AGV小车设计　

AGV小车设计　 2.AGV系统结构设计以及动力学建模型 内容提要:设计了一辆前后轮分独立驱动的小车，后轮用步进电机驱动，实现动力源，前轮由私服电机驱动，实现转向。并建立其动力学方程。 2.1 AGV系统结构设置 所设计的AGV小车的模型如图2.1所示。小车采用前后轮独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。前轮有电机带动直推轴焊接横轴来实现转向。四轮结构与三轮结构相比有较大的负载能力和平稳性。 1. 蓄电池组 2. 伺服交流电动机 3. 激光扫描仪 4. 车载控制器 5. 无线通讯装置 6. 伺服交流电动机 7. 减速器 8. 驱动车轮 图2.1 AGV小车的模型图 由于采用了两轮独立驱动差速转动的方式，因此两个驱动车轮的速度的同步性成，成为车辆稳定运行的一个重要指标。鉴于此，齿轮减速结构与车轮通过柔性连轴器来连接。 0 2.2 AGV小车的动力学建模 自从 A G V问世以来，人们在自动导引车的控制过程中一般满足于基于运动学的控制模型，而很少有人进行基于动力学的控制设计等方面的内容。事实表明，根据AGV车体动力学模型，可以得到直接的电机输入与行走、导向车轮转速的非线性的耦合关系，将对指导车体机械结构设计、路径规划以及合理的路径跟踪控制规律设计有重要而且深远的意义。 由于 A G V在实际问题中有较严格地面要求的环境中运动，车速较低，限定了加速度的问题，而不会发生明显的车体“上跳”运动的现象出现，故可以在二维空间来研究其动力学模型。现以我以后轮为电机带动齿轮来实现动力驱动的方式传达力矩，前轮则为由电机直接带动轴的转动从而达到转动的方式来实现转向的AGV为例建立动力学模型。 AGV由车体、蓄电池和充电系统、驱动装置、转向装置、精确停车装置、车上控制器、通信装置、信息采样子系统、超声探障保护子系统、移载装置和车体方位计算子系统等等组成。 “智能”较高的AGV都有车上控制器，它类似于机器人控制器，用以对AGV进行监控。控制器计算机通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。通常监控器可完成以下监控:手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制和充电接触器等。某些AGV具有编程能力，允许小车离开导引路径，驶向某个示教地点，完成任务后路原道返问到导引路径上来 根据上述的介绍，我们可以不难看出同步行进的四轮 AG V机械结构分为以下几个部分: 车体部分:包括车架、蓄电池、驱动电机、转向电机和齿轮减速机构等，车体受到由后轮传动来的驱动力和前轮的反作用力的作用。 驱动后轮:所受的外力可能有两部分组成。一部分是地面的作用力:另一部分是来自车体给于的外力。其中这部分力包括自身的支撑反力和电机产生的等效驱动力矩等。通过齿轮改变转速来调节速率可以得到不用的转速，从而改变AGV的的运动行进方向，已经更好的做到预定的线路跟踪。 前轴和连轴:起到支撑作用，同时车轮和竖轴是同轴的，前轮的转动有地面给于的 1 摩擦力也有电机传递的力矩。 2.2.1 车体运动建模 车体受力的示意图见图2.2。图中L、A为驱动左后轮、和驱动右后轮与车体的连接处。图中的R、B为导向左前轮和导向又前轮与车架连接处的垂直点。车体在L、R、A、和B处分别是受到图示沿X、Y方向的阻力和沿Z方向的扭矩。C则为车体的重心，通过C建立起瞬时惯性坐标系O-XYZ,X轴则平行于L=R的连线，Z轴垂直于车体的平面。b、b、a、a、c、cvw、v和为车体集合参数，分别表示的是车体质心的X向、Y向121212xy 的速度和Z向的角速度。 在经过了上述的假设的基础之上，我们不难可以得到车体动力学方程如下: mvFFFF,，，， (2.1) cxAXBXLXRX mvFFFF,，，， (2.2) cyAYBYLYRY jwMMMFbFc,,,,,, cAZBZRZAXAY11 ,，，,，，FbFcFbFaFbFa (2.3) BXBYLXLYRXRY122122 mj和上面式子中分别为车体质心的质量和转动惯量。车体的前轮A、B处的运动方cc 2 程为 vvbw,, (2.4) AXx1 vvcw,, (2.5) AYy1 vvcw,, (2.6) BXx1 vvcw,， (2.7) BYy2 2vvbwcw,,， (2.8) AXx11 2vvcwbw,,, (2.9) AYy11 2vvbwcw,,, (2.10) BXx12 2vvcwbw,，, (2.11) BYy21车体L和R处运动的方程为: vvbw,， (2.12) LXx2 vvaw,, (2.13) LYy1 2vvbwaw,，， (2.14) LXx21 2vvawbw,,， (2.15) LYy12 vvbw,， (2.16) RYx2 vvaw,， (2.17) RYx2 2vvbwaw,，, (2.18) RXx22 2vvawbw,，， (2.19) RYy22 2.2.2 驱动后轮的运动建模 XYZ左后轮受力图见图2.3所示，图中瞬时惯性坐标系L-与图2.2的方向是一LLL 致的，可以认为是由O-XYZ平移到L点从而形成的坐标系， FMFFM、F、与图中的、、2.2相对应，他们是车体与左轮之间大小相等方向LxLyLzLXLYLZ 3 M相反的作用力(力矩)和反作用力(力矩)。是驱动电机经过齿轮减速后传递给左L MMF轮的驱动力矩，是轴承对左轮的摩擦阻力矩，是滚动阻力矩，是地面对左SLLVLX FM轮的侧滑动摩擦力，是轴承对左轮的滚动摩擦力，是地面对车轮的扭矩摩擦力SLLZ wX矩，是左后轮的转动角速度(为转动轴)。 LL 左后轮动力学方程为 MvFF,,, (2.20) LLXLXLX MvFF,,， (2.21) LLYLYLY JwMMFRM,,,, (2.22) LXLLSLLYLLF JwMM,, (2.23) LZLZLZLZ M、J、J、RX上式中，分别是左后轮的质量‘以及其沿着旋转轴的转动惯量、LLXLZLLZV、V沿着轴的转动惯量和半径。为其在L-XYZ坐标下的速度，与车体对应点的LLXLY WZ速度是同一值。是左后轴沿轴的扭转角速度。 LZL 对于右后轮来说，传动齿轮啮合是在轴中心处，故左右受的力是相同的，因此建立 类似的动力学方程为: MvFF,,, (2.24) RRYRXRX 4 MvFF,,， (2.25) RRYRYRY JwMMFRM,,,, (2.26) RXRRSRRYRRF JwMM,, (2.27) RZRZRZRZ 上述各式中，有关物理量的具体意义同对左后轮的说明类似，这里就不做过多说明了。由于AGV速度和加速度均较小的原因，轮子的侧滑阻力很大，假设其中的 Mv,V,0。