D 返回開始的位置時候, A和 B 也同時返回，這是第五個步驟。 圖 6 顯示了程序設(shè)計的第一部分。我們把每個步驟的所有運行統(tǒng)稱為 . (A+) 表示主動器 A 向前推動，而 (A-) 表示返回到開始的位置。 同時發(fā)生的運動在相同的步驟中被一起疊加。這個系統(tǒng)共有有五個步驟。 圖 5 和 6 所表現(xiàn)的系統(tǒng)運行清楚的描述了所有序列。 利用他們我們可以用必需的邏輯語言設(shè)計整個的控制線路。但是現(xiàn)在還它還不是一個完整的系統(tǒng)，因為它還缺少一些輔助設(shè)施，（圖中沒有顯示）。 對于程序的最后運行，這些輔助設(shè)施十分的重要，因為他們能使線路有更多的功能。 他們中最重要的是連接在每一步驟中的平行線路。那一個線路能夠隨時停止序列而且將主動器的狀態(tài)換成一個特定的位置。它可以重起系統(tǒng)或是應(yīng)付緊急情況。圖7 和 8 顯示的是在沒有使用控制器的情況下會發(fā)生的一些結(jié)果。 這些照片是控制線路的電圖表,包括感應(yīng)器，控制鍵和電的活瓣卷。 另外的一些輔助設(shè)施也包括在這個系統(tǒng)中,比如自動機(jī)械/ 手動調(diào)控器，他們可以使系統(tǒng)不斷的循環(huán)工作；兩個開始控制鍵,他們能讓操作員手動控制系統(tǒng)的開始和停止，這樣就減少了發(fā)生意外事件的危險。 6. 使用者變更例子規(guī)劃 氣流線圈在前面已經(jīng)詳細(xì)說明過：它可以讓我們了解到控制一個系統(tǒng)所需要的條件，那就是在系統(tǒng)的實際運行中必須提供所有的功能設(shè)施。但是,如前面提到的那樣,使用一個 PLC 或特定的控制器 , 這種控制就變得比較容易的，而且系統(tǒng)的精密性也會提高。 使用傳統(tǒng)的 PLC的,如圖7，8所示，在繪制接口處的電圖表時，要注意線路的邏輯。使用這種可編程的控制器,使用者必須知道運行方法的觀念并且規(guī)劃每個步驟的結(jié)構(gòu)。 那就是說，使用傳統(tǒng)的 PLC ，使用者清楚各個操作之間的關(guān)系。一般情況下，使用者可以在接口上運行一個模擬程序?qū)ふ疫壿嬌系腻e誤同之前所述的一樣，新的編程允許每一步驟的結(jié)構(gòu)被分割。 序列獨自被定義，但每一步驟只被輸入和輸出端描述。 7. 結(jié)論 這種控制器是專門為這一項目所設(shè)計的。顯示了一個以微控制器為基礎(chǔ)的非常有用的可編程的控制器。它不需要為了獲取微控制器里的資源而安裝外部記憶器或外部的定時器。除了微控制器之外,只有少量的零部件執(zhí)行一些如輸出，輸入，類比輸入,顯示接口和連續(xù)運行的情況等功能。 單獨使用內(nèi)部記憶,我們可以控制一個有48個步驟的氣流系統(tǒng)，但是如果使用一個比較簡單的系統(tǒng)，就會達(dá)到60個步驟.控制器的變成不使用 PLC 語言，而是用一個比較簡單的和直覺的結(jié)構(gòu)。利用電氣系統(tǒng)，我們的項目應(yīng)用了相同的技術(shù)，但同時我們的設(shè)計更加直接。 一種非常簡單的機(jī)械語言能讓設(shè)計者用四或五個位元組定義步驟所有結(jié)構(gòu)構(gòu)成。這就要看他使用控制器的經(jīng)驗如何了。這種控制器雖然不能和商業(yè)的 PLC 相比，但是它原本就是為特定的的目的而設(shè)計的，所以很難說哪一個好哪一個壞?？傊覀兊倪@個系統(tǒng)是基于微控制器而設(shè)計，簡單快捷。 附件2：外文原文（復(fù)印件） 物流AGV自動導(dǎo)引小車的設(shè)計 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 簡要地介紹了自動引導(dǎo)小車的現(xiàn)狀和定義以及所涉及的技術(shù)，列舉了典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點，綜合闡述了自動引導(dǎo)小車的關(guān)鍵技術(shù)，并對自動引導(dǎo)小車的發(fā)展進(jìn)行展望，最后總結(jié)了研究本科題的意義。 關(guān)鍵詞 定義 結(jié)構(gòu) 特點 技術(shù) 展望 隨著工業(yè)自動化、計算機(jī)集成系統(tǒng)技術(shù)的提高、柔性制造系統(tǒng)(FMS)和物流業(yè)的發(fā)展[1]，無人搬運車系統(tǒng)（簡稱AGVS)已成為柔性制造系統(tǒng)和自動化倉儲系統(tǒng)中物流運輸?shù)挠行侄蝃2]。無人搬運車系統(tǒng)的核心設(shè)備是無人搬運小車（AGV)[3]，載重量從幾十公斤到上百噸，在港口、碼頭、機(jī)床、化工、汽車、家電、軍械、郵政、電工、飛機(jī)制造和自動化倉儲系統(tǒng)等場所得到了廣泛應(yīng)用[4]。 1. AGV的定義 自動引導(dǎo)小車簡稱為AGV，是英文Automated Guided Vehicle 的縮寫。AGV是采用自動或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動行駛或牽引著載貨臺車到指定的地點，再用自動或人工方式裝卸貨物的工業(yè)車輛[5]。按日本JISD6801的定義：AGV是以電池為動力源的一種自動操縱行駛的工業(yè)車輛。AGV只有按物料搬運作業(yè)自動化、柔性化和準(zhǔn)時化的要求，與自動導(dǎo)向系統(tǒng)、自動裝卸系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等構(gòu)成自動導(dǎo)向車系統(tǒng)（AGVS）才能真正發(fā)揮作用[6]。 2. AGV的結(jié)構(gòu) AGV的各組成部分一般有：導(dǎo)向系統(tǒng)、車體、蓄電池及充電裝置、驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、移栽裝置、控制與通信系統(tǒng)、安全裝置。導(dǎo)向系統(tǒng)是AGV的核心部分，用來保證AGV按設(shè)定的路線自動行駛[7]。車體由車架、減速器、電動機(jī)、車輪等組成，車架常采用焊接剛結(jié)構(gòu)，要求有足夠的剛性。蓄電池常采用24V或48V直流工業(yè)蓄電池，供電周期為20h左右[8]。驅(qū)動裝置由車輪、減速器、制動器、電動機(jī)及速度控制器等部分組成，并由計算機(jī)或人工進(jìn)行控制，它是一個伺服驅(qū)動的變速控制系統(tǒng)[9]。轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)有三種：鉸軸轉(zhuǎn)向式三輪車型、差速轉(zhuǎn)向式四輪車型和全輪轉(zhuǎn)向式四輪車型。移栽裝置用來裝卸貨物，其裝卸方式分為被動裝卸和主動裝卸兩種?？刂婆c通信系統(tǒng)包括車上控制器和地面（車外）控制器，均采用微型計算機(jī)，通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)系。AGV的安全裝置包括多級硬件和軟件，例如，在AGV的前面設(shè)有紅外光非接觸式防碰傳感器和接觸式防碰傳感器——保險杠；AGV的前后有黃色警視信號燈，當(dāng)AGV行走時信號燈閃爍；每個驅(qū)動輪帶有安全制動器，斷電時制動器自動接上；小車每一面都有急停按鈕和附有傳感器的安全保險杠，當(dāng)小車輕微接觸障礙物時，保險杠受壓，小車停止；一旦發(fā)生故障，AGV自動進(jìn)行聲光報警，同時通過無線通線系統(tǒng)通知AGV監(jiān)控系統(tǒng)。 3. AGV的特點 （1） 運行路徑和目的地可以由管理程序控制，機(jī)動能力強(qiáng)。而且某些導(dǎo)向方式的線路變更十分方便靈活，設(shè)置成本低[10]。 （2） 工位識別能力和定位精度高，具有與各種加工設(shè)備協(xié)調(diào)工作的能力。在通信系統(tǒng)的支持和管理系統(tǒng)的調(diào)度下，可實現(xiàn)物流的柔性控制。 （3） 載物平臺可以采用不同的安裝結(jié)構(gòu)和裝卸方式，能滿足不同產(chǎn)品運送和加工的需要。因此，物流系統(tǒng)的適應(yīng)能力強(qiáng)。 （4） 可裝備多種聲光報警系統(tǒng)，能通過車載障礙物探測系統(tǒng)在碰撞到障礙物之前自動停止。當(dāng)其列隊行駛或在某一區(qū)域交叉運行時，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在認(rèn)為差錯。因此AGV比其他搬運系統(tǒng)更安全。 （5） AGV組成的物流系統(tǒng)不是永久性的，而是在給定的區(qū)域內(nèi)設(shè)置。與傳統(tǒng)物流輸送系統(tǒng)在車間內(nèi)固定設(shè)置且不易變更相比，該物流系統(tǒng)的設(shè)置柔性強(qiáng)，并可以充分利用人行通道和交叉通道，從而改善車間地面利用率。 （6） 與其他物料輸送方式相比，初期投資大，但可以大幅度降低運行費用，特別是在產(chǎn)品類型和工位較多時。 4. AGV技術(shù)的發(fā)展及在物流發(fā)展中的展望 AGV產(chǎn)品所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：引導(dǎo)技術(shù)、控制技術(shù)、電源技術(shù)三個方面[11]。 （1） 引導(dǎo)技術(shù) 在已被探索研究和開發(fā)應(yīng)用的引導(dǎo)方法主要有：電磁感應(yīng)法、光學(xué)引導(dǎo)法、化學(xué)引導(dǎo)法、磁感應(yīng)法、位置推斷法、參考標(biāo)志法、慣性導(dǎo)航法和圖像識別法等。隨著計算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用和各種高精度傳感器的實用化，其他各種引導(dǎo)技術(shù)也不斷地成熟和應(yīng)用。根據(jù)對國外幾十家生產(chǎn)AGV公司的27個系列產(chǎn)品所采用的主要引導(dǎo)技術(shù)的統(tǒng)計結(jié)果，可以明顯地看到各種引導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的情況[12]。其中，電磁感應(yīng)引導(dǎo)技術(shù)所占的應(yīng)用比例最高，這表明該項技術(shù)已經(jīng)十分成熟，應(yīng)用也就最多。而機(jī)器視覺引導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的比例還很少[13]，因此，該項技術(shù)還需要深入研究和不斷完善。除此而外，就是自主導(dǎo)航技術(shù)仍然處在研究階段，還有許多實用化技術(shù)問題有待于解決。 （2） 控制技術(shù) 這里所提到的控制技術(shù)的概念有多層含義，既包括對AGV行為單純的控制技術(shù)，也包括對AGV行為的決策方法。隨著計算機(jī)硬件技術(shù)、并行分布式處理技術(shù)、自動控制技術(shù)和傳感器技術(shù)不斷進(jìn)步以及軟件開發(fā)環(huán)境的不斷完善，為AGV的控制性能的提高提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。人工智能技術(shù)在AGV上的應(yīng)用，如環(huán)境理解與障礙識別、任務(wù)實現(xiàn)與路徑規(guī)劃和模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等使AGV向著智能化和自主化運行控制方向發(fā)展。此外，在當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中，不僅對物流系統(tǒng)有著高度的柔性要求，而且還要實現(xiàn)對生產(chǎn)組織的重構(gòu)。因此，在物流系統(tǒng)中，對多個AGV運行行為的統(tǒng)一調(diào)度和協(xié)調(diào)控制已經(jīng)成為AGVS研究的重要內(nèi)容。 （3） 電源技術(shù) AGV運行所消耗能源一般是由蓄電池提供。蓄電池容量的確定是AGV設(shè)計的重要參數(shù)之一，它的選擇應(yīng)保證車輛在規(guī)定的作業(yè)方式和工作時間內(nèi)提供足夠的能量。目前，用于AGV的蓄電池有兩種類型：即鉛—酸蓄電池和鎳—鎘蓄電池。其中，鉛酸型蓄電池所占比例很大。除電池本身特性外，AGV使用過程中的充電技術(shù)也是值得重視的問題。但是，AGV所涉及到的電源技術(shù)問題，將隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展而得到解決。 目前，AGV的應(yīng)用領(lǐng)域主要用在制造業(yè)，特別是在重型機(jī)械及部分非加工制造中的應(yīng)用。在制造業(yè)中主要用于物料分發(fā)、裝配和加工制造方面。其中，裝配作業(yè)中，汽車工業(yè)是AGV的應(yīng)用大戶。在物料分發(fā)中，主要用于生產(chǎn)工序間的物料移送和倉儲作業(yè)中的物料移送[14]。在凈化室中，AGV更可大顯身手，滿足凈化要求極高的操作。另外，AGV還可以作為機(jī)器人的“腳”，使機(jī)器人在更大范圍內(nèi)自動完成作業(yè)、水泥地面的光整等[15]。在有核輻射的地方，使用機(jī)器人與AGV的配合，完成檢修與材料搬運等工作。因此，隨著電子、圖像識別、傳感和信息技術(shù)的發(fā)展，AGV的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。 5. 總結(jié) 從自動引導(dǎo)小車概述來看，自動引導(dǎo)小車的開發(fā)和應(yīng)用是比較晚的，隨著計算機(jī)技術(shù)和各種高精度的傳感化，以及效率的提高，產(chǎn)生了自動引導(dǎo)小車。此次研究設(shè)計自動引導(dǎo)小車的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)?？梢赃M(jìn)一步的了解自動引導(dǎo)小車結(jié)構(gòu)特點。在全面了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合運用自己所學(xué)的知識，自己研究設(shè)計一種裝備有磁性的自動引導(dǎo)小車，使得在“無人操作工廠”得以利用。 通過自動引導(dǎo)小車結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計，也可以培養(yǎng)自身綜合運用機(jī)械設(shè)計知識的能力，從而提高獨立分析解決問題的能力，以此來適應(yīng)社會需求。 參考文獻(xiàn) [1] 田其編.倉儲物流機(jī)械與設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008. [2] 魯曉春.倉儲自動化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002. [3] 寧德仁.淺談AGV及無人搬運系統(tǒng)工藝及裝備[J].1996. [4] 周全申.現(xiàn)代物流技術(shù)與裝備實務(wù)[M].北京：中國物資出版社,2002. [5] 王國華.現(xiàn)代物流工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005. [6] 王小波.AGVS系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用[J]. 北京：物流技術(shù)，1997（1～6). [7] 戴慶輝.先進(jìn)制造系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [8] 樊躍進(jìn).AGV充電系統(tǒng)設(shè)計機(jī)械工業(yè)自動化[J].1994. [9] 馮星華.AGV及其控制系統(tǒng)研制電子機(jī)械工程[J].2001. [10] 魏國成.自動導(dǎo)向搬運車系統(tǒng)物流技術(shù)[J].1994. [11] 儲江偉.郭克友.自動導(dǎo)向車導(dǎo)向技術(shù)分析與評價.