机械毕业设计1719自动导引小车(AVG)的设计

AGV自动导引小车的设计摘要AGV即自动导引小车，它集声、光、电、计算机技术于一体，综合了当今科技领域先进的理论和应用技术。广泛应用在柔性制造系统和自动化工厂中，具有运输效率高、节能、工作可靠、能实现柔性运输等许多优点，极大的提高生产自动化程度和生产效率。本文在分析研究国内外AGV现状与发展的基础上，设计了两后轮独立驱动的自动导引小车，其主要工作内容包括：小车机械传动设计、直流伺服电机的选择、AT89C51单片机控制系统硬件电路、运动学分析、控制系统软件设计及圆弧插补程序。所设计的小车能够实现自主运行、运动轨迹（圆弧、直线）的控制等功能，达到了沿着设定的路线行驶。关键词：自动导引小车，单片机控制，设计，PWM技术DesignonAutomaticGuidedVehicleAbstractTheAGVnamelyAutomaticGuidedVehicle,itcollectsound,thelight,theelectricity,thecomputertechnologyinabody,andsynthesizesthetechnicaldomainadvancedtheoryandtheapplicationtechnology.Itwidespreadappliedintheflexiblemanufacturingsystemandthefactoryautomation,andhasthemeritsofhightransportationefficiency,theenergyconservation,theworkreliable,theflexibletransportation.Itenormouslyenhancedproductionautomaticityandproductionefficiency.BasedontheanalysisofthedomesticandforeignAGVpresentsituationanditsdevelopmentfoundation,AGVwithtwowheelindependentdriveisdesigned.Thecontentofthepaperincludes:designofmechanicalstructureanddriveofthecar,thechoiceofdirectcurrentservomotor,thehardwareelectriccircuitofAT89C51controlsystem,thekinematicanalysis,thesoftwaredesignofcontrolsystemandtheprocedureofinterpolationthecirculararc.Thedesignedcarcanrealizethefunctionsofindependentmovement,thepath(circulararc,straightline)controlandsoon,andhasachievedtotravelalongthehypothesisroute.Keyword:AutomaticGuidedVehicle,singlechipcomputercontro，lDesign,PWMTOC\o"1-5"\h\z摘要 IAbstract II第一章绪论 1AGV自动导引小车简介 1AGV自动导引小车的分类 13国内外研究现状及发展趋势 1第二章机械部分设计 21设计任务 22确定机械传动方案 22.3直流伺服电动机的选择 32.4联轴器的设计 5第三章控制系统的设计 193.1控制系统总体方案 192鉴向 193.3计数的扩展 203.4中断的扩展 213.5数摸转换器的选择 223.6电机驱动芯片选择 237运动学分析 263.8控制软件的设计 27结论 32参考文献(References) 32致谢 32第一章绪论AGV自动导引小车简介AGV（AutomaticGuidedVehicle）,即自动导引车，是一种物料搬运设备，是能在一位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置，自动完成货物的卸载的全自动运输装置。AGV是以电池为动力源的一种自动操纵的工业车辆。装卸搬运是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高，占据物流费用的重要部分。因此，运输工具得到了很大的发展，其中AGV的使用场合最广泛，发展十分迅速。AGV自动导引小车的分类自动导引小车分为有轨和无轨两种。所谓有轨是指有地面或空间的机械式导向轨道。地面有轨小车结构牢固，承载力大，造价低廉，技术成熟，可靠性好，定位精度高。地面有轨小车多采用直线或环线双向运行，广泛应用于中小规模的箱体类工件FMS中。高架有轨小车（空间导轨）相对于地面有轨小车，车间利用率高，结构紧凑，速度高，有利于把人和输送装置的活动范围分开，安全性好，但承载力小。高架有轨小车较多地用于回转体工件或刀具的输送，以及有人工介人的工件安装和产品装配的输送系统中。有轨小车由于需要机械式导轨，其系统的变更性、扩展性和灵活性不够理想。无轨小车是一种利用微机控制的，能按照一定的程序自动沿规定的引导路径行驶，并具有停车选择装置、安全保护装置以及各种移载装置的输送小车。无轨小车按引导方式和控制方法的分为有径引导方式和无径引导自主导向方式。有径引导方式是指在地面上铺设导线、磁带或反光带制定小车的路径，小车通过电磁信号或光信号检测出自己的所在位置，通过自动修正而保证沿指定路径行驶。无径引导自主导向方式中，地图导向方式是在无轨小车的计算机中预存距离表（地图），通过与测距法所得的方位信息比较，小车自动算出从某一参考点出发到目的点的行驶方向。这种引导方式非常灵活，但精度低。3国内外研究现状及发展趋势AGV是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动化立体仓库而产生并发展起来的。日本人认为1981年是柔性加工系统元年，这样计算AGV大规模应用的历史也只有15至20年。但是，其发展速度是非常快的。1981年美国通用公司开始使用AGV，1985年AGV保有量500台，1987年AGV保有量3000台。资料表明欧洲40%的AGV用于汽车工业，日本15%的AGV用于汽车工业，也就是说AGV在其他行业也有广泛的应用⑴。目前国内总体看AGV的应用刚刚开始，相当于国外80年代初的水平。但从应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽车工业，飞机制造业，家用电器行业，烟草行业，机械加工，仓库，邮电部门等⑴。这说明AGV有一个潜在的广阔市场。AGV从技术的发展看，主要是从国家线路向可调整线路；从简单车载单元控制向复杂系统计算机控制；从原始的段点定期通讯到先进的实时通讯等方向发展；从落后的现场控制到先进的远程图形监控；从领域的发展看，主要是从较为集中的机械制造、加工、装配生产线向广泛的各行业自动化生产，物料搬运，物品仓储，商品配送等行业发展。第二章机械部分设计2.1设计任务设计一台自动导引小车AGV,可以在水平面上按照预先设定的轨迹行驶。本设计采用AT89C51单片机作为控制系统来控制小车的行驶，从而实现小车的左、右转弯，直走，倒退,停止功能。其设计参数如下：自动导引小车的长度：500mm自动导引小车的宽度：300mm自动导引小车的行驶速度：100mm/s确定机械传动方案方案一：采用三轮布置结构。直流伺服电动机经过减速器和差速器,通过两半轴将动力传递到两后轮。自动导引小车的转向由转向机构驱动前面的一个万向轮转向。传动系统如图2-1所示。图2-1传动方案一方案二：采用四轮布置结构。自动导引小车采用两后轮独立驱动差速转向,两前轮为万向轮的四轮结构形式。直流伺服电动机经过减速器后直接驱动后轮,当两轮运动速度不同时就可以实现差速转向。传动系统如图2-2所示。图2-2传动方案二四轮结构与三轮结构相比较有较大的负载能力和较好的平稳性。方案一有差速器和转向机构,故机械传动误差大。方案二采用两套蜗轮-蜗杆减速器及直流伺服电动机,成本相对于方案一较高,但它的传动误差小,并且转向灵活。因此,采用方案二作为本课题的设计

