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AGV小车说明书


河 北 科 技 大 学

学生个性化教育实训报告
题 目:

学生姓名: 指导教师: 日 期:

1

河北科技大学机械工程学院

《自导引小车 AGV 系统分析与设计》任务书
专业 机械设计制造及其自动化 班级 学生姓名 指导教师 学号

>一、内容简介 自导引小车是本设计以 AGV 为例,设计自导引小车,并通过实训装置进行调 试练习。 二、任务要求: (1)自导引小车载重 20Kg,要求实现前进、转弯和自动循迹功能; (2)具有红外避障功能; (3)小车行进速度可调; (4)控制系统采用 STC89C52,采用单片机 C51 语言编程; (5)要求控制系统有仿真和调试。 三、任务内容: (1)实训设计说明书 1 份; (2)机械结构三维模型图(电子版) ,二维设计装配图 1 张及主要零件图; (3)控制系统原理图 1 张; (4)程序框图及程序清单; (5)演示视频。 四、时间安排(17 周-20 周) 2015.12.21-2015.12.27 :认识自导引小车,根据要求设计机械结构,进行 强度的计算与校核,三维建模,绘制机械结构装 配图、主要零件图; 2015.12.28-2016.1.1 :熟悉控制元件、控制流程,绘制自导引小车控制系 统原理图; 2015.1.2-2015.1.6 : 编写控制程序; 2015.1.7-2016.1.15 : 仿真、调试程序;编写设计说明书。

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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 ..................................................................2 1.3 AGV 系统组成 ......................................................................................3

第二章 机械部分设计 ............................................................................4
2.1 设计任务..............................................................................................4 2.2 确定机械传动方案 .............................................................................5 2.3 直流伺服电动机的选择 .....................................................................5 2.4 联轴器的设计......................................................................................8 2.5 蜗杆传动设计......................................................................................8 2.6 前轮轴的设计.................................................................................... 11 2.7 蜗杆轴上的轴承选型计算 ...............................................................13

第三章 控制系统的设计 ................................................................ 15
3.1 单片机的选择....................................................................................15 3.2 电机驱动芯片的选择 .......................................................................17 3.3 循迹模块的选择 ...............................................................................19
1

3.4 硬件系统电路图 ...............................................................................20 3.5 软件部分设计....................................................................................20

第四章 小车组装 ............................................................................ 23 第五章 总结 .................................................................................... 27 第六章 分工情况 ............................................................................ 28

2

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。 自动导引车(automatic guided vehicle,AGV) ,是一种集声、光、电、计 算机为一体的简易移动机器人。在结构上有类似于有人驾驶车,只不过它的行驶 是在车载微电脑的控制下完成的。主要应用于柔性加工系统、柔性装配系统(以 AGV作为活动装配平台) 、自动化立体仓库以及其他一些行业作为搬运设备。 最早的自动搬运车是1913年福特汽车公司用在底盘装配上, 代替了原来的输 送机,使原装配时的12小时28分缩短了1小时33分。1956年英国人组成了以电磁 感应导向的简易AGVS,从此60年代传到了美国。1959年日本也从这时开始引进 AGVS技术。60年代AGVS从自动化仓库进入到柔性加工系统(FMS)。70年代AGV作为 生产组成部分而进入了生产系统,从而使AGV得到了迅速发展。特别在汽车制造 业得到广泛应用。 我国是从1976年起重机械研究所研制出第一台ADB型AGV;北京邮电部邮政 科学技术研究所为上海新火车站邮政枢纽、济南军区仓库研究试制的WZC及WZC 一1两种AGV,1991年也投入了运行;中科院沈阳自动化研究所1993年4月在北京 新技术展览会上介绍了自行研制的 SIA7—AGV 一 1 型载重 300 公斤的自主导引小 车,在沈阳某厂试用;1992年天津理工学院研制的带电缆光导AGV。我国台湾省 曾委托ADLITTLE咨询公司编制“2000年新兴工业规划”, 把开发研制AGVS列为第 一类出口导向型优先发展的自动化产业。2000年世界自动化产业需求量为700亿 美元,台湾达到36亿美元。 最早期的 AGV 是铺轨式的, 车体在预设的铁轨上行驶, 利用通信设备控制它 的行驶或停止,并没有涉及到传感器。随着传感器技术的飞速发展,各种各样的 传感器被使用在 AGV 中, AGV 利用传感器感知周围事物的信息, 控制机车的运动, 从而实现真正意义上的自动导引。