起重運輸機(jī)械[J].2002（11）：1—5. [12] 朱曉春.先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004. [13] 王榮本，馮炎等.一種視覺導(dǎo)航的實用型AGV設(shè)計.機(jī)械工程學(xué)報[N].2002. [14] 王耀斌，簡曉春主編.物流裝卸機(jī)械[M].北京:人民機(jī)械出版社,2003. [15] 韓權(quán)利，趙萬華，丁玉成.未來制造業(yè)模式——智能制造.機(jī)械工程師[J]，2002（1):26-28.  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 ２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 1 本課題要研究的問題 本課題主要研究的是自動引導(dǎo)小車的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計，通過查閱相關(guān)資料后，對自動引導(dǎo)小車的結(jié)構(gòu)有了一定的了解，因此要完成此次設(shè)計主要考慮以下幾個方面的設(shè)計問題： （1）確定傳動方案 （2）蝸輪蝸桿的設(shè)計 （3）軸的設(shè)計 （4）控制系統(tǒng)的設(shè)計 2 擬采用的研究手段 通過觀察研究，自動引導(dǎo)小車的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)主要包含以下幾部分的設(shè)計： （1）確定傳動方案 通過查閱相關(guān)資料，在三輪機(jī)構(gòu)與四輪機(jī)構(gòu)之間比較，三輪機(jī)構(gòu)雖然成本較低，但沒有四輪機(jī)構(gòu)的較大的負(fù)載能力及較好的平穩(wěn)性。具體的設(shè)計將在設(shè)計說明書中說明。 （2）蝸輪蝸桿的設(shè)計 通過查閱相關(guān)資料，首先要選擇蝸桿的傳動類型，以及蝸輪蝸桿的受力分析，再進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計以及蝸輪蝸桿的主要參數(shù)及幾何尺寸，并畫出蝸輪蝸桿零件圖。具體的設(shè)計將在設(shè)計說明書中說明。 （3） 軸的設(shè)計 軸主要是前輪軸與后輪軸的設(shè)計，首先要進(jìn)行軸上的受力分析，擬定軸上零件裝配方案，根據(jù)查閱相關(guān)手冊，確定軸上尺寸，最后要驚行軸的校核。具體的設(shè)計將在設(shè)計說明書中說明。 （4） 控制系統(tǒng)的設(shè)計 查看單片機(jī)的相關(guān)資料，設(shè)計自動引導(dǎo)小車的控制系統(tǒng)，選擇伺服電機(jī)，進(jìn)行脈沖的發(fā)射，來改變兩個伺服電機(jī)的速度，采用差速來控制小車的轉(zhuǎn)彎。 （5）運用AutoCAD、Pro/engineer等機(jī)械繪圖軟件分別繪制出相關(guān)零件圖和縱向運動機(jī)構(gòu)的三維造型。  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語： 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 物流 AGV 自動導(dǎo)引小車的設(shè)計 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要 AGV 即四輪布置結(jié)構(gòu) AGV 自動引導(dǎo)小車，它集聲、光、電、計算機(jī)技術(shù)于一 體，綜合了當(dāng)今科技領(lǐng)域先進(jìn)的理論和應(yīng)用技術(shù)。廣泛應(yīng)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。 本文在分析研究國內(nèi)外 AGV 現(xiàn)狀與發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩后輪獨立驅(qū)動的 自動引導(dǎo)小車，其主要工作內(nèi)容包括：小車機(jī)械傳動設(shè)計、直流伺服電機(jī)的選擇、 AT89C51 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路、運動學(xué)分析、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及圓弧插補(bǔ) 程序。所設(shè)計的小車能夠?qū)崿F(xiàn)自主運行、運動軌跡（圓弧、直線）的控制等功能， 達(dá)到了沿著設(shè)定的路線行駛。 關(guān)鍵詞 自動引導(dǎo)小車 單片機(jī)控制設(shè)計 PWM 技術(shù) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 I 頁 共 I 頁 畢 業(yè) 設(shè) 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(shè) 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(dǎo)小車簡介 .1 1.2 自動引導(dǎo)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(jī)械部分設(shè)計 .3 2.1 設(shè)計任務(wù) .3 2.2 確定機(jī)械傳動方案 .3 2.3 直流伺服電動機(jī)的選擇 .4 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計 .7 2.5 蝸桿傳動設(shè)計 .8 2.6 軸的設(shè)計 .10 2.7 滾動軸承選擇計算 .18 3 控制系統(tǒng)的設(shè)計 .23 3.1 控制系統(tǒng)總體方案 .23 3.2 鑒向 .23 3.3 計數(shù)的擴(kuò)展 .24 3.4 中斷的擴(kuò)展 .26 3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇 .27 3.6 電機(jī)驅(qū)動芯片選擇 .29 3.7 運動學(xué)分析 .33 3.8 控制軟件的設(shè)計 .34 結(jié)束語 .42 致謝 .43 參考文獻(xiàn) .44 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 44 頁 1 緒論 1.1 AGV 自動引導(dǎo)小車簡介 AGV(Automatic Guided Vehicle),即自動引導(dǎo)車，是一種物料搬運設(shè)備，是能 在某位置自動進(jìn)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(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 自動引導(dǎo)小車的分類 自動引導(dǎo)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(jī)械式導(dǎo)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(yīng)用于中小規(guī)模的箱體類工件 FMS 中。高架有軌小車（空間導(dǎo) 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(jī)械式導(dǎo)軌，其系統(tǒng)的變更性、擴(kuò)展性和靈活性不夠理想。 無軌小車是一種利用微機(jī)控制的，能按照一定的程序自動沿規(guī)定的引導(dǎo)路徑行 駛，并具有停車選擇裝置、安全保護(hù)裝置以及各種移載裝置的輸送小車。無軌小車 按照引導(dǎo)方式和控制方法的分為有徑引導(dǎo)方式和無徑引導(dǎo)自主導(dǎo)向方式。