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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要 AGV 即自動(dòng)引導(dǎo)小車，它集聲、光、電、計(jì)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(dòng)化工廠中，具有 運(yùn)輸效率高、節(jié)能、工作可靠、能實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)輸?shù)仍S多優(yōu)點(diǎn)，極大的提高生產(chǎn)自 動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。 本文在分析研究國(guó)內(nèi)外 AGV 現(xiàn)狀與發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的 自動(dòng)引導(dǎo)小車，其主要工作內(nèi)容包括：小車機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)、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(yùn)動(dòng)學(xué)分析、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及圓弧插補(bǔ) 程序。所設(shè)計(jì)的小車能夠?qū)崿F(xiàn)自主運(yùn)行、運(yùn)動(dòng)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(dòng)引導(dǎo)小車 單片機(jī)控制設(shè)計(jì) PWM 技術(shù) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 I 頁(yè) 共 I 頁(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 II 頁(yè) 共 II 頁(yè) 目 錄 1 緒論 .1 1.1 AGV 自動(dòng)引導(dǎo)小車簡(jiǎn)介 .1 1.2 自動(dòng)引導(dǎo)小車的分類 .1 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) .1 2 機(jī)械部分設(shè)計(jì) .3 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) .3 2.2 確定機(jī)械傳動(dòng)方案 .3 2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 .4 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) .7 2.5 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) .8 2.6 軸的設(shè)計(jì) .10 2.7 滾動(dòng)軸承選擇計(jì)算 .18 3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .23 3.1 控制系統(tǒng)總體方案 .23 3.2 鑒向 .23 3.3 計(jì)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(dòng)芯片選擇 .29 3.7 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .33 3.8 控制軟件的設(shè)計(jì) .34 結(jié)束語(yǔ) .42 致謝 .43 參考文獻(xiàn) .44 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁(yè) 共 44 頁(yè) 1 緒論 1.1 AGV 自動(dòng)引導(dǎo)小車簡(jiǎn)介 AGV(Automatic Guided Vehicle),即自動(dòng)引導(dǎo)車，是一種物料搬運(yùn)設(shè)備，是能 在某位置自動(dòng)進(jìn)行貨物的裝載，自動(dòng)行走到另一位置，自動(dòng)完成貨物的卸載的全自 動(dòng)運(yùn)輸裝置。AGV 是以電池為動(dòng)力源的一種自動(dòng)操縱的工業(yè)車輛。裝卸搬運(yùn)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(fèi)用的重要部分。因此， 運(yùn)輸工具得到了很大的發(fā)展，其中 AGV 的使用場(chǎng)合最廣泛，發(fā)展十分迅速。 1.2 自動(dòng)引導(dǎo)小車的分類 自動(dòng)引導(dǎo)小車分為有軌和無(wú)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(jià)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(yùn)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(duì)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(dòng)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(wú)軌小車是一種利用微機(jī)控制的，能按照一定的程序自動(dòng)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(wú)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(wú)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(guò)電磁信號(hào)或光信 號(hào)檢測(cè)出自己的所在位置，通過(guò)自動(dòng)修正而保證沿指定路徑行駛。無(wú)徑引導(dǎo)自主導(dǎo) 向方式中，地圖導(dǎo)向方式是在無(wú)軌小車的計(jì)算機(jī)中預(yù)存距離表（地圖） ，通過(guò)與測(cè)距 法所得的方位信息比較，小車自動(dòng)算出從某一參考點(diǎn)出發(fā)到目的點(diǎn)的行駛方向。這 種引導(dǎo)方式非常靈活，但精度低。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) AGV 是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、自動(dòng)化立體 倉(cāng)庫(kù)而產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的。日本人認(rèn)為 1981 年是柔性加工系統(tǒng)元年，這樣計(jì)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?？斓?。1981 年美國(guó) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁(yè) 共 44 頁(yè) 通用公司開始使用 AGV，1985 年 AGV 保有量 500 臺(tái)，1987 年 AGV 保有量 3000 臺(tái)。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(shuō) AGV 在其他行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用 。1 目前國(guó)內(nèi)總體看 AGV 的應(yīng)用剛剛開始，相當(dāng)于國(guó)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(cāng)庫(kù)、郵電部門等 。