车间用电动小车结构设计 - 图文

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中文摘要??????????????????????????????1 英文摘要??????????????????????????????2 1 绪论 ??????????????????????????????3 1.1 概述?????????????????????????????3 1.2 国外研究状况?????????????????????????3 1.3 国内研究状况?????????????????????????4 1.4 研究背景和意义????????????????????????5 1.5 本章小结???????????????????????????8 2 车间通道小车的设计 ???????????????????????8 2.1 常用电动小车的结构组成????????????????????8 2.2 狭窄通道车间小车的设计????????????????????9 2.3 结构创新???????????????????????????11 2.4 各种小车结构优缺点的比较???????????????????12 2.5 本章小节???????????????????????????13 3 AGV小车的设计??????????????????????????13 3.1 AGV小车的结构组成 ??????????????????????13 3.2 AGV小车的设计要求 ??????????????????????15 3.3 方案确定???????????????????????????15 3.4 直流伺服电动机的选择?????????????????????16 3.5 联轴器的设计?????????????????????????18 3.6 蜗杆传动设计?????????????????????????19 3.6.1 选择蜗杆的传动类型????????????????????19

3.6.2 选择材料?????????????????????????19 3.6.3 蜗杆传动的受力分析????????????????????20 3.6.4 按齿根弯曲疲劳强度进行设计????????????????20 3.6.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸??????????????21 3.6.6 精度等级公差和表面粗糙度的确定??????????????22 3.6.7 热平衡核算????????????????????????22 3.7 轴的设计???????????????????????????22 3.7.1 前轮轴的设计???????????????????????22 3.7.2 后轮轴的设计???????????????????????25 3.8 AGV控制系统的设计 ??????????????????????30

3.8.1 控制系统总体方案?????????????????????30 3.8.2 ART1010的主要元件 ????????????????????31

3.8.3 SW1为板基地址选择拨码开关 ????????????????31 3.8.4 关于40芯插头CN1的管脚定义 ????????????????32 3.8.5 寄存器地址分配表?????????????????????33 3.9 本章小结???????????????????????????34 结论????????????????????????????????34 致谢????????????????????????????????34 参考文献??????????????????????????????35

车间用电动小车结构设计

摘要：

目前，车间通道两侧的机器故障检测与排除、生产线上的物料更换；各车间之间的物料运送主要是靠人工完成，不仅工作效率低下，而且工人的安全得不到保障，不利于车间的流程化生产。

针对这种情况，本课题的主要任务是设计出能够满足车间要求的车间电动小车，参考市面上已有的电动小车设计出能够在狭窄的车间通道灵活行走的电动小车，根据人机工程学的原理对已有的小车进行结构创新，使工人能长时间地在车上对车间通道两侧的机器进行操作。除了通道小车，还完成了AGV小车的结构设计，该小车主要承担的是车间之间物料的运送，使生产线之间的衔接更为融洽。最终完成的工作是对设计的小车进行了Solidworks的三维建模，完成了小车的CAD装配体图，零件图。

车间通道小车的运用可以减轻工人的劳动强度，提高车间的工作效率。AGV小车的运用不仅减少了工人劳动量，并且由于AGV的运送具有数字化的特征，利于车间的数据统计，减少库存，提高车间的流动资金，提升企业的竞争力。

关键词:

车间小车，AGV，控制器，行走方案，人机工程学

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Abstract：Nowadays,many works such as: testing and removing machine stoppage on

both sides of aisle, replacing materials on the production line and transportation of supplies among all workshops are finished mostly by manual work, which have low efficiency. What’s more, this kind of working method brings threat to workers’ safety, which will go against streamline production.

In allusion to this instance, the task of this paper is to design an electric vehicle which can satisfy the need of the factory. The new electric vehicle should be flexible enough to run in the narrow aisle refer to the electric models sold in the market. According to the Man-Machine Engineering, some structure innovation should be operated to the existing electric vehicles in order to provide longer time for the workers to operate machines on both sides of aisle on the vehicle. Besides the designing of electric vehicle, the paper has made structure design of AGV which is responsible for transformation of supplies among all workshops and makes more convenience of production line joint. At last, the paper has finished Solidworks 3-D modal, CAD Assembly Drawing Views and detail drawing of the electric vehicle.

The electric vehicle used in the narrow aisle can lighten workers’ working strength and improve working efficiency. The use of AGV can reduce working tasks and it helps do data statistics, reduce inventories, improve circulating capital and improve enterprise competition power for its digital features.

Keywords:workshop car,the AGV,controller,walking program,man-machine engineering.

