畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）自動(dòng)導(dǎo)向車(AGV)設(shè)計(jì)

1、1 緒論1.1 自動(dòng)引導(dǎo)車輛的概念研究始于20世紀(jì)50年代初美國 barrett electronics公司開發(fā)出世界上第一臺自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（automated guided vehicle system，agvs）。1974年，瑞典的volvo kalmar轎車裝配工廠與schiinderdigitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的agvs，并由多臺該種agvs組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車及叉車等運(yùn)輸工具。 由于kalmar工廠采用agvs獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，許多西歐國家紛紛效仿volvo公司，并逐步使agvs在裝配作業(yè)中成為一種流行的運(yùn)輸手段。20世紀(jì)80年代，伴

2、隨著與機(jī)器人技術(shù)密切相關(guān)的計(jì)算機(jī)。電子、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，國外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中各種具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價(jià)值的移動(dòng)式機(jī)器人受到西方各國的普遍關(guān)注。它的研究方向包括駕駛員行為分析，極端情況下的自主駕駛，車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，交通監(jiān)控、車輛導(dǎo)航及協(xié)作，主動(dòng)安全系統(tǒng)等方面。自動(dòng)導(dǎo)向車(agv)是采用自動(dòng)或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動(dòng)行駛或牽引著載貨臺車至指定地點(diǎn)，再用自動(dòng)或人工方式裝卸貨物的工業(yè)車輛。按日本jisd6801的定義：agv是以電池為動(dòng)力源的一種自動(dòng)操縱行駛的工業(yè)車輛。自動(dòng)導(dǎo)向車只有按物料搬運(yùn)作業(yè)自動(dòng)化、柔性化和準(zhǔn)時(shí)化的要求，與自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)、自動(dòng)裝卸系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全

3、系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等構(gòu)成自動(dòng)導(dǎo)向車系統(tǒng)(agvs)才能真正發(fā)揮作用。1.2 agv技術(shù)發(fā)展agv產(chǎn)品所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：引導(dǎo)技術(shù)(navigation techniques)、控制技術(shù)(control techniques)和電源技術(shù)(power techniques)三個(gè)方面。引導(dǎo)技術(shù)現(xiàn)在已被探索研究和開發(fā)應(yīng)用的引導(dǎo)方法主要有：電磁感應(yīng)法(inductive guide-path)、光學(xué)引導(dǎo)法(optical guide-path)、化學(xué)引導(dǎo)法(chemical guide-path)、磁感應(yīng)法(magnetic guide-path)、位置推斷法(dead reckoning)、參考標(biāo)志

4、法(beacon system)、慣性導(dǎo)航法(inertial navigation)和圖像識別法(direct imaging)等。表1-1 agv所應(yīng)用的引導(dǎo)技術(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果引導(dǎo)技術(shù)電磁感應(yīng)慣性導(dǎo)航光學(xué)檢測位置設(shè)定激光檢測圖像識別應(yīng)用比例32.827.816.913.87.691.54控制技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用和多種高精度傳感器的實(shí)用化，其他各種引導(dǎo)技術(shù)也不斷成熟和應(yīng)用。根據(jù)對國外十幾家生產(chǎn)agv公司的27個(gè)系列產(chǎn)品所應(yīng)用的主要引導(dǎo)技術(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表1.1所示），可以明顯看出，電磁感應(yīng)引導(dǎo)技術(shù)所占的應(yīng)用比例最高，這表明該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，應(yīng)用也就最多。而圖像識別引導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的比例還

5、很少，因此，該項(xiàng)技術(shù)還需要深入研究。 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、并行與分布式處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及軟件開發(fā)環(huán)境的不斷發(fā)展，為agv的研究與應(yīng)用提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。人工智能技術(shù)如理解與搜索、任務(wù)與路徑規(guī)劃、模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，使agv向著智能化和自主化方向發(fā)展。agv的研究與開發(fā)集人工智能、信息處理、圖像處理為一體，涉及計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息通訊、機(jī)械設(shè)計(jì)和電子技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，成為物流自動(dòng)化研究的熱點(diǎn)之一。 能源技術(shù)agv運(yùn)行消耗的能源一般由蓄電池提供，蓄電池容量的確定是agv設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一，他的選擇應(yīng)保證車輛在規(guī)定的作業(yè)方式和工作時(shí)間內(nèi)提供足夠的能量。目前，用于agv的