這說(shuō)明 AGV 有一個(gè)潛在的廣闊市場(chǎng)。1 AGV 從技術(shù)的發(fā)展看，主要是從國(guó)家線路向可調(diào)整線路；從簡(jiǎn)單車載單元控制向 復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制；從原始的段點(diǎn)定期通訊到先進(jìn)的實(shí)時(shí)通訊等方向發(fā)展；從落 后的現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化生產(chǎn)、物料搬運(yùn)、物品倉(cāng)儲(chǔ)、商品 配送等行業(yè)發(fā)展。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁(yè) 共 44 頁(yè) 2 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一臺(tái)自動(dòng)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(jì) 采用 AT89C51 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)來(lái)控制小車的行駛，從而實(shí)現(xiàn)小車的左、右轉(zhuǎn)彎、 直走、倒退、停止功能。 其設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求如下： 自動(dòng)引導(dǎo)小車的長(zhǎng)度：500mm 1.負(fù)載35 KG 自動(dòng)引導(dǎo)小車的寬度：300mm 2.小車轉(zhuǎn)彎半徑71 CM 自動(dòng)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(dòng)方案 方案一：采用三輪布置結(jié)構(gòu)。直流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速器和差速器，通過(guò)兩半 軸將動(dòng)力傳遞到兩后輪。自動(dòng)引導(dǎo)小車的轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)前面的一個(gè)萬(wàn)向輪轉(zhuǎn) 向。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 2.1 所示。 圖 2.1 傳動(dòng)方案一 方案二：采用四輪布置結(jié)構(gòu)。自動(dòng)引導(dǎo)小車采用兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)差速轉(zhuǎn)向，兩 前輪為萬(wàn)向輪的四輪結(jié)構(gòu)形式。直流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速器后直接驅(qū)動(dòng)后輪，當(dāng)兩 輪運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 2.2 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 2.2 傳動(dòng)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(dòng)誤差大。方案二采用兩套蝸輪-蝸桿減速器及直流伺服電 動(dòng)機(jī)，成本相對(duì)于方案一較高，但它的傳動(dòng)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(jì)方案。 2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 伺服電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)是功率(KW)。但是，選擇伺服電動(dòng)機(jī)并不按功率，而是 更根據(jù)下列三個(gè)指標(biāo)選擇。 運(yùn)動(dòng)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(dòng)引導(dǎo)小車的受力分析如圖 2.3 所示： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁(yè) 共 44 頁(yè) OGPFBFCFAFD 2.3 車輪受力簡(jiǎn)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(duì)稱，則 ，ABFCD ， （2.5）0zF20CPG ， （2.6）xM0.75.12.3CF 解得 15.6NBA 84NDCF 兩驅(qū)動(dòng)后輪的受力情況如圖 2.4 所示： 滾動(dòng)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(dòng)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(dòng)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(dòng)慣量； 為蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；1J2J 為蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為蝸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)。 電機(jī)型號(hào)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁(yè) 共 44 頁(yè) max0.251LMJ （2.12） 即 361.89.0.2851 慣量 J 2gcm89.651.39LMJ （2.13） 其中 為伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 故電機(jī)滿足要求。M （4）快移時(shí)的加速性能 最大空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在自動(dòng)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(shí)。這個(gè)最大空載加速轉(zhuǎn)矩就是伺服電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩 。maxn maxT N91.076.0413289.16502aax tJT （2.14） 加速時(shí)間 （2.15）S076.19.4MaT 其中，機(jī)械時(shí)間常數(shù) ms19 2.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 由于電動(dòng)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(jì)如圖 2.6 所示。 電 機(jī) 軸蝸 桿 軸 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(jì)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(guò)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(dòng)設(shè)計(jì) 2.5.1 選擇蝸桿的傳動(dòng)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(dòng)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 2.7 蝸輪-蝸桿受力分析 各力的大小計(jì)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(jì) 根據(jù)漸開線蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(dòng)中。 