自动引导小车(AGV)的结构设计另外有完整图纸.doc

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1、本科毕业设计说明书论文 第 I 页 共 I 页 目 录 1 绪论 . 1 1.1 AGV自动引导小车简介 . 1 1.2 自动引导小车的分类 . 1 1.3 国内外研究现状及发展趋势 . 1 2 机械部分设计 . 3 2.1 设计任务 . 3 2.2 确定机械传动方案 . 3 2.3 直流伺服电动机的选择 . 4 2.4 联轴器的设计 . 7 2.5 蜗杆传动设计 . 8 2.6 轴的设计 . 10 2.7 滚动轴承选择计算 . 18 3 控制系统的设计 . 23 3.1 控制系统总体方案 . 23 3.2 鉴向 . 23 3.3 计数的扩展 . 24 3.4 中断的扩展 . 26 3.5 数

2、摸转换器的选择 . 27 3.6 电机驱动芯片选择 . 29 3.7 运动学分析 . 33 3.8 控制软件的设计 . 34 结束语 . 42 致谢 . 43 参考文献 . 44 本科毕业设计说明书论文 第 1 页 共 44 页 1 绪论 1.1 AGV自动引导小车简介 AGVAutomatic Guided Vehicle即自动引导车是一种物料搬运设备是能在某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A

3、GV的使用场合最广泛发展十分迅速。 1.2 自动引导小车的分类 自动引导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入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

4、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。无轨小车按照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。 1.3 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

5、。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 本科毕业设计说明书论文 第 2 页 共 44 页 用公司开始使用AGV1985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1。 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1。这说明AGV有一个潜在的广阔市场。 AGV从技术的发

6、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。 本科毕业设计说明书论文 第 3 页 共 44 页 2 机械部分设计 2.1 设计任务 设计一台自动引导小车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 应达到的技术要求如下 自动引导小车的长度500m

7、m 1.负载35 KG 自动引导小车的宽度300mm 2.小车转弯半径71 CM 自动引导小车的行驶速度100mm/s 3.小车最大速度10 m/s 2.2 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。自动引导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。自动引导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。 本科毕业设计说明书论文 第 4 页 共

8、44 页 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方案。 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 22.75r/min1403.14610001000dvn 2.1 电机的转速 选择蜗轮-蜗杆的减速比i62 n1410.5r/mi22.7562电inn 2.

9、2 自动引导小车的受力分析如图2.3所示 OGPFBFCFAFDABCD 2.3 车轮受力简图 本科毕业设计说明书论文 第 5 页 共 44 页 小车车架自重为P 134N9.80.0320.30.5102.853abhgp 2.3 小车的载荷为G 343N9.835mgG 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 ABFFCDFF 0zF 220ACFFPG 2.5 0xM 0.0750.1720.30CGPF 2.6 解得 157.66NBAFF 80.84NDCFF 两驱动后轮的受力情况如图2.4所示 滚动摩阻力偶矩fM的大小介于零与最大值之间

10、即 max0MMf 2.7 mN946.066.157006.0maxNFM 2.8 其中滚动摩阻系数查表5-22210取6mm 牵引力F为 N5.1307.0946.02maxdMF 2.9 电 机1/GW 图2.4 后轮受力 图2.5 前轮受力 摩擦系数 ? 牵引力 F N 重物的重力 W N 滚子直径 D mm 传递效率 ? 传动装置减速比 1/G 1 求换算到电机轴上的负荷力矩LT AOFSFNPF 本科毕业设计说明书论文 第 6 页 共 44 页 mN587.010008.962121407.066.157015.05.1310008.912GDWFTL 2.10 取0.7 W157

