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自动导引小车(AVG)的设计


海量机械毕业设计,请联系 Q99872184

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

I

海量机械毕业设计,请联系 Q99872184

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. Keyword: Automatic Guided Vehicle, singlechip computer control,Design , PWM

II





摘 要 ....................................................................... I Abstract ................................................................... II 第一章 绪论 ................................................................. 1 1.1 AGV 自动导引小车简介 ................................................... 1 1.2 AGV 自动导引小车的分类 ................................................. 1 1.3 国内外研究现状及发展趋势 ............................................... 1 第二章 机械部分设计 ......................................................... 2 2.1 设计任务 ............................................................... 2.2 确定机械传动方案 ....................................................... 2.3 直流伺服电动机的选择 ................................................... 2.4 联轴器的设计 ........................................................... 2 2 3 5

第三章 控制系统的设计....................................................... 13 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 控制系统总体方案 ...................................................... 鉴向 .................................................................. 计数的扩展 ............................................................ 中断的扩展 ............................................................ 数摸转换器的选择 ...................................................... 电机驱动芯片选择 ...................................................... 运动学分析 ............................................................ 控制软件的设计 ........................................................ 13 14 15 16 17 18 21 22

结论 ....................................................................... 27 参考文献(References) ..................................................... 27 致谢 ....................................................................... 27

第一章 绪论
1.1 AGV 自动导引小车简介 AGV(Automatic Guided Vehicle),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。 1.2 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。 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。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 。 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 。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。
[1]
[1]

1

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 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 方案。

2

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

n?

1000v
πd

?

1000 ? 6 ? 22.75 r min 3.14 ?140

(2-1)

电机的转速 选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=62

n 电 ? in ? 62 ? 22.75 ? 1410.5 r min
自动导引小车的受力分析:

(2-2)

FA FD A D G P

O

FC FB C B

图 2-3 小车车架自重为 P 小车的载荷为 G

车轮受力简图 (2-3)

P ? ρabhg ? 2.85 ?103 ? 0.5 ? 0.3? 0.032 ? 9.8 ? 134N
G ? mg ? 35 ? 9.8 ? 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 ? FB , FC ? FD
(2-5) (2-6)

?F

z

? 0,
x

2FA ? 2FC ? P ? G ? 0 ?0.075G ? 0.17P ? 2 ? 0.3? FC ? 0 FA ? FB ? 157.66N FC ? FD ? 80.84N

?M
解得

? 0,

两驱动后轮的受力情况如图 2-4 所示: 滚动摩阻力偶矩 M f 的大小介于零与最大值之间,即
3

0 ? M f ? M max
M max ? δFN ? 0.006 ?157.66 ? 0.946N ? m
其中 δ 滚动摩阻系数,查表 5-2 牵引力 F 为
[2]

(2-7) (2-8)

,δ=2~10,取 δ=6mm

F?

M max 0.946 ? ? 13.5N d 0.07 2

(2-9)

W

P O FN

F
电 机 1/G

FS

A

图 2-4 摩擦系数 ? 滚子直径 D

后轮受力 mm 牵引力 F N 传递效率 ?

图 2-5 重物的重力 W N 传动装置减速比 1/G

1) 求换算到电机轴上的负荷力矩( TL )

TL ?

? F ? ?W ? ? D ? 1 ?
?

9.8 2 G 1000

(2-10)

13.5 ? 0.15 ?157.66 140 1 9.8 ? ? ? 0.7 2 62 1000 ? 0.587 N ? m 取 ? =0.7, W =157.66 N , ? =0.15 ?
2) 求换算到电机轴上的负荷惯性( J L )

?Z ? J L ? J 2 ? ? 1 ? ? J1 ? J 3 ? J 4 ? ? Z2 ?
2

2

(2-11)

? 1 ? ? 0.0000349 ? ? ? ? 0.004766 ? 0.000131 ? 0.0000604 ? ? 62 ? ? 0.000036189kg ? m 2
其中 J1 为车轮的转动惯量; J 2 为蜗杆的转动惯量;

J3 为蜗轮的转动惯量; J 4 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
4

J M ? 1290gcm 2

匹配条件为

[3]

J L ? J L max ? 361.89gcm 2
0.25 ? J L max ?1 JM
(2-12)

即 惯量 J

0.25 ?

