AGV 自動物料搬運小車設計

柳忠艷，陳嘉華，張 超

（1.寧夏機械研究院，銀川 750021；2.銀川科技學院，銀川 750021）

當前情況下，工業(yè)制造不斷進步，人們倡導高效智能的工作模式。在這種情況下，機器人就被科學家們研制出來，人們在工作中的各個工序可使用機器人來代替。其擁有很多特征，如能編程、智能化等，其中，移動機器人的一種就是自動導向小車AGV（全稱Automated Guided Vehicl），是裝備自動導航裝置，能沿著軌跡行駛，具有安全保護及搭載移動運載功能的運輸小車。其廣泛地應用于當前的工業(yè)制造領域中，一般是起到儲運物料的作用。把電池作為AGV 小車的動力，能自動按一定軌跡運行的無人搬運車輛。核心在于無人與自動化，具有可編程可調(diào)節(jié)，自主駕駛完成指定的作業(yè)任務，提高自動化生產(chǎn)效率的特點。

1 總體方案設計

1.1 AGV 各部分組成

車體是AGV 不可缺少的部分，由車架與機械構(gòu)成。導向裝置在接收到指引的信息引子后，轉(zhuǎn)向動作可利用轉(zhuǎn)向裝置來完成。驅(qū)動裝置通過人工控制器或計算機來發(fā)出命令來控制AGV 在行使方面的相關調(diào)節(jié)，而制動裝置就是通過安裝機械裝置來控制AGV 安全的。充電與蓄電裝置：AGV 的動力系統(tǒng)一般選定24 V或48 V 直流蓄電池。通常情況下，蓄電池應當保證其不間斷作業(yè)“8 h”以上的電力供應。車上控制器收到指令后，進行相應的控制，并將相關狀態(tài)傳遞回控制中心，如速度等。移載裝置直接與物料接觸，是為了使得貨物運輸?shù)靡酝瓿傻难b置。安全保護裝置主要用來保護AGV 或使用AGV 的人。信息傳輸與處理裝置一般作用是實時監(jiān)控AGV，這樣可以得到很多關鍵信息，同時可與地面其他裝置信息互換。通信裝置其用來在各個系統(tǒng)或裝置之間傳遞信息。AGV 自動物料搬運小車的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 AGV 自動物料搬運小車結(jié)構(gòu)組成

1.2 工作原理

行走方式選用驅(qū)動選定獨立模式，借助左右2輪的速度差異來使得轉(zhuǎn)向完成。導引選用自由路徑引導型。

1.3 設計任務和目標

本文設計一臺可以自動導引的AGV 小車，在預設的導引線上進行平穩(wěn)行駛。此設計采用AT89C51 單片機最小控制系統(tǒng)進行控制。其小車的主要各項參數(shù)見表1，依據(jù)這個參數(shù)進行一系列的計算，最終設計一款實用的AGV 小車。

表1 AGV 設計參數(shù)表

2 機械結(jié)構(gòu)設計

2.1 驅(qū)動方式選擇與車輪選擇

為了滿足任務要求，選定差速型的轉(zhuǎn)向來進行此次設計。選定實心的樹脂輪胎來作為AGV 的車輪，那么選定的這2 個驅(qū)動車輪輪胎直徑D=250 mm。

2.2 電機選擇

本次AGV 小車的設計選擇2 個額定功率500 W的24 V 直流無刷電機進行驅(qū)動。型號為PN8390，輸出轉(zhuǎn)速4 000 rpm，扭矩5.5 N·m。

傳動選定為蝸輪蝸桿式，就有較大的減速比，一級傳動就能達到i=8～80；這是因為由于其有著非常多的嚙合齒數(shù)，比較穩(wěn)定的傳動，結(jié)構(gòu)也很緊湊。

2.2.1 選擇電機的容量

電動機所需要的功率

由式可知

因此

軸聯(lián)器可與電機連接，然后利用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到輪軸，所以總傳遞效率為：蝸輪蝸桿取η=0.7，滾動軸承取η=0.98，

所以

式中：Pw為AGV 的車輪前進用到的功率，kW；ηa為電機至AGV 輪軸的總效率；η1為選自鎖蝸輪蝸桿傳遞效率取η=0.7；η2為滾動軸承傳遞效率取η=0.98；F為AGV的牽引力，500 N；v為AGV 小車輪的線速度，1.11 m/s。

由于左右輪電機同步驅(qū)動，所以可以選擇單個電機功率Pw=500 W。

2.2.2 確定電動機的轉(zhuǎn)速

輪軸工作轉(zhuǎn)速為

式中：D為AGV 車輪直徑，選定為125 mm。

電機輸出轉(zhuǎn)速為4 000 rpm，所以傳動比

式中：傳動比取i=26，即蝸輪蝸桿的傳動比。

2.3 主要部件的設計

采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)進行減速并傳遞動力。用45 鋼為蝸桿，其硬度調(diào)質(zhì)達到45～55 HRC，蝸輪選用錫青銅。

2.3.1 選擇蝸桿精度等級

此次設計的AGV 小車，存在較輕的重量，因而其有著較低的功率及轉(zhuǎn)速，選用的精度等級為7 級。

2.3.2 選擇蝸桿蝸輪材料

基于功率，可采用45 鋼為蝸桿，其硬度調(diào)質(zhì)達到45～55 HRC，蝸輪選用錫青銅。

2.3.3 初選幾何參數(shù)