11、.66N 0.15 2 求换算到电机轴上的负荷惯性LJ 2121342LZJJJJJZ 2.11 22mKg000036189.00000604.0000131.0004766.06210000349.0 其中 1J为车轮的转动惯量2J为蜗杆的转动惯量 3J为蜗轮的转动惯量4J为蜗轮轴的转动惯量。 3 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MAXON F2260 ?60mm 石墨电刷 80W JM 1290gcm2 匹配条件为3 2maxgcm89.361LLJJ max0.251LMJJ 2.12 即 361.890.2510.250.28051 惯量J

12、2gcm89.165189.3611290LMJJJ 2.13 其中MJ为伺服电动机转子惯量 故电机满足要求。 4快移时的加速性能 最大空载加速转矩发生在自动引导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maxn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maxT。 mN91.0076.060400014.3289.1651602maxmaxatnJJT 2.14 本科毕业设计说明书论文 第 7 页 共 44 页 加速时间 S076.0019.044MaTT 2.15 其中机械时间常数ms19MT 2.4 联轴器的设计 由于电动机轴直径为8mm并且输出轴削平了一部分与蜗杆轴联接

13、部分轴径为12mm故其结构设计如图2.6所示。 电机轴蜗杆轴 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4 8mKTdDZ 2.16 销钉材料选用45钢。查表5-25 优质碳素结构钢GB 699-88 45 调质200mm b637MPa s353MPa s17 35 2x0.39MJ/M 硬度217255HBS 销钉的许用切应力为 477.75MPa6370.750.80.7b 2.17 过载限制系数k值 查表14-44 取k1.6 mN587.0T mm646.075.47711214.35876.18d 选用d5mm满足剪切强度要求。 本科毕业设计说明书论文

14、 第 8 页 共 44 页 2.5 蜗杆传动设计 2.5.1 选择蜗杆的传动类型 根据GB/T 10085-1988的推荐采用渐开线蜗杆ZI。 2.5.2 选择材料 蜗杆要求表面硬度和耐磨性较高故选用材料40Cr。蜗轮用灰铸铁HT200制造采用金属模铸造。 2.5.3 蜗杆传动的受力分析如图2.7所示 确定作用在蜗轮上的转矩T2 按Z1故取效率40.7则 23508N.mm22.750.70.08109.55109.55109.55612162262/inPnPT 2.18 图2.7 蜗轮-蜗杆受力分析 各力的大小计算为 N4.524.22587221121dTFFat 2.19 N66.60

15、65.7723508222221dTFFta 2.20 N8.22020tan66.60620tan00221trrFFF 2.21 本科毕业设计说明书论文 第 9 页 共 44 页 2.5.4 按齿根弯曲疲劳强度进行设计 根据渐开线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渐开线传动中。 弯曲疲劳强度条件设计的公式为4 221221.53FaFKTmdYYz 2.22 确定载荷系数K4 由于工作载荷较稳定故取0载荷分布不均系数K1由表11-154选取使用系数KA1.15。由于转速不高冲击不大可取动载系数KV1.1则 1.1511.

16、11.265AVKKKK 2.23 由表11-84得蜗轮的基本许用弯曲应力F48MPa 假设 262z 31048quot蜗轮的当量齿数 22336262.29coscos310Vzz?48? 2.24 根据20x262.29Vz从图11-194中可查得齿形系数22.3FaY 螺旋角系数 310110.9773140Y?48?140 2.25 312mm9773.03.2486223508265.153.1dm 由表11-24得 中心距a50mm 模数m1.25mm 分度圆直径22.4mm1d 31235mmdm 蜗杆头数11z 直径系数17.92 分度圆导程角31138 蜗轮齿数262z 变

17、位系数20.04x 2.5.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 1 蜗杆 轴向齿距 mm925.325.114.3mPa 2.26 齿顶圆直径 mm9.2425.1124.22211mhadda 2.27 本科毕业设计说明书论文 第 10 页 共 44 页 齿根圆直径 mm275.1925.125.025.1124.22211cmhaddf 2.28 蜗杆轴向齿厚 mm9625.125.114.32121mSa 2.29 2 蜗轮 传动比 2162621ziz 2.30 蜗轮分度圆直径 mm5.776225.122mzd 2.31 蜗轮喉圆直径 mm1.8004.0125.125.772222