361.89 ? 1 ? 0.25 ? 0.2805 ? 1 ????
(2-13)

J ? J M ? J L ? 1290 ? 361.89 ? 1651.89 gcm2

其中 J M 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 nmax 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 Tmax 。

Tmax ? J? ? J
加速时间

2? nmax 2 ? 3.14 ? 4000 ? 1651.89 ? ? 0.91N ? m 60ta 60 ? 0.076

(2-14)

Ta ? 4TM ? 4 ? 0.019 ? 0.076s

(2-15)

其中 机械时间常数 TM ? 19ms 2.4 联轴器的设计 由于电动机轴直径为 Φ8mm ,并且输出轴削平了一部分与蜗杆轴联接部分轴径为 Ф12mm,故其结构设计如图 2-6 所示。

蜗杆轴
图 2-6 联轴器机构图
[4]

电机轴

联轴器采用安全联轴器,销钉直径 d 可按剪切强度计算,即

d?
[5]

8 KT ? Dm Z ?? ?
优质碳素结构钢(GB 699-88)

(2-16)

销钉材料选用 45 钢。查表 5-2

5

45

调质

≤200mm

? b =637MPa

? s =353MPa

? s =17%

Ψ=35%

?k ? 0.39 MJ m2

硬度 217~255HBS

销钉的许用切应力为

?? ? ? ?0.7~0.8?? B ? 0.75? 637 ? 477.75MPa
过载限制系数 k 值 查表 14-4
[4]

(2-17)

取 k=1.6

T=0.321N?m

d?

8 ?1.6 ? 578 ? 0.646mm 3.14 ?12 ?1? 477.75

选用 d=5mm 满足剪切强度要求。 2.5 蜗杆传动设计 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.选择材料

此处删减 NNNNNNNNNNNNNNNN 字 需要整套设计请联系 q:99872184。
三个集中力作用的截面上的弯矩分别为

M HD ? FNH1 ? L1 ? 631.9 ? 27.5 ? 17377.25N ? mm M HA ? M HB ? 0

6

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

FNV ? ? Fa 2 ? 65.22N 2
Ma ? Fa 2D
2 ? 6 5 . 2? 2 2 77.5 ? 2527.275N ? m m
(2-39) (2-40)

? MA
FNV 2 ?
?

? 0 , ?Fr 2 ? L1 ? M a ? FNV 2 ? 2L1 ? F ? ? 2L1 ? L3 ? ? 0

1 ? Fr 2 ? L1 ? M a ? F ? 2L1 ? L3 ? ? ? 2L1
1 ? ?460 ? 27.5 ? 2527.275 ? 157.66 ? ? 2 ? 27.5 ? 41? ? ? 2 ? 27.5 ?

?

?

? 0.726N

? Fy

? 0,

FNV 1 ? FNV 2 ? F ? Fr 2 ? 0

(2-41)

FN V1 ? F r2 ? F ? FN V 2
? 460 ? 157.66 ? 0.762 ? 301.578N
在 AD 段中,将截面左边外力向截面简化,得

M ? x1 ? ? FNV 1 ? x 1 ? 301.578x 1
7

0< x1< 27.5

(2-42)

在 DB 段中,同样将截面左边外力向截面简化,得

M ? x 2 ? ? FNV 1 ? 27.5 ? x 2 ? ? Fr 2x 2 ? M a

0< x2 < 27.5 (2-43)

? 301.578 ? 27.5 ? 301.578x 2 ? 460x 2 ? 2527.275 ? 10820.67 ? 158.422x 2
在 BC 段中,同样将截面右边外力向截面简化,得