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1 绪论

1.1 概述

本文介绍了车间电动小车在国内外的发展现状和应用情况，在此基础上，结合毕业设计的课题要求，设计了不同类型的车间小车以满足车间不同的需求。其研究内容主要包括以下几个方面:

1.针对功能一，在市场上已有的电动小车、电动轮椅、segway电动小车的基础上进行改进，使得最终设计出来的电动小车能够在狭窄的车间通道灵活行走，工人能够在小车上对生产线上的设备进行进行监测，及时地发现故障并且排除故障，能够在小车上完成上下料工作。同时设计改进的小车应当符合人机工程学的原理，这样使得人能够长时间的在小车上连续工作。

2.针对功能二，设计了一款简易的AGV小车，该小车能够在没有人操作的情况下自动完成导向行驶，能够在指定的位置自动停止并完成物料的移交,能够自动到指定的位置完成电池的充电。简要介绍了AGV车体机械结构的设计，并根据小车的驱动方式和工作要求，对底盘、电机、蓄电池等进行了设计和选型。根据AGV系统的控制和工艺要求，确定了控制系统的总体框架结构。对AGV小车的重要零部件进行了设计计算。

3.在总结全文的基础上，对车间电动小车的设计和研究提出了展望。

1.2 国外研究状况

世界上第一台AGV是美国Basrrett电子公司于20世纪50年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统。小车中有一个真空管组成的控制器，小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶。

60年代和70年代初，除Basrrett公司以外，Webb和Clark公司在AGV市场中也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的AGV技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盆促进了AGV的发展。欧洲的主要制造厂家有Schindler-Digitron, Wogner HJC, ACS, BT. CFC, FATA, Saxby, Denford和Blecbert等。70年代中，欧洲约装备了520个AGV系统，共有4800台

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小车，1985年发展到一万台左右，为美、欧、日之首。在机械制造行业的应用为:汽车工业(57%)，柔性制造系统FMS(8%)和柔性装配系统FAS(4%)。

欧洲的AGV技术于80年代初，通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的Keebler分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的AGV} 1981年John公司将AGV连接到AS/RS，以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1984年，通用汽车公司便成为AGV的最大用户，1986年已达1407台(包括牵引式小车、叉式小车和单元装载小车)，1987年又新增加1662台。美国各公司在欧洲技术的基础上将AGV发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制系统(可联网于FMS或CIMS)，运输量更大，移载时问更短，具有在线充电功能，以便24小时运行，小车和控制器可靠性更高。此时美国的AGV生产厂商从23家(1983年)骤增至74家(1985年)。日本的第一家AGV工厂于1966年由一家运输设备供应厂与美国的Webb公司合资开设。到1988年，日本AGV制造厂已达20多家，如大福、Fanuc公司、Murata(村田)公司等。到1986年，日本己累计安装了2312个AGV系统，拥有5032台AGV。

1.3 国内研究状况

国内自主研发方面：六十年代开始研究。1976年，北京起重运输机械研究所研制的ZDB-1型自动搬运车是最早的实用型AGV。1988年，原邮电部北京邮政科学技术研究所等单位研制了邮政枢纽AGV。1991年，中科院沈阳自动化所与新松机器人自动化股份有限公司为沈阳金杯汽车公司总装线上设计的九台自动装配系统，并于1996年获得国家科学技术进步三等奖，是当时国内较先进的使用型AGV。1992年，天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。1998年昆明船舶设备公司在红河卷烟厂研究多模式激光导引无人自动车22辆，红河项目于2002年获国家科学技术进步二等奖。同期天津师范大学、吉林大学、吉大易飞、北京军区后勤部、北京机科发展公司、北京易亨集团等也进行了试验研究。

在引进国外技术与产品方面：1980年，上海石化总厂为涤纶长丝作业从日本大福公司引进国内第一套AGVS。九十年代初，华宝空调装配线上使用了日本进口的电磁导引AGV。996年，玉溪卷烟厂首家在烟草行业引进三星的52台AGV，这是国内企业中使用数量最多的AGV系统。河北承德输送机械厂合资引进美国WEBB公司AGV技

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术。天津理工学院研制的TIT-1全方位视觉引导自动车，属国家863高科技项目，已通过鉴定，达到八十年代末国际先进水平。九十年代中期，昆船公司在引进国外最先进AGV技术的基础上，先后承担了数十个AGV系统的设计、安装；其水平代表了目前国内的最高水平。昆明船舶设备公司研制的各种导引形式的AGV系统已经广泛应用于烟草行业，汽车行业，造币行业等。

目前全国AGVS不超过60套，AGV不超过400台。其中烟草行业应用最多，已有20家采用了AGV，绝大部分采用激光导引技术。

以中科院沈阳自动化所为金杯汽车公司设计的AGV系统为例进行说明，中国科学院沈阳分院成功开发的自动导引车(AGV)和自动导引车系统(AGVS)主要用于汽车等生产线，实现动态装配，可提高装配线的自动化水平。在中国汽车生产总装线上首次使用具有自主版权的AGV产品和系统。沈阳金杯客车制造有限公司总装车间有9台AGV构成的发动机、后桥、油箱装配副环线，已经投入生产运行两年。该AGV具有自动动态跟踪、提升、定位、装配功能，已达国际先进水平。且获得多项专利，如双举升载人自动装配导引车、双倍行程举升装置等。运用该产品及系统技术可大大提高总装生产线动态装配的自动化程度，减少设备投资及提高生产效率。以金杯客车制造有限公司的9台AGV应用工程为例，据估算，一台AGV国产价格要比进口的便宜20万元人民币，应用工程系统的设计调试技术费的差额更大。

