毕业设计（论文）-AGV自动引导车结构设计

AGV自动导引车结构设计作者姓名：指导教师：单位名称： 专业名称： StructuralDesignofAutomaticGuidedVehicle全套图纸加V信153893706或扣3346389411设计任务书设计任务书设计题目：AGV自动导引车结构设计基本内容：1.针对设计内容，查阅相关参考文献30篇以上，其中外文文献不少于50%。2.设计内容主要包括：AGV驱动系统的设计；AGV底盘的设计；AGV升降机构的设计；AGV各个部件的整体装配。3.用caxa绘图软件绘制装配图、部件图和零件图合A0图纸4张以上，要求设计的AGV系统结构合理，图纸规范；4.翻译1篇与设计课题相关的英文文献；5.撰写设计说明书1份。设计专题部分：题目：基本内容：学生接受设计题目日期第1周指导教师签字：年月日摘要摘要随着工业自动化的发展，企业对物料自动化搬运技术提出了更高的要求，我国目前还处于传统的人工搬运或者半自动搬运状态，由于其固有的局限性已经很难满足新的要求。而自动向小车（AutomatedGuidedVehicle，AGV）凭借因其可靠、安全、高效、灵活等特点，适应了物流自动化发展的最新要求，具有非常广阔的应用前景。本文设计了一种磁导航装配型AGV，主要工作环境为在汽车工厂装配车间。通过磁导航传感器和控制器控制AGV沿磁条实现自主移动。AGV的驱动方式选用两个直流伺服电机驱动，配合减速器和齿轮传动将动力传至轮胎，两电机采用交错分布的方式以节约驱动部分所占用空间。采用六轮分布方式，中间两轮为驱动轮，前后四个为万向轮，保证了AGV的对称平衡性能并可以实现前后移动，通过两电机的差速转动以实现转向。AGV上部设计有一个剪叉升降机构，可以最多举升100Kg的零件至最大400mm行程。剪叉升降机构采用电机带动齿轮齿条机构以实现将电机的转动转换为升降机构剪叉臂的升降。采用24V蓄电池为整个AGV供电，升降机构和驱动部分之间设有叶片弹簧减震机构可以减少重物突然放上升降机构是对驱动部分的冲击力，同时可以保证驱动轮始终保持和地面的接触不会悬空。关键词：AGV，自动引导车，升降机构AbstractAbstractWiththedevelopmentofindustrialautomation,businessautomationofmaterialshandlingtechnologyputforwardhigherrequirements,Chinaisstillinthetraditionalmanualhandlingorcarryingsemiautomaticstate,becauseofitsinherentlimitationshavebeendifficulttomeetthenewrequirements.Thecarautomatically(AutomatedGuidedVehicle,AGV)byvirtueofitsreliable,secure,efficient,andflexiblefeaturestomeettherequirementsofthelatestdevelopmentoflogisticsautomation,hasaverybroadapplicationprospects.Thispaperpresentsamagneticnavigationassembly-typeAGV,mainlyworkingenvironmentintheautomobilefactoryassemblyplant.AchieveindependentmovementbyamagneticsensorandcontrollerAGVnavigationalongthemagneticstripe.AGVdrivemodeusingtwoDCservomotor,andgearreducerwiththepowertothetires,motorwithtwowaystosavestaggereddistributionofthedrivingportionofthespace.Usingsixdistributedmanner,themiddleroundsofthedrivewheels,aroundfourcastersandensuretheperformanceoftheAGVsymmetricalbalanceandcanmovebackandforththroughthedifferentialrotationofthetwomotorstoachievesteering.AGVupperpartofthedesignofascissorliftmechanism,canliftupto100Kgpartstothemaximumstrokeof400mm.Scissorliftmechanismwithmotordrivenrackandpinionmechanismtoeffecttherotationofthemotorisconvertedelevatingmechanismscissorliftarm.Using24VbatterypowersupplyfortheentireAGV,isprovidedbetweentheliftingmechanismandthedrivingpartoftheleafspringdampingmechanismcanreducetheweightsuddenlyputtheliftmechanismisapartofthedrivingforceoftheimpact,andcanensurethatthedrivewheelsremainincontactwiththegroundItwillnotfloat.Keywords:Automaticguidedvehicle,liftingmechanism目录目录设计任务书………...