这样看来车体将以位于左右轮轴线上的某一点为瞬时速度中心，以LXRX 角速度w转动，我们根据所了解的知识，我们不难看出一点，通过左右轮转动计算，根据下图2.4所示: 即: vwv,, (2.28) LXLV vwv,, (2.29) RYRY 将以上的2个式子带入(2.14)，(2.18)中可以看到 RYLYvv, (2.30) w,12aa， RYLY vv, (2.3.1) w,12 aa， 5 v,v,0 将代入式子(2.12)和式子(2.13)即可得 LXRX vbw,, (2.32) X2 vvaw,， (2.33) YLY1 式子(2.14)和式子(2.15)可改写成 2vwvbwaw,,,, (2.34) XLY21 2vvawbw,，, (2.35) YLY12 式子(2.4)至式子(2.11)变为 vbbw,,，() (2.36) AX12 vacwv,,，() (2.37) AYLY11 vbbw,,，() (2.38) BX12 vacwv,，，() (2.39) BYLY12 2vwvacwacw,,,，,,()() (2.40) AXLY1211 2vvacwacw,，,,，()() (2.41) AYLY1112 2vwvbbwacw,,,，,，()() (2.42) 1211BXLY 2vvacwbbw,，，,，()() (2.43) BYLY1212 2.2.3 车体整体的动力学模型 为了能够更好的取得车体整体的动力学模型，根据AGV的实际情况作出如下的简化: (1) 左右前轮和轴是一体的，再前行或后退的同时不打滑，只看做是纯滚动，则有: vRwvRw,,, LYLLLYLL vRwvRw,,, RYRRRYLL (2) 车体设计左右是对称的，则有: aaaccc,,,,， 1212 6 (3) 左轮的直径及其质量和右轮 RRRMM,,,,，M LRRL (4) 前轮左右也是一致的和后轮的大小重量以及有些不受力或比较想的部分我们可以忽略不计其的转动惯量，即: MMMM,,, DGEF JJJJJJ,,,,,,0 DGEXEZFXFZ 在上述简化后的基础上，联立前述车体、左右驱动后轮的动力方程可以得到车体整 M、M体的动力学方程。该动力学方程中可以表示为左、右轮所受的动力和左、右轮LB w、w转动的角速度之间的关系。 LR 任何一种导引方法的实现最终都归结为路径跟踪控制的问题上。对于固定路径型的AGV由于具有体现路径的导引媒介物，通过传感器就可直接获得车体对路径的横向偏差和车体方向偏差，以这种偏差作为误差信号通过车体动力学直接对车体进行跟踪控制。但是对于自由路径型AGV，车体对路径之偏差量的获取就要困难得多，以车体方位推算导向的自由路径AGV为例，其方位和对于路径的偏差是通过对车轮转动角度积分计算而获得，其要实现需较大的计算量和通信量。作为一种较好的解决办法是差速驱动的自由路径控制。其路径可简化为一系列直线段和圆弧段的组合。只要保证左右轮的转动角速度满足给定的比例关系(即同步误差为零)，AGV就能跟踪这种具有恒定半径(直线和圆弧)的路径。车体动力学方程是实现差速驱动的理论基础之一，结合模糊控制方法，可以实现差速驱动路径跟踪过程。 2.3 本章小结 动力学方程能够帮助AGV的建模、车体结构、刚度设计和路径跟踪控制提供理论依据的基础。本章主要介绍了所设计及其制作的一辆有电机带动齿轮差动驱动后轮，前轮有电机直接控制实现转向的的四轮AGV小车，并建立了所需要的运动学方程。 7 3.AGV中机械部分主要零件的选取 内容提要:本章主要介绍了这次AGV机械部分设计中的一些主要部件的选取。比如说有私服驱动电动机的选取、控制转向的电动机的选取，传动齿轮的选取等。介绍其选取方法只要结构及其主要的参数问题。 3.1 伺服驱动电动机的选取及其参数 伺服驱动电动机是用来控制后轮驱动行进的原动力机构，是支持和为整个车体提供动力的元件。它的选取关系到车体的运动快慢及其能够产生多大的扭矩，多大的驱动力。 在这次电机部分的选取中，结合老师的指导及其研究找个了下面这个较为合适的私服电动机作为后轮的驱动电机。其外观如图3.1。 图3.1 伺服电机外观图 由于这次车体不是很大，外形尺寸:长*宽*高:800mm*590mm*350mm;能够承受的重物也不是很大，大概再10斤到50斤左右的工件，所以为了节省原材料和不必要的能源浪费，所以电动机的选取尤为重要，此次我选取了额定功率为1.5KW的电机足以保证给车体提供驱动动力及其达到不必要的浪费。选取的驱动电机为ACH-13150A(1500W);而转向需要的动力不必这么大，所以转向电机选择的功率相对较小些，选取的转向电机为JSF 60-40-30-DF-1000 8 所以选取的两个电机则均为方形; 驱动电机: ,130边长为260MM，圆柱形;外径为 电压等级:L-220VA 额定功率: 1500W 位置传感器:M-光学编码器 电机额定转速:1500rpm 冷却方式:N-自然空冷 外形:方形 转向电机: 边长为142MM，圆柱形，外径为Φ61 电压等级:L-72VA 额定功率: 400W 电机额定转速:3000rpm 冷却方式:N-自然空冷 外形:方形 3.1.1 电机的结构图及其主要参数的选取 选取的ACH-13150A(1500W)交流私服电动机的结构示意图如图3.3。 图3.3 伺服电机结构示意图 9 选取的JSF 60-40-30-DF-1000交流私服电动机的结构示意图如图3.4。 图3.4 伺服电机示意图 驱动电机其主要参数如表3-1。 表3-1 伺服电机参数表 型号 ACH-13150A(1500W) 额定功率(KW) 0.6 1 1.5 2 相数、线电压(V) 3相220V 额定转速(rpm) 1500rpm 最高转速(rpm) 1750rpm 最高机械转速(rpm) 2000rpm 额定转矩(N.m) 5.8 9.6 14 19 最大转矩(N.m) 17 29 42 57 额定线电流(A) 3 4.8 7.2 9.3 2转子惯性(Kg.c) 12 23 34 45 m 160 210 274 310 L 电 L1 55 55 55 55 10 机 5 5 5 5 H2 外 H3 12 12 12 12 型 D2 110 110 110 110 尺 D322 22 22 22 寸 D4 165 165 165 165 (mm) D5 9 9 9 9 D6 145 145 145 145 光轴或键连 45 L3 45 45 45 结，如采用 L4 41 41 41 41 键连接，则 T 8 8 8 8 键尺寸为H1 8 8 8 8 (mm) H4 18 18 18 18 转子位置反馈:2500线、5000线光学编码器、旋转变压器可选制动器:带制动电机 总长加25mm 制动器电压:直流24V 出现方式:航空插头或电缆线可选 3.1.2伺服电机的选取过程 A) 选择电机的容量 Pw ,a电动机所需要的功率 Pd = kW Fv 1000由式 Pw = kW 因此， Fv 1000,aPd = kW 由电动机至车轮的传动总效率为 422,,,,,,,,a1234 = ,,,,,31241式中:、、、分别为轴承、齿轮传动、联轴器和轮轴的传动效率。