1

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。 有轨小车如图所示。

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。有轨 小车如图所示。

2

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 AGV 系统组成
现今的AGV基本上由导向模块、行走模块、导向传感器、微处理器、通讯装 置、移载装置和蓄电池等构成,如图1所示。其中,微处理器是车的控制核心部 分,它把车的各个部分有机地联系在一起,它不仅控制整个车的运行,而且,还 通过通讯系统接收地面管理站传来的各种指令,并不断地把车的所处位置、运行 状况等信息返回给地面站。通讯装置根据车的通讯方式不同可以是:红外通讯、 感应通讯、无线电通讯等。移载方式有手动和自动2种,根据需要可以配置货叉、 升降平台、 辊子输送机、 外伸形货叉、 机械手等设备。 一定数量的AGV在地面设 施 的支持下,按工序完成一定的物料输送任务就构成AGV系统。 目前各大高校教学演示、自动化车间及物流配送业的用户对我们的AGV产品 反应良好!该产品也广泛应用的行业还包括烟草、汽车制造、家电、金融系统等 多个领域。AGV的上市,标志着科技突飞猛进的大中华,让现代化工业城市又向 前迈进了一大步,也将是现代化工业企业 自动化发展的必然趋势 (1)较高的柔性。 只要改变一下导向程序,就可以很容易地改变、修正和扩充AGV的移动 路线。如果改变固定的传送带运输线或有轨小车的轨道,相比之下改造的工作量 要大得多。 (2)实时监视和控制。 由于控制计算机实时地对 AGV进行监视,如果FMS控制系统根据某种需 要,要求改变进度表或作业计划,则可很方便地重新安排小车路线。此外,还可 以为紧急需要服务,向计算机报告负载的失效、零件错放等事故。如果采用的是 无线电控制,可以实现AGV和计算机之间的双向通讯。不管小车在何处或处于何 种状态,运动或者静止,计算机都可以用调频法通过它的发送器向任一特定的小 车发出命令,且只有响应的那一台小车才能读到这个命令,并根据命令完成某一 地点到另一地点的移动、停车装料、卸料、再充电等一系列的动作。另一方面小 车向能向计算机发出信号,报告小车的状态、小车故障、蓄电池状态等 (3)安全可靠。 AGV能以低速运行,一般在10~70 m/min范围内操作。通常AGV有微处理器
3

控制,能同本区的控制器通讯,可以防止相互之间的碰撞。有的AGV上面还安装 了定位精度传感器或定中心装置,可保证定位精度达到±30 mm,精确定位的AGV 其定位精度可达到±30 mm,从而避免了在装卸站或在运动过程中小车与小车之 间发生碰撞,以及工件卡死的现象。 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。AGV的显著特点是无人驾驶,AGV上装备有自动导向系统,可以 保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶, 将货物或物 料自动从起始点运送到目的地。AGV的另一个特点是柔性好,自动化程度高和智 能化水平高,AGV的行驶路径可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵 活改变,并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比非常低 廉。AGV一般配备有装卸机构,可以与其他物流设备自动接口,实现货物和物料 装卸与搬运全过程自动化。此外,AGV还具有清洁生产的特点,AGV依靠自带的蓄 电池提供动力,运行过程中无噪声、无污染,可以应用在许多要求工作环境清洁 的场所。 AGV的类型和应用

AGV的类型 1. 电磁感应引导式AGV 2. 激光引导式AGV 3. 视觉引导式AGV 4.铁磁陀螺惯性引导式AGV 5.光学引导式AGV

AGV的应用 1.仓储业 2.制造业 3.邮局、图书馆、港口码头 4.烟草、医药、食品、化工 5.危险场所和特种行业

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:
4

自导引小车载重:20Kg 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
传动系统如图 2-1 所示。