第1章绪论AGV是英文AutomatedGuidedVehicle的缩写形式，其可被译为自动导引小车或自动巡航小车。AGV隶属于行走机器人，其研究过程包含了机器人研究的基本思想及通用方法。作为自动化机器人的重要组成部分，AGV为工厂物流及其调度提供了新的解决途径以及规划架构。不同于常见的机械手、焊接机器人等执行自动化装置，AGV小车所起的主要作用为运输工件，被视为装配线或运输线的一部分存在于制造系统中。同时，AGV小车作为移动机器人有着机器人组成的一般特点，如：运动控制、电机使用、多传感器配合、自动化行进以及柔性工作等。AGV小车之所以能够实现自动导航，主要由于不同种类及原理的导航传感器的使用，导航传感器能够根据研究人员事先标定好的路线而指导小车寻线行走，而线路的设定拥有着无限的想象空间，这就是AGV小车柔性工作的体现。正因为其有着柔性线路灵活布置的特点，AGV已广泛使用于各种加工行业中，并逐渐替代传统的人工运输物料以及工厂调度，成为了新的调度及物流的解决方案，从而受到加工行业的普遍重视。AGV小车的设计包含了机、电、液、光等各门学科，是学科间交叉结合的重要产物，同时其吸收了当代先进的技术理论及技术成果，并将这些理论、成果融入于实践中，逐渐成为机器人学科的重要分支。在AGV小车的设计中，控制方案及控制程序一直是设计的核心，当今使用最多的是选择上位机（微机）或微控制器（MCU）作为控制核心，也有少数AGV采用PLC作为控制单元。选用上位机作为控制核心，能够使程序界面丰富且编程简单，但其显著缺点为：上位机体积一般较大，且供电需要220V交流供电，不适用于移动设备中。选用微控制器作为控制核心可以有效减小控制器的体积，且编程也较容易，但缺点是设计以及调试周期长，同时很难实现漂亮的控制界面及人机交互效果。因此，为了使设计能够达到控制方便且人机交互友好的目的，本研究中选用微控制器及工控平板的方案作为控制核心，有效解决了上述的诸多矛盾。同时，研究AGV这一课题，将深化对机器人原理、功能的理解，并且也将加深对机、电、液、光等各门学科交叉配合的认识。应用AGV的意义：（1）AGV小车先进性AGV集光、机、电、计算机为一体，综合了当今科技领域先进的理论和应用技术。导引能力强，定位精度高，自动驾驶作业性能好。（2）AGV小车灵活性能够很快捷地与各类RS/AS入/出口、生产线、装配线、输送线、站台、货架、作业点等有机结合。能够根据不同的需求，以不同的组合，实现各种不同的功能。能最大限度地缩短物流周转周期，降低物料的周转消耗，实现来料与加工、物流与生产、成品与销售等的柔性衔接，最大限度地提高生产系统的工作效率。（3）AGV小车可靠性在AGV系统的工作过程中，每一步都是一系列数据和信息的通讯交换过程，后台有强大的数据库支持，消除了人为因素，充分地保证AGV作业过程的可靠性，完成任务的及时性，数据信息的准确性。（4）AGV小车独立性AGV能自成系统，在没有其他系统支持条件下，作为一个独立单元完成特定任务。（5）AGV小车兼容性AGV不仅能独立工作，而且更善于与其他生产系统、调度系统、控制管理系统等紧密结合，具有突出的兼容性和良好的适应性。（6）AGV小车安全性AGV作为无人驾驶的自动车辆，具有较完善的安全防护能力。有智能化的交通管理，安全避碰，多级警示，紧急制动，故障报告等。能够在许多不适宜人类工作的场合发挥独特作用。（7）AGV小车示范性代表先进的生产力，是企业技术进步的象征。能促进人员素质、管理水平的提高。AGV还能促进企业标准化、规范化、信息化的基础建设。AGV的应用大大提高了现代工厂的生产效率和智能水平，大大地缩短了过去纯粹用劳动力来搬运货物的时间，减少了人力物力，降低了劳动成本。1.1国外自动导引小车的发展AGV如何发展而来，众说纷纭。关于AGV发展的初始标定，国际社会中拥有不同的说法。但在业界不同的观点中，日本与美国、欧洲的AGV技术发展历史是普遍受到承认且最具研究意义及代表性的。日本学界认为，AGV技术是伴随着柔性制造系统（FMS）以及物流技术的发展而来的，是工厂物流技术与管理相结合，并迅速发展继而产生了急需解决的矛盾使然。柔性制造技术是符合当代制造发展的一种综合性技术，其本质为一种可变集成制造技术。1981年，柔性制造技术及装配技术得到了历史性的突破，并受到前所未有的重视，两项技术被广泛应用于大型及新型的加工行业中，得益于柔性加工思想的被认可，这一时期AGV及其相关技术也得到了大力的研究及发展，AGV慢慢走近人们视野，并且采用了AGV技术的产品也广泛用于工厂之中。这样算来，日本人以这一年作为AGV开始的一年，那其历史也不过短短的30余年。但早在20世纪50年代初期，美国Barret电子公司就已经研制出了世界上第一台小车，或更为准确地称之为AGV雏形，该车利用简单的钢绳牵引进行拖动，在工厂中运输杂物，虽然其功能简单，但该车的问世无疑为后来的AGV发展提供了坚实的基础与依据。随后不久，MHIA将其定义为了世界上最早的自动导引小车。通过Barret公司生产的第一台AGV，我们可以得知，自动导引小车必须满足以下几个条件：（1）无人驾驶的可充电，循环使用的小车；（2）行走过程中无人工干预，操作只在停车时进行；（3）可根据路径和定位情况进行编程；（4）行走路线可以根据实际情况进行改变和扩展。到了60年代初期，欧洲AGV发展迅猛，这得益于欧洲诸多厂商对AGV技术中的托盘技术进行了标准化，使其尺寸和结构有了一定的标准，这项举措使得诸如Schindler-Digitron、HJC、ACS、BT、CFC、Saxby,Denford以及Blechert等AGV生产厂家迅速崛起并占领了市场。到了70年代中期，AGVS在欧洲的数量已达到了520余个，在服役的AGV也同时达到了4800台。这一时期欧洲AGV产业迅速扩张，至1985年，AGV数量已达到1000台，且57%用于汽车制造业，8%用于FMS，35%用于FAS。