2.3直流伺服电动机的选择伺服电动机的主要参数是功率(KW)。但是，选择伺服电动机并不按功率，而是更根据下列三个指标选择。运动参数：AGV行走的速度为100mm/s，则车轮的转速为1000v 10001000v 1000X6n= =nd 3.14x140〜22.75r；min2-1)电机的转速选择蜗轮-蜗杆的减速比i=62n=in=62x22.75=1410.5rmin (2-2)电自动导引小车的受力分析：zDA!!DGPCFBC!BFA自动导引小车的受力分析：zDA!!DGPCFBC!BFA图2-3车轮受力简图小车车架自重为pP=pabhg=2.85x103x0.5x0.3x0.032x9.8«134N (2-3)小车的载荷为GG=mg=35x9.8=343N(2-4)取坐标系OXYZ如图2-3所示，列出平衡方程由于两前轮及两后轮关于Y轴对称，则Fa=化，「化工F=0，z2F+2F—P—G=0AC(2-5)工M=0，x—0.075G—0.17P+2x0.3xF=0C(2-6)解得F=F=157.66N F=F=80.84NA B C D两驱动后轮的受力情况如图2-4所示：滚动摩阻力偶矩必子的大小介于零与最大值之间，即

2-72-7)maxM=<F=0.006x157.66=0.946N-m (2-8)max N其中8滚动摩阻系数，查表5-2[2]6=2〜10,取8=6mm牵引力F为0.9460.07=牵引力F为0.9460.07=13.5N2-9)图2-4后轮受力摩擦系数卩 牵引力FN图2-4后轮受力摩擦系数卩 牵引力FN滚子直径D mm 传递效率g图2-5重物的重力WN传动装置减速比1/G求换算到电机轴上的负荷力矩(Tl)\o"CurrentDocument"，(F+pW)D1 9.8T二 • •xL耳2G10002-10)\o"CurrentDocument"13.5+0.15x157.661401 9.8xxx—0.7 2 621000=0.587N-m取耳=0.7,W=157.66N,卩=0.15求换算到电机轴上的负荷惯性(JL)(j(j+J+J)1342-11)=0.0000349+(—丫(0.004766+0.000131+0.0000604)162丿=0.000036189kg-m2其中J为车轮的转动惯量；J为蜗杆的转动惯量；12J为蜗轮的转动惯量；J为蜗轮轴的转动惯量。34电机的选定根据额定转矩和惯量匹配条件，选择直流伺服电动机。电机型号及参数：MAXONF2260060mm石墨电刷80WJm=1290gCm2

匹配条件为⑶ J=J=361.89gcm2LLmax0・25<—Lmax<1 (2-12)JM即 0.25<361.89<1n0.25<0.2805<11290惯量J J=J+J=1290+361.89=1651.89gem2 (2-13)ML其中Jm为伺服电动机转子惯量故电机满足要求。快移时的加速性能最大空载加速转矩发生在自动导引小车携带工件，从静止以阶跃指令加速到伺服电机最高转速n 时。这个最大空载加速转矩就是伺服电动机的最大输出转矩卩。max maxmax2兀nmax60t二1651.89x2x3.14max2兀nmax60t二1651.89x2x3.14x4000二0.91N-m60x0.0762-14)加速时间aaM二4x0.019二0.076s2-15)其中机械时间常数T二19msM2.4联轴器的设计由于电动机轴直径为①8mm,并且输出轴削平了一部分与蜗杆轴联接部分轴径为①12mm,故其结构设计如图2-6所示。图2-6图2-6联轴器机构图联轴器采用安全联轴器，销钉直径d可按剪切强度计算，即⑷丿 8KTdIM销钉材料选用45钢。查表5-2⑸优质碳素结构钢(GB699-88)

45调质三20045调质三200丽◎b=637MPa◎=353MPas5=17% 屮=35%s«二0.39MJm2 硬度217〜255HBSk销钉的许用切应力为k]=（0.7〜0.8）◎=0.75x637=477.75MPa （2-17）B过载限制系数k过载限制系数k值查表14-4[4] 取k=1.6T=0.321N・mq0.646mmd=： 8x1.6x578T=0.321N・mq0.646mm一\：3.14x12xlx477.75选用d=5mm满足剪切强度要求。2.5蜗杆传动设计选择蜗杆的传动类型根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆(ZI)。选择材料蜗杆要求表面硬度和耐磨性较高，故材料选用40Cr。蜗轮用灰铸铁HT200制造，采用金属模铸造。蜗杆传动的受力分析确定作用在蜗轮上的转矩T2按Z=1，估取效率[4]n=0.7，则T=9.55x106二=9.55x106x-p^=9.55x106x0.08x0.7=23508N-mm （2-18）2 n ni 22.752 112图2-7图2-7蜗轮-蜗杆受力分析各力的大小计算为F=F=殳=2x587q65.22N (2-19)t1 a2 d 18