1.4 研究背景和意义

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图1.1 通道小车工作环境

目前，我国机械化的车间生产线普遍地指定工人来回地巡视，发现生产线上

机器的故障并且及时地排除故障，或者在生产线上换料。一个工人往往同时照看几条生产线，常常在各生产线之间来回地穿梭。这使得工人的劳动强度较大，更为重要的是各条生产线之间的衔接不是特别融洽。这种情况在国内大中型企业中也比较常见，这些企业往往是不同流水线的生产设备比较先进，生产效率也比较高，但是生产线的衔接往往出现滞后的情况，不能使得各生产线同步同时生产，往往是上条生产线的半成品积压一定的数量，这样不仅占据工厂的生产空间，更占据了工厂

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的流动资金。为了使工人摆脱繁重的劳动，提高车间的生产效率，降低生产成本，使给条生产线的生产更为融洽，减少货物和资金的积压，提高企业的竞争力，车间用的电动小车应运而生。

从上述图片可以看出，狭窄的车间通道两侧布满了缠绕丝线的机械设备，车间的工人需要来回地在车间通道行走，发现通道两侧的机器故障，列如，缠绕的丝线断了，需要人工去将线头接上，使得机器能够将丝线均匀地缠绕在线筒上。或者，绕线的机器发生故障停止绕线，这时需要人工去排除障碍。这样要求工人不停地在车间通道来回巡视，劳动强度较大。针对这种情况，本设计对市场上已有的小车进行了引进、改进，并在此基础上结合人机工程学的原理设计出一款适合工人长期坐在上面对生产线两侧的机器进行操作的小车。

图1.2 AGV小车工作环境

在车间生产过程中还常常遇到另外一种情况，即需要将积压的物品运送到指定的位置，目前国内对积压物品的运送大多采用人工上下料，再由人驾驶着运送小车运到指定的位置。这种情况不利于生产的时间规划和安排，不利于对整个车间的生产数据统计。针对这种情况，本设计设计了一款简易的AGV电动小车，该小车最大的特点是不需要人工驾驶，能够自动到指定的位置停放，并且能够控制小车的运行时间，对整个物流的情况有一个数字话的记录，这能极大地提高车间的生产效率，

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合理地分配车间的生产资源，减少不必要的产品积压，增加企业的流动资金，提高企业竞争力。

AGV系统由控制台、通讯系统、地面导航系统、充电系统、AGV和地面移载设备组成，如图1.3所示。

工位 AGV 路径 充电系统 待命站

图1.3 AGV小车的工作情况

1.5 本章小结

本章对AGV的国内外现状作了叙述和分析，介绍了AGV系统的组成。本章还提出了本课题的研究背景和研究目标。

车间小车作为一种新兴的车间机械设备，能够完成车间特定的生产工作，帮助企业提高效率，提高市场竞争力，必然需要快速开发新产品、形成不同特色、满足不同企业需求的车间小车，并且迅速地占领市场。因此，本次毕业设计的主要内容是在市场上已有的电动自行车、电动轮椅、AGV小车的基础上进行改进，最后得出能够满足企业生产车间用的电动小车。并且比较各个方案的优缺点。

2 车间通道小车的设计

2.1 常用电动小车的结构组成

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电动自行车由车体、电动机、控制器、位置传感器、蓄电池、充电器、仪表系统组成，其中电动机、控制器、蓄电池、充电器是非常重要，又比较容易发生故障的部件，俗称“四大件”。

车架部件包括车架、前叉、车把等部分。前叉部件的上端和车把、车架配合，下端和前轴、前轮部件配合，组成电动车的导向部分。前叉可以相对车架的前管灵活转动。转动车把带动前叉，使前轮改变方向。另外前叉对于行车时保持电动车的平衡也起着重要的作用。

附属部件包括鞍座部件、反射器和鸣号部件、前挡泥板部件、后挡泥板部件、支架部件、车锁部件、前筐部件等。

电动机按磁场结构，可分为励磁式、永磁式、混合式;按电动机总称的机械结构，可分为有齿式和无齿式；按外形结构，可分为柱式和轮毂式。最常用的分类方式是按电动机的通电方式，分为有刷电动机和无刷电动机。

位置传感器有很多种，而最适合于无刷直流电动机的是的光电式和磁敏式两种位置传感器。

目前，电动车主要采用铅酸蓄电池。铅酸蓄电池由正负极板、隔板和电解液、蓄电池槽及连接条、接线端子和排气阀组成。一只蓄电池一般由6个单格组合而成，每个单格由若干片正负极板间隔重叠而成，中间用超细玻璃纤维隔板隔离。数片正极板用铅合金焊接而成正极群，同样负极也是如此，正负极群装于蓄电池槽内组成单体蓄电池。单体蓄电池之间用铅零件或连接条从单格之间的蓄电池槽隔板顶端以串联形式连在一起，蓄电池槽盖用密封胶粘结。首尾单格做引出端子，引出正负极。

充电器是电动车四大核心部件之一，充电器的好坏严重影响着蓄电池的使用寿命。充电器主要由整流滤波、高压开关、电压交换、恒压及电控制等几个部分组成。其中整流滤波电路的用途是将220v交流电压转变为300v左右的直流电压，通过高压开关电路及电压交换，产生充电时所需的低压直流电压，再由充电控制电路控制后对蓄电池充电，采用这种方式的充电器具有体积小、重量轻、效率高等优点。