随着80年代初期，在美欧洲企业通过合资等各种方式将欧洲的AGV技术引入了美国，AGV在美国得到大力发展，此时美国的AGV生产厂家较1983年增加了200%。在欧洲技术的基础上，美国公司通过自身地不断努力，同时将更为先进的计算机控制技术以及在线式充电技术等融合到AGV产品中，使AGV技术在美国发展到了新的高度。1964年，日本也决定从外引入小车，那时所引进的AGV犹如牵引车一样，能通过控制车上弯杆达到手动和自动效果的切换，而后操作人员可以像掌控手扶式拖拉机那样带领着小车行驶。到了1966年，第一家自动导引小车生产工厂在日本诞生，它由一家本地的物流设备生产厂与美国韦伯公司联合投资开设而成。在随后的几年中，AGV技术在日本得到了广泛的使用以及快速的发展。至1988年，在日本的自动导引小车生产企业已突破20家，被大家熟知的有大福、Fanuc、日本输送机、Murata、小松等，截止1993年，日本已有AGV系统约5000套，AGV达到了15000台。在当下国外发达地区，一切的搬送运输工作基本都由AGV完成，随着新型导引方式的出现和使用，欧洲的技术也更加先进，但AGV也越昂贵，一台新型叉车式AGV单价普遍在80万人民币左右，相当于同时聘请三个普通工人工作一年的费用。不得不提的是，AGV依靠在线式充电技术可实现24小时不间断工作，相当于实行一天3班制工作。这样使得制造以及装配商购买1台AGV，一年后就能收回购买成本。减少人力费用是使用自动导引小车等类似产品的主要特点，而后才是为满足工厂调度，物流安全的需要。人工成本的大大降低，也使得AGV迅速占领着国际装配加工以及物流运输等市场。如今的AGV在欧美已达到完全智能化要求，并且拥有很强的适应力及准确性。欧美市场AGV效用广，技术高，同时以部件组装的形式实现了模块化制造，有效降低了生产成本，同时产品覆盖面广，能够满足几乎所有客户的定制要求，这些顶尖技术的使用，使得AGV在欧美自动化程度高，工作可靠性强，一般载重量可从50公斤到60吨，完全满足各个行业的不同使用要求。时至今日，国外的AGV设计及制造厂商日渐增多，技术也趋向成熟，不同大小、功能及配置的AGV如雨后春笋般相继被推出。图1.1至1.8展示了国外主要的AGV生产厂商及其代表产品。图1.1美国Transbotics的Tuggers图1.2比利时Egemin公司的定制AGV图1.3比利时Egemin公式的夹抱式AGV图1.4日本Murata公司的AGV图1.5德国德马泰克公司的AGV拣选车图1.6日本大福公司的AGV图1.7AGV用于火车的自动卸载图1.8AGV用于仓库储存1.2国内自动导引小车的发展AGV在我国的发展历史较短，技术也不成熟但还是有着一批高等院校及研究所将研究重点放到了AGV技术上。北京起重运输机械研究所、清华大学等是最早一批投入我国AGV事业中的研究机构及高校，且在当时也负责部分AGV的小批量生产以使AGV技术能在中国得到应用及发展。学界普遍认为1975年为我国AGV技术应用发展的元年，因为中国首台磁导式自动小车由北京起重运输机械研究所于该年开发成功,这也填补了我国磁导航式AGV技术的研究空白。1989年，北邮科研规划院设计并研制出了我国首款可前进、后退的无线导引小车，使得我国从单一AGV车体的研究步入到了AGV系统的研究中。随后，沈阳自动化所在自动导引小车技术研发中也取得了许多突破，并且解决了AGV设计中的诸多重要难题，成为当时唯一拥小车自主研发及制造能力的中国机构。清华大学在该领域的研究上也取得了骄人成绩，其单独研究的非固定线路自由导引小车是我国第一台应用先进导引方式的AGV，且该AGV在自动路径识别以及全面导引跟踪等方面已达到先进水平。目前，我国很多制造装配以及物流运输的工厂已采用AGV，包括：汽车制造及装配业、汽车零部件制造及装配业、飞机制造业、烟草制造业、邮政印刷业、中大型物流港口、大型军械仓库、一站式家居零售仓库、自动化仓库存储系统等。如：上海金山化工厂、沈阳金杯汽车厂、安徽江淮汽车厂、上海新车站邮政枢纽、成都卷烟厂等。近几年我国也相继出现了一系列AGV生产企业，其接受了国际AGV发展的先进技术、先进理念，形成了拥有自身特色的各种类型的AGV产品，如：昆船重工、上海Gingor自动化、深圳佳顺伟业、沈阳新松、香港德斯普、广州普华灵动等，为我国AGV技术研究注入了新鲜血液。我国能够生产AGV产品并且掌握相关技术的企业逐渐增多，并且随着我国各个行业中的智能生产加工、自动装配、运输、储备等应用的持续发展，AGV及其系统的需求量将越来越大。图1.9至1.12所示，为我国各公司研制的并且投入市场的AGV。图1.9深圳佳顺伟业举升式AGV图1.10昆船BW561型AGV图1.11沈阳新松巡检AGV图1.12广州普华灵动AGV1.3本文主要研究内容本文主要研究内容为AGV自动引导车的结构设计，具体如下：AGV车体部分结构设计。主要为AGV的驱动方式，传动方式，底盘的形状，轮子的布局方式。升降机构的结构设计。主要为剪叉臂的结构，剪叉臂的驱动方式，运动转换机构，各个零件的布局及定位方式。主要零部件的校核计算：对危险零部件进行了校核，确保合格。驱动部分机构设计第2章驱动部分的结构设计驱动系统是AGV小车的核心部件，驱动系统将蓄电池的电能转换为AGV小车运动所需的机械能，设计时包括驱动方式的选择，驱动部件的布局，各个零部件的定位等等。2.1驱动方式的选择AGV驱动方式与诸多因素相关，且AGV驱动方式种类也较多，技术难度也高低不齐。选走合理的驱动方式，首先需根据客户使用要求，如需要前进、倒退等功能时，则舵机转向式无法实现需舍弃。同时，驱动方式选择也涉及电机相关参数的计算，应根据AGV国标中的场地要求以及AGV实际运行受力情况分析等得到。而后应合理选择电机类型，如客户要求免维护，则应首先考虑无刷电机。所以本文AGV的驱动方式选择无刷电机进行驱动。2.2导引方式的选择AGV之所以能够实现自动巡航，其关键就在于导引技术的引入以及导引信号的识别。导引方式的不同也直接影响着AGV系统的柔性以及路线的可操作、可变性。