彎曲疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)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(dòng)載系數(shù) KV=1.1,則 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁(yè) 共 44 頁(yè) （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(dòng)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(jí)公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設(shè)計(jì)的自動(dòng)引導(dǎo)小車屬于精密傳動(dòng)，從 GB/T 10089-1988 圓柱蝸桿、 蝸輪精度中選擇 6 級(jí)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(dòng)是漸開線傳動(dòng)，蝸輪-蝸桿產(chǎn)生的熱傳遞到空氣中，故無(wú) 須熱平衡計(jì)算。 2.6 軸的設(shè)計(jì) 2.6.1 前輪軸的設(shè)計(jì)（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(dòng)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁(yè) 共 44 頁(yè) CF N42.08.2121 CF （2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （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(dòng)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(dòng)軸承和軸用彈性擋圈。這樣就對(duì)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(zhǎng)度 初步選擇滾動(dòng)軸承。自動(dòng)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(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)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(hào)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(duì)稱可任意確定尺寸，確定了 軸上的各段直徑和長(zhǎng)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(cè)查得平鍵截面 bh=8mm7mm(GB/T 1095-1979),鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為 28mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)見 GB/T 1096-1979),同時(shí)為了保證左右輪輻與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇左右輪 輻與軸的配合為 H7/n6。滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借過(guò)度配合來(lái)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(jì)算簡(jiǎn)圖。根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)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(shí)，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(duì)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(jì) 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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(dòng)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(jì) （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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁(yè) 共 44 頁(yè) （b）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)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(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)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(hào)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(zhǎng)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(cè)查得平鍵截面 bh=8mm7mm,d 鍵槽長(zhǎng)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(jiǎn)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(gè)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(jiǎn)圖 2.11c。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)化，得BC (2.44)333157.6MxFx3041x 0VAC 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁(yè) 共 44 頁(yè) mN75.2.01.9左VDM .830975283右 6.46.VB 計(jì)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(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面即危險(xiǎn)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(dòng)軸承選擇計(jì)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁(yè) 共 44 頁(yè) ，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(dòng)載荷計(jì)算 由式 (2.48) 4 610hlP 對(duì)球軸承 =3， (2.49) PraPrfXFYf 查表 13-6 自動(dòng)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(rùn)滑） KN8.9rC2.130Cr/min90lin0.35e 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 2.12 蝸桿軸上的軸承受力 （2） 按額定動(dòng)載荷計(jì)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(duì)軸承 A 進(jìn)行校核。