图 2-1

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=60v/(π d)=60×100/(3.14×140) ≈22.75r/min 电机的转速 选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=62 (2-1)

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

(2-2)

5

图 2-3 小车车架自重为 P 取 P=5kg=49N 小车的载荷为 G 列出平衡方程

车轮受力简图
(2-3)

G=mg=20*9.8=196N

(2-4)

?F

z

? 0,
x

2F+Fc-G-P=0 -(P+G)*100+Fc*200=0

(2-5) (2-6)

?M

? 0,

解得 F=61.25N Fc=122.5N 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

0 ? M f ? M max
Mmax=0.006*61.25=0.3675N.M (2-8)

(2-7)

其中 δ 滚动摩阻系数,查表 5-2 [2] ,δ=2~10,取 δ=6mm 牵引力 F 为
F=0.3675/0.07=5.25N 后 图 2-5
P O FN F

(2-9)
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( TL )

FS

A

6

TL ?
取? =0.7,

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

9.8 2 G 1000

(2-10)

=(5.25+0.15*61.25)/0.7*140/2/62*9.8/1000=0.23N.M

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 J 1 为车轮的转动惯量; J 2 为蜗杆的转动惯量;
J 3 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

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)


惯量 J

0.25 ?

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

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

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

(2-14) (2-15)

加速时间

Ta ? 4TM ? 4? 0 . 0 1 ?9
7

0. s0 7 6

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

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 [4]

d?

8KT ? Dm Z ?? ?

(2-16)

销钉材料选用 45 钢。查表 5-2 [5] 优质碳素结构钢(GB 699-88) 45 Ψ=35% 调质
≤200mm

? b =637MPa
硬度 217~255HBS

? s =353MPa

? s =17%

?k ? 0.39 MJ m2
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
T=0.321N?m

(2-17)

查表 14-4 [4]

取 k=1.6

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)。
8

2.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。 3.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] η=0.7,则
T2 ? 9.55 ?106 P2 P? 0.08 ? 0.7 ? 9.55 ?106 ? ? 9.55 ?106 ? ? 23508 N ? mm n2 n1 i12 22.75
(2-18)

图 2-7

蜗轮-蜗杆受力分析

各力的大小计算为
Ft1 ? Fa 2 ? 2T1 2 ? 587 ? ? 65.22 N d1 18
(2-19)

Fa1 ? Ft 2 ?

2T2 2 ? 23508 ? ? 606.66 N d2 77.5

(2-20)

Fr1 ? Fr 2 ? Ft 2 tan 200 ? 606.66 ? tan 200 ? 220.8N
4.按齿根弯曲疲劳强度进行设计

(2-21)

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]

m2 d1 ?

1.53KT2 YFa 2 ? Y? z2 ?? F ?
9

(2-22)

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 Kβ=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 A ? K? ? KV ? 1.15 ?1?1.1 ? 1.265
由表 11-8 [4] 得,蜗轮的基本许用弯曲应力 ?? F ? ? 34MPa 假设 z2 ? 62 γ = 3° 10'48",蜗轮的当量齿数
zV 2 ? z2 62 ? ? 62.29 3 3 cos ? cos 3° 10 ? 48?

(2-23)

(2-24)

根据 x2 ? 0 , zV 2 ? 62.29 ,从图 11-19 [4] 中可查得齿形系数 YFa 2 ? 2.3 螺旋角系数
3° 1?0 48? ? 0 . 9 7 7 3 (2-25) 140° 140? 1.53 ?1.265 ? 23508 m2 d1 ? ? 2.3 ? 0.9773 ? 34.37mm3 62 ? 48 Y? ? 1 ? ? 1?

?