厂厂 2T 2x23508…一F=F= 2= 沁606.66N (2-20)a1 t2 d77.52F=F=Ftan2Oo=606.66xtan2Oo沁220.8N (2-21)r1 r2 t2按齿根弯曲疲劳强度进行设计根据开式蜗杆传动的设计准则，按齿根弯曲疲劳强度进行设计。蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况，多数发生在蜗轮齿数较多或开式传动中。弯曲疲劳强度条件设计的公式为[4]2-22)〃、1.53KT2-22)m2d> 2Y•Y1ZLb」Fa2 02F确定载荷系数K[4]由于工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数 K卩=1由于工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数 K卩=1，由表11-15[4]选取使用系数KA=1.15。由于转速不高,冲击不大，可取动载系数KV=1.1,则K=K=Ka-K卩・化=川x1x =1.2652-23)由表11-8[4]得，蜗轮的基本许用弯曲应力匚」=34MPaF假设z2=62Y=3°10'48"，蜗轮的当量齿数zZ= 2—V2COS3丫62=COS3由表11-8[4]得，蜗轮的基本许用弯曲应力匚」=34MPaF假设z2=62Y=3°10'48"，蜗轮的当量齿数zZ= 2—V2COS3丫62=COS33°10'48川62292-24)根据X2=0,zV2二62.29，从图11-19⑷中可查得齿形系数Y二2.3Fa2螺旋角系数Y3°10'48”Y=1 =1- =0.97730 140° 140?m2d>1.53x1.265x23508x2.3x0.9773=34.37mm312-25)62x48由表11-2[4]得中心距a=50mm蜗杆头数z=11蜗轮齿数z=622模数m=1.25mm直径系数17.92变位系数x=+0.042分度圆直径d=22.4mm1分度圆导程角y=3°11'38〃m2d=35mm315.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1)蜗杆轴向齿距p=nm=3.14x1.25=3.925mma齿顶圆直径d=d+2ha*m=22.4+2x1x1.25=24.9mma1 12-27)齿根圆直径d=d-2(ha*m+c)=22.4-2x(1x1.25+0.25x1.25)=19.275mm (2-28)f1蜗杆轴向齿厚=2蜗杆轴向齿厚=2“m=2x3.1441.25=l.9625mm2-29)2）蜗轮传动比•z2）蜗轮传动比•z62i= 2= =62z112-30)蜗轮分度圆直径2-31)蜗轮喉圆直径d蜗轮分度圆直径2-31)蜗轮喉圆直径da2d=mz=1.25x62=77.5mm22=d+2m(ha*+x)=77.5+2x1.25x(l+0.04)=80.1mm (2-32)22蜗轮齿根圆直径2-33)d=d-2mCa*-x+c*)=77.5-2x1.25x(1-0.04+0.25)=74.475mm2-33)蜗轮咽喉母圆半径r=a-—d=50-lx80.1=9.95mm (2-34)g2 2a2 26.精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的自动导引小车属于精密传动，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择6级精度，侧隙种类为7.热平衡核算由于该蜗轮-由于该蜗轮-蜗杆传动是开式传动，蜗轮-蜗杆产生的热传递到空气中，故无须热平衡计算。2.6轴的设计2.6.1前轮轴的设计前轮轴只承受弯矩而不承受扭矩，故属于心轴。求作用在轴上的力自动导引小车的前轮受力，受力如图2-9a）所示。F二FC11F'=F二一F=-x80.84=40.42N2c2轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案装配方案是：左轮辐板、右轮辐板、螺母、套筒、滚动轴承、轴用弹性挡圈依次从轴的右端向左安装，左端只安装滚动轴承和轴用弹性挡圈。这样就对各轴段的粗细顺序作了初步安排。根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度初步选择滚动轴承。自动导引小车前轮轴只受弯矩的作用，主要承受径向力而轴向力较小，故选用单列深沟球轴承。由轴承产品目录中初步选取单列深沟球轴承6004，其尺寸为dxDxT=20mmx42mmx12mm,故d=d=d=20mm。i川 IX右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得6004型轴承的定位轴肩高度h=2.5mm,因此取d=25mm。IV取安装左、右轮辐处的轴段“的直径化、=30mm；轮辐的左端采用轴肩定位，右端用螺母夹紧轮辐。已知轮辐的宽度为34mm,为了使螺母端面可靠地压紧左右轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取仃=32mm。左右轮辐的左段采用轴肩定位，轴肩高度h>0.07d，取h=3mm,则轴环处的直径d=36mm。轴环宽度b>1.4h取l=5mm。VV轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为GB894.1-8620,其尺寸为d°=20mm，故d=d=19mml=l=1.1mml=13一1.1=11.9mm。IIx 'IIx '川其余尺寸根据前轮轴上关于左右轮辐结合面基本对称可任意确定尺寸，确定了轴上的各段直径和长度如图2-8所示。轴上零件的周向定位左右轮辐与轴的周向定位采用平键联接。按d"由手册查得平键截面bxh=8mmx7mm(GB/T1095-1979),键槽用键槽铣刀加工，长为28mm(标准键长见GB/T1096-1979)，同时为了保证左右轮辐与轴配合有良好的对中性，故选择左右轮辐与轴的配合为H7/n6。滚动轴承与轴的周向定位是借过度配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为j7。确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为1x45°，各轴肩处的圆角半径为R1。求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图。1F1-;-「1F图2-9前轮轴的载荷分析图F=F=1F=1x80.84=40.42N L=L=39mm122212