2.2狭窄通道车间小车的设计

对于在狭窄的车间通道行走的小车，车间通道的宽度为0.8m，工人坐在小车上的操作高度为1.2m，考虑到通道中有吸尘装置的存在，将小车的宽度设计0.5m。这

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样小车就能灵活地在车间通道行走。

此类车间小车的负载为操作工人，对小车的强度要求不高。设计时主要考虑的是小车的行驶速度，电动机的力矩。小车行驶速度的要求为成人正常的步行速度，成人的步行速度为1.2m/s，设计时初选小车的轮胎为10寸轮胎，则车轮的速度为

1000v3.6 n??r/s?68.78r/min （2.1)

?d3.14电机的转速

选择链轮的传动比为1.47

n电机?in?1.47?68.78r/min?101.15r/min （2.2） 由于控制器是电动小车的控制核心，它是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件，它就象是电动车的大脑，是电动车上重要的部件。电动车控制器也因为不同的车型而有不同的性能和特点。所以根据控制器的原理可以初步选用一个电机

表2.1 电机相关参数表

参数名称 额定转矩 额定转速 额定功率 额定电压 额定电流 峰值转矩 机电时间常数 重量 相关数据 11N?m 1000r/min 1.l kw 90v 15A 88N?m 2.13ms 14kg

根据控制器的原理将电机的最高转速控制在200r/min。

小车的载重及自身重量G?Mg?70?9.8N?686N （2.3） 滚动摩擦系数 u=0.36

阻尼转矩 F=u*G=0.36X686=246.96N （2.4） 电机转矩

M电机?1717M??164.64N?m?112N?m2525 （2.5）

电机功率（不计能量损失)

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P=F*v=246.96?1.2W=256.4W （2.6） 初选电动机为130ZY01-49A1，相关参数如表2.1。 由于铬钼钢车架具有以下的优点： (1).加工性好

铬钼钢的车架是历史最久的车架，因此对它的研究时间也最长。现在能做到车架所需强度的极薄的管道。

(2).冲击的吸收性能好

骑感极好，如像弹簧般的骑感。构成车架的铬钼钢管道有优异的吸收冲击的能。 (3).焊接容易

铬钼钢比起钛、铝焊接容易。可以设计成名种形状。另外，焊接后也不需要热处理，因此不需要大型的热处理设备，成本低。

(4).价格便宜

虽然有些高挡次的铬钼钢车架价格贵，但一般价格便宜。也可以说，用便宜的价格买到高挡次的车架。

所以电动小车的车架选用铬钼钢。

2.3 结构创新

针对在狭窄的车间通道行走的电动小车创新设计主要参考的是电动自行车创新设计的方法。

创 轻量化设计 混合动力 新 绿色环保 自行车 偏心轮 方 可折叠 创新 皮带传动 向 人机工程学 可折叠

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偏心轮 可折叠

人机工程学

图2.1 各种创新的小车

由于车间里的小车长期处于工作状态，不必将小车存放起来，所以设计折叠的电动小车意义不大；同时对于轻量化设计中，小车采用的大多是碳纤维的材料，价格昂贵，不适合在车间里普遍推广；对于车间中的小车，它应该具有良好的稳定性，偏心轮设计也就不用考虑了。所以，比较了各种电动自行车的模型后， 决定采用符合人机工程学的设计方案。在完成了对两个电动小车的建模工作后对电动小车的各个部件功能有了一个清晰的认识，结合机械设计学以及人机工程学的相关原理对电动小车的结构做出了创新，设计出了躺式电动小车，人可以躺在电动小车上对车间通道两侧的机器进行操作。

2.4 各种小车结构优缺点的比较

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两轮电动小车体积较小，灵活轻便，工人能够驾着小车在狭窄的车间通道灵活行走。但是两轮电动小车的平衡性较差，工人驾车时要时刻集中精神，很容易疲劳。对通道两侧的机器进行检测、维修时往往需要下车，比较麻烦。而且小车对于操作工人的驾车技术有一定的要求。

三轮电动小车相比两轮小车而言，最大的优点是平稳性较好，工人可以在小车上对通道两侧的机器进行操作，设计时将三轮小车的座椅设计成可以旋转的，当发现通道上机器故障了，工人只需将座椅旋转来对着故障了的机器就可以进行操作了，在平时的驾车过程中，工人可以靠着座椅，相对于两轮小车的坐垫更为舒适。

躺式电动小车与两轮和三轮电动小车相比，舒适性更好好常规电动车车骑时间长了，肩、背、腰、手臂、手掌易疲劳。 躺车骑行时，腰、背、肩、手臂、手掌完全处于放松状态，故躺车长时间骑行也不易疲劳。安全性更好，操作人员临时停车来维修机器时，两脚自然落地躺车仍可站立。躺车重心低，即使摔倒其势能也低，不会像骑常规电动车车那样，一个跟斗栽下去，最多只是车倒侧滑。同时，躺式小车也存在着明显的缺点，躺式小车的车身长度略长，灵活性不足。更适合于车间通道稍微宽一点的操作。

2.5 本章小节

本章中主要是电机的选用设计过程，其中对小车驱动功率、电机扭矩的计算作了详细的论述。根据计算、分析选择直流电动机和蓄电池，选择轮胎，设计控制器和蓄电池的安放位置。并且比较了常规的电动车与设计的躺式电动车的优缺点。