由表 11-2 [4] 得 中 心 距 a=50mm
2 3

模 数 m=1.25mm

分 度 圆 直 径 d1 ? 22.4mm

m d1 ? 35mm 蜗杆头数 z1 ? 1 直径系数 17.92 分度圆导程角 γ=3°11′38″ 蜗轮齿数 z2 ? 62 变位系数 x2 ? ?0.04 5.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 1)蜗杆
轴向齿距 齿顶圆直径 齿根圆直径
d f 1 ? d1 ? 2 ? ha*m ? c ? ? 22.4 ? 2 ? ?1?1.25 ? 0.25 ?1.25 ? ? 19.275mm

pa ? ? m ?3 . 1 4? 1 . 2? 5

3 .m 9m 25

(2-26) (2-27)

da1 ? d1 ? 2ha*m ? 22.4 ? 2 ?1?1.25 ? 24.9mm

(2-28)

蜗杆轴向齿厚 2)蜗轮 传动比

1 1 sa ? ? m ? ? 3.14 ?1.25 ? 1.9625mm 2 2

(2-29)

i?

z2 62 ? ? 62 z1 1

(2-30) (2-31)

蜗轮分度圆直径

d2 ? mz2 ? 1.25 ? 62 ? 77.5mm

10

蜗 轮喉圆直径 (2-32) 蜗轮齿根圆直径

d a 2 ? d 2 ?2 m ? *h a?

?

2

x? 7 7 . 5 ? 2 ? 1? . 2?5 ? ?1

0 .? 0 4m m 80.1

d f 2 ? d 2 ? 2m ? ha* ? x2 ? c* ? ? 77.5 ? 2 ? 1.25 ? ?1 ? 0.04 ? 0.25 ? ? 74.475mm

(2-33)

蜗 轮 咽 喉 母 圆 半 径
(2-34) 6.精度等级公差和表面粗糙度的确定

1 1 rg 2 ? a ? d a 2 ? 50 ? ? 80.1 ? 9.95mm 2 2

考虑到所设计的自动导引小车属于精密传动,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 7.热平衡核算 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 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。

图 2-8

前轮轴结构

1.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 ? FC 1 1 F ?? F ?= FC ? ? 80.84 ? 40.42 N 2 2 2.轴的结构设计
11

1)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。 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。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 d×D×T=20mm×42mm×12mm,故 d Ⅰ ? dⅢ ? dⅨ ? 20mm 。 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 dⅣ ? 25mm 。 (2)取安装左、右轮辐处的轴段Ⅵ的直径 dⅥ ? 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 lⅥ ? 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 dV ? 36mm 。轴环宽度
b≥1.4h,取 lV ? 5mm 。

(3)轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为 GB 894.1-86 20,其尺寸为 d0 ? 20mm , 故 dⅡ ? dⅩ ? 19mm , lⅡ ? lⅩ ? 1.1mm , lⅢ ? 13 ?1.1 ? 11.9mm 。 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。 3)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 dⅥ 由手 册查得平 键截面 b× h=8mm× 7mm (GB/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。 4)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计算简图。根据轴的计算简图作出轴的弯矩 图。

12

F1

F2

F

M

Mc

图 2-9 前轮轴的载荷分析图 1 1 F1 ? F2 ? F ? ? 80.84 ? 40.42 N L1 ? L2 ? 39mm 2 2

MC ? ?F1L1 ? ?40.42 ? 39 ? ?1576.38N ? mm
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, M C ? ?1576.38N ? mm 。 对截面 C 进行强度校核,由公式 [4]

? ca ?
由表 15-1 [4] 得,45 钢 由表 15-4 [4] 得, 调质

M ? ?? ?1 ? W

(2-35)

?? ?1 ? ? 60MPa

bt ? d ? t ? 3.14 ? 303 8 ? 4 ? ? 30 ? 4 ? W? ? ? ? ? 2288.84mm3 (2-36) 32 2d 32 2 ? 30

?d3

2

2

1576.38 ? 0.689 MPa < ?? ?1 ? 2288.84 因此该轴满足强度要求,故安全。

? ca ?

2.7 蜗杆轴上滚动轴承选择计算
r5 要 求 寿 命 Lh ? 2500h , 转 速 n ? 1 4 1 0 .
m i轴 n 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]

13

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
, Fa 2 ?

? Fa1 ? S 2 ? Fa ? 639.13N

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 10
6

? ?