有徑引導(dǎo) 是指在地面上鋪設(shè)導(dǎo)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(dǎo)自主導(dǎo) 向方式中，地圖導(dǎo)向方式是在無軌小車的計算機(jī)中預(yù)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(dǎo)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(jī)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(rèn)為 1981 年是柔性加工系統(tǒng)元年，這樣計算 AGV 大規(guī)模應(yīng)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(shè) 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(yīng)用 。1 目前國內(nèi)總體看 AGV 的應(yīng)用剛剛開始，相當(dāng)于國外 80 年代初的水平。但從應(yīng)用 的行業(yè)分析，分布面非常廣闊，有汽車工業(yè)、飛機(jī)制造業(yè)、家用電器行業(yè)、煙草行 業(yè)、機(jī)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(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(fù)雜系統(tǒng)計算機(jī)控制；從原始的段點定期通訊到先進(jìn)的實時通訊等方向發(fā)展；從落 后的現(xiàn)場控制到先進(jìn)的遠(yuǎn)程圖形監(jiān)控；從領(lǐng)域的發(fā)展看，主要是從較為集中的機(jī)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。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 44 頁 2 機(jī)械部分設(shè)計 2.1 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一臺自動引導(dǎo)小車 AGV，可以在水平面上按照預(yù)先設(shè)定的軌跡行駛。本設(shè)計 采用 AT89C51 單片機(jī)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(shè)計參數(shù)如下： 應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求如下： 自動引導(dǎo)小車的長度：500mm 1.負(fù)載35 KG 自動引導(dǎo)小車的寬度：300mm 2.小車轉(zhuǎn)彎半徑71 CM 自動引導(dǎo)小車的行駛速度：100mm/s 3.小車最大速度10 m/s 2.2 確定機(jī)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(jī)經(jīng)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(dǎo)小車的轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機(jī)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)。自動引導(dǎo)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(jī)經(jīng)過減速器后直接驅(qū)動后輪，當(dāng)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。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 44 頁 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(fù)載能力和較好的平穩(wěn)性。方案一有差速 器和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，故機(jī)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(jī)，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(shè)計方案。 2.3 直流伺服電動機(jī)的選擇 伺服電動機(jī)的主要參數(shù)是功率(KW)。但是，選擇伺服電動機(jī)并不按功率，而是 更根據(jù)下列三個指標(biāo)選擇。 運動參數(shù)：AGV 行走的速度為 100mm/s，則車輪的轉(zhuǎn)速為 （2.1）2.75r/min1403.610dvn 電機(jī)的轉(zhuǎn)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(dǎo)小車的受力分析如圖 2.3 所示： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 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(biāo)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 ，ABFCD ， （2.5）0zF20CPG ， （2.6）xM0.75.12.3CF 解得 15.6NBA 84NDCF 兩驅(qū)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(shù)，查表 5-2 ， =210，取 =6mm 2 牽引力 F 為 （2.N5.1307.9462maxdMF 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 44 頁 9） 電 機(jī) 1/GW 圖 2.4 后輪受力 圖 2.5 前輪受力 摩擦系數(shù) 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(jī)軸上的負(fù)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(jī)軸上的負(fù)荷慣性（ ）LJ （2.11） 21234LZJ22mKg036189. 064.13.076.(4 其中 為車輪的轉(zhuǎn)動慣量； 為蝸桿的轉(zhuǎn)動慣量；1J2J 為蝸輪的轉(zhuǎn)動慣量； 為蝸輪軸的轉(zhuǎn)動慣量。3 4 （3） 電機(jī)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(jī)。 電機(jī)型號及參數(shù)：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(shè) 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(jī)轉(zhuǎn)子慣量 故電機(jī)滿足要求。M （4）快移時的加速性能 最大空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在自動引導(dǎo)小車攜帶工件，從靜止以階躍指令加速到伺 服電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 時。這個最大空載加速轉(zhuǎn)矩就是伺服電動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩 。maxn maxT N91.076.0413289.16502aax tJT （2.14） 加速時間 （2.15）S076.19.4MaT 其中，機(jī)械時間常數(shù) ms19 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計 由于電動機(jī)軸直徑為 8mm，并且輸出軸削平了一部分與蝸桿軸聯(lián)接部分軸徑為 12mm，故其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 2.6 所示。 