哈工大-制造系统自动化-大作业-自动导引式物料搬运小车系统设计

自动导引式物料搬运小车系统设计

课程名称：制造系统自动化

学生姓名：XXXX

学号：10908104XX

班级：0908104

作业一 自动导引式物料搬运小车系统设计

（一）任务书

一、自动导引搬运小车功能示意图

图1 自动导引搬运小车结构示意图

图2 小车运行线路示意图

二、基本要求与参数

本作业要求完成一种自动导引式物料搬运小车系统设计。小车主要实现的功能是自动寻迹并且完成物料的搬运。如上图所示，小车首先在A 区装载物料，然后开始沿着指定轨迹（黑色导引线）自动运行，导引线宽为20mm ，小车上要求装有相应的传感器用来完成寻迹和小车运行轨迹调节，保证小车始终沿着指定轨迹运行不偏离。运行到C 区以后停止，卸货后沿原路径返回A 区再次装载物料，如此往复。A 、C 区各有一条与导引线垂直的黑色边界线，线宽为20mm ，要求小车在A 、C 区停止时，不能超出边界线限定范围。（小车由蓄电池供电）

相关设计参数：

（1）小车运动方式：全自动导引式。

A

C 250500

起始边线返回边线

2000mm 20线宽5000 C B A 20007007005000

（2）小车载重能力:15Kg，自重不超过15Kg。

（3）小车运动距离：5000mm。

（4）小车运行速度：不小于0.5m/s。

三、工作量

（1）小车轮系结构的设计与分析；

（2）自动导引方案的设计及传感器的选择与分析；

（3）小车驱动及运动控制方案的设计与分析；

（4）控制流程的设计以及控制程序的编写；

（5）设计说明书一份。

四、设计内容及说明

（1）根据要求选择合适的传感器，设计搬运小车的自动导引系统，并进行可行性分析，保证小车能够沿着给定的路径运动。

（2）确定小车的轮系结构，如主动轮与从动轮的个数以及转向方式。设计小车的驱动方案，确定电机的个数与类型，计算小车载重、行驶速度等技术指标，并分析论证轮系结构与驱动方案的合理性，满足设计要求。

（3）小车控制系统设计，包括确定控制方案、控制核心器件的选择、自动导引功能的实现原理、绘制控制流程框图、编制控制程序。

（二）设计说明书

一、小车轮系结构的设计与分析；

1、常用自动导引小车机械结构分析

AGV的轮系结构是整个机械部分的核心，也是整个AGV非常关键的部分。轮系结构设计的合理性不但会影响小车的循迹精度，而且还决定了小车的最小转弯半径、最大运行速度等重要指标。因此在小车轮系结构设计之前，我先对目前市场上常见的几款同类小车的轮系结构进行了分析和比较，取长补短，设计出一款适合本系统的轮系结构。

轮系结构一般由驱动轮、从动轮和转向机构组成，目前市场上常见的同类AGV的轮系结构按照不同的性能要求主要有三种：三轮结构、四轮结构和六轮结构等，其中三轮结构一般采用前轮转向和驱动，而四轮和六轮一般采用双轮驱动、差速转向或独立转向方式。

(1)三轮结构

三轮结构常采用前轮驱动与转向轮合成为一个组合轮、后轮为两个支撑定向轮的方式，其机械结构视觉图如图1-1所示。

图 1-1 三轮结构机械示意图

图中小车后端的两个即为同轴定向的从动轮，前端主动轮为可以转180度的万向轮。主动轮上需装备两个电机，一个是用于控制方向的，一般使用精度较高的步进电机；另一个用于驱动小车，一般使用直流减速电机。

三轮结构是一款非常灵活的轮系结构，载荷行走为拖动型，常用于路面比较差的环境。它的机械构造和控制非常简单，成本低，但是它的缺点也较为明显：首先由于两个从动轮无法定向，一般将导向传感器装在车体后边，因此三轮结构主要用于前进方向行走；其次这种轮系结构是3个轮子支撑车体，所以载重时应把货物放在车体中心或后轮附件的位置，这样才能更好的保证车体平衡性；尤为值得注意的是在行走过程时，当车体运动过快时，在转弯时由于离心力的作用，很容易使重心移向转向轮的两侧，而使车体发生侧翻，因此这种结构更适合于低速的场合。