随着电子技术以及计算机技术的不断发展，导引方式越来越多、越来越先进，这也使得AGV的使用越来越广泛，且应对复杂工作环境的能力越来越强。AGV的导引方式分类可按导引信息来源的不同分，也可按导引线路形式的不同进行划分。如若按信息来源分，可分为内导式和外导式，常见内导式方法有坐标法、惯性法等，常见的外导式方法有电磁感应、激光、光学等。如若按线路形式分，可分为有线式及无线式，常见的有线式方法有电磁线、磁带线、色带线等，常见的无线式方法有超声波、激光、坐标、陀螺仪、卫星定位等。2.2.1电磁导引方式电磁导引方式是一种传统的引导方法，同时该导引方式产品也较多，如图2.1所示。它是在地下埋设金属线或电缆，而后在金属线上通以低频交流电，使金属线周围产生交变的电磁场。AGV上装有两个电磁感应元件（感应线圈）用于检测电磁场。当感应线圈检测到电磁场时，其线圈两端将产生与磁场强度成正比的感应电压。若金属线靠近其中一个线圈，则该线圈检测到的磁场强度较另一个强，产生的电压也较强，因此两个电压相比……较后可产生转向信号，告知AGV此时金属线有偏移，AGV需要转向调整。图2.1电磁导引方式2.2.2光学导引方式光学导引方式原理如图2.2所示。该导引方式的使用需要在地面铺设连续的反射光带，或是在地面上涂抹油漆或铺设不锈钢条。AGV上装有光源和光学传感器，光学传感器均匀分布在发光带两侧用以检测反射信号以产生转向信号。AGV通过转向信号追踪路径，这种转向信号一般为连续数字信号。光学导引方式用于AGV，施工简单，线路布置灵活多变，但易受外界光源干扰，对环境及施工要求高。图2.2光学导引方式2.2.3磁带导引方式磁带导引又称磁性式导引，如图2.3所示。该种导引方式与电磁导引方式相似原理也相近，但用铺设在地面上的连续性磁带替换了埋设在地下的金属线或电缆用以产生磁场。同时用装在AGV上的磁性传感器替代感应线圈来检测该磁场，最后通过测定磁场的位置偏差计算此时磁带的偏离程度，用以控制电机的速度或转向。磁性传感器一般为多路数字型，每一路对应一个检测头。通过对多路信号的侦测可明确获知AGV行驶时的偏移方向及偏移量。该种方法地面系统较为简单，路线铺设灵活多变，施工方便易行，且可靠性高，因此在AGV导引方式中使用最多。一般磁带所产生的磁场强度在10Gauss左右，信号较为微弱，工厂地面上若有较多铁屑，可能对检测结果产生偏差。图2.3磁带导引方式2.2.4激光导引方式激光导引方式示意图如图2.4所示。激光导引方式属于无线导航式导引。其小车引导路径的附近放置有定位精度高的反射镜（或称为标记），小车上的反射器可向反射镜发射光束，而后采集反射而回的激光信号，以此确定其当前的及运行方位，而后控制系统经过不间断的三角几何运算来计算小车的导引方向以及路径。该方法益处在于：位置及定向准确，无需设置其它地面标记，线路可柔性规划，环境适应性好。同时该导引方式的导引信号可通过明确的数学模型计算获得，降低了AGV控制器建立难度，减少了控制程序的编写工作量，提高了AGV对运行状态进行实时分析的精度。图2.4激光导引方式2.2.5超声波导引方式超声波导引方式是利用墙面或者类似有遮挡作用的物体对超声波进行反射，通过检测反射信号而达到对小车定位与导引的一种方式。该种方式实现简单方便，硬件不需太高要求，可使成本有效得到控制，且提高了AGV系统的适应性。但其对运行环境有一定要求，当运行环境存在反射盲区或遇到反射情况较复杂的区域时，该种方法的效率和可靠性会受到影响，环境恶劣时可能大大降低。2.2.6惯性导引方式惯性导引是利用在小车上安设陀螺仪装置，并在地面上放置定位标识实现的，AGV通过计算陀螺仪返回的偏移值，同时采集地面标识信息来确定自身的位置和方向[21-22]。若不安装定位块，则需要在行驶路径上给AGV设定一参考起始点，而后通过偏差信号测量行驶距离进行坐标定位。惯性导引最先用于军事领域，技术先进，定位准确，灵活多变，组合及系统兼容方便，适用领域广，已有很多生产厂家采用该项技术。但该导引方式小车的开发费用高，并且导引的准确性及可行性直接与陀螺仪的参数相关，因此对于低成本AGV而言无法运用该项技术。因此该种方法拥有很大的市场及潜力。2.2.7图像识别导引方式图像识别导引方式是实现智能导引的最佳方式，也是一项具有发展潜力的实用技术。图像识别运用到AGV导引上主要有两种方法，一是完全利用AGV上安装的CCD摄像头对环境进行侦测，获取周围环境的图像信息，通过这些图像信息与事先存储在数据库中的路径信息进行比对，以获取AGV的位置，进而修正路径导引AGV行进。二是在地面上绘制行走路径线，或称为导向标志线CCD摄像头通过对地面摄像获取标志线信息，从而判定AGV的行走偏差，通过该偏差实现路径跟踪及导引。第一种方法是最为符合智能化要求的，但由于实现复杂且技术困难，目前仍在被各大公司研究中。如图2.5，在第二种方法中，需要对所采集图像信号进行处理后才能用于AGV导引，但图像处理技术已经得到广泛应用及研究。图2.5CCD图像识别导引方式2.2.8GPS导引方式GPS（全球定位系统）导引类似于无人驾驶技术，是利用卫星对AGV进行方位控制以及实时导航的技术。目前，此项技术还在不断的发展和完善，并且一般用于室外远距离的AGV导航，其准确性受制于卫星本身精密度、卫星搜索数目、被控小车运行环境等。该项技术是AGV导引技术中的新技术，但由于可实现性不强，且很难用于室内导航，因此很难得到广泛使用。但其本身存在较强的研究价值，现今也有很多公司对该项技术进行研究和试验，并希望在不久的将来能够推出基于GPS导引的产品。根据网上的资料可知，在AGV的导航方式中，电磁感应技术应用的最多，技术也最为成熟，所以本文的AGV设计中选择磁导航方式进行导引。2.3传动结构的设计驱动单元是AGV最主要的单元之一，它的布局对于AGV整体的布局，AGV性能以及可靠性有着非常大的影响。常见的驱动结构布局有两种形式：对称布局形式和交错布局形式。