3 AGV小车的设计

3.1 AGV小车的结构组成

AGV由车载控制系统、车体系统、导航系统、行走系统、移载系统和安全与辅助系统组成。

（1）车载控制系统

车载控制系统是AGV的核心部分，一般由计算机控制系统、导航系统、通讯系

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统、操作面板及电机驱动器构成.计算机控制系统可采用PLC、单片机及工控机等。导航系统根据导航方式不同可分为电磁导航、磁条导航、激光导航和惯性导航等不同形式。通过导航系统能使AGV确定其自身位置，并能沿正确的路径行走。通讯系统是AGV和控制台之间交换信息和命令的桥梁，由于无线电通讯具有不受障碍物阻挡的特点，一般在控制台和AGV之间采用无线电通讯，而在AGV和移载设备之间为了定位精确采用光通讯.操作面板的功能主要是在AGV调试时输入指令，并显示有关信息，通过RS232接口和计算机相连接。AGV上的能源为蓄电池，所以AGV的动作执行元件一般采用直流电动机、步进电动机和直流伺服电机等。 （2）车体系统

它包括底盘、车架、壳体和控制器、蓄电池安装架等，是AGV的躯体，具有电动车辆的结构特征。 （3）行走系统

它一般由驱动轮、从动轮和转向机构组成.形式有三轮、四轮、六轮及多轮等，三轮结构一般采用前轮转向和驱动，四轮或六轮一般采用双轮驱动、差速转向或独立转向方式。 （4）移载系统

它是用来完成作业任务的执行机构，在不同的任务和场地环境下，可以选用不同的移载系统，常用的有滚道式、叉车式、机械手式等。 （5）安全与辅助系统

为了避免AGV在系统出故障或有人员经过AGV工作路线时出现碰撞，AGV一般都带有障碍物探测及避撞、警音、警视、紧急停止等装置。另外，还有自动充电等辅助装置。 （6）控制台

控制台可以采用普通的IBM-PC机，如条件恶劣时，也可采用工业控制计算机，控制台通过计算机网络接受主控计算机下达的AGV输送任务，通过无线通讯系统实时采集各AGV的状态信息。根据需求情况和当前各AGV运行情况，将调度命令传递给选定的AGV。AGV完成一次运输任务后在待命站等待下次任务。如何高效地、快速地进行多任务和多AGV的调度，以及复杂地形的避碰等一系列问题都需要软件来完成。由于整个系统中各种智能设备都有各自的属性，因此用面向对象设计的C++语言来编程是一个很好的选择。在编程时要注意的是AGV系统的实时性较强，为了加快

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控制台和AGV之间的无线通讯以及在此基础上的AGV调度，编程中最好采用多线程的模式，使通讯和调度等各功能模块互不影响，加快系统速度。 （7）通讯系统

通讯系统一方面接受监控系统的命令，及时、准确地传送给其它各相应的子系统，完成监控系统所指定的动作:另一方面又接收各子系统的反馈信息，回送给监控系统，作为监控系统协调、管理、控制的依据。

由于AGV位置不固定，且整个系统中设备较多，控制台和AGV间的通讯最适宜用无线通讯的方式。

3.2 AGV小车的设计要求

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ARM8019主板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：800mm 自动导引小车的宽度：500mm 自动导引小车的行驶速度：100mm/s

3.3 方案确定

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。直流伺服电动机通过蜗杆蜗轮直接驱动后轮，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3.1所示:

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图3.1 传动方案

四轮结构有较大的负载能力和较好的平稳性。该方案方案采用两套蜗轮-蜗杆减速器及直流伺服电动机，成本相对于较高，但它的传动误差小，并且转向灵活。

3.4 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，而是更根据下列指标选择。

运动参数：

AGV行走的速度为100mm/s，则车轮的转速为

1000v1000?0.1 n??r/s?11.94r/min （3.1）

?d3.14?160电机的转速:

选择蜗轮-蜗杆的减速比i=30

n电机?in?30?11.94r/min?358.2r/min (3.2） 自动导引小车的受力分析：

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FAFDADGP40 500 250 OFCFBCB420 图3.2 车轮受力简图

小车车架自重为P P??gabh?7.25?103?9.8?0.8?0.5?0.04N?1136.8N （3.3） 小车的载荷为G G?mg?100?9.8N?980N （3.4） 取坐标系OXYZ如图2.3所示，列出平衡方程

F?FBFC?FD由于两前轮及两后轮关于Y轴对称，则 A，

F?02F?2FC?P?G?0 ?z， A （3.5）

M?0 ?x， -0.105G-0.25P?2?0.42FC?0 （3.6） 解得 FA?FB?597.57N FC?FD?460.83N

两驱动后轮的受力情况如图3.2所示：

M滚动摩阻力偶矩f的大小介于零与最大值之间，即

0?Mf?Mmax （3.7） Mmax??FN?0.006?597.57N?3.59N?m （3.8） 其中δ滚动摩阻系数，查表5-2，δ=2～10，取δ=6mm