6、蓄電池有兩種類型：鉛-酸蓄電池(lead acid)和鎳-鎘蓄電池(nickel cad)。其中，鉛酸型蓄電池所占的比例很大，除電池本身特性外，agv使用過程中的充電技術(shù)也是一個(gè)很重要的因素。盡管對agv的研究已有多年的歷史，但仍有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)還有待提高和突破，以進(jìn)一步提高agv的性能，降低制造成本和減少使用費(fèi)用。本文所述agv主要用于工廠物流系統(tǒng)，是在已知環(huán)境中，根據(jù)任務(wù)需求并按照一定的導(dǎo)向方式，完成相應(yīng)的物料運(yùn)輸任務(wù)。因此，導(dǎo)向與控制方式是其核心問題。1.3 自動(dòng)引導(dǎo)車輛發(fā)展自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)是以agv為主要運(yùn)載工具， 由路徑引導(dǎo)系統(tǒng)、自動(dòng)裝卸系統(tǒng)、信息通訊系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)和管理控制系統(tǒng)等

7、構(gòu)成的物料運(yùn)輸系統(tǒng)。agv只有按物料搬運(yùn)作業(yè)自動(dòng)化、柔性化和準(zhǔn)時(shí)化的要求，構(gòu)成agvs才能充分發(fā)揮作用。20世紀(jì)50年代初期，美國electronics公司研究開發(fā)了世界上第一個(gè)自動(dòng)引導(dǎo)車系統(tǒng)(agvs)。1954年，在south carolina州columbia市的 mercury motor freight公司投入運(yùn)行使用。這個(gè)系統(tǒng)的agv采用埋線式電磁感應(yīng)路徑引導(dǎo)方式和真空電子管元件控制器，是無人駕駛的車輛牽引系統(tǒng)(dragger system)。這一時(shí)期的agvs主要應(yīng)用于倉庫的物品運(yùn)輸，其目的是為了提高倉庫的自動(dòng)化水平。但此時(shí)agv產(chǎn)品開發(fā)中，控制器的體積過大，控制能力有限以及其他

8、因素，制約了agv產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步。20世紀(jì)60年代和70年代，控制器首先晶體管化，后來又采用集成電路，不但使控制器的體積縮小，而且大大提高了控制器計(jì)算能力。但這種車載電子機(jī)構(gòu)(on-board electronics)控制器的性能很難適應(yīng)于復(fù)雜的工業(yè)化物流系統(tǒng)的要求。因此，在美國僅有限的物流系統(tǒng)采用自動(dòng)牽引車輛系統(tǒng)，agv產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步仍然很慢。與此相反，在歐洲agvs的研究得到迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。80年代以來，在國際市場上，許多產(chǎn)品出現(xiàn)了供大于求的局面，產(chǎn)品之間的競爭加劇，同時(shí)用戶對產(chǎn)品的種類和式樣的需求也日益多樣化，這些變化促使企業(yè)開始尋求高效、快捷、靈活的生產(chǎn)方式以

9、提高效率、降低成本和提高市場應(yīng)變能力。由于agvs能自動(dòng)完成運(yùn)輸作業(yè)，可以靈活更改運(yùn)輸線路，因此可以在同一條生產(chǎn)線上裝配出不同的產(chǎn)品，并且當(dāng)產(chǎn)品需要環(huán)形或調(diào)整產(chǎn)量時(shí)，裝配線的重組成本低、時(shí)間短，適應(yīng)快捷的現(xiàn)代生產(chǎn)需要，因此許多企業(yè)開始采用若干agvs為運(yùn)載工具的柔性制造系統(tǒng)fms(flexible manufacture system)，柔性裝配系統(tǒng)fas(flexible assemble system), agvs的應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家得到迅速發(fā)展。1.4國外agv的應(yīng)用目前各種形式的agv已經(jīng)在汽車制造業(yè)、機(jī)械加工、鋼鐵生產(chǎn)、食品加工、化工等行業(yè)得到應(yīng)用，并在港口碼頭、倉儲中心、圖書館等場所也