取=0.98 11 ,,,324(滚动轴承)，=0.97(不包括轴承效率)，=0.99(联轴器)，=0.96， 422,，0.97，0.99，0.96a则 =0.98=0.82 Fv20000.5，所以 Pdkw,,,1.21,100010000.82，, B) 确定电动机的转速 轮轴工作转速为: 6010006010000.5，，，v nr,,,73.49/min,,D，130 iia二级圆柱齿轮减速器传动比 = 12.5~20，则总的传动比合理范围为=12.5~20，故电动机转速的可选范围为: ninr,,,，,(12.5~20)73.49918~1469.8/min d, Pw—— 搬运车所需工作功率，指搬运车轮前进所需功率，kW; ,a—— 由电动机至搬运车轮轴的总效率; F—— 搬运车的运行阻力，N; v—— 搬运车轮的线速度，m/s。(已经确定搬运小车运行速度大约为30m/min，通 过运算转换的0.5m/s) 综合考虑上述得出的结论:选择表3-1中130 L _ M 10 N S 中额定功率为1.5KW的交流伺服电机为此次设计的驱动电机。 (C)根据电动机和减速器的结构尺寸选择出联轴器和键。 取载荷系数=1.3，则联轴器的计算转矩为: TKT,,，,1.31432518622.5 cA,1 根据计算转矩、最小轴径、轴的转速，查 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 GB5014-85或手册，选用弹性柱销联轴器，其型号为: 电动机和减速器之间的联轴器:YL1 22×32; 减速器和轮轴之间的联轴器:YL9 48×80;执行标准:GB5843—86。 12 b，L，h,8，36，8电动机上的键: ; b，L，h,8，33，6减速器输入端的键:; b，L，h,8，32，9减速器输出端的键:; b—— 键的宽度，mm; L—— 键的长度，mm; h—— 键的厚度，mm; 3.1.3减速器的使用范围及选取 (1)适用范围 ZDY、ZLY、ZSY外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮减速器，可用于冶金、矿山、起重运输、 水泥、建筑、化工、纺织、轻工等行业。 减速器高速轴转速不大于1500r/min; 减速器齿轮传动圆周速度不大于20m/s; 减速器工作环境温度为-40~45?，低于0?时，起动前润滑油应预热。 (ZDL为单级，ZLY为两级，ZSY为三级，Y代表硬齿面) (2)减速器的选取 nr,73.49/min轮轴的转速 ; nr,1000/min电机的额定转速 ; d 1000减速器的传动比 ; i,,13.673.49 i,15取减速器的传动比为 ; , 1000实际轮轴的转速 ; nr,,66.7/min15 nD,,66.7130，，ms/车轮的实际线速度 ; v,,,0.45601000601000，， 综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量和减速器的传动比，选择的减速器型号ZLY [8] 112—20—? ZBJ19004—88。 13 3.2伺服电机及其控制 3.2.1伺服电机工作原理 伺服电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由环形分配器、功率驱动装置、步进电机构成一个开环的定位运动系统，当系统接受一个电脉冲信号时，伺服电机的转轴将转过一定的角度或移动一定的直线距离，电脉冲输入越多，电机转轴转过的角度或直线位移就越多;同时，输入电脉冲的频率越高，电机转轴的转速或位移速度就越快。步进电机控制的最大特点是没有积累误差，常用于开环控制。步进电机系统由控制器、驱动器及步进电机构成，它们三者之间是相互配套的。 伺服电机转轴输出的角位移量与输入的脉冲数成正比，通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量，而通过改变输入脉冲频率可实现调速。 伺服电机主要由定子和转子构成。定子的主要结构是绕组，三相、四相、五相步进电机分别有3个、4个、5个绕组，其它依此类推。绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为步进电机的“相序”。转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用卜有规律地通电、断电工作时，转子周围就会有一个按此规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，正是这样，使得转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。 ,伺服电机步距角的计算公式为: ,,360/NZ 式子中的N为伺服电机的一个通电循环拍数，Z为转子的齿数。 3.2.2 伺服电机控制参数 通过设置伺服电机驱动器的工作方式和细分数，由单片机控制8253输出的脉冲频率可以推算出伺服电机的转速，再结合驱动轮的几何参数，就可以得到脉冲频率与车辆行走距离、速度之间的关系，推导过程如下: 设驱动器细分为d，脉冲数为c，伺服电机固有步距角为a, 8253输出脉冲频率为f，减速器传动比为i,驱动轮半径为R。 通过伺服电机驱动器细分后，伺服电机的步距角: 14 ,, ,d 电机所转的角度 可以由以下式子表示: r c,,,,，，， rcrad(),，,180180d， 输入C个脉冲所需要的时间为: c ts,()f 可得到电机的转速为: f，，,, wrads(/),180d， 则小车的速度为: fR，，，,, vms(/),180di，， 伺服电机的脉冲频率f为: 180，，，vdi fHz,(),,，，R 由车辆速度表达式(4.5)可以看出，车辆行驶速度由脉冲频率f、步距角a、细分数d,传动比I和驱动轮半径R决定。其中步距角为电机固定参数，传动比为减速器固定参数，因此驱动轮尺寸定好以后，小车的运动控制最终是通过可编程计数器8253发出的脉冲频率f和伺服电机驱动器的设定细分数d来实现控制。细分值越大，伺服电机越平稳、噪音越小、振动越小，但同时电机转速也越慢。所以，要综合考虑各方面因素，在满足平稳性和运行速度之间做好权衡，才能较好的控制好电机。 