M ? x 3 ? ? F ? x 3 ? 157.66x 3

0< x3 < 41

(2-44)

M VA ? M VC ? 0

MVD 左 ? 301.578 ? 27.5 ? 8293.395N ? mm

MVD 右 ? 10820.67 ? 158.422 ? 0 ? 10820.67N ? mm
MVB ? 157.66 ? 41 ? 6464.06N ? mm
计算 A、B、C、D 截面的总弯矩 M

M A ? MC ? 0
M D1 ?
2 2 M HD ? M VD ? 左

17377.252 ? 8293.3952 ? 19254.85Nmm

(2-45) (2-46)

M D2 ?

2 2 M HD ? M VD ? 右

17377.252 ? 10820.672 ? 20470.85N ? mm

M B ? MVB ? 646406N ? mm
后轮轴上的转矩

T ? T2 ? 23508N ? mm

6.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]


2

? ca ?

M D22 ? ??T ? W

?

20470.852 ? ? 0.6 ? 23508? 2288.84

2

? 10.85MPa

(2-47)

其中, ? 为折合系数,取 ? =0.6

W 为轴的抗弯截面系数,由表 15-4 [4] 得
W ? ?d 3
32 ?

bt ?d ? t ?
2d

2

?

3.14 ? 303 32

?

8 ? 4 ? ?30 ? 4 ? 2 ? 30
[4]

2

? 2288.84mm 3

选定轴的材料为 45 钢,调质处理,由表 15-1
8

查得 ? ?? ?1 ? ? ? 60MPa

因此 ? ca < ? ?? ?1 ? ? ,故安全。 2.7 滚动轴承选择计算 2.7.1 前轮轴上的轴承 要求寿命 Lh ? 2500h , 转速 n ?

1000?

?d

?

1000 ? 10 ? 28.96 r min ,轴承的 3.14 ? 110

径向力 Fr ? 40.42N ,轴向力 Fa ? 0 。 1. 由上述条件试选轴承 试选 6004 型轴承,查表 16-2
[4]

C r ? 9.38kN
2. 按额定动载荷计算 由式
[4]

C 0r ? 5.02kN
C ? P?
60nLh 106

nlim ? 15000 r min

(2-48)

对球轴承 ? =3,

P ? fP ? XFr ? YFa ? ? fP Fr
查表 13-6 代入得
[4]

(2-49)

自动导引小车 fP ? 1.2

P ? 1.2 ? 40.42 ? 48.504N

C ? 48.504 ?
故 6004 型轴承能满足要求。 3. 按额定静载荷校核 由式 查表 13-8
[4]

3

60 ? 28.96 ? 2500 ? 79.14N ? 9380N 106

C 0 ? S 0P0
,选取 S 0 =2

(2-50)

P0 ? X 0Fr ? Y0Fa ? Fr ? 40.42N
代入上式, C 0 ? 5020N ? 2.7.2 蜗杆轴上的轴承

(2-51)

S 0P0 ? 2 ? 40.42 ? 80.84N 满足要求。

要求寿命 Lh ? 2500h , 转速 n ? 1410.5 r min , 轴承的径向载荷 Fr 1 ? 110.4N , 作用在轴上的轴向载荷 Fa ? 606.66N 。 1. 由上述条件试选轴承 选 30203 型轴承,查表 5-24
[5]

9

C ? 19.8kN

C 0 ? 13.2kN

nlim ? 9000 r min (脂润滑)

e ? 0.35

图 2-12 2. 按额定动载荷计算

蜗杆轴上的轴承受力

S1 ? S 2 ?