M=_FL=—40.42x39=—1576.38N-mmC 114•按弯曲应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩的截面强度。最大负弯矩在截面C上,M=—1576.38N-mm。C对截面C进行强度校核，由公式⑷oca由表15-1⑷oca由表15-1⑷得，45钢调质t]=60MPa—1由表15-4⑷得,兀d3W=——32bt兀d3W=——32bt(d—t匕2d3.14x303328x4x(30-4)22x30=2288.84mm3(2-36)o=1576.38=0.689MPa<[o]

ca2288.84 -1因此该轴满足强度要求，故安全。2.6.2后轮轴的设计后轮轴在工作中既承受弯矩又承受扭矩，故属于转轴。2.6.2后轮轴的设计后轮轴在工作中既承受弯矩又承受扭矩，故属于转轴。" 125 -3I120图2-10后轮轴结构求后轮轴上的功率P、转速n和转矩T222取蜗轮-蜗杆传动的效率耳=0.7，则P=Pn=0.08x0.7=0.056KW （2-37）2n=n=22.75r；min T=23508N-mm22作用在蜗轮上的力

F二1263.8F二1263.8Nt2F二65.22Na2F二460Nr2初步确定轴的最小直径先按式（15-2[4]初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3[4]，取A=115，于是得0.056=15.50.056=15.5mm22.752-38)d=A2-38)min0后轮轴的最小直径是安装轮辐处轴的直径d。由于轮辐与轴采用键联结，故VId=26mm。V轴的结构设计1）拟定轴上零件的装配方案装配方案是：蜗轮、套筒、深沟球轴承、轴用弹性挡圈依次从轴的左端向右安装；右端安装深沟球轴承、透盖、内轮辐、轴端挡圈从右端向左安装。2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（1）初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列深沟球轴承。单列深沟球轴承6206,其尺寸为如灯=30皿吋62丽"6讪，故d=*=dv=30mm。右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得6206型轴承的定位轴肩高度h=3mm,因此，取d=36mm。IV（2） 轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为GB894.1-8630,其尺寸为d0=30mm，故d=28.6mm，L=1.7mm。II II（3） 取安装轮辐处的轴段"的直径化=26mm。轮辐的宽度为27mm,为了使轴端挡圈可靠地压紧轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取仃=26mm。其余尺寸根据零件的结构可任意选取。确定了轴上的各段直径和长度如图2-10所示。3） 轴上零件的周向定位蜗轮与轴的周向定位采用平键联接。按d川由手册查得平键截面bxh=8mmx7mm,键槽长为25mm。轮辐与轴的配合为H8/h7。4） 确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为1x45°，各轴肩处的圆角半径为R1。求轴上的载荷后轮轴上的受力分析2-11a）。L1=L2=27.5mm L3=41mm1）在水平面上后轮轴的受力简图为2-11b）。

由静力平衡方程求出支座A、B的支反力F=F =1F=1x1263.8=631.9NNH1 NH22t22三个集中力作用的截面上的弯矩分别为M=F-L1=631.9x27.5=17377.25N-mmHD NH1M=M=0HA HBK-c?Fr-.HiFi,--阶尸日「二旳3—Fl[■:<1 Z17Fnhs'r—iX.3l-'l卜”T”叮二、•JTrnTnTnTr7~rT~-^•Ji图2-11后轮轴的载荷分析图2）在垂直面上后轮轴的受力简图2-11C）。由静力平衡方程求出支座A、B的支反力F二F二65.22NTOC\o"1-5"\h\zNV2 a2mFD65.22x77.5 ”””匚M= = =2527.275n-mm （2-39）a 2 2YM=0， -F-L一M+F-2L+F-（2L+L）=0 （2-40）A r2 1 aNV2 1 1 3

F二丄NV2 2L1F-Lr2+M-F-V2L+LaF二丄NV2 2L1F-Lr2+M-F-V2L+La132x27.5[460x27.5+2527.275-157.66x(2x27.5+41)]二0.726NF+F+F-FNV1 NV2r2(2-41)F二NV1F-F-Fr2 NV2460-157.66-0.762301.578N在AD段中，将截面左边外力向截面简化，得M(x)= =301.578X1 NV1 10<x<27.51(2-42)在DB段中，同样将截面左边外力向截面简化，得M(x)=F (27.5+x)-Fx+2 NV1 2 r220<x<27.5(2-43)2=301.578x27.5+301.578X460X22527.275=10820.67-158.422X2在BC段中，同样将截面右边外力向截面简化,M(X)M(X)=F-x=157.66x3 3 30<X<413(2-44)M二M二0VA VCM=301.578x27.5=8293.395N•mmvd左M=10820.67-158.422x0=10820.67N•mmvd右M二157.66x41二6464.06N•mmvB计算A、B、C、D截面的总弯矩MM二M二0ACM=jM2+M2 =<''17377.252+8293.3952=19254.85Nmm(2-45)D1 HD VD左M=JM2+M2 =<17377.252+10820.672=20470.85N•mm(2-46)D2 HD VD右

M二M二646406N・mm

BVB后轮轴上的转矩 T二T二23508N・mm2按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面D）的强度。由式（15-5）[4]得ocaJ’M2+ocaJ’M2+(aT丄 J20470.852+(0.6x23508丄—D2 二 二10.85MPaD2W2288.84(2-47)其中，a为折合系数，取a=0.6其中，a为折合系数，取a=0.6W为轴的抗弯截面系数，由表15-4[4]得冗d3 btVd—tW= 32 2d3.14x303328x4x(30—4)=2288.84mm32x30选定轴的材料为45选定轴的材料为45钢，调质处理，由表15-1[4]查得o=60MPa—1因此o<o ，故安全。ca —12.7滚动轴承选择计算2.7.1前轮轴上的轴承要求寿命L>2500要求寿命L>2500h，转速n=h1000u兀d1000x103.14x110=28.96r-'min，轴承的径向力F=40.42N，轴向力F=0。ra1．由上述条件试选轴承试选6004型轴承，查表16-2[4]C二9.38kN