该布局形式结构简单，电机通过驱动轴直接与驱动轮相连，不需要借助其他机械结构，但AGV横向尺寸较大，适用于对横向尺寸要求不高的AGV在选用驱动电机和驱动轮完全一致的情况下，该结构的驱动单元体积较对称布局形式小很多，但该布局形式结构相对复杂，由于驱动电机交错布置，而驱动轮需要对称安装于驱动单元两侧，这就要求驱动电机借助其他机械结构方式来完成与驱动轮之间的传动，常见的包括齿轮传动、链传动和带传动，该布局形式适用于对横向尺寸要求比较严格的AGV。本文由于采用了驱动导向一体结构设计，为了达到驱动导向单元灵活小巧的要求，磁导航AGV对驱动导向单元尺寸要求相对较高，因而本文选用了驱动结构交错布局形式，而在传动方式的选择上，本文选用了齿轮来传递驱动电机和驱动轮之间的动力。2.4驱动电机的选择2.4.1AGV行驶所受阻力的计算磁导航AGV在正常运行时受到了来自各方面的阻力，这些主要包括：来自路面的滚动摩擦力，本文中用Ff来自空气的空气阻力，本文中用Fw磁导航AGV在存在坡度的路面上行驶时重力沿坡道方向上的分力，本文用Fi（4）磁导航AGV加速时所需要克服的阻力，本文中用F综合以上四点，可以得出磁导航AGV在运行时需要克服的阻力为：F=Ff+Fw+Fi+其中，滚动摩擦力为：Ff=f×Q（2.2式2.2中，f为滚动摩擦系数，本文取该系数为0.05，Q为磁导航AGV车轮的负载，预计的磁导航AGV的自重为200Kg，能够搬运的重物质量为100Kg，代入式2.2可得：Ff=f×Q=0.03×300×9.8=88.2N（2.3摩擦力产生的力矩为：T=Ff×d/2=88.2×0.17/2=7.497N.m（2.4来自空气的阻力与摩擦力相比可以忽略不计。而本文设计研制的磁导航AGV主要应用场合为室内的汽车装配线，车间内地面平整，不存在明显的坡度，因而在计算阻力时本文也将其忽略。磁导航AGV加速时所需克服的阻力为：Fa=m×a（2.5式2.4中，m为磁导航AGV的质量，a为磁导航AGV的加速度，磁导AGV最高速度为30m/min，预计在满载状态下由静止加速到这个速度所需要的时间为2s，通过式2.5可得加速所需克服的阻力为：Fa=m×a=300×0.5/2=75N（2.6再将以上计算得到数据代入式2.1可得，磁导航AGV在满载运行状态下，受到的阻力为：F=Ff+Fa+Fi+Fa≈2.4.2驱动电机扭矩与转速计算磁导航AGV驱动电机在运行时，输出的扭矩主要是为了克服其在正常运行过程中所受到的阻力，此外，驱动单元整体的传动效率以及驱动单元的减速比对电机扭矩的输出也存在着一定的影响。本文中，磁导航AGV驱动单元的减速比取为16，其中作为最后一级传动的齿轮传动减速比取为2，减速器的减速比取为8，同时，在选取驱动电机时选择驱动电机和减速器一体化的驱动电机，以避免自行安装带来的精度误差和传动效率的损失。驱动电机扭矩计算公式为：T0=F×d2N式2.7中，T0为驱动电机的输出扭矩，F为磁导航AGV在正常运行状态下所受到的阻力，d为驱动轮的直径，为了达到驱动导向单元小巧灵活的目的，本文将驱动轮直径选为17cm，N为驱动电机的数量，在本文中N的值取2，η为驱动导向单元的传动效率，本文将该值取0.8，i为驱动导向单元的减速比，由上文可得该值为16。将以上数值代入式2.7即可得出本文驱动电机的输出扭矩为：T0=163.2×0.172×2×而磁导航AGV在由静止启动的过程中，需要克服最大静摩擦阻力，本文将最大静摩擦系数fmax的值取0.3Fmax=fmax⋅Q=0.3×300×9.8N=882N（将式2.9得出的值代入式2.7可得，磁导航AGV启动时所需要的最大转矩为：Tmax=Fmax×d2N×η×驱动电机的转速计算公式为n0=60×v×iП×d式2.11中，v为磁导航AGV的运行速度，本文中取磁导航AGV的最大运行速度30m/min，i为减速比，该值为16，d为驱动轮的直径，本文中为17cm，将以上数值代入式2.11可得，电机的转速为：n0=60×v×iП×d=60车轮转速：n=vП×d=0.53.14×0.17=56AGV克服摩擦力作功的功率：P=T×n9550=7.479×56.29550传动效率为0.8，则电机功率为P02.4.3电机及减速器的选定目前AGV采用的电机大体包括三类，分别是直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。直流伺服电机主要分为有刷直流伺服电机和无刷直流伺服电机，有刷直流伺服电机的结构简单，成本低，启动时转矩大，调速范围宽，控制比较容易，但由于碳刷存在损耗，所以需要维护，同时有刷直流伺服电机会产生电磁干扰，对应用的环境有所要求，适用于需求成本较低的民用场合和普通工业。无刷直流伺服电机重量轻，体积小，响应快，出力大，速度快，惯量小，力矩稳定，转动平滑。比较容易实现智能化且不需要维护，效率高，运行时温度低，噪声小，电磁辐射小，寿命长，应用环境广。交流伺服电机相比于直流伺服电机结构简单，控制精度高，矩频特性好，具有过载能力且加速性能好，但需要应用交流电，不适合在应用蓄电池的AGV上应用。步进电机结构简单，成本低，工作可靠，是一种较为理想的数控元件，但非线性较强，高性能的闭环控制不易实现。经过分析后和本文之前计算得出的相关数据，本文选用了国产的稀土永磁直流伺服电机，电机型号为75SZD01。该型号电机额定功率为0.1kW，额定转矩0.96N·m，额定转速1000r/min，最大转矩8N·m，额定电压24 V，完全符合本文设计需求。图2.6电机的外形和安装尺寸图2.7电机参数图最终选定：电机型号：75SZD01减速器型号：PF60编码器型号：ZKP3808HES测速机型号：75CF制动器型号：REB0504，BFK457-04减速器减速比：8:12.5传动轴的设计确定轴径：用材料为45#钢，调质处理。取A0=110；dmin>=A0×3Pn=110×考虑到轴上有键槽，所以d0>=dmin取d0根据d0=15mm，设计传动轴如图2.6所示，轴的材料为选择45#钢,调质处理。