10、有了廣泛應(yīng)用。在荷蘭鹿特丹港口，“yard tractor”完成集裝箱從船邊運(yùn)送到幾百碼以外的倉庫這一重復(fù)性工作。荷蘭政府正考慮在南部沿已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運(yùn)往各地。圖1-1為agv的應(yīng)用場景圖片。 （a） agvs用于機(jī)械、汽車等行業(yè)的裝配線和生產(chǎn)線 （b） agvs用于造紙廠的紙張運(yùn)送 （c） agvs用于飯店、試驗(yàn)室、醫(yī)院圖1-1 agvs的應(yīng)用場景20世紀(jì)80年代中期，agv的75%用于汽車制造業(yè)，而西德的比例高達(dá)64%。通過表1.2不難看出，90年代汽車制造業(yè)仍然是agv的主要應(yīng)用領(lǐng)域。表1-2 20002004年agv在國外各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用情況

11、 （%）汽車制造 航空國防電子行業(yè)服務(wù)行業(yè)工程機(jī)械其它200027.210.612.120.78.720.7200117.69.912.3218.620.6200228.19.212.521.38.620.3200328.68.512.621.68.620.1200429.17.912.8228.619.61.5國內(nèi)agv研究開發(fā)和應(yīng)用我國對agv的研究應(yīng)用與國外相比起步較晚。1975年北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所研制成我國第一臺電磁引導(dǎo)式agv。20世紀(jì)80年后期，北京機(jī)械工業(yè)研究所為二汽研制了立體化倉庫中使用的agv；北京郵政科學(xué)研究所規(guī)劃院也研制出agv。20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)的國家cim

12、s工程中心將從國外引進(jìn)的agv成功的應(yīng)用于cims的實(shí)驗(yàn)研究；沈陽自動(dòng)化研究院為金杯汽車廠生產(chǎn)了9臺agv用于發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系也研制了應(yīng)用于郵政中心的agv。原吉林工業(yè)大學(xué)智能車輛課題組織主要從事視覺導(dǎo)航車輛的研究，先后開發(fā)出juiv-i、juiv-ii視覺導(dǎo)航智能車輛實(shí)驗(yàn)平臺，最近又開發(fā)了面向工廠實(shí)際應(yīng)用的jluiv-iii型視覺導(dǎo)航agv，并在一汽集團(tuán)jetta轎車變速器裝配線進(jìn)行了中試。1.6 新型agv簡介本次新型agv是基于普通agv原理加以改造成類似一般微型車輛并具有自動(dòng)自動(dòng)引導(dǎo)功能。新型agv由車體、蓄電池、驅(qū)動(dòng)/轉(zhuǎn)向裝置、控制箱、ccd攝像機(jī)以及儀表/指示燈等

13、組成。v-agv的主要功能要求和性能指標(biāo)同其它的agv相同，但是引導(dǎo)方式的不同基于機(jī)器視覺引導(dǎo)的自動(dòng)導(dǎo)向車輛是利用ccd采集路徑標(biāo)線和標(biāo)識的圖像信息，經(jīng)過車載計(jì)算機(jī)對圖像的處理來識別路徑，并根據(jù)車輛與路徑軌跡之間相對位置的判斷結(jié)果，來控制車輛運(yùn)行方向的一種引導(dǎo)方式。此為，利用機(jī)器視覺還可識別各種標(biāo)識，如轉(zhuǎn)向，加速、減速、停車和工位號等，并對車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。由ccd采集的路徑標(biāo)線的圖像，包含著車輛在某一時(shí)刻相對于路徑標(biāo)線的位置信息，即車輛的縱軸線與路徑的交角（）以及與路徑之間的偏移距離（e），如圖2-1所示。但在所采集的圖象中，除包括路徑和標(biāo)識信息外，還可能存在著因?yàn)榈孛娣垂饣驑?biāo)線污染等干