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁(yè) 共 44 頁(yè) （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(rùn)滑）KN91.4rCKN01.rCr/min950lin （2）按額定動(dòng)載荷計(jì)算 由式 610hLP 對(duì)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(dòng)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(shí)， 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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(jì) 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(yùn)算部分。連接在電機(jī)上的數(shù)字編 碼器在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)自行設(shè)計(jì)和制作的脈沖鑒向電路，可以得 到電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向；來(lái)自鑒向電路的正反方向的脈沖信號(hào)進(jìn)入到兩塊 8253 計(jì)數(shù)器進(jìn) 行計(jì)數(shù)，以獲得電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和位移；經(jīng)過(guò)在 AT89C51 單片機(jī)上運(yùn)行的各種控制 程序的適當(dāng)運(yùn)算以后，輸出的控制量經(jīng)過(guò)兩塊 DAC1208 轉(zhuǎn)換器變成模擬量，輸出到 兩塊 UC3637 直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制器，通過(guò) 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(yùn)轉(zhuǎn)，使整個(gè) AGV 自動(dòng)引導(dǎo)小車能夠完成所設(shè)計(jì)的控 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁(yè) 共 44 頁(yè) 制任務(wù)。 整個(gè)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(gè)不同的象限，作為系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)部分， 必須能夠檢測(cè)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠產(chǎn)生相位相差 90 度的兩路脈沖信號(hào)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以 由鑒向電路對(duì)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(shí)，A相脈沖超前于B相脈沖90度，在cp十端輸出反向計(jì)數(shù)脈沖， 當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，B相脈沖超前于A相脈沖90度，在cp一端輸出正向計(jì)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(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，再由計(jì)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)向分辨電路 本次設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)脈沖,可見分辯率非常高。編碼器的脈沖輸出為差動(dòng)形式,鑒向電路接收差 動(dòng)形式的脈沖信號(hào),鑒向后輸入到8253計(jì)數(shù)器。 3.3 計(jì)數(shù)的擴(kuò)展 為了得到驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的速度、位移等,而數(shù)字編碼器的輸出經(jīng)過(guò)鑒向電路提供的 是電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)脈沖,必須對(duì)這些脈沖分別進(jìn)行計(jì)數(shù)、運(yùn)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(jì)數(shù)器,每塊芯片具有三個(gè)16 位計(jì)數(shù)器。 四個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器即1# 、2 # 、3 # 和4 # 分別用于兩臺(tái)電機(jī)的正/ 反轉(zhuǎn)脈沖的計(jì) 數(shù)。 8253可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器可由軟件設(shè)定定時(shí)與計(jì)數(shù)功能，設(shè)定后與CPU并行工 作，不占用CPU時(shí)間，功能強(qiáng)，使用靈活。它具有3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器通道，每個(gè) 計(jì)數(shù)器都可以按照二進(jìn)制或二十進(jìn)制計(jì)數(shù)，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有6種工作方式，計(jì)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(jì)數(shù)器0 8001H計(jì)數(shù)器1 8002H計(jì)數(shù)器2 8003H控制字 U7地址為：6000H計(jì)數(shù)器0 6001H計(jì)數(shù)器1 6002H計(jì)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(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1用于左輪電機(jī)正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，并處于工作方式3。U7芯 片中計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1用于右輪電機(jī)正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，并處于工作方式3。在中斷服務(wù)程 序中，這四個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)兩臺(tái)伺服電機(jī)的正/ 反脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得到的計(jì)數(shù)值 減掉上一次的計(jì)數(shù)值，就可以得到在這一時(shí)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(shí)變量temp 1、temp 2、temp 3 和temp 4 中，在主程序中通過(guò)對(duì)它們進(jìn)行運(yùn)算就可以得到移動(dòng)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(gè)級(jí)聯(lián)的 8259A 中斷控制器來(lái)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁(yè) 共 44 頁(yè) 是一種集成芯片。