(2)四轮结构

四轮结构是目前最为常见的一种AGV轮系结构之一，它一般采用转向轮为主动轮式和转向轮为从动轮，定向轮为主动轮式两种方式。

①转向轮为从动轮，定向轮为驱动轮式。

这种方式是目前最常见的一种四轮结构，其机械结构视觉图如图1-2所示。

图 1-2 转向轮为从动轮，定向轮为主动轮式机械效果图

这种车型结构同普通汽车一样，前面两个万向轮为转向轮，使用步进电机来精确控制转向角度，可以用连杆或同步带来做转向传动；后端两个定向轮为驱动轮，可以用一个电机通过安装差速器驱动两个轮子，也可以用两个电机分别驱动，这样可以避免出现一个主动轮悬空空转导致驱动力下降的问题，而且还可以省去安装差速器。因为驱动轮在小车后端，所以前轮的转动角度就不能太大，但是如果转动精度要求不高，则可以采用连杆传动机构。这种四轮结构虽然控制简单，而且机械结构也不是很复杂，但是它只适合与单向行驶，而且由于驱动轮在后端，所以最小转弯半径较大。

②转向轮为驱动轮式。

这种方式的四轮结构也是目前市场上较为常见的一种轮系结构，工业生产中使用的叉车就类似于这种结构，其机械视觉图如图1-3所示。

图 1-3 转向轮为驱动轮式机械效果图

在这种结构中，前面两个为用直流步进电机控制转向角度的转向轮，同时在每个转向轮上安装一个驱动电机以驱动轮子，后面两个轮子为从动轮。为了保证两个转向轮转向角度的一致，可以使用和汽车结构类似的连杆传动方式，如果要求转弯半径较小，也可采用图中所示的同步带传动方式。因为这种结构中从动轮部分机械结构较简单，因此可以方便的安装减震系统，而且在小车转弯时，为了使从动轮的内外侧轮子产生速度差，两个从动轮必须独立转动而不可以使用同轴联接。这种结构在驱动和转向控制上都非常灵活和简单，而且能满足较小的转弯半径，但是正如上面所述，由于它的轮系结构需要增加很多机械部件的支持，否则会造成致命的缺陷，这样就增加了机械部分的复杂性，从而也增加了小车的自重和成本。

(3)其它结构

以上叙述的三轮结构和四轮结构其实是最简单，也是最常见的两种轮系结构，在它们的基础上可以演变出其它的轮系结构：如三轮结构往往会在转弯过程中侧翻，因此可以在转向轮两侧安置两个贴近地面的轮子，这种轮系结构也是目前市场上常见的改进性三轮结构。其它的轮系结构其基本原理都和上述轮系结构相似，因此不再详述。

2、自动导引小车轮系结构的机械设计

在确定本设计AGV的轮系结构前，有一个重要的技术指标必须确定：小车是单向行驶还是双向行驶，因为这将直接关系到小车轮系结构的选择。鉴于本设计小车要求双向行驶，我们选定了六轮结构，中间两轮驱动，其它为万向轮型的轮系结构，其机械视觉图如图1-4所示。

图1-4 六轮结构机械效果图

从图中我们可以看出，这款小车的轮系结构和上面提到的几种结构有很大的区别。首先它采用了六轮的底盘，中间两个定向轮为驱动轮，前后四个万向轮为从动轮，这和目前美国研制的火星探测车的结构有点类似。当电机正转或反转时，小车可以前进或后退；通过内外侧两个驱动轮的速度差实现小车转弯；而当一个电机正转，一个电机反转时可以实现小车原地转弯。这种轮系结构不但控制简单，而且机械结构也没有上述轮系结构那么复杂，同时它不需要很多的机械部件的支持，这样不但节省了成本，也减少了控制难度。