3.3轴的设计及其参数的计算 3.3.1轴的设计方法 轴的设计是根据给定的轴的功能要求(传递功率或转矩，所支持零件的要求等)和满足物理、几何约束的前提下，确定轴的最佳形状和尺寸，尽管轴设计中所受的物理约束很多，但设计时，其物理约束的选择仍是有区别的，对一般的用途的轴，满足强度约束条件, 具有合理的结构和良好的工艺性即可。对于静刚度要求高的轴，如机床主轴，工 15 作时不允许有过大的变形，则应按刚度约束条件来设计轴的尺寸。对于高速或载荷作周期变化的轴，为避免发生共振，则应需按临界转速约束条件进行轴的稳定性计算。 轴的设计并无固定不变的步骤，要根据具体情况来定，一般方法是: (1) 按扭转强度约束条件或与同类机器类比，初步确定轴的最小直径; (2) 考虑轴上零件的定位和装配及轴的加工等几何约束，进行轴的结构设计，确定轴的几何尺寸; 值得指出的是:轴结构设计的结果具有多样性。不同的工作要求、不同的轴上零件的装配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 以及轴的不同加工工艺等，都将得出不同的轴的结构型式。因此，设计时，必须对其结果进行综合 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 ，确定较优的方案。 (3) 根据轴的结构尺寸和工作要求，选择相应的物理约束，确定合适的参照物体，检验是否满足相应的物理约束。若不满足，则需对轴的结构尺寸作必要修改，应该实施再设计，直至满足要求。 3.3.2 驱动后轮轴的设计 由于是驱动电机驱动后轮使小车前进，在此一切相关数据与计算都是以后车轮为依据 n车轮轴转速 =67 r/min P,1.5驱动电机的额定功率 kW 1 轮轴传递功率为 224224ppkw,，，，,，，，,,,,1.50.990.970.981.275 1123 , 受转矩T (Nmm)的实心圆轴，其切应力: 6TPn9.55，10/,,,,[,]TT3Wd0.2T Mpa 轴的最小直径: 69.5510PP，33dC,,0.2[,]nnT 轴的材料取45钢， 16 WT上两式中 ——轴的抗扭截面系数，mm3; P ——轴传递的功率，kW; n ——轴的转速，r/min; [,]T ——许用切应力，MPa; C ——与轴的材料有关的系数，可由表3-2查得。 表3-2 轴材料的选取一览表: Q235,20 Q255,Q275,35 45 40Cr,38SiMnMo轴的材料 12 15 20 25 30 35 40 45 52 [,]/MPa T 125 118 112 106 102 98 160 148 135 C b，L，h8，33，68，36，6轴最小直径取35mm。轴上键的规格为和;执行标准:GB1096 —79。图3.4为后轮车轴尺寸图: 图3.4 驱动后轮轴尺寸图 由于转向前轮的结构比较简单，故不重复说明选取过程，根据最短轴也为直径为 b，L，h8，36，635mm，所以可以选择出轴上的键为为，执行标准:GB1096—79。图3.5 为前车轮车轴尺寸图: 17 图3.5转向前轮的尺寸图 3.3.3车轮轴的受力分析和校核 假设前后轴受力均匀，以后车轮轴为例。 ,,SB轴的材料选用45钢调质，= 650 MPa,= 360 MPa 计算支撑反力 1749，577.5''F,,904N''R1F,904NR1117.51垂直面反力 1749，540''''F,,845NR2F,845NR1117.52 22M,M，Mxyxz合成弯矩 许用应力 许用应力值 用插入法由表,,,查得: [],60MPa, ,1b 校核轴径 M488003轴径 3d,,,21mm,0.1[]0.1，60,b1 21mm<25mm 校核完毕 下表3-3为选择轴和心轴材料一览表， 18 表3-3 转轴和心轴的许用弯曲应力(MPa) 材料 [][][],,, , ，1b0b,1bB 400 130 70 40 碳素钢 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 合金钢 1000 330 150 90 400 100 50 30 铸 钢 500 120 70 40 3.3.4 车轮轴承的受力分析和校核 大部分滚动轴承是由于疲劳点饰而失效的。轴承中任一原件出现疲劳剥落扩展迹象前运转的总转数或一定转速下的工作小时称为轴承寿命。 实际选择轴承时常以基本额定寿命为标准。轴承的基本额定寿命是指90%可靠度、常用材料和加工质量、常规运转条件下的寿命，以符号,10(r)或L10h(h)表示。 标准中规定将基本额定寿命为一百万转(106r)时轴承所能承受的恒定载荷取为基本额定动载荷C。也就是说，在基本额定动载荷作用下，轴承可以工作一百万转而不发生点饰失效，其可靠度为90%。 P,XF，YFra当量动载荷 Fr式中 ——径向载荷，N; Fa ——轴向载荷，N; X、Y——径向动载荷系数和轴向动载荷系数，可查。 由于机械工作时常具有振动和冲击。为此，轴承的当量动载荷应按下式计算: P,f(XF，YF)dra P,fFdr1，875,875由于不受轴向力，所以 = 19 fd式中 ——冲击载荷系数，由表5-2可查; Fr ——径向力，取875N。 f表3-4 冲击载荷系数 d f载荷性质 机器举例 d平稳运转或轻微冲击 电机、水泵、通风机、汽轮机 1.0~1.2 中等冲击 车辆、机床、起重机、内燃机、冶金设备 1.2~1.8 强大冲击 破碎机、轧钢机、振动筛、工程机械、石油钻机 1.8~3.0 L10P当轴承的当量动载荷为时以转速为的基本额定寿命为: ,,C，1,P，L10 C,L,()10P 106r P式中 ——当量动载荷，N; L10 ——基本额定寿命，常以106r为单位(当寿命为一百万转时， L10=1); ,, ——寿命指数，球轴承=3; 3，10 C ——基本额定动载荷，查表取43.2N。 若轴承工作转速为n r/min，可求出以小时数为单位的基本额定寿命 6310C16670C1667043.2，1037,,L,(),(),，(),5.65，10h10h60nPnP35.5875 轴承达到预期寿命。 3.4 齿轮的设计和选取 在本设计中，所采用传动方式为齿轮传动，并选用锥齿轮。 和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是:工作可靠，使用寿命长;瞬时传动 比为常数;传动效率高;结构紧凑;功率和速度适用范围广等。同时齿轮传动应满足下 20 列两项基本要求: 传动平稳——要求瞬时传动比不变，尽量减小冲击、振动和噪声;这样可以更好的传动动力加大平衡稳定的行进。 承载能力高——要求在尺寸小，重量轻的前提下，齿轮的强度高、耐磨性好，在预定的使用期限内不出现断齿等实效现象。 