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、A T89C51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

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

目录

摘要 ....................................................................... I Abstract ................................................................... II 第一章绪论 .. (1)

1.1AGV自动导引小车简介 (1)

1.2AGV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)

2.2确定机械传动方案 (2)

2.3直流伺服电动机的选择 (3)

2.4联轴器的设计 (5)

第三章控制系统的设计 (13)

3.1控制系统总体方案 (13)

3.2鉴向 (14)

3.3计数的扩展 (15)

3.4中断的扩展 (16)

3.5数摸转换器的选择 (17)

3.6电机驱动芯片选择 (18)

3.7运动学分析 (21)

3.8控制软件的设计 (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[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

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。

2.3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

πd 10001000622.75min 3.14140

v

n r ?==≈? （2-1） 电机的转速

选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=62

6222.751410.5min n in r ==?=电 （2-2） 自动导引小车的受力分析：

图2-3 车轮受力简图

小车车架自重为P 3ρ 2.85100.50.30.0329.8134P abhg N ==?????≈ （2-3） 小车的载荷为G 359.8343G mg N ==?= （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 A B F F =，C D F F =

0z F =∑， 220A C F F P G +--= （2-5） 0x M =∑， 0.0750.1720.30C G P F --+??= （2-6）

解得 157.66A B F F N == 80.84C D F F N ==

两驱动后轮的受力情况如图2-4所示：

滚动摩阻力偶矩f M 的大小介于零与最大值之间，即

max 0f M M ≤≤ （2-7）

max δ0.006157.660.946==?=?N M F N m （2-8）

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 max 0.94613.50.07

2

M F N d === （2-9）

图2-4 后轮受力 图2-5

摩擦系数 μ 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（L T ） ()19.8??21000

L F W D T G μη+=? （2-10） 13.50.15157.6614019.80.726210000.587N m

+?=

???=?

取η=0.7, W =157.66N , μ=0.15 2） 求换算到电机轴上的负荷惯性（L J ）

()2

121342L Z J J J J J Z ??=+++ ??? （2-11） ()2

2

10.00003490.0047660.0001310.0000604620.000036189??=+++ ???

=?kg m 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

21290M J gcm =

S

匹配条件为[3] 2max 361.89L L J J gcm ==

max 0.251L M J J <

< （2-12） 即 361.890.251<<1290

?0.250.28051<< 惯量J 21290361.891651.89M L J J J gcm =+=+= （2-13）

其中M J 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max 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max T 。

max max 22 3.1440001651.890.9160600.076

a n T J J N m t πθ??===?=?? （2-14） 加速时间 440.0190.076a M T T s ==?= （2-15） 其中 机械时间常数19M T ms =

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。

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] d = （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 调质 ≤200mm b σ=637MPa s σ=353MPa s δ=17% Ψ=35% 20.39k MJ m α= 硬度217～255HBS 销钉的许用切应力为

[]()0.7~0.80.75637477.75B MPa τσ==?= （2-17） 过载限制系数k 值 查表14-4[4] 取k=1.6

T=0.321N?m 0.646d mm =≈ 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

11631.927.517377.25HD NH M F L N mm =?=?=?

HA HB M M ==

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

==2

265.22′NV a F F N ??=

==2N m m 65.2277.52527.27522a a F D M （2-39） =∑0A M ， ()-?-+?+?+=212113220r a NV F L M F L F L L (2-40) ()

??=?+-?+??122131122NV r a F F L M F L L L ()146027.52527.275157.66227.541227.5

??=??+-??+??? 0.726N =

0y F =∑， 1220NV NV r F F F F ++-= (2-41) 122

N V r N V F F F F =-- 460157.660.762301.578N

=--= 在AD 段中，将截面左边外力向截面简化，得

()=?=111301.578NV M F x x 1x 1027.5x << (2-42)