電 機(jī) 軸蝸 桿 軸 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 44 頁 圖 2.6 聯(lián)軸器機(jī)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(qiáng)度計算，即 4 （2.16）8mKTDZ 銷釘材料選用 45 鋼。查表 5-2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB 699-88） 45 5 調(diào)質(zhì)200mm =637MPa =353MPa =17% =35% bss2x0.39MJ/ 硬度 217255HBS 銷釘?shù)脑S用切應(yīng)力為 （2.17）47.5Pa630.5.8)(07b 過載限制系數(shù) 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(qiáng)度要求。 2.5 蝸桿傳動設(shè)計 2.5.1 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)。 2.5.2 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(zhuǎn)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(shè) 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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計 根據(jù)漸開線蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計。蝸輪輪齒因 彎曲強(qiáng)度不足而失效的情況，多數(shù)發(fā)生在蝸輪齒數(shù)較多或漸開線傳動中。 彎曲疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計的公式為 4 （2.22）221.53FaKTmdYz 確定載荷系數(shù) K4 由于工作載荷較穩(wěn)定，故取 0 載荷分布不均系數(shù) K =1，由表 11-15 選取使用4 系數(shù) KA=1.15。由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù) KV=1.1,則 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 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(yīng)力 F=48MPa 4 假設(shè) 31048，蝸輪的當(dāng)量齒數(shù) 26z （2.24）23362.29cos10Vz48 根據(jù) ， ，從圖 11-19 中可查得齒形系數(shù) 20 x26.9Vz4 2.3FaY 螺旋角系數(shù) （2.25）1970Y10 32 m.348625.53dm 由表 11-2 得 4 中心距 a=50mm 模數(shù) m=1.25mm 分度圓直徑 2.41d 蝸桿頭數(shù) 直徑系數(shù) 17.92 3125dm1z 分度圓導(dǎo)程角 =31138 蝸輪齒數(shù) 變位系數(shù)2620.x 2.5.5 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)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(shè) 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(shè)計的自動引導(dǎo)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(cè)隙種類為 d,標(biāo)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(chǎn)生的熱傳遞到空氣中，故無 須熱平衡計算。 2.6 軸的設(shè)計 2.6.1 前輪軸的設(shè)計（結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) （1）求作用在軸上的力 自動引導(dǎo)小車的前輪受力，受力如圖 2-9a 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 44 頁 CF N42.08.2121 CF （2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)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(xì)順序作了初步安排。 （b）根據(jù)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(dǎo)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 6004，其尺寸為 dDT=20mm42mm12mm,故 d =d =d =20mm。 右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(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 2.8 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(lián)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(biāo)準(zhǔn)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(shè) 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(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 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(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩的截面強(qiáng)度。最大負(fù)彎矩在截面 C 上， 。mN38.1576C 對截面 C 進(jìn)行強(qiáng)度校核，由公式 4 （2.35）1caMW 由表 15-1 得，45 鋼 調(diào)質(zhì) 4 P601 由表 15-4 得， （2.36）3 2323 m84.0)(48.)( dtbW 1MPa69.157ca 因此該軸滿足強(qiáng)度要求，故安全。 2.6.2 后輪軸的設(shè)計 后輪軸在工作中既承受彎矩又承受扭矩，故屬于轉(zhuǎn)軸。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 44 頁 圖 2.10 后輪軸結(jié)構(gòu) （1）求后輪軸上的功率 、轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)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(diào)質(zhì)處理。根4 據(jù)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(lián)結(jié)，故d d =26mm。 （4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)輪輻、軸端擋圈從右端向左安裝。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 44 頁 （b）根據(jù)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)略短于輪輻的寬度，故取 。