在齿轮设计、生产和科研中，有关齿廓曲线、齿轮强度、制造精度、加工方法以及热处理工艺等，基本上都是围绕着两个基本要求进行的。也是处理和达到精度要求的最为重要的环节。 锥齿轮标准模数m和基本齿廓的确定如表3-5和表3-6; [9] 表3-5 标准模数 m 锥齿轮 1 1.125 1.25 1.375 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 GB 12368-90 3 3.25 3.5 3.75 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 8 9 10 11 12 14 16 18 20 表3-6 直齿锥齿轮基本齿廓 '基本参数 齿形角a 顶隙c 齿根圆角半径h齿顶高 ,h工作齿高 a p f 0.2m 0.3m m 2m锥齿轮 20? GB 12369-90 根据结构设计，由表3-5初取标准模数m,2.5，再由表3-4确定锥齿轮基本齿廓尺寸数据: ha 齿顶高,2.5 ',h 工作齿高=5 21 顶隙c=0.5 pf 齿根圆角半径=0.75 大端分度圆直径d=mz，可得齿数z=30 齿宽b=0.3 ×R ,为锥距 得 b=13.317 取b=14 ，锥距,和大端分度圆直径已知，可得分锥角,57.65? 根据啮合公式即可算出2个齿轮传递功率的大小，达到所要求的部分。 3.5 本章小结 小车的基本零件和速度、承重都要合适，通过不同的要求有不同的选择，经过合理的计算，选择了合适的驱动电机、转向电机、前后轮轴、锥齿轮的尺寸型号，使得小车的各个零件不仅节省了不必要的浪费，还能保证平稳的运行。 22 4. 结论与展望 4.1 结论 本文主要研究了激光导引AGV小车的机械装配，在小车机械设计的基础上可以增加旋转编码器的路径轨迹来运用推算导向法，并将两者相结合用于实现激光导引AGV的自动引导，自制了一辆两后轮独立驱动、差速转向的小车，结合小车的运动控制理论进行了相关的实验，为进一步研究和开发激光导引的AGV小车奠定了坚实的基础。 本文的土要研究结论如下: (1) 自动导引小车的结构设计。 由于设计的小车是前后轮相互独立，后轮驱动，前轮转向。再此基础上，进行稳定的运输。外形结构，采取了钢板与方管的非端面焊接，这样既减轻的车身的重量，还能保证了运载货物的重量。 (2) 自动引导小车的动力系统结构。 小车采用前后轮独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。前轮有电机带动直推轴焊接横轴来实现转向，车辆稳定运行的一个重要指标。动力学方程能够帮助AGV的建模、车体结构、刚度设计和路径跟踪控制提供理论依据的基础。 (3) 机械部分主要零件的选取。 AGV机械部分设计中的一些主要部件的选取。通过计算对伺服驱动电动机的选取、控制转向的电动机的选取，传动齿轮的选取等。选取不同的电机，在确保安全稳定的运行下，还要保证动力最低的浪费。 (4) AGV运动控制系统及其实现 小车通过两个步进电机实现差速驱动，并由单片机控制8253芯片产生驱动步进电机运行所需的脉冲信号，与单片机的定时器相配合来完成步进电机的升、降速控制。PC机与单片机之间的通信由串口通信来完成，串口通信接口标准RS-232目前己在微机通信接口中广泛采用，它的硬件编程要求比较简单，价格便宜，而且连接方便，对于双向连接只需要 3根线。 23 4.2 展望 在本文研究工作的基础上，作者认为以下几个力面有待进一步的研究: (1) 进一步研究檄光导引的理论和实现方法，搭建 一个实际的激光扫描仪，并对其数据处理速度、方位计算准确性进行应证。 (2) 完善基于旋转编码器的路径轨迹推算导向法，结合激光导引方位计算原理用于激光导引AGV的自动导引。 (3) 研究无线通讯的基本理论，并将其应用于AGV的通信。 (4) 研究激光导引AGV的路径规划和避障保护控制系统。 (5) 进一步研究激光导引AGV的运动控制问题，解决AGV实际行走时诸多因素对精度影响的问题。 (6) 建立实际的激光导引AGV小车，将理论与实践紧密结合。 24 致 谢 经过半年的忙碌和工作学习，本次毕业设计已经接近尾声，此时，我的心情无法平静。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，查阅文献不够，没有养成良好的习惯，不能够注重观察，注重细节，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及我亲爱的同学们的帮助支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在此向王老师致以我诚挚的谢意～以及我最为感恩的尊重～我在 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 的编写过程中，从方案初定到开题;从查阅资料到系统的开发;从如何开发到实施;从论文修改到完成，整个过程中都悉心指导。王老师不仅知识丰富、治学严谨、工作一丝不苟，而且谈吐幽默，风趣，让我在毕业设计这个过程中学到了不少知识。而且改掉了许多以前一直长期存在的不好的习惯，学到了不仅仅是学习上的东西。 同时感谢为我细心分析，指导帮助的亲爱的同学们，在整个毕业设计过程给予我很多帮助。我在这里也表示最诚挚的感谢～在论文即将完成之际，我要感谢西安科技大学对我四年的培养。感谢在这样一所有浓郁学术气氛的学校中学到的点点滴滴，从一个懵懂少年，慢慢历练成为一个有所为有所不为的，积极上进的当代大学生。感谢教我知识和做人的每一位老师。感谢给予我帮助的同学、朋友。在这里请接受我诚挚的谢意! 最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢～ 25 参考文献 【1】 邱宣怀. 机械设计. 北京;高等教育出版社，1997(2006重印) 【2】 罗圣国.龚掕义。机械设计课程设计指导书. 高等教育出版社1990.4 【3】 王德夫.姜勇.李长顺.韩学栓 机械设计手册 ;北京;化学工业出版社;1997年 【4】 陈顺平，梅德庆，陈子辰.激光导引ACV的自动导引系统设计.工程设计学 报,2003,10(5):279-282 【5】 陈顺平，梅德庆，陈了辰 激光导引差速转向AGV的控制系统设计‘机电工程， 2003,20(5):87-89 【6】 T.立贤，汀滨琦.用单片机实现步进电机变速控制的方法.应用科技， 2003,30(1):42-42,54 【7】 李海波，何雪涛 步进电机升降速的离散控制.北京化工大学学报， 2003,30(1):92-94 【8】 宋小鹏，盛仲FA.多功能步进电机控制器软件设计.华北工学院学报， 2003,24(1):58-61 【9】 陈细军，谭民.VC编程中的串口通信技术.