C二9.38kN

r2．按额定动载荷计算由式[4]对球轴承£=3，C二5.02kN0rn=15000r;'minlim(2-48)P=P=f(XF+YF)=fFPraPr(2-49)查表13-6[4]自动导引小车fP查表13-6[4]自动导引小车fP二1.2代入得P二1.2x40.42二48.504NC二48.504x60x2&96x2500二 79.14N<9380N故6004型轴承能满足要求。3.按额定静载荷校核由式 C>SP (2-50)000查表13-8⑷，选取S=20P=XF+YF=F=40.42N (2-51)0 0r 0a r代入上式，C=502ON>SP=2x40.42=80.84N满足要求。0002.7.2蜗杆轴上的轴承要求寿命L>2500h，转速n=1410.5rjmin，轴承的径向载荷F二110.4N,h ri作用在轴上的轴向载荷F二606.66N。a1.由上述条件试选轴承选30203型轴承，查表5-24⑸C二19.8kN C=13.2kNC二19.8kN C=13.2kNn=9000rjmin(脂润滑)e二0.35图2-12蜗杆轴上的轴承受力2.按额定动载荷计算F110.42Y—2x1.7—32.47N(2-52).S+F—32.47+606.66—639.13N>STOC\o"1-5"\h\z2 a 1•••F—S+F—639.13N，F—S—32.47Na1 2 a a2 2P—f(XF+YF)P r a查表15-12⑸，fp—1.2F、a1639.13F、a1639.13110.4—5.789>e—0.35，0.4，Y—1.7r1P1-1.2x(0.4x110.4+L7x606.66)-1290.58NC、1P、01F—a2r232空=0.294<e110.4=f(XFr2+Y—)a20.35，1.2x110.4=132.48N-2)[5]60nL=P106fFPr210£=——3C均小于C2=1290.58xP10160nL106=132.48x106P21060nL二19800N满足要求。打60x1410.5x2500=6433N10660x1410.5x2500106=660N3．按额定静载荷校核由表(15-10)⑸查表15-14⑸，取S0F=5.789>r11.8P二XF+YF01a12x1>SP000.5二0.5x110.4+1x606.66661.86N—pa%r2=0.294<P02—二r2110.4NP均小于C020=13200N，满足要求。4．极限转速校核由式n二ffnmax12lim(2-53)1290.58=0.0652，由图15-5⑸得f19800F卜、呂1r15.789，由图15-6⑸得f二0.52n=1x0.5x9000=4500rJminmax1PC2 =132.4819800=0.0067，由图15-5⑸得0.294，由图15-6[5]得f2r2n=1x1x9000=9000rJminmax2n小于n 和n 满足要求。TOC\o"1-5"\h\zmax1 max22.7.3后轮轴上的轴承要求轴承的寿命L>2500h,转速n=22.75r-'min,轴承a的径向载荷hF=F2+F2=y'631.92+301.5782=700N；轴承b的径向载荷r1 NH1 NV1F=v;F2+F2=v'631.92+0.7622=631.9N；轴向载荷为F二65.22N。r2 NH2 NV2 a由于轴承A承受的载荷大于轴承B的载荷，故只需对轴承A进行校核。1．由上述给定条件试选轴承试选6206型轴承，查表15-19[5]n二9500r-'min（脂润滑）limC二14.91n二9500r-'min（脂润滑）lim02．按额定动载荷计算由式对球轴承£=3,P=f（XF+YF）Pra65.2210010=0.0065查表15-19⑸65.2210010=0.0065查表15-19⑸ e=0.19,Y=2.365.22700=0.093<e=0.19查表15-19[5]查表15-12⑸ 自动导引小车fP二1.2代入得 P二1.2x700二840NC二840x''60x22.75x2500二1264.65N<14910N3106故6206型轴承能满足要求。3．按额定静载荷校核

由式查表15-14[5]，选取S0F—F—a—r=0.093F查表F查表15-19⑸,可<r0.8时，二700N代入上式，C二10010N0SP00700N满足要求。4．极限转速校核nmax二ffn二700N代入上式，C二10010N0SP00700N满足要求。4．极限转速校核nmax二ffn12lim代入8401491065.227000.05630.093nmax查图15-5[5]查图15-6[5]1x9500二9500r'min22.75r；min<n满足要求。max第三章控制系统的设计3.1控制系统总体方案本系统使用AT89C51单片机作为核心的控制运算部分。连接在电机上的数字编码器在电机运转时发出的脉冲信号，经过自行设计和制作的脉冲鉴向电路，可以得到电机的运转方向；来自鉴向电路的正反方向的脉冲信号进入到两块8253计数器进行计数，以获得电机的旋转速度和位移；经过在AT89C51单片机上运行的各种控制程序的适当运算以后，输出的控制量经过两块DAC1208转换器变成模拟量，输出到两块UC3637直流电动机脉宽调制器，通过H桥开关放大器，作为执行机构的速度或者力矩给定，从而控制电机的运转，使整个AGV自动导引小车能够完成所设计的控制任务。整个控制系统的组成框图如下：图3-1控制系统的组成框图3.2鉴向伺服电机根据控制要求能够工作在四个不同的象限，作为系统的状态检测部分，必须能够检测电机的转速及分辨电机不同的旋转方向。安装在电机旋转轴上的数字编码器在电机运转时能够产生相位相差90度的两路脉冲信号，电机的旋转方向可以由鉴向电路对此两路脉冲进行鉴向后获得，其原理如图3-2所示。V伺服电机反转时，A相脉冲超前于B相脉冲90度，在cp十端输出反向计数脉冲，当正转