10 3

C 1 ? P1 3

10

60nLh 106 60nLh 10
6

? 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
14

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。

第三章 控制系统的设计
3.1 单片机的选择 3.1.1 单片机介绍:
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。 尽管他的大部分功能 集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:CPU、 内存、 内部和外部总线系统, 目前大部分还会具有外存。 同时集成诸如通讯接口、 定时器,实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图 像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机也被称为微控制器(Microcontroler) ,是因为它最早被用在工业控 制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通 过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进 复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设 计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

3.1.2 选型

15

AT89C51(如图所示)是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 (FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压, 高性能 CMOS8 位微处理器,俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器 制造技术制造,与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL 的 AT89S51 是一种高效微控制 器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.1.3 8051 的初始态
ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节。在 FLASH 编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE 端以不变的 频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输 出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳 过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时, ALE 只 有在执行 MOVX,MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微 处理器在外部执行状态 ALE 禁止,置位无效。 PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周 期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN 信号将不

出现。 EA/VPP:当/EA 保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH) ,不 管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时,/EA 将内部锁定为 RESET;当/EA
16

端保持高电平时,此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间,此引脚也用于施加 12V 编程电源(VPP) 。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 振荡器特性:XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可 以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器 件,XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对 外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除:整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合, 并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。 在芯片擦操作中, 代码阵列全被写 “1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。 此外,AT89S51 设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持 两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU 停止工作。但 RAM,定时器,计 数器,串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存 RAM 的内容并且冻结振荡 器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。

3.2.电机驱动芯片的选择 3.2.1 电机驱动芯片介绍:
电机驱动芯片是集成有 CMOS 控制电路和 DMOS 功率器件的芯片,利用它可 以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。可以用来驱 动直流电机、步进电机和继电器等感性负载。电机驱动芯片采用标准的 TTL 逻辑 电平信号控制,具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止 器件工作,有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以 外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。

17

3.2.2 选型
电机采用直流驱动,5V~35V 供电,要求一定稳定性。 L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用 15 脚封装。主要特点是:工作电压高,最高工作电压可达 46V;输出电流大,瞬间 峰值电流可达 3A,持续工作电流为 2A;额定功率 25W。内含两个 H 桥的高电压 大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感 性负载;采用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信号影 响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端, 使内部逻辑电路部分在 低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。使用 L298N 芯片 驱动电机,该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机,也可以驱动两台 直流电机。

3.2.3 使用说明

18

3.3 循迹模块的选择 3.3.1 路循迹传感器模块介绍:
此模块是为智能小车、 机器人等自动化机械装置提供一种多用途的红外线探 测系统的解决方案。该传感器模块对环境光线适应能力强,其具有一对红外线发 射与接收管, 发射管发射出一定频率的红外线, 当检测方向遇到障碍物 (反射面) 时,红外线反射回来被接收管接收,经过比较器电路处理之后,同时信号输出接 口输出数字信号(一个低电平信号),可通过电位器旋钮调节检测距离,有效距 离范围 2~60cm,工作电压为 3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调 节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点,可以广泛应用于机器人避障、避 障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。

3.3.2 路循迹传感器模块参数说明
一、 (1) 当模块检测到前方障碍物信号时, 电路板上红色指示灯点亮, 同时 OUT 端口持续输出低电平信号,该模块检测距离 2~60cm, 检测角度 35°, 检测距离 可 以通过电位器进行调节,顺时针调电位器,检测距离增加;逆时针调电位器, 检 测距离减少。 (2)传感器属于红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。 其 中黑色探测距离最小,白色最大;小面积物体距离小,大面积距离大。 3、 传感 器模块输出端口 OUT 可直接与单片机 IO 口连接即可,也可以直接驱动一 个 5V 继电器模块或者蜂鸣器模块;连接方式:VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO 4、比较 器采用 LM339,工作稳定; (3)可采用 3.3V-5V 直流电源对模块进行供电。当电源接通时,绿色电源指示
19

灯 点亮; (4)具有 3mm 的螺丝孔,便于固定、安装; (5)尺寸大小:中控板 42mm×38mm×12mm(长×宽× 高) 小板 25mm × 12mm× 12mm (长×宽 ×高) (6)每个模块在发货已经将阈值比较电压通过电位器调节好, 买家也可以根据 实 际情况进行调节(提示:模块反射距离越大,越容易误触发) 二、模块接口说明(16 线制) 红外探头 VCC GND OUT 对应接入中控板 VCC GND INx 中控板供电: 模块 6p 排针接口处 VCC 外接 3.3V-5V 电压 (可以直接与 5v 单 片机 和 3.3v 单片机相连) ;GND 外接 GND ;OUT1-OUT4 接单片机 IO 口