電機輸出轉(zhuǎn)速為4 000 rpm，所以傳動比

2.3.4 確定許用接觸應力

蝸輪材料為錫青銅的需用接觸應力

式中：[σH]′為基本許用接觸應力，取值為220 MPa；ZN為接觸疲勞強度的壽命系數(shù)；N為應力循環(huán)次數(shù)，N=60n2t。

工作壽命設為t=12 000 h，那么N=60n2t=60×152.87×12 000=1.10×108。

于是代入數(shù)據(jù)得

2.3.5 計算蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩T2

針對其中蝸桿頭數(shù)為1，選傳遞效率為η=0.7，則

2.3.6 計算中心距

式中：Zρ查圖標，估計取值Zρ=2.9，K由于載荷平穩(wěn)，取值K=1.2。

取模數(shù)m=2 mm，d1=22.4 mm。

于是計算出γ=5°6′8″。

2.3.7 主要尺寸計算

1）蝸桿。分度圓直徑d1=22.4 mm；

齒頂圓直徑da1=d1+2ha*m=22.4+2×1×2=26.4 mm；

齒根圓直徑df1=d1-2（ha*+c*）m=22.4-2（1+0.2）×2=17.6 mm。

2）蝸輪。分度圓直徑d2=mZ2=2×26=52 mm；

齒頂圓直徑da2=d2+2ha*m=52+2×1×2=58 mm；

齒根圓直徑df2=d2-2（ha*+c*）m=52-2（1+0.2）×2=47.2 mm；

蝸輪外圓直徑de2≤da2+1.5m=58+1.5×2=61 mm；

蝸輪齒寬b2≤0.75da1=0.75×26.4=19.8 mm；

取b2=22.4 mm，中心距（22.4+58）≈40 mm。

2.3.8 蝸輪齒面接觸強度校核

由計算校核公式，可得

將k與T2參數(shù)代入重新計算

查表得ργ=2°12′6″，則蝸輪副嚙合效率為

由此可得

由于VS＜3 m/s，所以取

則

把得出的k和T2代入蝸輪齒面接觸強度校核公式，那么

顯然σH＜[σH]，所以滿足接觸強度要求。

2.3.9 散熱計算

根據(jù)公式ps=1 000p1（1-η）得，其傳動損耗的功率為

由公式pc=kA（t1-t2）和設計要求pc≤ps可推出

考慮到通風良好，取k=15 W/m2·℃，t1=95 ℃，t2=20 ℃，則

蝸桿在減速的部分，其散熱的面積A的計算達到相關要求。

經(jīng)計算蝸桿主要尺寸分度圓直徑d1=22.4 mm；齒頂圓直徑da1=26.4 mm；齒根圓直徑df1=17.6 mm。蝸輪主要尺寸見表2。軸的設計尺寸此處略寫。

表2 蝸輪主要尺寸表 mm

2.4 聯(lián)軸器設計

因為電動機的軸直徑是Φ11 mm，這樣削平了一些的輸出軸連接蝸桿軸的軸徑為Ф20 mm，選定安全軸聯(lián)器為軸聯(lián)器，根據(jù)剪切強度來算出銷釘直徑d，那么

選定45調(diào)質(zhì)鋼為銷釘材料，σb=637MPa，σs=353MPa，

銷釘?shù)脑S用切應力為

過載限制系數(shù)k 值，取k=1.6，則

d=4 mm 的選用可很好達到其剪切強度要求。

AGV 自動物料搬運小車總裝圖如圖2 所示。

圖2 AGV 自動物料小車總裝圖

3 驅(qū)動及控制系統(tǒng)設計

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AGV 的驅(qū)動系統(tǒng)由減速器、驅(qū)動電源、交流電動機構(gòu)成。不僅電機的相關功能對AGV 小車能產(chǎn)生動力性影響，減速器的相關規(guī)格也能對其產(chǎn)生影響，因此可以說AGV 的動力性是由其運行速度與驅(qū)動力來影響的。

電源選定的是串聯(lián)2 個40 AH 的鉛酸蓄電池，把鉛酸蓄電池布置在AGV 的車體上，其總重達到24×2=48 kg，那么輸出電壓則為12×2=24 V。

3.2 控制系統(tǒng)方案

本次設計的AGV 自動導引小車采用AT89C51來作為控制系統(tǒng)的主單片機，電機正常運行時末端的編碼器發(fā)出脈沖型號，通過線路連接顯示在顯示屏上。

通過設計的脈沖鑒向電路來確定和分辨電機的正反轉(zhuǎn)旋向。其方向的脈沖信號的確定是通過2 塊8253計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)功能，從而可得此電機的轉(zhuǎn)速與位移。此部分數(shù)據(jù)傳入到核心AT89C51 單片機后，經(jīng)過內(nèi)置程序的運算處理然后通過2 塊DAC1208 轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出到2 塊UC3637 直流電動機脈寬調(diào)制器。由于輸出信號較弱，所以設計H 橋電路將信號放大，反饋到電機身上，電機就按信號執(zhí)行，從而控制電機的加速或者減速運行，這樣就能使AGV 小車按規(guī)定路線與速度完成移動。整個控制系統(tǒng)的組成框圖如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)的組成框圖

4 結(jié)束語

本設計的目的是通過對AGV 小車的基本組成以及工作原理的分析對整機進行把握。利用其實際性能參數(shù)進行設計。經(jīng)過多個方案的選擇，確定驅(qū)動方式，使用差速轉(zhuǎn)向達到結(jié)構(gòu)的簡單化。分析設計的小車運動確定各結(jié)構(gòu)的詳細數(shù)據(jù)，并完成計算校核。得到AGV 整體數(shù)據(jù)后，其建模可借助三維軟件，通過直觀的數(shù)據(jù)進行運動分析，驗算設計結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)，以此來將AGV 結(jié)構(gòu)設計完成。雖然此次設計已完成，但還是缺乏工作實踐與理論的相應結(jié)合及經(jīng)驗的積累，在后面的工作中會更加努力去提升與完善自己的專業(yè)能力，積攢更多的經(jīng)驗。