时，B相脉冲超前于A相脉冲90度，在cp—端输出正向计数脉冲，见图3-3中的(b)和(c｝所示,分辨出的脉冲进入脉冲计数电路进行计数，再由计算机读入进行处理。其电路图见图3-3中的(a)所示。3丄f工R33丄f工R3--—CTF辽卩转A^n_rr(a)◎图3-3电机转向分辨电路本次设计使用的数字编码器为500P/R，即电机每旋转一周输出500个脉冲，电机到车轮的减速齿轮的减速比为62:1，因此车轮每前进或者后退一周产生500x62即31000个脉冲，可见分辩率非常高。编码器的脉冲输出为差动形式,鉴向电路接收差动形式的脉冲信号，鉴向后输入到8253计数器。3.3计数的扩展为了得到驱动轮运转的速度、位移等,而数字编码器的输出经过鉴向电路提供的是电机的正转和反转脉冲，必须对这些脉冲分别进行计数、运算才能得到所要的速度、位移等状态量。本系统中使用了两块8253计数器，每块芯片具有三个16位计数器。四个独立的计数器即1#、2#、3#和4#分别用于两台电机的正/反转脉冲的计数。8253可编程定时器/计数器可由软件设定定时与计数功能，设定后与CPU并行工作，不占用CPU时间，功能强，使用灵活。它具有3个独立的16位计数器通道，每个计数器都可以按照二进制或二一十进制计数，每个计数器都有6种工作方式，计数频率可高达2MHz,芯片所有的输入输出都与TTL兼容。8253的内部结构框图如图3-4所示；引脚如图3-5所示。鲨据总线

援沖器写cuco-；ATEOui.no计数

通道1—CUCl<—GATE1—*ui.di控制字鲨据总线

援沖器写cuco-；ATEOui.no计数

通道1—CUCl<—GATE1—*ui.di控制字寄存器计数通道2■*—CLK2吒—尿TE2—01FT2D7Dens[idnsD2inDiiCU-j：iLlUTi：iGATEDGBIlgWREDCSAlAuCLK201.IT2GATESCUClGATE丄Ol.ITl图3-5图3-58253引脚图8002H计数器2 8003H控制字图3-48253内部结构框图U6地址为：8000H计数器0 8001H计数器16002H计数器2 6003H控制字Q—A；6002H计数器2 6003H控制字Q—A；1 1Q—A。1 1U6读/与控制逻辑接线：CS—Y,Q—A, 4 0 0U7读/写控制逻辑接线：CS—Y,Q—A,3 0 0U6芯片中计数器0和计数器1用于左轮电机正反转计数，并处于工作方式3。U7芯片中计数器0和计数器1用于右轮电机正反转计数，并处于工作方式3。在中断服务程序中，这四个计数器分别对两台伺服电机的正/反脉冲进行计数，所得到的计数值减掉上一次的计数值，就可以得到在这一时间周期内的各路脉冲数。右轮反转、正转和左论反转、正转的结果分别存于临时变量temp1、temp2、temp3和temp4中，在主程序中通过对它们进行运算就可以得到移动机器人的状态量了。3.4中断的扩展AT89C51单片机是使用两个级联的8259A中断控制器来控制中断的。主8259A芯片D0IROD1IR1D2IR2D3IRSD4IR4D5IR5D6IR6D7IR7A0滾RDWKSP/ENCASOIWTCAS1IWTACAS22T?271213L511帀1819202?2T?271213L511帀1819202?222324258259A作为一种可编程中断控制器，是一种集成芯片。它用来管理输入到CPU的各种中断申请，主要外围设备，能提供中断向量、屏蔽各种中断输入等功能。每一个8259A芯片都能直接管理8级中断，最多可以用9片8259A芯片级连，由其构成级连机构可以管理64级中断。8259A的外部引脚：D~D:数据线，CPU通过数据线向8259A发7 0送各种控制命令和读取各种状态信息。INT：中断请求，和CPU的INTR引脚相连，用来向CPU提出中断请求。INTA:中断响应，接收CPU的中断响应信号。RD:读信号，低电平有效，通知8259A将某个RD:读信号，低电平有效，通知8259A将某个WR:写信号，低电平有效，通知8259A从数据线上接受数据（即命令字）。CS:片选信号，低电平有效。A:端口选择，指出当前哪个端口被访问。0IR~IR:接收设备的中断请求。0 7CAS~CAS:级联端，指出具体的从片。在采用主从式级联的多片8259A的系统中,20主从片的CAS~CAS对应连接在一起。 20SPfEN:主从片/缓冲器允许，双功能引脚，双向。它有两个用处：当作为输入时，呼决定本片8259A是主片还是从片。作为输出时，当从8259A往CPU传送数据时，由SP/EN引出的信号作为总线启动信号，以控制总线缓冲器的接收和发送。本次设计采用两片8259A进行级联：主片的IR引脚连接从片的中断请求INT，如果某一2个引脚卩下面没有连接从片，则可以直接连接外部中断请求；而主片、从片的中断响应信号IN乔和数据信号D~D互相连在一起。主片CAS和从片CAS互相连在一起，当从片数量较0 7 多时，可以在主片CAS和从片CAS之间增加驱动器。主片的S^/EN接高电平。从片的S^/EN接低电平。在8259A的主从式级联方式中，中断的优先级设置类似于单片机的情况。级联如图3-7所示。