M3.59 牵引力F为 F?max? N?4.49N （3.9）

d0.082

[2] 17

W电 机1/GPOFNFFSA

图3-3 图3-4

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 η 传动装置减速比 1/G

求换算到电机轴上的负荷力矩（ TL?TL）

(F??W)D11 ????2G1000 =

(4.49?0.15?597.57)16011 ???0.72301000 ?0.36N·m （3.10） 电机的选定

根据额定转矩和转速匹配条件，选择直流伺服电动机。

型号 额定功率KW 额定转矩N·m 额定转速r/min F2260-890 0.08 1.35 1800

3.5 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3.5所示。

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蜗杆轴

图3.5 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 d?销钉材料选用45钢。查表5-2

电机轴

8KT （3.11）

??Dm?Z(?)[5]优质碳素结构钢（GB 699-88） =637MPa

45 调质 ≤200mm

?b?s=353MPa

?s=17%

??0.39MJm2kΨ=35% 硬度217～255HBS 销钉的许用切应力为

?????0.7~0.8??B?0.75?637?477.75MPa （3.12）

[4] 过载限制系数k值 查表14-4 d? 取k=1.6

8?1.6?360?0.51mm

3.14?12?477.75选用d=4mm满足剪切强度要求。

3.6 蜗杆传动设计

3.6.1 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)。 3.6.2 选择材料

蜗杆要求表面硬度和耐磨性较高，故材料选用40Cr。蜗轮用铸铝铁青铜制造，

19

采用金属模铸造。

3.6.3 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η=0.7,则 T2?9550

P2P??0.08?0.7?9550??9550??44.79N?m （3.13） n2n1/i1211.94

图3.6 蜗轮-蜗杆受力分析 各力的大小计算为 T1?9550P额n电?9550?0.08Nm?2.13Nm （3.14） 358.2 Ft1?Fa2?2T12?2.13?1000?N?236.67N （3.15） d1182T22?44.79?1000?N?1493N （3.16） d260 Fa1?Ft2? Fr1?Fr2?Ft2?tan200?1493?tan200?543.41N （3.17） 3.6.4 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。

20

弯曲疲劳强度条件设计的公式为

[4]

1.53KT2YFa2?Y?z2??F?m2d1? 确定载荷系数K

[4]

[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?KA?K??KV?1.15?1?1.1?1.265选取使用系

（3.18）

由表11-8得，蜗轮的基本许用弯曲应力??F?=48MPa， 假设 Z2=30, γ=6°20’24\，蜗轮的当量齿数 Zv2?Z230??30.56 （3.19） cos3?cos36020'24''[4]根据x2?0.3，Zv2=30.56，从图11-19中可查得齿形系数YFa2?2.27

6020'24''螺旋角系数 Y??1??1??0.955 （3.20）

14001400? m2d1?由表11-2

[4]1.53?1.265?44790?2.27?0.955?69.6mm3

30?90得

中心距a=32.4mm 模数m=2mm 分度圆直径d1?18mm

m2d1?72mm3

蜗杆头数

z1?1 直径系数18 分度圆导程角γ=6°20'24\

蜗轮齿数z2?30 变位系数x2?0.3 3.6.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 1）蜗杆

轴向齿距 pa??m?3.14?2?6.28mm （3.21） 齿顶圆直径 da1?d1?2ha*m?18?2?1?2?22mm （3.22）

21

齿根圆直径 df1?d1-2.4m?18-2.4?2?13.2mm （3.23）

11蜗杆轴向齿厚 sa??m??3.14?2?3.14mm （3.24）

222）蜗轮

传动比 i?z230??30 （3.23） z11蜗轮分度圆直径 d2?mz2?2?30?60mm （3.24）

*?x2)?60?2?2?（1?0.3)?65.2mm （3.25）蜗轮喉圆直径 df2?d2?2m(ha

*-x2?c*)?60-2?2?(1-0.3?0.25)?56.2mm （3.26）蜗轮齿根 da2?d2-2m(ha

11蜗轮咽喉母圆半径 rg2?a-da2?32.4-?56.2?4.3mm （3.27）

223.6.6 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

3.6.7 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。

3.7 轴的设计

3.7.1 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。

22

图3.7 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3-2所示。

F'?F''?F?FC

11FC??460.83?230.42N 222.轴的结构设计

1）拟定轴上零件的装配方案

装配方案是：蜗轮、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

d?d?d?20mm承6004，其尺寸为d×D×T=20mm×42mm×12mm,故ⅠⅢⅨ。 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

d?25mm度h=2.5mm，因此取Ⅳ。

d?20mm(2)轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为GB 894.1-86 20，其尺寸为0,故

23

dⅡ?dⅩ?19mmlⅡ?lⅩ?1.1mmlⅢ?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。

（3）轴上零件的周向定位

蜗轮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。

F1F2FMMc

图3-8 前轮轴的载荷分析图

F1?F2?11F??460.83?230.42N L1?L2?38mm 22 Mc?-F1L1??230.42?0.038??8.76Nm 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，Mc?-8.76Nm。

对截面C进行强度校核，由公式

[4]

24

由表15-1由表15-4

W?[4]?ca?M????1?W （3.28）

得，45钢 调质 得，

2???1??60MPa

[4]?d332?bt?d?t?2d3.14?3038?4??30?4????2288.84mm3322?30 （3.29）

28755.96?3.83Mpa???-1?