计算机应用，,2001,21(9):94.95 【10】王宏伟.昊建设，基于VC++6.0的串行通信设计与实现.黄石高等专科学校学报， 2003,19(2):16-19 26 附录部分:(中英文翻译) Robot Robot is a type of mechantronics equipment which synthesizes the last research achievement of engine and precision engine, micro-electronics and computer, automation control and drive, sensor and message dispose and artificial intelligence and so on. With the development of economic and the demand for automation control, robot technology is developed quickly and all types of the robots products are come into being. The practicality use of robot products not only solves the problems which are difficult to operate for human being, but also advances the industrial automation program. At present, the research and development of robot involves several kinds of technology and the robot system configuration is so complex that the cost at large is high which to a certain extent limit the robot abroad use. To development economic practicality and high reliability robot system will be value to robot social application and economy development. With the rapid progress with the control economy and expanding of the modern cities, the let of sewage is increasing quickly: With the development of modern technology and the enhancement of consciousness about environment reserve, more and more people realized the importance and urgent of sewage disposal. Active bacteria method is an effective technique for sewage disposal，The lacunaris plastic is an effective basement for active bacteria adhesion for sewage disposal. The abundance requirement for lacunaris plastic makes it is a consequent for the plastic producing with automation and high productivity. Therefore, it is very necessary to design a manipulator that can automatically fulfill the plastic holding. With the analysis of the problems in the design of the plastic holding manipulator and synthesizing the robot research and development condition in recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration, transform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of 27 mechanical configuration, electronic, software and hardware. In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate and the arthrosis coordinate which can improve the stability and operation flexibility of the system. The main function of the transmission mechanism is to transmit power to implement department and complete the necessary movement. In this transmission structure, the screw transmission mechanism transmits the rotary motion into linear motion. Worm gear can give vary transmission ratio. Both of the transmission mechanisms have a characteristic of compact structure. The design of drive system often is limited by the environment condition and the factor of cost and technical lever. ''''The step motor can receive digital signal directly and has the ability to response outer environment immediately