r-L-1：LAT89C51 ■uo :rrr-L-1：LAT89C51 ■uo :rr图3-78259A的级联3.5数摸转换器的选择将数字量转换为模拟量的器件称为数/模转换器(digital-analogconverter)简称为DAC。数/模转换器的主要技术指标有分辨率、转换精度、线性误差和建立时间。分辨率指最小输出电压与最大输出电压之比。本次设计采用DAC1208芯片，故其分辨率为/——-—A沁2.442x10-4。K212-1丿转换精度以最大的静态转换误差的形式给出。DAC1208芯片为12位数/模转换器其最FSFS10大误差为:AA= = = =0.00122V，精度为±0.01%。2n 2n+1 212+1线性度指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。建立时间在数字输入端发生满量程码的变化以后，数/模转换器的模拟输出稳定到最终值±1/2LSB时所需要的时间，当输出的模拟量为电流时，这个时间很短。DAC1208的内部结构及引脚如图3-8和图3-9所示。—\1JEYTEi/BYm-rT|袴存器Diz——丽輛扎LE讣黜跟翳入LE斑献數脚XTER—吃位D/A裝换电路2423222120191817CSRfhDAC12084567812—\1JEYTEi/BYm-rT|袴存器Diz——丽輛扎LE讣黜跟翳入LE斑献數脚XTER—吃位D/A裝换电路2423222120191817CSRfhDAC120845678123Vcc_BYT耳/BYTEWR] AGND—I沁—竺 XFER(LSB)DI'VrefRfb'9101116DI1015—DI11(MSB)DGND—121413Iout2】out1图3-8DAC1208的内部结构图图3-9DAC1208的引脚图DAC1208内部对输入数据具有两级缓存：8位输入寄存器、4位输入寄存器和12位DAC寄存器，这三个寄存器可以分别选通。DAC1208有三种工作方式：单缓冲方式、双缓冲方式、直通方式。所谓的单缓冲方式就是使DAC1208的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出。所谓双缓冲方式，就是把DAC1208的两个锁存器都接成受控锁存方式。本次设计采用双缓冲方式，目的是为了让两个直流伺服电机能够实现同步。所谓直通方式，输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式，即ile、、S、R、T和XFER12信号均有效，数据被直接送入数/模转换电路进行数/模转换。图3-10DAC1208双缓冲连接方式U9输入寄存器地址为3FFFH DAC寄存器地址为5FFFHU10输入寄存器地址为1FFFH DAC寄存器地址为5FFFH本次设计采用DAC1208芯片的数/模转换器其连接方式如图3-10所示。BYTE/BYTE为高电平时，选中数据DI〜DI输入到8位输入寄存器；当BYTEfBYTE为低电平时，选11 4 中数据DI〜DI输入到4位输入寄存器；肓片选信号，低电平有效，和输入锁存信号

3 0 ILE、WR—起决定第一级数据锁存是否有效。ILE第一级允许锁存，高电平有效。WR写信1 1号1，作为第一级锁存信号，必须和CS、ILE同时有效。WR写信号2,作为第二级锁存信2号，必须和XFER同时有效。XFER控制信号，低电平有效，和wT—起决定第二级数据锁2存是否有效。模拟电流输出端，DAC寄存器全1时最大，全0时为0。iTT模拟电流输OUT1 OUT2出端，和J中有一个常数差：I+I 二常数，此常数对应一个固定基准电压的满量OUT1 OUT1OUT2程电流。V参考电压输入端，可正可负，-10—D。REF3.6电机驱动芯片选择电机驱动采用PWM技术来驱动直流伺服电动机°PWM技术为脉宽调制技术其可通过输入直流电压u.,在其输出可以得到频率固定、脉冲幅度一定、脉冲宽度与输入信号成线性in关系的方波脉冲串，利用该方波脉冲串驱动功率放大电路，从而控制伺服电机的转速。采用

PWM技术的优点是，PWM具有较高的切换频率，这有助于克服伺服电机的静摩擦力矩，与其线性功率放大器相比，功耗低且效率高，因而在伺服系统中得到了广泛的应运用。为了改善伺服电机的运行特性，必须适当选择PWM的切换频率，其选择可参考以下原则：a）切换频率应能使电机轴产生微振，以克服静摩擦，改善运行特性。即(3-1)其中f=kUJ4LT，k为力矩常数，U为PWM电源电压，L为电感，T为电机静摩擦M C C力矩。b）微振的最大角位移应小于设定的位置误差。即(3-3)3kU7l92LJA(3-3)其中J为转动惯量，A为设定的位置误差。c）尽量减少电机产生的高频功耗。即应使得(3-4)其中R为电内阻。A一般伺服电机的电感很小，如果切换频率不高，导致交流分量很大，很容易损坏功率晶体管。在此采用PWM芯片UC3637和H功率桥放大电路来驱动伺服电机，其UC3637原理如图3-11所示，根据上述原则选择切换频率为30KHz。UC3637的特点：•单电源或双电源工作，±2.5〜±20V•双路PWM信号输出，驱动电流能力为100mA•限流保护•欠电压封锁•有温度补偿，2.5V阀值的关机控制

UC3637的结构与功能：三角波发生器：CP,CN,SI,SRI；PWM比较器：CA,CB；输出控制门：NA,NB；限流电路：CL,SRA,SRB；误差放大器：EA；关机比较器：CS；欠电压封锁电路：UVL。UC3637最具特色的是三角波振荡器，三角波产生电路如图3-12所示。Ri图3-12恒幅三角波产生电路三角波参数的计算取PWM定时电路充电电流为0.5Ma,则有V+V

