全自动送料小车设计

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摘要

全自动送料小车集声、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。

本文在分析国内外送料装置的现状与发展的基础上，设计了两后轮独立驱动的自动送料小车。其主要设计过程是根据小车的设计要求合理设计小车的机械结构，由小车的速度选择合适的直流伺服电动机，然后根据电动机转速和小车速度对蜗杆传动进行设计，再由小车的载荷和速度合理设计轴的结构并选用合适的轴承，最后根据小车的行驶要求设计单片机控制系统。所设计的小车通过单片机控制直流伺服电动机的转速和转向能够实现其前进、后退、转弯的功能，达到了沿着设定的路线行驶的目的。

本次设计方案的优点是：结构紧凑、负载能力大、平稳性好、传动误差小、转向灵活并且控制简便。

关键词：全自动送料小车；蜗杆传动；单片机

Abstract

Automatic Feed Vehicle integrates sound, light, electricity and the computer technology, and synthesizes advanced theory and the application technology in this world. It is applied widely in the flexible manufacturing system and the automated factory, and has the merits of high transportation efficiency, energy conservation, the operation reliable and the flexible transportation. It can enormously increase production automation levels and production efficiency.

Based on analyzing present situation and development of feeding equipment at home and abroad,two wheels of independent drive are designed.The design process of the car includes: mechanical structure design according to the design requirements, choosing direct current motors based on the speed of the car, then making the worm drive design according to the speed of the motors and car, then to design the axis structure and choose the bearings based on the load and speed of the car, at last making the control system of the microprocessors design according to driving request of the car.

This car can realize independence functions of forward recession and turning through the microprocessor controlling speed and steering of the direct current servo motors .It will drive along specific route.

The advantages of design scheme: small in size, great load capacity, smooth driving, small errors of transmission, high maneuverability and convenient operation.

Keyword: Automatic Feed Vehicle Worm drive Microprocessor

目录

1 绪论 (1)

1.1 全自动送料小车简介 (1)

1.2 全自动送料小车的分类 (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 车体计算 (4)

2.4 直流伺服电动机的选择 (4)

2.4.1运动参数 (4)

2.4.2 电机的转速 (4)

2.4.3 全自动送料小车的受力分析 (5)

2.4.4 求换算到电机轴上的负荷力矩 (6)

2.4.5 求换算到电机轴上的负荷惯性 (6)

2.4.6 电机的选定 (6)

2.4.7 电机的验算 (7)

2.5 联轴器的设计 (7)

2.6 蜗杆传动设计 (8)

2.6.1 选择蜗杆的传动类型 (8)

2.6.2 选择材料 (8)

2.6.3 蜗杆传动的受力分析 (8)

2.6.4 初选 (9)

2.6.5 中心距计算 (9)

2.6.6 传动基本尺寸 (10)

2.6.7 齿面接触疲劳强度验算 (10)

2.6.8 轮齿弯曲疲劳强度验算 (10)

2.6.9 蜗杆轴挠度验算 (11)

2.6.10.精度等级公差的确定 (11)

2.6.11 热平衡核算 (11)

2.7 轴的设计 (11)

2.7.1 前轮轴的设计 (11)

2.7.2 后轮轴的设计 (14)

2.8 滚动轴承选择计算 (18)

2.8.1 前轮轴上的轴承 (18)

2.8.2 蜗杆轴上的轴承 (19)

2.8.3 后轮上的轴承 (21)

3 控制系统的设计 (23)

3.1 控制系统总体概述 (23)

3.2 鉴相 (23)

3.3 计数的扩展 (24)

3.4 中断的扩展 (25)

3.5 数摸转换器的选择 (26)

3.6 电机驱动芯片选择 (28)

3.7 控制软件的设计 (30)

结论 (32)

致谢 (33)

参考文献 (34)

附录 (35)

附录1 (35)

英文翻译 (35)

中文翻译 (42)

1 绪论

1.1 全自动送料小车简介

全自动送料车（即称AGV），是一种物料搬运设备，是能在某一位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置的全自动运输装置。它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 全自动送料小车的分类

自动送料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、磁带或反光带指定小车的路径，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。日本人认为柔性加工系统诞生于1981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。

2机械部分设计

2.1 设计任务

设计一台全自动送料小车，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：

全自动送料小车的长度：mm

1500

全自动送料小车的载重：kg

≥

500

全自动送料小车的宽度：mm

1000

全自动送料小车的高度：mm

1500

全自动送料小车的行驶速度：h

≤

km/

15

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。全自动送料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。全自动送料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 车体计算

根据设计要求车体材料选用Q235，因为车体采用矩形状，所以其抗弯截面系数[2]为：

6

2

bh W = 式（2.1） 车体厚度：

mm b

M b W h 321

1858.913001666max max ≈???===σ 式（2.2） 式中 max σ——表示Q235的屈服极限； m a x

M ——表示车体收受到的最大弯矩； b ——表示小车宽度。

2.4 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，而是根据下列指标选择。

2.4.1运动参数

小车行走的速度为3m/s ，则车轮的转速为：

m i n /114500

14.3310001000r d v n ≈??==π 式（2.3） 式中 d ——表示小车后轮直径。

2.4.2 电机的转速

选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=10

m i n

/114011410r in n =?==电 式（2.4）

2.4.3

图2-3 车轮受力简图

小车车架自重为P 32.6708.9016.015.11085.23=?????==abhg P ρN

式（2.5） 小车的载荷为G 49008.9500=?==mg G N

式（2.6） 式中 a ——表示小车长度；

m ——表示货物的质量；

ρ——表示小车材料密度。

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 +--=

式（2.7） 0x M =∑， 09.02)(45.0=?++-C F P G

式（2.8） 解得 N F F F F D C B A 58.1392====

式（2.9） 两驱动后轮的受力情况如图2-4所示：

图2-4 后轮受力图

滚动摩阻力偶矩f M 的大小介于零与最大值之间，即

m a x 0f M M ≤≤

式（2.10） M N dF N 63.6958.139205.0max =?==

式（2.11）

其中δ滚动摩阻系数，查表5-2[2]，δ=40~60，取δ=50mm

牵引力F 为：

N d M F 52.2782

5

.063.692max ===

式（2.12） 2.4.4 求换算到电机轴上的负荷力矩

1000

8.92)(???+=

i D W F T L ημ 式（2.13） m

N ?=????+=1.8310008.910125007.058.139215.052.278

取η=0.7, W =1392.58N , μ=0.15 式中 μ——表示摩擦系数；

F ——表示牵引力；

W ——表示重物的重力；

D ——表示后轮直径；

η——表示传递效率；

i ——表示传动装置减速比。

2.4.5 求换算到电机轴上的负荷惯性

()2121342L Z J J J J J Z ??=++

+ ??? 式（2.14） ()22

10.00003490.0047660.0001310.0000604620.000036189??=+++ ???

=?kg m 式中 1J ——表示车轮的转动惯量；

2J ——表示蜗杆的转动惯量；

3J ——表示蜗轮的转动惯量；

4J ——表示涡轮轴的转动惯量。

2.4.6 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。

电机型号及参数见表2-1。