轴通过两端的轴承提供过支撑，轴上齿轮在轴向通过轴肩和轴套定位，轴套左端和轴承内圈接触，轴承外圈通过与轴承透盖接触限制轴向移动，右端轴承靠轴承座轴向和周向定位，齿轮周向通过8×7×21的图2.8传动轴二维图2.6传动齿轮的设计初步选择标准圆柱直齿轮齿轮标准安装，模数m=2，小齿轮齿数Z1=30，大齿轮齿数Z2=60，则d1=m×Z1=2×30=60mm,d2=m齿轮材料选择：小齿轮：45#钢，调质处理，齿面硬度217--255HBS大齿轮:45#钢，调质处理，齿面硬度217--255HBS2.7轴承的选择根据轴承也需要同轴进行配合。轴承的种类和尺寸多种多样，需要根据使用条件和工作环境的特点仔细选取，选择轴承时要从以下几个方面考虑：1载荷方向、大小和性质；2转速；3支承限位要求；4调心性能；5刚度要求。根据前面计算的结果，参考以上选取轴承的参考条件，初步选择深沟球轴承6202和6204。升降机构的设计第3章升降机构的设计剪叉式升降机构是一种折叠机构，它包括收缩和展开两种工作状态，在不使用的时候可以使升降机处于收缩状态，这样在运输和储存的时候都比较方便，在需要的时候就打开，这样缩短了搭建的时间，提高了工作效率。由于剪叉式升降机的这种优越特性，使得它在大厅装修、路灯维修和设备安装等多种领域有着广泛的应用。图3.1立柱式升降机构图3.2剪叉式升降机构图3.3曲臂式升降机构因为剪叉式升降机构结构简单稳定，适合承载重量不大的举升机构，所以本文选择在AGV上加上剪叉式升降机构，使AGV更好的适应装配车间的工作环境。3.1升降机的基本参数如下：（1）最大承受载荷为1000Ｎ;（2）升降台最低高度为100mm，最大上升高度为400mm;（3）剪叉臂长度为692mm;（4）升降平台在最低高度时与水平面夹角为8.3°；（5）工作台尺寸为820mm×600mm.升降机构采用电机驱动，通过齿轮传动系统将动力传送到传动轴上，传动轴两端通过齿轮齿条传动将电机的转动转化为齿条沿齿条导轨的平动，齿条与升降机构的剪叉臂通过连接轴连接，当齿条平动是，剪叉臂则带动升降平台上下移动，从而实现升降机构的升降。升降机构的solidworks三维模型如如下图：图3.4升降机构三维模型图3.2升降机构受力分析剪叉式升降机在工作过程中，当承载载荷或工作台所处的高度不同时，驱动电机所输出的驱动力大小也在不断的变化；因此，为了确定升降机的结构参数，需对其进行受力分析。升降机在极限载荷作用下，当工作台处于最低位置时，驱动电机输出的驱动力最大，此条件即为升降机工作的极限状态。升降机在极限状态下能够安全的工作，便可确保整个工作过程的安全性；因此仅需对该状态下升降机的受力情况进行分析即可。剪叉式升降机的整体受力情况可简化为如图所示的受力简图图3.5升降机构受力简图由图3.5升降机的整体受力分析可得：FAy＝FBy＝0.5W式中W为升降机构所承受极限载荷。升降机工作台及叉臂的受力情况如图3.6所示。通过对升降机整体及各部件进行受力分析，并根据力平衡原理可得：FAy=FFAx=FEx=FBx=FExFEy=F图3.6剪叉臂受力情况根据力矩平衡原理，对A点进行力矩平衡分析，可得：FLcosθ＝FExｘ0.5Lsinθ（3.5则由式3.5可得：FEx＝2Fcotθ（根据基本参数要求可知：剪叉式升降机所能承受的极限载荷大小为W＝1000N。叉臂与工作台之间的夹角θ＝8.3°。联立式3.2、式3.3及式3.6，可得：FAy＝FBy＝F＝500N（3FAx＝FEx＝FBx＝FEx'＝63.3升降机构驱动电机及减速器的选择通过以上的分析计算可知，单层剪叉式升降机在极限工作状态下所需的驱动力为FAx＝6与齿条配合的齿轮直径为30mm；所以升降机构在极限位置所需的驱动力矩T=FAx×30/2=6854.8×选择驱动齿轮的最大转速为15r/min,则其速度V=15×Π×0.03/60=0.024m/s；所需功率P=FAx×V=6854.8×0.024=161w电机参数如下图：图3.7电机参数额定功率：180w;额定电压：24v;额定转速：4930rpm;额定转矩：366mNm;电机传到驱动齿轮上的最大转矩Tmax=4930×366/15=120292Nm>T,所以所选电机最终选定：电机型号：maxonEC-I52减速器型号：GP52A减速器减速比：181:1编码器：EPOS450115关键零件的校核第4章关键零件的校核4.1齿轮的校核电机额定转矩为0.96N.m，额定功率P=0.1Kw，额定转速为1000r/min，正常工作状态下传动效率η=0.95，小齿轮转速n1=1000/8=125r/min，大齿轮转速n传动比i=n1/n2=2,预期齿轮应力循环次数查<<机械设计>>（科学出版社）（本章所引用图表，公式均来源于此书）图5-19查图5-18(b)，由式5-32取,计算许用弯曲应力由式5-31查图5-14查图5-15小齿轮的转矩：大齿轮转矩:T2=T1×2=14516N.取则小齿轮转速为查图5-4（d）查表5-3由图5-7(a)查表5-4计算载荷系数与相近，无需修正计算齿根弯曲应力：齿轮主要几何参数4.2传动轴的校核根据轴上零件的布局形式可知，轴受到来自齿轮的圆周力和径向力，还有轴承的支反力：作用在齿轮的圆周力径向力图4.1求轴上的载荷：后轮轴上的受力分析4.1a。L1=60mm，L2=33.5mm，L3=70mm在水平面上后轮轴的受力简图为4.1b。AGV的最大总重为300kg，有两个驱动轮，两个万向轮支撑，所以驱动轮处支撑力F=500N。由静力平衡方程求出支座A、B的支反力FB=Ft×L2L2+L1FA=-FB三个集中力作用的截面上的弯矩分别为TT=14516 Nm分别作弯矩图，扭矩图如图4.1d,4.1e所示。该轴主要单向工作，转矩产生的弯曲应力按脉动循环应力考虑取,D点右D点左C点校核该轴的强度：根据以上分析，D点弯矩值最大，而C点轴径最小，所以该轴危险断面是D点和C点所在剖面。