14、擾信息。所以，必須對圖像進(jìn)行處理才能達(dá)到可靠引導(dǎo)的目的。 圖1-2： ccd采集路徑標(biāo)線本次設(shè)計(jì)車輛的主要優(yōu)點(diǎn):1. 路徑設(shè)置簡單、靈活、成本低，便于維護(hù)與改線，為車輛實(shí)現(xiàn)長距離、變路徑導(dǎo)航提供了現(xiàn)實(shí)可行性。2. 由于路面圖像是兩維平面圖像，且路徑識別僅需邊緣檢測，因此可以實(shí)現(xiàn)很高頻率的路徑識別，從而為車輛實(shí)現(xiàn)更高速度的自動(dòng)引導(dǎo)創(chuàng)造了必要前提。3. 采用圖像處理技術(shù)可以很方便地識別多停車工位和多分支路徑，從而克服了埋線磁導(dǎo)航和激光導(dǎo)航的agv多工位、多分支路徑識別的困難。4. 采用圖像識別技術(shù)可以方便地獲取車輛的多種運(yùn)動(dòng)偏差，從而為設(shè)計(jì)多輸入反饋?zhàn)顑?yōu)導(dǎo)向控制器提供了一種經(jīng)濟(jì)且有效的途徑。5.

15、由于視覺導(dǎo)航不受電磁場和遮擋物的影響，所以比埋線磁導(dǎo)航和激光導(dǎo)航agv有更佳的環(huán)境適應(yīng)性。6. 車輛具有自動(dòng)避障、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)上線和無線通訊等人工智能。49 2 新型agv轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)的基本原則基于機(jī)器視覺引導(dǎo)的新型agv車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮其應(yīng)用條件，技術(shù)特點(diǎn)，加工制造成本，使用維護(hù)費(fèi)用和安全可靠運(yùn)行等要求進(jìn)行綜合分析后確定，既要兼顧技術(shù)與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的原則。同時(shí)，由于把一般agv的一些功能植入普通車輛并加以改造，重點(diǎn)注意車體的體積要小，減少整車重量，增大承載能力，因此在狹小空間內(nèi)要合理布置系統(tǒng)的各個(gè)部分，并加以優(yōu)化。而基于這個(gè)前提，考慮到在選擇轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各組成部分或者機(jī)械

16、零部件材料時(shí)，優(yōu)先采用重量輕性能好的產(chǎn)品，以更好的適應(yīng)處于實(shí)驗(yàn)階段的自動(dòng)引導(dǎo)車輛。此外，區(qū)別于工廠柔性生產(chǎn)系統(tǒng)(fms)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(cims)和物流中心(logistic center)等領(lǐng)域物料運(yùn)輸?shù)幕谝曈X引導(dǎo)的自動(dòng)車輛，本次的新型agv應(yīng)充分考慮駕駛員的感受，因此嘗試把人體工程學(xué)的一些理念加入轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)之中。2.2系統(tǒng)的總體方案的設(shè)計(jì)。2.2.1課題要求及性能參數(shù)本次課程設(shè)計(jì)的自由引導(dǎo)車輛的相關(guān)課題內(nèi)容為：1.根據(jù)視覺引導(dǎo)車輛的應(yīng)用要求在有限的空間內(nèi)設(shè)計(jì)一工作可靠、靈活的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；2.設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)3設(shè)計(jì)、選擇轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣元件；4.本次開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)能夠

17、裝車運(yùn)行。該視覺導(dǎo)航agv工作性能參數(shù)如下： 工作運(yùn)行速度：5km/h 最高行駛速度：11.3km/h 最小轉(zhuǎn)彎半徑：0.75米 有效避障距離：0.5-3米 可識別分支路徑：20條 可識別工位數(shù)：80個(gè) 運(yùn)行控制方式：自動(dòng)或遙控 遠(yuǎn)程調(diào)度管理方式：中央計(jì)算機(jī)集中數(shù)傳通信控制2.2.2 轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)汽車在行駛時(shí)，經(jīng)常需要改變行使方向。汽車上用來改變汽車行使方向的機(jī)構(gòu)稱為汽車轉(zhuǎn)向系。汽車行駛方向的改變是由駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系來改變轉(zhuǎn)向輪（一般是前輪）的偏轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向系不僅可以改變汽車的行駛方向，使其按照駕駛員規(guī)定的方向行駛，而且還可以克服由于路面?zhèn)认蚋蓴_力是車輪自行產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向，恢復(fù)汽車原來的