3.4 硬件系统电路图

3.5 软件部分设计 3.5.1 软件功能
通过对光线信号的检测,实现 AGV 小车的前进、转弯和自动循迹功能; 。

3.5.2 程序流程图

20

3.5.3 程序清单
#include<reg52.h> sbit A1=P1^0; sbit A2=P1^1; sbit A3=P1^2; sbit A4=P1^3; sbit A5=P1^4; sbit A6=P1^5; sbit b1=P0^1; sbit b2=P0^2; sbit b3=P0^0; sbit b4=P0^3; void main () { TMOD = 0x11; TH0 = 0x0FC; TL0 = 0x18;
21

TH1 = 0x0FC; TL1 = 0x0E0; TCON=0x50; IE=0x8a; TR0=1;TR1=1; A2=0;A4=0;A1=0;A3=0; while (1) { if(b3==0||b4==0) {A1=0;A3=0;} else { if (b1==0) { A1=1; A5=1; } if (b2==0) { A3=1; A6=1; } } } } void Timer0Interrupt(void) interrupt 1 { TH0 = 0x0FC; TL0 = 0x18; TH1 = 0x0FC; TL1 = 0x0E0; A5=1; A6=1; } void Timer1Interrupt(void) interrupt 3 { if(b1!=0) A5=0; else A5=1; if(b2!=0) A6=0; else A6=1;}
22

第四章 小车组装
1.构成小车的各零件及电路板

2.首先,将万向轮、左电机车轮和右电机车轮安装在地盘以下,支撑起车身。

3.其次,按照顺序分别将单片机、4 路循迹传感器模块安装在地盘以 上。然后再将 L298N 直流电机驱动芯片安装在地盘以下。

23

4.再次,用一定数量的导线对单片机、4 路循迹传感器模块、L298N 直流电机驱 动芯片进行对应接口的正确连接。

5.单片机的 VCC 端对应驱动芯片的+5V 接口, 单片机的 GND 接口对 应驱动芯片的 GND 接口,单片机的 port 端的输出口按接线顺序对应 驱动芯片的接收端 INT1~INT4 端口,并且按顺序对应驱动芯片的通
24

道 A 通道 B 使能端 ENA(自左向右插线) 。

6.单片机+5V 和 GND 端对应 4 路应循迹模块的 VCC 端和 GND 端,然后 将单片机的 PORT 端接收端按顺序对应 4 路循迹模块的输出端 D01~D04 进行连接。

7.将四片光感小灯按顺序与 4 路循迹模块对应的接口进行连接。

25

8.最后用模型专用螺栓和螺母将各元器件固定。

26

第五章 总结
本课题为自导引小车AGV系统分析与设计。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。 自导引小车是本设计以 AGV 为例,设计自导引小车,并通过实训装置进行 调试练习,实现小车的前进、转弯和自动循迹功能,以及小车在遇到障碍物时的 避障功能。 全车采用单片机作总控制,配合电机控制模块,红外检测装置,最终实现 AGV 小车所要求的功能。 个性化设计结束了,这次设计我们学到了很多的专业知识,包括单片机编程 语言的运用,电机结构的认识,制图软件的使用,最终在老师的指导下完成,这 次设计让我们充分懂得不论是做设计还是做其他事情都要认真, 都要坚持不懈的 努力,不怕失败,从课题的选择到项目的最终完成,老师们都始终给予我细心的 指导和不懈的支持,在这里也表示由衷的感谢。

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第六章 分工情况

机械部分设计: 小车组装及照片拍摄: 二维、三维机械制图: 电气图绘制及控制部分设计:

丁叮、甄春江、赵虎、孟甜 陈弓、赵辉 张强、卢木林 张克强、李贺

软件部分设计及演示视频制作:赵智博

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