轴的材料为40#钢查表8-1查表8-3D点轴径因为有一个键槽C点轴径因为有一个键槽。所以轴的强度符合要求。4.3轴承的寿命计算在一定载荷作用下，轴承运转到任一滚动体或内、外圈滚道上时会出现疲劳点蚀，在此之前，轴承工作的小时数L由上文知6204轴承处支反力FB=842.6N；由于本文的轴承只承受径向力，轻微冲击，所以取fm=1.5,fd=1.2。则当量动载荷PB=FBfmfd=842.61.51.2=1516.68N。查得6204轴承的基本额定动载荷C=9880N，轴承基本尺寸/mm基本额定载荷/kN极限转速/(r/min)轴承代号质量/kgdDB脂油6204单个2047149.886.1814000180000.098表4.16204型深沟球轴承尺寸与性能表所以6204轴承寿命：L10h=10660n(符合要求。4.4键的校核键的连接类型有平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。本设计中，多处用到键连接，其连接类型均为平键连接。平键的两个侧面是工作面并用于传递转矩，其主要的实效形式有：工作面被压溃（静连接），工作面过度磨损（动连接），个别情况会出现键被剪断。图4.2平键连接计算图对于尺寸按标准选择的平键连接，通常只按工作面上的挤压应力（对于动连接常用压强）进行条件性强度校核。如图3-5所示，假设载荷沿键长和键高均匀分布，则挤压强度条件为MPa式中d——轴的直径，mm；k——键与毂槽的接触高度，mm；h——键的高度，mm；l——键的工作长度，mm；T——转矩，；[]——许用挤压应力MPa，见表3-2。对动连接，以许用压强[]代替[]。表3-2键连接的许用挤压应力和许用压强MPa许用值连接方式轮毂或键的材料载荷性质静载荷轻微冲击冲击[]静连接钢125～150100～12060～90铸铁70～8050～6030～45[]动连接钢504030注：1.[]和[]应按连接中机械性能较弱的材料选取；对驱动轮处的键（5×5×传递的转矩T=14156N·mm轴的直径d=15mm键的类型A型键的截面尺寸b×h=5×5mm键的长度L=25mm键的有效长度L0=20接触高度k=2.5mm键的个数N=1载荷类型静载荷许用应力[σp]=120MPa计算应力σσp≤[σp]AGV的经济性和环保性分析第5章AGV的经济性和环保性分析5.1经济性分析：AGV作为一种自主移动机器人，在现代工厂的各个环节的大量应用，可以显著提高经济效益，同时大大提高社会生产的效率，下面从几个方面进行简要分析。一、是经济效益：通过查阅相关资料，从经济效益看，一台标配普通性AGV可抵三个搬运工兼司机加一台运输车。据计算，以一个工人每月3500元计算（按照2013年深圳平均工资），三个工人一个月就是10500元，AGV应用一年就可以为企业节约126000的工人工资。另外，AGV可以24小时地连续工作，可以大大提高生产效率达20%，以月产值2000万的工厂计算，提升20%相当400万，效益提升的很明显。二、是人本效益：AGV种类繁多，功能多样，有智能叉车AGV，有智能摘苹果AGV，有智能架桥AGV，有智能铺路AGV。还有一些AGV不惧危险，可以在任何有毒有害环境中工作等等……，体积上有的小巧灵活，向书本一样大，可以穿梭于人类无法抵达的狭小空间；有的高大威猛、力大无穷，目前最大的AGV可负重150吨；真正人类从苦累脏险差毒辐射等危害岗位上解放出来。三、是技术效益：AGV作为机器人，科技含量非常高，但技术无止境，只有不断升级技术，才能满足人类不断变化的新需求。它推动企业不断革新，促进技术升级。四、是管理效益：AGV作为特殊车辆，它能自主行驶，不要司机；还能自我诊病，出现故障无需请专家排除，普通技工即可完成。整个AGV系统可实现智能调度，避免众多AGV在工作行进中碰撞、塞车，始终保持生产秩序繁忙有序，大大节约人员管理成本。AGV小车的显著特点是无人驾驶，可以保障系统在不需要人工导航的情况下自动行驶。柔性好，自动化和智能化水平高。本文所设计的AGV通过简单的结构实现了较为复杂的运动，并且能承受一定的负载，可以在工厂内自行穿梭，也可以作为装配时工人的副手，自主移动和举升零件，可以节约大量的工人劳动，具有较高的经济效益。5.2环保性分析：如今环境保护越来越受到人类的重视，成为人类生活的重要主题。环境保护所要解决的问题大致包括两个方面的内容，一是保护和改善环境质量，保护人类身心的健康，防止机体在环境的影响下变异和退化；二是合理利用自然资源，减少或消除有害物质进入环境，以及保护自然资源(包括生物资源)的恢复和扩大再生产，以利于人类生命活动。本文所设计的AGV有以下优点AGV依靠自带的蓄电池提供动力，并且通过电机驱动运行工程中无噪声，无污染，对环境的影响微乎其微。AGV的零部件绝大部分有金属构成，无化学添加物及对环境有害的物质。所以符合保护环境的要求。参考文献第6章参考文献[1]唐文伟.AGV在物流领域中的应用前景分析[J].物流技术，2001[2]沈治.浅谈自动导向小车（AGV）技术发展[J].科技广场，2008[3]刘鸿恕.AGVS—现代化物料搬运计数设备.1995(4):1一17[4]机器人技术国家工程研究中心中科院沈阳自动化研究所.AGVS产品及应用.[5]SmithJ.S.Surveyontheuseofsimulationformanufacturingsystemdesignandoperation[J].JournalofManufacturingSystems.92003，22(2):157-71.[6]朱世强王宣银.机器人技术及其应用.浙江大学出版社.2001[7]钱钧，杨汝清，王晨，周启龙，杨明.基于路标的智能车定位[J].上海交通大学学报，200741(6):894-898.[8]董再励，王光辉，田彦涛，朱枫，洪伟.自主移动机器人激光全局定位系统研究[J]。机器人，200022(3):207-210.