Fr 1 110.4 ? ? 32.47N 2Y 2 ? 1.7

(2-52)

S 2 ? Fa ? 32.47 ? 606.66 ? 639.13N﹥S1

? Fa1 ? S 2 ? Fa ? 639.13N , Fa 2 ? S 2 ? 32.47N
P ? fP ? XFr ? YFa ?
查表 15-12
[5]

, fP ? 1.2

Fa1 639.13 ? ? 5.789 ﹥e ? 0.35 , X ? 0.4 , Y ? 1.7 Fr 1 110.4
P1 ? 1.2 ? ? 0.4 ? 110.4 ? 1.7 ? 606.66 ? ? 1290.58N

Fa 2 32.47 ? ? 0.294 ﹤e ? 0.35 , Fr 2 110.4

X ? 1,

Y ? 0

P2 ? fP ? XFr 2 ? YFa 2 ? ? fP Fr 2 ? 1.2 ? 110.4 ? 132.48N
由式 15 ? 2

?

?

[5]

C ? P?
60nLh 106 60nLh 10
6

60nLh 10
6

? ?

10 3

C 1 ? P1 3

10

? 1290.58 ?

10 3

60 ? 1410.5 ? 2500 ? 6433N 106

C 2 ? P2 3

10

? 132.48 ?

10 3

60 ? 1410.5 ? 2500 ? 660N 106

C 1、C 2 均小于 C ? 19800N 满足要求。
3. 按额定静载荷校核 由表 15 ? 10

?

?

[5]

C 0 ? S 0P0
10

查表 15-14

[5]

,取 S 0 ? 1.8

Fa1 1 1 ? 5.789 ﹥ ? ? 0.5 Fr 1 2Y0 2?1

P01 ? X 0Fr 1 ? Y0Fa1 ? 0.5 ? 110.4 ? 1 ? 606.66 ? 661.86N
Fa 2 1 1 ? 0.294 ﹤ ? ? 0.5 Fr 2 2Y0 2?1

P02 ? Fr 2 ? 110.4N
P01、P02 均小于 C 0 ? 13200N ,满足要求。
4. 极限转速校核 由式

nmax ? f1f2nlim

(2-53)

P1 1290.58 ? ? 0.0652 ,由图 15-5 [5] 得 f1 ? 1 C 19800

Fa1 ? 5.789 ,由图 15-6 [5] 得 f2 ? 0.5 Fr 1

nmax 1 ? 1 ? 0.5 ? 9000 ? 4500 r min
P2 132.48 ? ? 0.0067 ,由图 15-5 [5] 得 f1 ? 1 C 19800

Fa 2 ? 0.294 ,由图 15-6 [5] 得 f2 ? 1 Fr 2

nmax 2 ? 1 ? 1 ? 9000 ? 9000 r min
n 小于 nmax 1 和 n max 2 满足要求。
2.7.3 后轮轴上的轴承

r 要 求 轴 承 的 寿 命 Lh ? 2500h , 转 速 n ? 22.75
Fr 1 ?
Fr 2 ?
2 2 FN2H1 ? F 2 ? 631.9 ? 301.57 8? N V1 2 2 FNH ? FNV ? 2 2

min ,轴承 A 的径向载荷

7N 00 ; 轴 承 B 的 径 向 载 荷

631.92 ? 0.7622 ? 631.9N ;轴向载荷为 Fa ? 65.22N 。

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
11

试选 6206 型轴承,查表 15-19

[5]

C ? 14.91kN
2. 按额定动载荷计算 由式 对球轴承 ? ? 3 ,

C 0 ? 10.01kN

nlim ? 9500 r min (脂润滑)

C ? P?

60nLh 106

P ? fP ? XFr ? YFa ?


Fa 65.22 ? ? 0.0065 C0 10010

查表 15-19

[5]

e ? 0.19 Y, ?

2.3



Fa 65.22 ? ? 0.093 ? e ? 0.19 Fr 700
查表 15-12
[5]

查表 15-19

[5]

P ? Fr

自动导引小车 fP ? 1.2

代入得

P ? 1.2 ? 700 ? 840N

C ? 840 ?