and has no accumulation error, which often is used in driving system. In this driving system, open-loop control system is composed of stepping motor, which can satisfy the demand not only for control precision but also for the target of economic and practicality. On this basis，the analysis of stepping motor in power calculating and style selecting is also given. The analysis of kinematics and dynamics for object holding manipulator is given in completing the design of mechanical structure and drive system. Kinematics analysis is the basis of path programming and track control. The positive and reverse analysis of manipulator gives the relationship between manipulator space and drive space in position and speed. The relationship between manipulator’s tip position and arthrosis angles is concluded by coordinate transform method. The geometry method is used in solving inverse kinematics problem and the result will provide theory evidence for control system. The f0unction of dynamics is to get the relationship between the movement and force and the target is to satisfy the demand of real time control. in this chamfer, Newton-Euripides method is used in analysis dynamic problem of七he cleaning robot and the arthrosis force and torque are given which provide the foundation for step motor selecting and structure dynamic optimal ting. Control system is the key and core part of the object holding manipulator system design which will direct effect the reliability and practicality of the robot system in the division of 28 configuration and control function and also will effect or limit the development cost and cycle. With the demand of the PCL-839 card, the PC computer which has a. tight structure and is easy to be extended is used as the principal computer cell and takes the function of system initialization, data operation and dispose, step motor drive and error diagnose and so on. A t the same time, the configuration structure features, task principles and the position function with high precision of the control card PCL-839 are analyzed. Hardware is the matter foundation of the control. System and the software is the spirit of the control system. The target of the software is to combine all the parts in optimizing style and to improve the efficiency and reliability of the control system. The software design of the object holding manipulator control system is divided into several blocks such as system initialization block, data process block and error station detect and dispose model and so on. PCL-839 card can solve the communication between the main computer and the control cells and take the measure of reducing the influence of the outer signal to the control system. The start and stop frequency of the step motor is far lower than the maximum running frequency. In order to improve the efficiency of the step motor, the increase and