它用來(lái)管理輸入到 CPU 的各種中斷申請(qǐng)，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(gè) 8259A 芯片都能直接管理 8 級(jí)中斷， 最多可用于 9 片 8259A 芯片級(jí)連，由其構(gòu)成級(jí)連機(jī)構(gòu)可以管理 64 級(jí)中斷。 圖3.6 8259A引腳圖 8259A的外部引腳： ：數(shù)據(jù)線， CPU通過(guò)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(qǐng)求，和CPU的INTR引腳相連，用來(lái)向CPU提出中斷請(qǐng)求。 ：中斷響應(yīng)，接收CPU 的中斷響應(yīng)信號(hào)。INTA ：讀信號(hào)，低電平有效，通知8259A將某個(gè)寄存器的內(nèi)容送到數(shù)據(jù)總線上。RD ：寫信號(hào)，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(hào)，低電平有效。CS ：端口選擇，指出當(dāng)前哪個(gè)端口被訪問(wèn)。0A ：接收設(shè)備的中斷請(qǐng)求。7IR ：級(jí)聯(lián)端，指出具體的從片。在采用主從式級(jí)聯(lián)的多片8259A的系20CS 統(tǒng)中，主從片的 對(duì)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(gè)用處：當(dāng)作為輸入PEN 時(shí)，用來(lái)決定本片8259A是主片還是從片。作為輸出時(shí)，當(dāng)從8259A往CPU傳送數(shù)據(jù)時(shí)， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 28 頁(yè) 共 44 頁(yè) 由 引出的信號(hào)作為總線啟動(dòng)信號(hào)，以控制總線緩沖器的接收和發(fā)送。SPEN 本次設(shè)計(jì)采用兩片8259A進(jìn)行級(jí)聯(lián)：主片的 引腳連接從片的中斷請(qǐng)求 INT，如2IR 果某一個(gè)引腳下面沒有連接從片，則可以直接連接外部中斷請(qǐng)求；而主片、從片的 中斷響應(yīng)信號(hào) 和數(shù)據(jù)信號(hào) 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(shí)，可以在主片CAS和從片CAS之間增加驅(qū)動(dòng)器。主片的 接高電平。從片的 接低電平。在8259A 的主從式級(jí)聯(lián)方式中，中斷的優(yōu)SPENSPEN 先級(jí)設(shè)置類似于單片機(jī)的情況。級(jí)聯(lián)如圖3.7所示。 AT89C5174HC388259AU0UU主從U48259A 圖3.7 8259A的級(jí)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(jiǎn) 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(shí)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(jì)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 29 頁(yè) 共 44 頁(yè) 線性度 指 DAC 的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之間的最大偏移差。 建立時(shí)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(shí)所需要的時(shí)間，當(dāng)輸出的模擬量為電流時(shí)，這個(gè)時(shí)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(duì)輸入數(shù)據(jù)具有兩級(jí)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(gè)寄存器可以分別選通。 DAC1208有三種工作方式：?jiǎn)尉彌_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(gè)輸入寄存器中有一個(gè)處于直通方式，而 另一個(gè)處于受控的鎖存方式。在實(shí)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(gè)鎖存器都接成受控鎖存方式。本次設(shè)計(jì)采用 雙緩沖方式，目的是為了讓兩個(gè)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(hào)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 30 頁(yè) 共 44 頁(yè) +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(jì)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(shí)，選中數(shù)據(jù) 輸入到8位輸入寄存器；當(dāng)BYTE14DII 為低電平時(shí)，選中數(shù)據(jù) 輸入到 4位輸入寄存器； 片選信號(hào)，30 CS 低電平有效，和輸入鎖存信號(hào) 一起決定第一級(jí)數(shù)據(jù)鎖存是否有效。 第一1ILEWR ILE 級(jí)允許鎖存，高電平有效。 寫信號(hào)1，作為第一級(jí)鎖存信號(hào)，必須和 同 時(shí)有效。 寫信號(hào)2，作為第二級(jí)鎖存信號(hào)，必須和 同時(shí)有效。 控制信WRXFERXF 號(hào)，低電平有效，和 一起決定第二級(jí)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(shí)最大，全0時(shí)為0。 模擬電流輸出端，和 有一個(gè)常數(shù)差：2OUTI 常數(shù)，此常數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)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(dòng)芯片選擇 電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。PWM技術(shù)為脈寬調(diào)制技術(shù)其可通 過(guò)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(hào)成線性關(guān)系的方波脈沖串，利用該方波脈沖串驅(qū)動(dòng)功率放大電路，從而控制伺 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 31 頁(yè) 共 44 頁(yè) 服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用PWM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(yùn)用。