3

60 ? 22.75 ? 2500 ? 1264.65N ? 14910N 106

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 由
[5]

C 0 ? S 0 P0
,选取 S 0 ? 1

Fa ? 0.093 Fr
查表 15-19
[5]



Fa ? 0.8 时, X 0 ? 1,Y0 ? 0 Fr

得 代入上式, C 0 ? 10010N ? 4. 极限转速校核

P0 ? Fr ? 700N
S 0P0 ? 700N 满足要求。

nmax ? f1f2nlim


P 840 ? ? 0.0563 C 14910

查图 15-5
12

[5]

f1 ? 1

Fa 65.22 ? ? 0.093 Fr 700
代入

查图 15-6

[5]

f2 ? 1

nmax ? 1 ? 1 ? 9500 ? 9500 r min
n ? 22.75 r min ? nmax 满足要求。

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:

13

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

图 3-2 鉴向原理 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一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。

14

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500× 62 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 按照二进制或二-十进制计数,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。

图3-4 8253内部结构框图 U6地址为:8000H计数器0 8001H计数器1 U7地址为:6000H计数器0 6001H计数器1

图3-5 8253引脚图 8002H计数器2 8003H控制字 6002H计数器2 6003H控制字

U6读/写控制逻辑接线: CS ? Y4 , Q0 ? A0 , Q1 ? A1 ; U7读/写控制逻辑接线: CS ? Y3 , Q0 ? A0 , Q1 ? A1 。
15

U6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temp 1、temp 2、temp 3 和temp 4 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 上的 IRQ2 扩展成从片上的 IRQ8~IRQ15 使用。 8259A 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: D7 ? D0 :数据线,CPU通过数据线向8259A发 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。 图3-6 8259A引脚图 寄存器的内容送到数据总线上。

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

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。 A0 :端口选择,指出当前哪个端口被访问。 IR0 ? IR7 :接收设备的中断请求。 CAS2 ? CAS0 :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, 主从片的 CAS2 ? CAS0 对应连接在一起。

SP EN :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,
用来决定本片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

INTA 和数据信号 D 0 ~D7 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
多时,可以在主片CAS和从片CAS之间增加驱动器。主片的 SP 级联如图3-7所示。

EN 接高电平。从片的

SP 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。

16

8259A U5 主 U8 AT89C51 U0

8259A U4 从

图3-7 8259A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-analog converter),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

?2

1

12

?1

?

? 2.442 ? 10?4 。

转换精度 大误差为: ?A ?

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

1 FS FS 10 ? n ?1 ? 12 ?1 ? 0.00122 V ,精度为 ?0.01% 。 n 2 2 2 2

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。
CS WR1 AGND DI5 DI4 DI3 DI2 DI1 (LSB)DI 0 VREF Rfb DGND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 DAC1208 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 Vcc BYTE1/BYTE 2 WR2 XFER DI6 DI7 DI8 DI9 DI10 DI11(MSB) Iout2 Iout1

图3-8 DAC1208的内部结构图
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图3-9 DAC1208的引脚图

74HC138

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 、 CS 、 WR1、 WR 2和XFER 信号均有效,数据被直接送入数/模转换电路进行数/模转换。
U8

74HC138

DAC1208

OA

DAC1208

OA

U9

U10

74LS373 U1

2764 U2 +5V

6264 U3 +5V

AT89C51 U0

图3-10 DAC1208双缓冲连接方式 U9输入寄存器地址为3FFFH DAC寄存器地址为5FFFH U10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 高电平时,选中数据 DI11 中数据 DI 3 ?

BYTE 为

? DI 4 输入到8位输入寄存器;当 BYTE BYTE 为低电平时,选

DI 0 输入到4位输入寄存器; CS 片选信号,低电平有效,和输入锁存信号

ILE 、 WR 1 一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 1 写信
号1,作为第一级锁存信号,必须和 CS、ILE 同时有效。WR 2 写信号2,作为第二级锁存信 号,必须和 XFER 同时有效。 XFER 控制信号,低电平有效,和WR 2 一起决定第二级数据锁 存是否有效。 IOUT 1 模拟电流输出端,DAC寄存器全1时最大,全0时为0。 IOUT 2 模拟电流输 出端,和 IOUT 1 有一个常数差: IOUT 1 ?

