AGV小车说明书
河北科技大学
学生个性化教育实训报告
题目：
学生姓名：
指导教师：
日期：
河北科技大学机械工程学院
《自导引小车AGV系统分析与设计》任务
书
专业机械设计制造及其自动化指导教师
班级学生姓名学号
一、内容简介
自导引小车是本设计以AGV为例，设计自导引小车，并通过实训装置进行调试练习。
二、任务要求：
（1）自导引小车载重20Kg，要求实现前进、转弯和自动循迹功能；
（2）具有红外避障功能；
（3）小车行进速度可调；
（4）控制系统采用STC89C52，采用单片机C51语言编程；
（5）要求控制系统有仿真和调试。
三、任务内容：
（1）实训设计说明书1份；
（2）机械结构三维模型图（电子版），二维设计装配图1张及主要零件图；
（3）控制系统原理图1张；
（4）程序框图及程序清单；
（5）演示视频。
四、时间安排（17周-20周）
2015.12.21-2015.12.27 ：认识自导引小车，根据要求设计机械结构，进行
强度的计算与校核，三维建模，绘制机械结构装
配图、主要零件图；
2015.12.28-2016.1.1 ：熟悉控制元件、控制流程，绘制自导引小车控制系
统原理图；
2015.1.2-2015.1.6 ：编写控制程序；
2015.1.7-2016.1.15 ：仿真、调试程序；编写设计说明书。
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 (4)
第二章机械部分设计 (4)
2.1设计任务 (4)
2.2确定机械传动方案 (5)
2.3直流伺服电动机的选择 (5)
2.4联轴器的设计 (8)
2.5蜗杆传动设计 (8)
2.6前轮轴的设计 (11)
2.7蜗杆轴上的轴承选型计算 (13)
第三章控制系统的设计 (15)
3.1单片机的选择 (15)
3.2电机驱动芯片的选择 (17)
3.3循迹模块的选择 (19)
3.4硬件系统电路图 (20)
3.5软件部分设计 (20)
第四章小车组装 (23)
第五章总结 (27)
第六章分工情况 (28)
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。
AGV的类型和应用
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：
自导引小车载重：20Kg
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
传动系统如图2-1所示。
图2-1
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
n=60v/(πd)=60×100/(3.14×140)≈22.75r/min（2-1）电机的转速
选择蜗轮-蜗杆的减速比i=62
==?=
n in r
6222.751410.5min
（2-2）
电
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 取P=5kg=49N (2-3)
小车的载荷为G G=mg=20*9.8=196N （2-4）
列出平衡方程
0z F =∑， 2F+Fc-G-P=0 （2-5）
0x M =∑， -（P+G ）*100+Fc*200=0 （2-6）
解得 F=61.25N Fc=122.5N
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）
Mmax=0.006*61.25=0.3675N.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 F=0.3675/0.07=5.25N （2-9）
后轮受
力
图2-5 O P
F
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） =(5.25+0.15*61.25)/0.7*140/2/62*9.8/1000=0.23N.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
2
10.00003490.0047660.0001310.0000604620.000036189??
=+++ ???=?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 361.89
0.251<<1290?0.250.28051<<
惯量J 2
1290361.891651.89M 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 440.0190.076a 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 mm 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 ()()*222277.52 1.2510.0480.1a d d m ha x mm =++=+??+= （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。
图2-8 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2-9a)所示。
C F F =
180.8440.422
C F F F N ==?=1′?=2 2.轴的结构设计
1）拟定轴上零件的装配方案
装配方案是：左轮辐板、右轮辐板、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承6004，其尺寸为d ×D ×T=20mm ×42mm ×12mm ,故20d d d mm ===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度h=2.5mm ，因此取25d mm =Ⅳ。
(2)取安装左、右轮辐处的轴段Ⅵ的直径30d mm =Ⅵ;轮辐的左端采用轴肩定位，右端用螺母夹紧轮辐。已知轮辐的宽度为34mm ，为了使螺母端面可靠地压紧左右轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取32l mm =Ⅵ。左右轮辐的左段采用轴肩定位，轴肩高度0.07h d >，取h=3mm ，则轴环处的直径36V d mm =。轴环宽度b ≥1.4h ，取5V l mm =。
(3)轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为GB 894.1-86 20，其尺寸为020d mm =,故
19d d mm ==ⅡⅩ, 1.1l l mm ==ⅡⅩ ,13 1.111.9l mm =-=Ⅲ。
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如图2-8所示。
3）轴上零件的周向定位
左右轮辐与轴的周向定位采用平键联接。按d Ⅵ由手册查得平键截面b ×h=8mm ×7mm