AGV自动导引小车结构系统全设计

山东理工职业学院

毕业设计（论文）设计(论文)题目：AGV自动导引小车

姓名:夏杰

学号:029*********

院部:工程技术学院

专业:机电一体化

年级:09 级

指导教师:

2011年10月15日

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。属于移动式机器人的一个分支。它最早是在美国发展起来的，在国外已经有几十年的历史了。因此，AGV被广泛应用在仓储业、邮局、图书馆、港口码头、机场以及危险场所和特种作业的场合。AGV是一种非常有发展前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统（FMS）中被认为是最有效的物料运输设备。

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

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

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 (2)

1.3AGV系统组成 (3)

1.4自动引导小车结构设计 (4)

1.5国内外研究现状及发展趋势 (5)

第二章机械部分设计 (7)

2.1设计任务 (7)

2.2确定机械传动方案 (7)

2.3直流伺服电动机的选择 (8)

2.4联轴器的设计 (11)

2.5蜗杆传动设计 (12)

2.6轴的设计 (14)

2.6.1前轮轴的设计 (14)

2.6.2后轮轴的设计 (17)

2.7滚动轴承选择计算 (21)

2.7.1前轮轴上的轴承 (21)

2.7.2蜗杆轴上的轴承 (22)

2.7.3后轮轴上的轴承 (24)

第三章控制系统的设计 (26)

3.1控制系统总体方案 (26)

3.2鉴向 (26)

3.3计数的扩展 (27)

3.4中断的扩展 (28)

3.5数摸转换器的选择 (30)

3.6电机驱动芯片选择 (31)

3.7运动学分析 (35)

3.7.1运动学方程 (35)

3.7.2转弯半径 (35)

3.8控制软件的设计 (36)

结论与展望 (42)

致谢 (44)

参考文献（REFERENCES） (43)

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。

1.2 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。

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

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。

表3-1 AGV的类型和应用

1.4自动引导小车结构设计

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。

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。步进电机经减速器后通过驱动轮提供驱动力，当两轮运动速度不同时就可以实现差速转向。

（1）车体

包括底盘、车架、壳体和控制室和相应的机械电气结构如减速箱、电机、车轮等所组成，是AGV的基础部分。具有电动车辆的结构特征和无人驾驶自动作业的特殊要求。车架常用钢构件焊接而成，重心越低越有利于抗倾翻。板上常安置移载装置、电控系统、按键、显示屏等。

（2）车架

车架是整个AGV小车的机体部分，主要用于安装轮子、光感应器、伺服电机和减速器。车架上面安装伺服电机驱动器、PCD板和电瓶。对于车架的设计，要有足够的强度和硬度要求，故车架材料选用铸造铝合金，牌号为6061。其中6061质量比较轻，焊接性好。

（3）车轮

车轮采用实心橡胶轮胎。车体后面两主动轮为固定式驱动轮，与轮毂式电机相连。前面两个随动轮为旋转式随动轮，起支承和平衡小车的作用。

（4）载荷传送装置

AGV的载荷传送装置为一平板，其作用为运输箱体类零件到指定工位。主要用来装载箱体类零件，运送物料等.

（5）驱动装置

驱动AGV运行并具有速度控制和制动能力的子系统。主要包括电机、减速器、驱动器、控制与驱动电路等。驱动系统一般为闭环方式与开环方式，前者以伺服直流电机为主，后者以步进电机为主。

（6）动力系统

蓄电池是目前AGV使用的唯一电源。用来驱动车体、车上附属装置，如控制、通讯、安全等。

AGV周边设施使用一般工业电力，根据用途而有不同要求。如充电间频率发生器、自动门、计算机室、通讯装置以及工作环境所需装置的动力等。根据车型、运行及载荷量而采用不同功率的蓄电他，一般都是蓄电池组合体。常用直流电压为12伏、24伏、48伏及72伏。

1.5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 m g 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 157.6

6A 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

210.00003490.0047660.0001310.0000604620.000036189??=+++ ???

=?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 =

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 440.01

90.07a 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

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

6662221120.080.79.55109.55109.55102350822.75

P P T N mm n n i η?=?=??=??=? （2-18）

图2-7 蜗轮-蜗杆受力分析

各力的大小计算为

11212258765.2218

t a T F F N d ?===≈ （2-19） 21222223508606.6677.5

a t T F F N d ?===≈ （2-20） 00122tan 20606.66tan 20220.8r r t F F F N ===?≈ （2-21）

4.按齿根弯曲疲劳强度进行设计

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]

[]

221221.53Fa F KT m d Y Y z βσ≥? （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K β=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

1.151 1.1 1.265A V K K K K β=??=??= （2-23）

由表11-8[4]得，蜗轮的基本许用弯曲应力[]34F MPa σ=

假设 262z = γ=3°10'48"，蜗轮的当量齿数

22336262.29cos cos 310γ==≈V z z °′48?

（2-24） 根据20x =，262.29V z =，从图11-19[4]中可查得齿形系数2 2.3Fa Y =

螺旋角系数 310110.9773140βγ=-=-=Y °′48?°140?

（2-25） 231 1.53 1.26523508 2.30.977334.376248

m d mm ??≥??=? 由表11-2[4]得

中心距a=50mm 模数m=1.25mm 分度圆直径122.4d mm = 23135m d mm =

蜗杆头数11z = 直径系数17.92 分度圆导程角γ=3°11′38″ 蜗轮齿数262z = 变位系数20.04x =+

5.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸

1）蜗杆

轴向齿距 3.14 1.25 3.925a p m m m π==?= （2-26）

齿顶圆直径 *11222.421 1.2524.9a d d ha m mm =+=+??= （2-27） 齿根圆直径

()()*11222.421 1.250.25 1.2519.275f d d ha m c mm =-+=-??+?= （2-28）

蜗杆轴向齿厚 11 3.14 1.25 1.962522

a s m mm π==??= （2-29） 2）蜗轮

传动比 2162621

z i z === （2-30） 蜗轮分度圆直径 22 1.256277.5d mz mm ==?= （2-31） 蜗轮喉圆直径 ()()*222277.521.2510.0480.1a d d m h a x m m =++

=+??+= （2-32）

蜗轮齿根圆直径

()

()**222277.52 1.2510.040.2574.475f d d m ha x c mm =--+=-??-+= （2-33）

蜗轮咽喉母圆半径 22115080.19.9522

g a r a d mm =-=-?= （2-34）

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轴的设计

2.6.1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。