IOUT 2 ? 常数,此常数对应一个固定基准电压的满量

V 。 程电流。V REF 参考电压输入端,可正可负, ?10 ? ?10
3.6 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 uin ,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 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
18

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

fT ? fM
其中 fM ? 力矩。 b)微振的最大角位移应小于设定的位置误差。即

(3-1)

kU C 4LT , k 为力矩常数,U C 为PWM电源电压, L 为电感,T 为电机静摩擦

fT ?

3

kU C

192LJ ?

(3-3)

其中J为转动惯量, ? 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

fT ?
其中 R A 为电内阻。

RA

2? L

(3-4)

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

图3-11

UC3637原理框图
19

UC3637的结构与功能: 三角波发生器:CP,CN,S1,SR1;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。

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

RT ?

VS ? VTH 0.0005

[6]

(3-5) (3-6)

CT ?

0.0005 4 fTVTH

[6]

其中, fT 为PWM频率。由允许电机最大电流 I max ? 3.21A 决定 RS 。

RS ?
对于图3-12所示的控制系统,要求:

0.2 I max

(3-7)

?VS ? ?24V
Vc max ? ?10V
PWM 频率 f ? 30kHz 限流 I max ? 8 A 取

RIN ? 10k ?

a ?1
20

计算得

? 1? 2 RINVS ?1 ? ? 4 ? a ? ? 2 ?10 ? 24 ? 2 ? 16.55k ? R3 ? 10 ? 24 ? 2 ? 1? Vc max ? VS ?1 ? ? ? a?

(3-8)

R4 ? 2RIN ? R3 ? 2 ?104 ?16.55?103 ? 3.45k?
VR ? VS R4 24 ? 3.45 ?103 ? ? 3.768V 2RIN 2 ?104
VTH ? 3.768V
R2 ? 2 R3 VTH 3.768 ? ? 2 ?16.55 ?103 ? ? ? 6.16k ? VS ? VTH 24 ? 3.768
RT ? VS ? VTH 24 ? 3.768 ? ? 55.536k ? 0.0005 0.0005

(3-9)

(3-10)

(3-11)

R1 ? R3 ? 16.55k?
CT ? 0.0005 0.0005 ? ? 1.11?10?9 F 4 fTVTH 4 ? 30 ?103 ? 3.768

式中: VTH 为三角波峰值的转折(阈值)电压; VS 为电源电压; RT 为定时电阻; CT 为定 时电容; I S 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 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。 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)

vp ?
?

v1 ? v 2
2

(3-12)

y Q

x ? v p cos ? ?
y ? v p sin ? ?
?

v1 ? v 2
2 v1 ? v 2
2

cos ? (3-13)
A P

?

sin ? (3-14)

v1
v2
B L

?

A ?
?

v 1B v 2 ? v1

(3-15)

x
o
图 3-13 AGV 自动导引小车示意图

? ?

v1 v ? v1 ? 2 A B

(3-16)

整理成矩阵形式:

21

s ?c o ? ??? ? 2 ?x ? ? ?? ? y? ? ? s i n ??? ? 2 ?? ? ? 1 ? ? ?? ? B
J 为雅可比矩阵。

c o? s? 2 ? sin ? ? ? v1 ? ? ?? 2 ?? ?v 2 ? 1 ? B ? ?

?v ? J? 1? ?v 2 ?

(3-17)

3.7.2 转弯半径 小车在转弯时以速度? 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 为? 1、? 2 ;小车与行驶路面的摩擦系数为 ? 。则有

R ? ? 2 ? ? g ? [1]

(3-18)

R ?