26lm 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 2.10 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(lián)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(shè) 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(shè) 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(shè) 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(zhuǎn)矩 2358T （6）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)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(qiáng)度。 由式（15-5） 得4 (2.47)MPa83.784.2)506(.1073)( 222 WTMDCa 其中， 為折合系數(shù)，取 =0.6 為軸的抗彎截面系數(shù)，由表 15-4 得W4 3 323 m84.20)(801.)( dtb 選定軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)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(zhuǎn)速 ，軸承的徑向力r/min96.28104.310dvn 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 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(dǎo)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(zhuǎn)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(shè) 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(shè) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行校核。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 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(dǎo)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(zhuǎn)速校核 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 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(tǒng)的設(shè)計 3.1 控制系統(tǒng)總體方案 本系統(tǒng)使用 AT89C51 單片機(jī)作為核心的控制運算部分。連接在電機(jī)上的數(shù)字編 碼器在電機(jī)運轉(zhuǎn)時發(fā)出的脈沖信號，經(jīng)過自行設(shè)計和制作的脈沖鑒向電路，可以得 到電機(jī)的運轉(zhuǎn)方向；來自鑒向電路的正反方向的脈沖信號進(jìn)入到兩塊 8253 計數(shù)器進(jìn) 行計數(shù)，以獲得電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和位移；經(jīng)過在 AT89C51 單片機(jī)上運行的各種控制 程序的適當(dāng)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(jī)脈寬調(diào)制器，通過 H 橋開關(guān)放大器，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度或 者力矩給定，從而控制電機(jī)的運轉(zhuǎn)，使整個 AGV 自動引導(dǎo)小車能夠完成所設(shè)計的控 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 44 頁 制任務(wù)。 整個控制系統(tǒng)的組成框圖如圖 3.1 所示： 圖 3.1 控制系統(tǒng)的組成框圖 3.2 鑒向 伺服電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速及分辨電機(jī)不同的旋轉(zhuǎn)方向。安裝在電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上的數(shù)字 編碼器在電機(jī)運轉(zhuǎn)時能夠產(chǎn)生相位相差 90 度的兩路脈沖信號，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以 由鑒向電路對此兩路脈沖進(jìn)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(jī)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(dāng)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(jìn)入脈沖計數(shù)電路進(jìn)行計數(shù)，再由計算機(jī)讀入進(jìn)行處 理。其電路圖見圖3.3中的(a)所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 44 頁 圖 3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)向分辨電路 本次設(shè)計使用的數(shù)字編碼器為500P/ R ,即電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周輸出500個脈沖,電機(jī) 到車輪的減速齒輪的減速比為62 : 1 ,因此車輪每前進(jìn)或者后退一周產(chǎn)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(shù)器。 3.3 計數(shù)的擴(kuò)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)過鑒向電路提供的 是電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)脈沖,必須對這些脈沖分別進(jìn)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(jī)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(shè)定定時與計數(shù)功能，設(shè)定后與CPU并行工 作，不占用CPU時間，功能強(qiáng)，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(jìn)制或二十進(jìn)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(dá)2MHz，芯片所有的輸入輸出都與TTL兼容。 8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.4所示；引腳如圖3.5所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁 共 44 頁 圖3.4 8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖3.5 8253引腳圖 U6地址為：8000H計數(shù)器0 8001H計數(shù)器1 8002H計數(shù)器2 8003H控制字 U7地址為：6000H計數(shù)器0 6001H計數(shù)器1 6002H計數(shù)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(shù)器0和計數(shù)器1用于左輪電機(jī)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(jī)正反轉(zhuǎn)計數(shù)，并處于工作方式3。