18、xhamdda 2.32 蜗轮齿根圆直径 mm475.7425.004.0125.125.772222cxhamddf 2.33 蜗轮咽喉母圆半径 mm95.91.8021502122agdar 2.34 2.5.6 精度等级公差和表面粗糙度的确定 考虑到所设计的自动引导小车属于精密传动从GB/T 10089-1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择6级精度侧隙种类为d标注为6dGB/T 10089-1988。 2.5.7 热平衡核算 由于该蜗轮-蜗杆传动是渐开线传动蜗轮-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 前轮轴的设计结构如图2.8 前轮轴只承受弯矩而不承受扭矩

19、故属于心轴。 本科毕业设计说明书论文 第 11 页 共 44 页 图2.8 前轮轴结构 1求作用在轴上的力 自动引导小车的前轮受力受力如图2-9a所示。 CFF N42.4084.80212121CFFF 2轴的结构设计 a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。 b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?夹登奥种嶂皇芡渚氐淖饔弥饕惺芫断蛄嵯蛄闲恃玫猩罟登蛑岢小芍岢胁纺柯贾谐醪窖猩罟登蛑岢?004其尺寸为d?D?T20mm?42

20、mm?12mm故ddd20mm。 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h2.5mm因此取d25mm。 取安装左、右轮辐处的轴段的直径d30mm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l32mm。左右轮辐的左段采用轴肩定位轴肩高度 本科毕业设计说明书论文 第 12 页 共 44 页 0.07hdgt取h3mm则轴环处的直径d36mm。轴环宽度b1.4h取l5mm。 轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为GB 894.1-86 20其尺寸为d020mm故 dd19mm ll1.1m

21、m l13-1.111.9。 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。 c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b?h8mm?7mmGB/T 1095-1979键槽用键槽铣刀加工长为28mm标准键长见GB/T 1096-1979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。 d确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴端倒角为1?45各轴肩处的圆角半径为R1。 3求轴上的载荷 首先根据轴的结构图作出轴的

22、计算简图。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图 McM 图2.9 前轮轴的载荷分析图 N42.4084.80212121cFFF mm3921LL mmN38.15763942.4011LFMC 4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mmN38.1576CM。 对截面C进行强度校核由公式4 本科毕业设计说明书论文 第 13 页 共 44 页 1caMW 2.35 由表15-14得45钢 调质 MPa601 由表15-44得 32323mm84.228830243048323014.3232dtdbtdW 2.36 1MPa689.084.228

23、838.1576ca 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。 图2.10 后轮轴结构 1求后轮轴上的功率2P、转速2n和转矩2T 取蜗轮-蜗杆传动的效率0.7则 KW056.07.008.02PP 2.37 r/min75.222nn mmN235082T 2作用在蜗轮上的力 N66.6062tF N4.522aF N8.2202rF 3初步确定轴的最小直径 先按式15-24初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢调质处理。根 本科毕业设计说明书论文 第 14 页 共 44 页 据表15-34取0A115于是得 mm5.1575

24、.22056.011533220minnPAd 2.38 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d26mm。 4轴的结构设计 a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。 b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。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d?D?T30mm?62mm?16mm故 ddd30mm。 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h3mm因此

25、取d36mm。 轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为GB 894.1-86 30其尺寸为d030mm故d28.6mml1.7mm。 取安装轮辐处的轴段的直径d26mm。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26lmm。 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。 c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由手册查得平键截面b?h8mm?7mm键槽长为25mm。轮辐与轴的配合为H8/h7。 d确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴端倒角为1?45各轴肩处的圆角半径为1R。 5求轴上的载荷 后轮轴上的受力分析2.11a。 L1L227.5mm L341mm 本科毕业设计说明书论文 第 .