為了改善伺服電機(jī)的運(yùn)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(yùn)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(dòng)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(lái)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)： 單電源或雙電源工作， 5.2v0 雙路PWM信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 32 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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(jì)算 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 33 頁(yè) 共 44 頁(yè) 取PWM定時(shí)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(duì)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(jì)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(zhuǎn)折（閾值）電壓； 為電源電壓； 為定時(shí)電阻；THVSVTR 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 34 頁(yè) 共 44 頁(yè) B 2v1xoy P A Q L 為定時(shí)電容； 為恒流充電電流； 為振蕩頻率。C3637具有一個(gè)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(yùn)放，亦可作為反饋補(bǔ)償運(yùn) 放。 3.7 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3.7.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 AGV 自動(dòng)引導(dǎo)小車的速度分析。 已知車輪驅(qū)動(dòng)速度，求機(jī)構(gòu)本體移動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)角速度。 兩后輪分別驅(qū)動(dòng)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(dòng)引導(dǎo)小車示意圖 整理成矩陣形式： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 35 頁(yè) 共 44 頁(yè) (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(shí)以速度 勻速轉(zhuǎn)彎；小車兩主動(dòng)輪之間的距離為 B；小車兩主動(dòng)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(jì) 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(jì)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(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 36 頁(yè) 共 44 頁(yè) （3.23）00cos2trlxdt (3.24)intrly 采用數(shù)值積分方法進(jìn)行近似檢測(cè): 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(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度選10t21,ntt 1i 擇得充分小,或者控制周期比較短,則檢測(cè)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(gè)狀態(tài)量都是通過(guò)數(shù)字編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的,要 將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人移動(dòng)的距離及轉(zhuǎn)過(guò)的角度,必須對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行定標(biāo),即確 定每個(gè)脈沖與驅(qū)動(dòng)輪移動(dòng)的距離的系數(shù)。已知驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)于控制系統(tǒng)的軟件編程語(yǔ)言，要根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行選擇，一般要求代碼簡(jiǎn) 捷，執(zhí)行效率高，實(shí)時(shí)性好。AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的引導(dǎo)原理是根據(jù)自動(dòng)引導(dǎo)小車行走 的軌跡進(jìn)行編程，數(shù)字編碼器檢測(cè)出的電壓信號(hào)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(duì)偏差進(jìn)行糾正，從而使自動(dòng)引導(dǎo)小車沿預(yù) 先編程的軌跡行走。因此AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車行走過(guò)程中，需不斷地根據(jù)輸入的位置偏 差信號(hào)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。為對(duì)AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車實(shí)施控制，需要 對(duì)硬件進(jìn)行操作。 整個(gè)AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的控制流程如圖3.14所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 37 頁(yè) 共 44 頁(yè)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(yùn) 行 誤 差 序 列AGV平 滑 啟 動(dòng) 環(huán) 節(jié)軌 跡 檢 測(cè)到 第 一 段 軌 跡 終 點(diǎn) 嗎 ？第 二 段 軌 跡 控 制 環(huán) 節(jié) 到 終 點(diǎn) 了 嗎 ？存 儲(chǔ) 本 次 軌 跡 控 制 誤 差 序 列 偏 差 自 動(dòng) 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(dòng) 校 正Y到 第 段 軌 跡 終 點(diǎn) 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(duì)各芯片進(jìn)行初始化；讀取預(yù)先設(shè)置軌跡的 坐標(biāo)；對(duì)軌跡進(jìn)行插補(bǔ)；讀取上次的誤差，自動(dòng)引導(dǎo)小車啟動(dòng)；進(jìn)行軌跡的檢測(cè)； 判斷第一段路徑走完沒有；NO則把檢測(cè)的實(shí)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(dòng)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(diǎn)，到達(dá)終點(diǎn)結(jié)束；沒到達(dá)終點(diǎn)則繼續(xù)走 下一段軌跡。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 38 頁(yè) 共 44 頁(yè) 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向溢出標(biāo)志 XS EQU 60H ； 起點(diǎn)坐標(biāo)X YS E