decrease of the speed is must considered when the step motor running in high speed and start or stop with great acceleration. The increase and decrease of the motor’s speed can be controlled by the pulse frequency sent to the step motor drive with a rational method. This can be implemented either by hardware or by software. A step motor shift control method is proposed, which is simple to calculate, easy to realize and the theory means is straightforward. The motor'''' s acceleration can fit the torque-frequency curve properly with this method. And the amount of calculation load is less than the linear acceleration shift control method and the method which is based on the exponential rule to change speed. The method is tested by experiment. A t last, the research content and the achievement are sum up and the problems and shortages in main the content are also listed. The development and application of robot in the future is expected. 29 机器人 机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在某种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。 由于我国经济建设和城市化的快速发展，城市污水排放量增长很快，污水处理己经摆在了人们的议事日程上来。随着科学技术的发展和人类知识水平的提高，人们越来越认识到污水处理的重要性和迫切性，科学家和研究人员发现塑料制品在水中是用于污水处理的很有效的污泥菌群的附着体。塑料制品的大量需求，使得塑料制品生产的自动化和高效率要求成为经济发展的必然。 本文结合塑料一次挤出成型机和塑料抓取机械手的研制过程中出现的问题，综述近儿年机器人技术研究和发展的状况，在充分发挥机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对物料抓取机械手整体机械结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计，提出了一套经济型设计方案。采用直角坐标和关节坐标相结合的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性。传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构，以实现各种必要的运动，传动方式上采用结构紧凑、传动比大的蜗轮蜗杆传动和将旋转运动转换为直线运动的螺旋传动。机械手驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及能够达到的技术水平。由于步进电机能够直接接收数字量，响应速度快而且工作可靠并无累积误差，常用作数字控制系统驱动机构的动力元件，因此，在驱动装置中采用由步进 30 电机构成的开环控制方式，这种方式既能满足控制精度的要求，又能达到经济性、实用化目的，在此基础上，对步进电机的功率计一算及选型问题经行了分析。 在完成机械结构和驱动系统设计的基础上，对物料抓取机械手运动学和动力学进行了分析。运动学分析是路径规划和轨迹控制的基础，对操作臂进行了运动学正、逆问题的分析可以完成操作空间位置和速度向驱动空间的映射，采用齐次坐标变换法得到了操作臂末端位置和姿态随关节夹角之间的变换关系，采用几何法分析了操作臂的逆向运动学方程求解问题，对控制系统设计提供了理论依据。机器人动力学是研究物体的运动和作用力之间的关系的科学，研究的目的是为了满足是实时性控制的需要，本文采用牛顿-欧拉方法对物料抓取机械手动力学进行了分析，计算出了关节力和关节力矩，为步进电机的选型和动力学分析与结构优化提供理论依据。 控制部分是整个物料抓取机械手系统设计关键和核心，它在结构和功能上的划分和实现直接关系到机器人系统的可靠性、实用性，也影响和制约机械手系统的研制成本和开发周期。在控制主机的选用上，采用结构紧凑、扩展功能强和可靠性高的PC工业控制计算机作为主机，配以PCL-839卡主要承担系统功能初始化、数据运算与处理、步进电机驱动以及故障诊断等功能;同时对PCL-839卡的结构特点、功能原理和其高定位功能等给与了分析。硬件是整个控制系统以及极限位置功能赖以存在的物质基础，软件则是计算机控制系统的神经中枢，软件设计的目的是以最优的方式将各部分功能有机的结合起来，使系统具有较高的运行效率和较强的可靠性。在物料抓取机械手软件的设计上，采用的是模块化结构，分为系统初始化模块、数据处理模块和故障状态 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 与处理等几部分。主控计算机和各控制单元之间全部由PCL-839卡联系，并且由该卡实现抗干扰等问题，减少外部信号对系统的影响。 步进电机的启停频率远远小于其最高运行频率，为了提高工作效率，需要步进电机高速运行并快速启停时，必须考虑它的升，降速控制问题。电机的升降速控制可以归结为以某种合理的力一式控制发送到步进电机驱动器的脉冲频率，这可由硬件实现，也可由软件方法来实现。本文提出了一种算法简单、易于实现、理论意义明确的步进电机变速控制策略:定时器常量修改变速控制方案。该方法能使步进电机加速度与其力矩——频 31 率曲线较好地拟合，从而提高变速效率。而且它的计算量比线性加速度变速和基于指数规律加速度的变速控制小得多。通过实验证明了该方法的有效性。 最后，对论文主要研究内容和取得的技术成果进行了总结，提出了存在的问题和不足，同时对机器人技术的发展和应用进行了展望。 32