?10000 60 ?
4 ? 9.8

2

? 708.6mm
[1]

查表 5-2

[2]

取 ? ? 4mm

故取小车转弯的最小半径为 R ? 710mm 。 左、右轮的速度为

?2 ?

?2R ?2R

? B ??

2? r? 2 ? ? 2R ? B ? ? 2A

(3-19)

4? rR ? B ??

?

?2 ? 710 ? 260? ? ?10000 60?

4 ? 3.14 ? 70 ? 710 2? r? 1 ? ? 2R ? B ? ? 2A 4 ? 3.14 ? 70 ? 710

? 0.4486 mm s
(3-20)

?1 ?

4? rA

?

?2 ? 710 ? 260? ? ?10000 60?

? 0.3097 mm s

3.8 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φ:

?t1

2 ? 2 ?? 1 ?? (3-22) B 1 t ? ? ?0 ? ? r ??r ? ?l ?dt (3-23) 2b 0 cos ? t x ? x0 ? r ??r ? ?l ?dt (3-24) 2 ?0 sin ? t y ? y0 ? r ??r ? ?l ?dt (3-25) 2 ?0 采用数值积分方法进行近似检测: 将区间 ?0 t ? 划分成若干充分小的子区间 ? 0 t1 ? ,

?q ?

? 1 ?? 2

(3-21)

t2 ? ,

?tn?1

tn ? , 则只要子区间 ?ti ti ?1 ? 相对于移动机器人的运动速度选择得充分小,
1 tn r ??r ? ?l ?dt 2b ?tn?1 cos ?n ?1 tn xn ? xn ?1 ? r ??r ? ?l ?dt 2 ?tn?1

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:

?n ? ?n ?1 ?

(3-26) (3-27)

22

yn ? yn ?1 ?

sin ?n ?1 tn r ??r ? ?l ?dt 2 ?tn?1

(3-28)

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。
开始 函数、变量、中断初始化
读取预设路径坐标

路径规划及轨迹插补
读取上次运行误差序列

AGV平滑启动环节 轨迹检测
到第一段轨 迹终点吗?

N

偏差自动校正

D/A输出

Y
第二段轨迹控制环节

第i段轨迹控制环节
到第i段轨 迹终点吗?

N

偏差自动校正

D/A输出

Y

到终点了吗?

N

Y
存储本次轨迹控制误差序列

结束

图3-14

控制系统程序结构图

23

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。YES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: XP BIT 00H ;X向益出标志 YP BIT 01H ;Y向益出标志 XS EQU 60H ;起点坐标X YS EQU 61H ;起点坐标Y XE EQU 62H ;终点坐标X YE EQU 63H ;终点坐标Y JVX EQU 64H ;X积分累加器 JVY EQU 65H ;Y积分累加器 JRX EQU 66H ;X被积函数寄存器 JRY EQU 67H ;Y被积函数寄存器 JEX EQU 68H ;X向终点计数器 JEY EQU 69H ;Y向终点计数器 ORG 1000H MOV JVX,YS ;初始化 MOV JVY,XS MOV JRX,#0 MOV JRY,#0 MOV R2,XS MOV R4,XE ACALL BSUB ;求X坐标的计数初值 MOV JEX,R6 MOV R2,YS MOV R4,YE ACALL BSUB ;求Y坐标的计数初值 MOV JEY,R6 CLR XP CLR YP MOV R2, XS MOV R4, YS ACALL YC ;调用益出子程序 CF: MOV A,JEX ;X向 JZ YX MOV R2, JRX MOV R4, JVX ACALL BADD ;修改X向寄存器 MOV JRX, R6 MOV A, R7
24