R=—S TH[6]tRi图3-12恒幅三角波产生电路三角波参数的计算取PWM定时电路充电电流为0.5Ma,则有V+V

R=—S TH[6]t0.0005(3-5)C二00005[6]T 4fVTTH(3-6)其中，fT为PWM频率。由允许电机最大电流1二3恥决定Rs。max(3-7)max对于图3-12所示的控制系统，要求:±V二±24VSVV二±10VcmaxR二10k0INPWM频率f=30kHz限流I限流Imax计算得(1A2RV1计算得(1A2RV1+_a丿a丿INSV+VcmaxS2x104x24x210+24x2=16.55kQ(3-8)R二2R-R二2x104-16.55x103二3.45kQ (3-9)4 IN3VR—S~42RIN24x3.45x1032x104二3.768V(3-10)V二3.768VR—S~42RIN24x3.45x1032x104二3.768V(3-10)V二3.768VTHR二2RVth=(2x16.55x103)x3768二6.16kQ2 3V—V 24—3.768STH(3-11)V+V—S TH0.000524+3.7680.0005=55.536kQR二R二16.55kQ130.0005C二一t4fVTTH0.00054x30x103x3.768二1.11x10-9F式中：V为三角波峰值的转折（阈值）电压；V为电源电压；R为定时电阻；C为定TH S T T时电容；I为恒流充电电流；f为振荡频率。C3637具有一个高速、带宽为kHz、输出低阻S抗的误差放大器，既可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。3.7运动学分析3.7.1运动学方程AGV自动导引小车的速度分析。vxy图3-13AGV自动导引小车示意图(3-16)已知车轮驱动速度，求机构本体移动速度和旋转角速度。两后轮分别驱动四轮机构的速度分析（Q为瞬心，P为后轮中心）21B整理成矩阵形式：cos4cos4•x22•sin4sin4vvy=221=J1vv41122_BB_(3-17)J为雅可比矩阵。3.7.2转弯半径小车在转弯时以速度V匀速转弯；小车两主动轮之间的距离为B;小车两主动轮中心（假设小车质量分布均匀）与转弯圆心的距离即转弯半径为R；车轮半径为r；两轮的速度分别V；小车与行驶路面的摩擦系数为卩。则有2R>V2；（卩g）⑴(3-18)Goooo^o》R> '二708.6mm 查表5-2⑵ 取卩=4mm4x9.8 一故取小车转弯的最小半径为R左、右轮的速度为［1］=710mmo3.8(2R+B4兀rR2兀rv二(2R+B)v/2A(2x710+260)x(1000060)(3-19)0.4486mm/s4x3.14x70x7102兀rV二(2R—B)v/2A(2x710-260)x(1000060)I(3-20)（2R-B4兀rA控制软件的设计根据机器人的线速度和角速度的表达式（3-12）和（3-16），可以计算状态量x、y和炉：V+VV=T 2-q24V-VB+丄J'r（①-^）dt

02b0rlx=x+C0S"J，r（①+^）dt0 2 0rl\o"CurrentDocument"y二y+泌Jtr（co+丄

0 2o采用数值积分方法进行近似检测：将区间［0t］划分成若干充分小的子区间［0［］,t］，…卜 t］,则只要子区间L t］相对于移动机器人的运动速度选择得充分小,2 n-1 n4x3.14x70x7100.3097mmjs3-21)3-22)(3-23)3-24)rl严T右若干充(3-25)［ti或者控制周期比较短，则检测精度可以达到使用的要求。表达式如下:Q=©+丄nr（①-①％2btrlx二x+C0S"niJUr（① %n n-1 2 rln-1i i+1nn-1(3-26)3-27)y=y+ n-ifSr((»+®》t (3-28)n n-1 2 t r ltn-1另外,考虑到系统的各个状态量都是通过数字编码器输出的脉冲信号进行检测的,要将脉冲信号转换为机器人移动的距离及转过的角度,必须对脉冲信号进行定标,即确定每个脉冲与驱动轮移动的距离的系数。已知驱动轮的半径r=70mm，电机到车轮的减速齿轮的变比为62:1,电机每旋转一周发出500个脉冲,从而可以得到脉冲当量应为2*PI*70/(500*62),即0.01418mm/P。对于控制系统的软件编程语言，要根据系统的要求进行选择，一般要求代码简捷，执行效率高，实时性好。AGV自动导引小车的引导原理是根据自动导引小车行走的轨迹进行编程，数字编码器检测出的电压信号判断其与预先编程的轨迹的位置偏差，控制器根据位置偏差调整电机转速对偏差进行纠正，从而使自动导引小车沿预先编程的轨迹行走。因此AGV自动导引小车行走过程中，需不断地根据输入的位置偏差信号调整电机转速，对系统进行实时控制。为对AGV自动导引小车实施控制，需要对硬件进行操作。整个AGV自动导引小车的控制流程如图3-14所示。到终点了吗？史图3-14控制系统程序结构图

程序开始：先设置函数和变量，并对各芯片进行初始化；读取预先设置轨迹的坐标；对轨迹进行插补；读取上次的误差，自动导引小车启动；进行轨迹的检测；判断第一段路径走完没有；NO则把检测的实际轨迹和预先设置的轨迹相比较产生偏差，接着把偏差送给D/A转换器，从而控制自动导引小车沿预先设定的轨迹行走oYES则走下一段轨迹，接着判断是否到达终点，到达终点结束；没到达终点则继续走下一段轨迹。下面为圆弧插补程序，流程图如图3-15。DDA圆弧插补程序:DDA圆弧插补程序:XPBIT00HYPBIT01HXSEQU60HYSEQU61HXEEQU62HYEEQU63HJVXEQU64HJVYEQU65HJRXEQU66HJRYEQU67HJEXEQU68HJEYEQU69H；X向益出标志；Y向益出标志;起点坐标X;起点坐标Y;终点坐