在中斷服務(wù)程 序中，這四個計數(shù)器分別對兩臺伺服電機(jī)的正/ 反脈沖進(jìn)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)和左論反轉(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(jìn)行運算就可以得到移動機(jī)器人的狀態(tài)量了。 3.4 中斷的擴(kuò)展 AT89C51 單片機(jī)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(kuò)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(shè) 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(shè)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(gòu)成級連機(jī)構(gòu)可以管理 64 級中斷。 圖3.6 8259A引腳圖 8259A的外部引腳： ：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(yīng)，接收CPU 的中斷響應(yīng)信號。INTA ：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。RD ：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）。W ：片選信號，低電平有效。CS ：端口選擇，指出當(dāng)前哪個端口被訪問。0A ：接收設(shè)備的中斷請求。7IR ：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20CS 統(tǒng)中，主從片的 對應(yīng)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(dāng)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(dāng)從8259A往CPU傳送數(shù)據(jù)時， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 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(shè)計采用兩片8259A進(jìn)行級聯(lián)：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(yīng)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ITA07D 起，當(dāng)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)SPENSPEN 先級設(shè)置類似于單片機(jī)的情況。級聯(lián)如圖3.7所示。 AT89C5174HC388259AU0UU主從U48259A 圖3.7 8259A的級聯(lián) 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(biāo)有分辨率、轉(zhuǎn)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(shè)計采用DAC1208芯片，故 其分辨率為 。412.210 轉(zhuǎn)換精度 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 。1210.2nFSAV0.1 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 29 頁 共 44 頁 線性度 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 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1/2LSB時所需要的時間，當(dāng)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)及引腳如圖3.8和圖3.9所示。 圖 3 - 8 D A C 圖3.8 DAC1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3.9 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。在實際應(yīng)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(shè)計采用 雙緩沖方式，目的是為了讓兩個直流伺服電機(jī)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(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)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(shè) 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(shè)計采用DAC1208芯片的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器其連接方式如圖3.10所示。 為高電平時，選中數(shù)據(jù) 輸入到8位輸入寄存器；當(dāng)BYTE14DII 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，30 CS 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(shù)據(jù)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(shù)差：2OUTI 常數(shù)，此常數(shù)對應(yīng)一個固定基準(zhǔn)電壓的滿量程電流。 參考電壓輸2OUTII REFV 入端，可正可負(fù)， -10+10v 。 3.6 電機(jī)驅(qū)動芯片選擇 電機(jī)驅(qū)動采用PWM技術(shù)來驅(qū)動直流伺服電動機(jī)。PWM技術(shù)為脈寬調(diào)制技術(shù)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(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 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 31 頁 共 44 頁 服電機(jī)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(jī)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(yīng)運用。為了改善伺服電機(jī)的運行特性，必須適當(dāng)選擇PWM的切換 頻率，其選擇可參考以下原則： （1）切換頻率應(yīng)能使電機(jī)軸產(chǎn)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(shù)， 為PWM電源電壓， 為電感， 為電機(jī)靜摩4MCfkULTCULT 擦力矩。 （2）微振的最大角位移應(yīng)小于設(shè)定的位置誤差。即 (3.2)3192CTkfLJ 其中J為轉(zhuǎn)動慣量， 為設(shè)定的位置誤差。 （3）盡量減少電機(jī)產(chǎn)生的高頻功耗。