2288.84因此该轴满足强度要求，故安全。

?ca?3.7.2后轮轴的设计

后轮轴在工作中既承受弯矩又承受扭矩，故属于转轴。

图3-9 后轮轴结构

1.求后轮轴上的功率

P2、转速

n2和转矩

T2

取蜗轮-蜗杆传动的效率?=0.7,则

P2?P??0.08?0.7?0.056KW （3.30）

n2?n?11.94r/min T2?44.79Nm

2.作用在蜗轮上的力

Ft2?1493N Fa2?236.67N Fr2?543.41N 3.初步确定轴的最小直径

25

先按式（15-2据表15-3

[4][4]初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根

，取

A0=115，于是得

P20.056?115?3?19.25mm （3.31） n211.94dⅥ dmin?1153后轮轴的最小直径是安装轮辐处轴的直径

dⅥ?26mm。由于轮辐与轴采用键联结，故

。

4.轴的结构设计

1)拟定轴上零件的装配方案

装配方案是：蜗轮、套筒、深沟球轴承、轴用弹性挡圈依次从轴的左端向右安装；右端安装深沟球轴承、透盖、内轮辐、轴端挡圈从右端向左安装。

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。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列深沟球轴承。单列深沟球轴承6206，其尺寸为d×D×T=30mm×62mm×16mm，故

dⅠ?dⅢ?dⅤ?30mm。

右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得6206型轴承的定位轴肩高

d?36mm度h=3mm,因此，取Ⅳ。

d?30mm(2)轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为GB 894.1-86 30,其尺寸为0，d?28.6mmL?1.7mm故Ⅱ，Ⅱ。

d?26mm(3)取安装轮辐处的轴段Ⅵ的直径Ⅵ。轮辐的宽度为27mm,为了使轴端

l?26mm挡圈可靠地压紧轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取Ⅵ。

其余尺寸根据零件的结构可任意选取。确定了轴上的各段直径和长度。 3)轴上零件的周向定位

蜗轮与轴的周向定位采用平键联接。按

dⅢ由手册查得平键截面b×h=8mm×7mm,

键槽长为25mm。轮辐与轴的配合为H8/h7。

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。 5.求轴上的载荷

后轮轴上的受力分析3.10a。

26

L1=L2=64mm L3=63mm

1)在水平面上后轮轴的受力简图为3.10b。 由静力平衡方程求出支座A、B的支反力

11FNH1?FNH2?Ft2??1493?746.5N

22三个集中力作用的截面上的弯矩分别为

MHD?FNH1?L1?746.5?0.064?47.776Nm MHA?MHB?0

27

3.10在垂直面上后轮轴的受力简图

由静力平衡方程求出支座A、B的支反力

'FNV2?Fa2?236.67N

Ma? ?Fa2D236.67?60??7.1Nm （3.32） 22MA?0，

?Fr2?L1?Ma?FNV2?2L1?F??2L1?L3??0 (3.33)

FNV2? =

1?Fr2?L1?Ma?F?2L1?L3??2L1???

1?543.41?64?7100-460.83?? （2?64?63）2?64 =-360.47N

?

Fy?0，

FNV1?FNV2?F?Fr2?0 (3.34)

FNV1?Fr2?F?FNV2

=543.41-460.83+360.47 =443.05N

在AD段中，将截面左边外力向截面简化，得

28

M（x1)?FNV1?x1?443.05x1 0?x1?64 (3.35)

在DB段中，同样将截面左边外力向截面简化，得

M(x2)?FNV1(64?x2)-Fr2?x2?Ma 0?x2?64 (3.36) ?443.05?（64?x2)-543.41?x2?7100 =35455.2-100.36x2

在BC段中，同样将截面右边外力向截面简化，得

M（x3)?F?x3?460.83x3 0?x3?63 (3.37)

MVA?MVC?0

MVD左?443.05?64?28.36Nm MVD右?35455.2-100.36?0?35.46Nm MVB?460.83?63?29.03Nm 计算A、B、C、D截面的总弯矩M

MA?MC?0

22MD1?MHD?MVD47.7762?28.362?55.56Nm (3.38) 左?22MD2?MHD?MVD47.7762?35.462?59.50Nm (3.39) 右? MB?MVB?29.03Nm

后轮轴上的转矩 T?T2?44.79Nm

按弯扭合成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和扭矩的截面（即危险截面D）的强度。

由式（15-5） ?ca?[4]得

22MD595002?(0.6?47790)22?(?T)??28.86Mpa (3.40)

W2288.84 其中，?为折合系数，取?=0.6

29

W为轴的抗弯截面系数，由表15-4[4]得

W??d332?bt?d?t?2d2?3.14?30332?8?4??30?4?2?30[4]2?2288.84mm3

选定轴的材料为45钢，调质处理，由表15-1

????60MPa查得??1?