CJNE A, JRX, NX1 ;X向是否益出 SETB XP DEC XS DEC JEX ;-X走一步 AJMP YX NX1: JC YX SETB XP DEC XS DEC JEX XY: MOV A, JEY ;Y向 JZ ZDP MOV R2, JRY MOV R4, JVY ACALL BADD ;修改Y向寄存器 MOV JRY, R6 MOV A, R7 CJNE A, JRY, NX2 ;Y向是否益出 SETB YP ;+Y走一步 INC YS DEC JEY AJMP JINX NX2: JC JINX ;进给了X? SETB YP INC YS DEC JEY JINX: JNB XP, NX3 ;进给了Y? DEC JVY NX3: JNB YP, CF INC JVX AJMP CF ZDP: MOV A, JEX JNZ CF ;X向到终点吗? MOV A, JEY JNZ CF ;Y向到终点吗? END BADD:加法程序入口;被加数 R2;加数 R4;结果 R6; BSUB:减法程序入口;被减数R2;减数R4;结果R6。 BSUB:MOV A,R4 ;取减数 CPL ACC.7 ;减数符号取反以进行加法 MOV R4,A BADD:MOV A,R2 ;取被加数 XRL A,R4 ;两数异或 MOV C,ACC.7 ;两数同号CY=0,两数异号CY=1 MOV A,R2
25

CLR ACC.7 MOV R2,A MOV A,R4 CLR ACC.7 MOV R4,A JC JIAN MOV A,R2 ADD A,R4 MOV R6,A RET JIAN:MOV A,R2 ;相减 CLR C SUBB A,R4 MOV R6,A JNB ACC.7,QWE MOV A,R6 CPL A ADD A,#1 MOV R6,A QWE:RET 益出子程序:R7中存放益出值。 YC:MOV R5,#08H MOV R7,#00H CLR C MOV A,R2 SUBB A,R4 JNZ LP LP5:MOV A,R2 LP6:CLR C LP2:RLC A JC LP1 INC R7 DJNZ R5,LP2 LP1:CLR A LP3:SETB C RRC A DJNZ R7,LP3 CPL A MOV R7,A RET LP:JC LP4 AJMP LP5 LP4:MOV A,R4 AJMP LP6
26

;符号位清0

;符号位清0 ;两数异号转JIAN
入口
JVx ? ys , JVy ? xs J Rx ? 0, J Ry ? 0 J Ex ? xs ? xe , J Ey ? ys ? ye

Y

J Ex ? 0 ?

J Rx ? J Rx ? JVx

N

益出? Y -X走一步

J Ex ? J Ex ? 1
Y

J Ey ? 0 ?
N

J Ry ? J Ry ? JVy

J Ex ? 0 ? J Ey ? 0 ?
Y

N

N

益出? Y +y走一步

出口

J Ey ? J Ey ? 1

N

进给了?x ? Y

JVy ? JVy ? 1
N

进给了 ?y ? Y

JVx ? JVx ? 1

图3-15 DDA圆弧插补流程图

结论与展望 本课题为自动导引小车(AGV)的设计。AGV自动导引小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自动导引小车系统结构一般由机构部分、传感器组、控制部分以及信息处理部 分构成。通过设计,实现了小车自动按预先设定的轨迹行走,从而在柔性制造系统中自动运 送工件。 本课题的设计有待进一步的改进:在硬件方面,增加位置检测传感器形成闭环控制系 统;在软件方面,开发应用软件有利于随意改变小车的运动轨迹。AGV的发展会向着智能 化方向前进。

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致谢 毕业设计终于结束了,我的感受是充实,十分的充实。有三个理由:一是这次设计我 们学到了很多的专业知识, 是在老师的指导下自己刻苦独立完成而感到充实; 二是这次设计 让我充分懂得不论是做设计还是做其他事情都要认真, 这次设计让我感受到什么是认真, 这 也让我充实;三是老师的谆谆教导让我的感到充实,虽然老师的直接作用或不是很大,但是 如果没有老师我们的设计是一定回走许多的弯路的。 总之,我能顺利完成这次设计,要衷心感谢老师万伟民的精心指导,同时谢谢同组设 计人员和对我设计提供过帮助的人!

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