[9]史恩秀黄玉美.自主导航小车AGV定位方法的研究.传感技术学报.2007年1月.第20卷.第一期[10]IrishF.A.Vis.SurveyofresearchintheDesignandControlofAutomatedGuidedVehicleSystem.EuropeanJournelofOperationalResearch[J].2006.170(2006):677-699.[11]孟江华，朱纪洪，孙增析.未知环境下基于传感器的移动机器人路径规划新方法[J].机器人，200527(4):319-324.[12]刘宏光．剪叉式升降平台建模及关键参数研究［J］．机电工程技术，2005，34(7):20～22[13]ElfesA.ASonarBasedMappingandNavigationSystem[J].Proceedingsofthe1986IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation，1986:1151一1156.[14]彭光清，楼佩煌．磁导航AGV模糊控制器的研究［J］．工业控制计算机，2012，25(9):43－44[15]廖洵．自动导向车控制与检测系统的研究与设计［D］．武汉:湖北工业大学图书馆，2012[16]叶菁，黄安怡．磁导式AGV控制系统设计与研究［D］．武汉:武汉理工大学图书馆，2004[17]MorrisG．DefiningaStandardFormulaandTestMethodforFastenerFlexibilityinLap-joints［D］．DelftUniversityofTech-nology．TheNetherland，April19，2004[18]HuthH．InfluenceofFastenerFlexibilityonthePredictionofLoadTransferandFatigueLifeforMultiple-rowJoints［M］．InFatigueinMechanicallyFastenedCompositeandMetallicJoints;AmericanSocietyforTestingandMaterialsSpecialTechni-calPublications，1986:221～250[19]LeeSY，YangHW．Navigationofautomatedguidedvehi-clesusingmagnetspotguidancemethod［J］．RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing，2012，28（3）：425－436．[20]Martínez-BarberáH，Herrero-PérezD．Autonomousnaviga-tionofanautomatedguidedvehicleinindustrialenviron-ments［J］．RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing，2010，26（4）：296－311．[21]曾午平剪叉式升降台参数化设计及结构分析[D].起重运输机械.太原科技大学,2009.[22]JinS，BestavrosA．Cache-and-relayStreamingMediaDeliveryforA-synchronousClients［C］//ProceedingsofInternationalWorkshoponNetworkedGroupCommunication(NGC)，2002．[23]DucATran，KienAHua，TaiTDo．ZIGZAG:AnEfficientPeer-to-PeerSchemeforMediaStreaming［C］//ProceedingsofIEEEINFOCOM2003，April2003．[24]CastroM，DruschelP，KermarrecAM，etal．Splitstream:High-band-widthcontentdistributionincooperativeenvironments［C］//Proceed-ingsofIPTPS03，Berkeley，USA，Feb．2003．[25]唐朝明剪叉式液压升降平台的设计[J].广州铁道车辆厂,1995（3）:28-31.[26]DuYalin，GaoXiaoying，LiuZhun，etal．Thenewnavigationsystemforautomaticguidedvehicle［C］//ControlandDecisionConference，2008:4653-4658．[27]ButdeeS，SuebsomranA．Automaticguidedvehiclecontrolbyvisionsystem［J］．IndustrialEngineeringandEngineeringManagement，2009:694-697．[28]ZHAIZhi-xin,ZHANGChun-hui(翟志新,张春晖).Micro-robotsoccersystem[J].RobotTechniqueandApplication(机器人技术与应用),1999(6):29-30.(inChinese)[29]AngeloudisP.,BellM.G.H.Anuncertainty-awareAGVassignmentalgorithmforaotumatedcontainerterminals[J].TransportationResearchPartE:LogisticsandTransportationReview,2010,46(3):354-3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