因此

?ca

3.8 AGV控制系统的设计

3.8.1 控制系统总体方案

本系统使用ART1010运动控制卡作为核心的控制运算部分。连接在电机上的数

字编码器在电机运转时发出的脉冲信号，脉冲信号输入到ART1010中的比较寄存器，用于逻辑位置计数器和实际位置计数器的大小比较。在驱动时，可以从状态寄存器读出比较寄存器和逻辑/实际位置寄存器之间的关系。ART1010是PC104总线两轴伺服/步进电机运动控制卡，它以高频率脉冲串形式输出，控制伺服步进电机的运动。该卡能精确地控制所发出的脉冲频率（电机速度）、脉冲个数（电机转角）及脉冲频率变化率（电机加速度），它能满足步进电机的各种复杂的控制要求。可对电机进行位置控制、插补驱动、加速/减速等控制。具有圆弧、直线插补功能。它含有丰富的，功能齐全的软件库函数资源。

30

3.11 控制系统组成图

3.8.2 ART1010的主要元件布局图

3.11 元件布局图 3.8.3 SW1为板基地址选择拨码开关

31

SW1：板基地址拨码开关。板基地址可设置成200H-3F0H之间可被16整除的二进制码，板基地址默认为300H，将占用板基地址起的连续20个I/O地址。开关的第1、2、3、4、5、6位，分别对应于地址位S4、S5、S6、S7、S8、S9，用来选择板卡基地址：当图中拨码开关的黑色方块拨向板卡上标示的“ON”方向时表示高有效值为1，开关拨向另一侧则为低高有效值为0。板基地址选择开关SW1如下图。 拨码开关如下设置：（默认基地址300H）

3.12 信号输入输出连接器

3.8.4 关于40芯插头CN1的管脚定义

图形方式

32

3.13 管脚定义

表格形式

33

3.1 管脚定义

3.8.5 寄存器地址分配表

3.2 寄存器地址分配表

3.9本章小结

34

本章中主要是AGV小车直流伺服电机的计算选择、联轴器的设计、蜗杆传动设计、前后轮轴的设计、控制系统的设计，其中对小车驱动功率、电机扭矩的计算、蜗轮的齿根弯曲疲劳强度校核作了详细的论述。根据计算、分析选择直流电动机和蜗轮蜗杆，蓄电池，选择轮胎，设计控制器和蓄电池的安放位置。

结论

本课题为车间小车的结构设计。车间小车是以控制器（运动控制卡）为控制核心、蓄电池为动力，主要应用于生产线上的故障检测、故障排除、生产线上的上换料；调节离散型物流、自动化的搬运装卸。它使各条生产线之间的生产衔接更为和谐、快捷，帮助人们摆脱繁重的车间劳动，降低生产成本，提高车间的生产效率。

本课题的设计有待进一步的改进：在硬件方面，增加位置检测传感器形成闭环控制系统；在软件方面，开发应用软件有利于随意改变小车的运动轨迹。车间小车的发展会向着智能化方向前进。

致谢

毕业设计终于结束了，我感到十分的充实,这是对所学知识的归纳和总结,在这次设计中我们学到了很多的专业知识，在老师的指导下自己刻苦独立完成而感到充实；这次设计让我充分懂得不论做什么事情都要认真，这也让我充实；老师的谆谆教导让我的感到充实，如果没有老师我们的设计是一定会走许多的弯路的。

总之，我能顺利完成这次设计，要衷心感谢董玉德老师的精心指导，同时谢谢研究生学长和对我设计提供过帮助的人！

35

参考文献

[1]黄康.机械CAD与SolidWorks三维计算机辅助设计[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2005.46—252.

[2]刘遂俊.图解电动自行车维修快速入门[M].北京：人民邮电出版社，2008.1—134. [3]王晶.机械原理与机械设计课外实践选题汇编 第一届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品集[M].2006.52—121.

[4]张春林.机械创新设计（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2010.42—75. [5]洪嘉振.杨长俊.理论力学（第六版）[M]．北京：高等教育出版社，2004.25—44. [6]濮良贵.纪名刚．机械设计(第七版)[M]．北京：高等教育出版社，2004．75—82. [7]唐金松．简明机械设计手册（第二版）[M]．上海：上海科学技术出版社，2000. 10—27.

[8]机械设计手册编委会．机械设计手册（新版第5册）[M]．北京：机械工业出版 社，1997.53—58.

[9]王晶.机械原理与机械设计课外实践选题汇编 第二届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品集[M].2006.23—61.

[10]刘英俊.电动自行车/三轮车结构与维修[M].北京：人民邮电出版社，2009. 1—104.

[11]韩巍.电动自行车组装基本技能[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007. 1—72.

[12]刘遂俊.电动自行车四大件维修速成[M].北京：人民邮电出版社，2007.52—63 [13]R.M.韦布.自动装配图集 传送机构[M].上海：上海科学技术出版社，1980. 36—40.

[14]鲍风雨.自动化设备及生产线调试与维护[M].北京：机械工业出版,2002. 78—90.

[15]张伟林.棉纺织设备电气控制[M].北京：中国纺织出版社,2008.34—65. [16]卞葆.纺织企业车间管理[M].北京：中国纺织出版社,2008.55—64. [17]汪达开.AGV控制系统[M].北京:机械工业自动化，1997.36—38.

[18]于慎波.张幼军.王燕冷等.自动导向小车系统及其技术组成[N].沈阳:沈阳工业大学学报,1998.46-49.

[19]赵冬斌.易建强.邓旭明.全方位移动机器人结构和运动分析[M].沈阳:机器人工业出版社，2003.394--398

[20]孙宇.张世琪.崔康吉.AGV自动导引技术的研究.武汉:中国机械工程，1996.31--34

36

如需AGV小车的全套图纸，请私信。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2yhp.html