即應(yīng)使得 (3.3)2ATRfL 其中 為電內(nèi)阻。AR 一般伺服電機(jī)的電感很小，如果切換頻率不高，導(dǎo)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(qū)動伺服電機(jī)，其 UC3637原理如圖3.11所示，根據(jù)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(qū)動電流能力為100mA 限流保護(hù) 欠電壓封鎖 有溫度補(bǔ)償，2.5V閥值的關(guān)機(jī)控制 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 32 頁 共 44 頁 圖3.11 UC3637原理框圖 UC3637的結(jié)構(gòu)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(guān)機(jī)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(chǎn)生電路如圖3.12所示。 圖3.12 恒幅三角波產(chǎn)生電路 三角波參數(shù)的計算 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 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(jī)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(tǒng)，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) V78.102.4 34ISRV768.3TH (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(zhuǎn)折（閾值）電壓； 為電源電壓； 為定時電阻；THVSVTR 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 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(bǔ)償運 放。 3.7 運動學(xué)分析 3.7.1 運動學(xué)方程 AGV 自動引導(dǎo)小車的速度分析。 已知車輪驅(qū)動速度，求機(jī)構(gòu)本體移動速度和旋轉(zhuǎn)角速度。 兩后輪分別驅(qū)動四輪機(jī)構(gòu)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(dǎo)小車示意圖 整理成矩陣形式： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 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(zhuǎn)彎半徑 小車在轉(zhuǎn)彎時以速度 勻速轉(zhuǎn)彎；小車兩主動輪之間的距離為 B；小車兩主動輪 中心（假設(shè)小車質(zhì)量分布均勻）與轉(zhuǎn)彎圓心的距離即轉(zhuǎn)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(shù)為 ，則有12 (3.17)2Rg1 6m.708.94)/10( 查表 5-2 取 2 m 故取小車轉(zhuǎn)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(shè)計 根據(jù)機(jī)器人的線速度和角速度的表達(dá)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(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 36 頁 共 44 頁 （3.23）00cos2trlxdt (3.24)intrly 采用數(shù)值積分方法進(jìn)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(jī)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(dá)到使用的要求。表達(dá)式如下: (3.25)112ntnrldtb （3.261cosntrlx ） (3.27)11si2ntn rlydt 另外,考慮到系統(tǒng)的各個狀態(tài)量都是通過數(shù)字編碼器輸出的脈沖信號進(jìn)行檢測的,要 將脈沖信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器人移動的距離及轉(zhuǎn)過的角度,必須對脈沖信號進(jìn)行定標(biāo),即確 定每個脈沖與驅(qū)動輪移動的距離的系數(shù)。已知驅(qū)動輪的半徑 r = 70mm ,電機(jī)到車輪 的減速齒輪的變比為62 : 1 ,電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出500個脈沖,從而可以得到脈沖當(dāng) 量應(yīng)為2 PI 70/(500 62) ,即0.01418mm/P 。 對于控制系統(tǒng)的軟件編程語言，要根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)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(dǎo)小車的引導(dǎo)原理是根據(jù)自動引導(dǎo)小車行走 的軌跡進(jìn)行編程，數(shù)字編碼器檢測出的電壓信號判斷其與預(yù)先編程的軌跡的位置偏 差，控制器根據(jù)位置偏差調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速對偏差進(jìn)行糾正，從而使自動引導(dǎo)小車沿預(yù) 先編程的軌跡行走。因此AGV自動引導(dǎo)小車行走過程中，需不斷地根據(jù)輸入的位置偏 差信號調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，對系統(tǒng)進(jìn)行實時控制。為對AGV自動引導(dǎo)小車實施控制，需要 對硬件進(jìn)行操作。 整個AGV自動引導(dǎo)小車的控制流程如圖3.14所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 37 頁 共 44 頁開 始函 數(shù) 、 變 量 、 中 斷 初 始 化讀 取 預(yù) 設(shè) 路 徑 坐 標(biāo)路 徑 規(guī) 劃 及 軌 跡 插 補(bǔ)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(jié) 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(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖 程序開始：先設(shè)置函數(shù)和變量，并對各芯片進(jìn)行初始化；讀取預(yù)先設(shè)置軌跡的 坐標(biāo)；對軌跡進(jìn)行插補(bǔ)；讀取上次的誤差，自動引導(dǎo)小車啟動；進(jìn)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(yù)先設(shè)置的軌跡相比較產(chǎn)生偏 差，接著把偏差送給D/A轉(zhuǎn)換器，從而控制自動引導(dǎo)小車沿預(yù)先設(shè)定的軌跡行走。 YES則走下一段軌跡，接著判斷是否到達(dá)終點，到達(dá)終點結(jié)束；沒到達(dá)終點則繼續(xù)走 下一段軌跡。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 38 頁 共 44 頁 下面為圓弧插補(bǔ)程序，流程圖如圖3.15。 DDA圓弧插補(bǔ)程序： XP BIT 00H ； X向溢出標(biāo)志 YP BIT 01H ； Y向溢