18、行駛方向。對轉(zhuǎn)向系提出的要求有：1） 汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項(xiàng)要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。2） 汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。3） 汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動(dòng)。4） 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最小。5） 保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。6） 操縱輕便。7） 轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。8） 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。

19、9） 在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身變形而共同后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。10） 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類，選用及組成。2.3.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類及選用。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照能源的不同，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（人力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）與動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）兩大類。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全依靠駕駛員的手力操縱，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所有機(jī)件都是機(jī)械的。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際上是一種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兼用駕駛員手力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力作為操縱能源。在正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱能量，只有一小部分由駕駛員提供，大部分能量是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過轉(zhuǎn)向加力裝置提供的

20、。本次設(shè)計(jì)選用動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)加轉(zhuǎn)向加力裝置組成。轉(zhuǎn)向加力裝置包括轉(zhuǎn)向油罐，轉(zhuǎn)向油泵，轉(zhuǎn)向控制閥，轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸等機(jī)件。轉(zhuǎn)向油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生助理高壓油液。當(dāng)駕駛員逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向搖臂將拉動(dòng)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向主拉桿向前運(yùn)動(dòng)。主拉桿的拉力作用在轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，一方面使左側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)及左側(cè)轉(zhuǎn)向輪繞主銷向左偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，另一方面又通過梯形臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿使另一側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向輪也繞該側(cè)轉(zhuǎn)向主銷偏轉(zhuǎn)一定角度。這時(shí)汽車將向左轉(zhuǎn)向。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)向主拉桿還帶動(dòng)了轉(zhuǎn)向控制閥1中的滑閥移動(dòng)，使轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的左腔接通轉(zhuǎn)向油泵的出油口，右腔通過轉(zhuǎn)向控制閥與轉(zhuǎn)向油罐接通。轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的活塞所受的向右

21、液壓作用力便經(jīng)其推桿也作用在轉(zhuǎn)向橫拉桿上。由于液壓力較大，便在很大程度上減輕了駕駛員的操縱力。圖2-1：動(dòng)力轉(zhuǎn)向示意圖1- 方向盤；2-轉(zhuǎn)向軸；3-轉(zhuǎn)向中間軸；4-轉(zhuǎn)向油管；5-轉(zhuǎn)向油泵；6-轉(zhuǎn)向油罐；7-轉(zhuǎn)向搖臂；8-轉(zhuǎn)向橫拉桿；9-轉(zhuǎn)向搖臂；10-整體式轉(zhuǎn)向器；11-轉(zhuǎn)向直拉桿；12-轉(zhuǎn)向減振器。動(dòng)力轉(zhuǎn)向按其傳力工作介質(zhì)，可分為液壓式和氣壓式兩種。液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向是以油泵產(chǎn)生的高壓液體作為動(dòng)力。齒輪式油泵用得較多，也有采用葉片泵或柱塞泵的；油液多用錠子油。由于液壓式的工作壓力高和油液的不可壓縮性，液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向缸尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，靈敏度高。同時(shí)，因油液黏度產(chǎn)生的阻尼作用和潤滑性能，液

22、壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向可以吸收路面沖擊，減輕駕駛員的疲勞，而且不需要潤滑。因此，液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，密封要求嚴(yán)，但仍能得到廣泛的應(yīng)用?？諝馐絼?dòng)力轉(zhuǎn)向以壓縮空氣為動(dòng)力。由于工作壓力較低，為獲得同樣大小的力，動(dòng)力缸尺寸和重量要求比液壓式增大。同時(shí)，由于氣體的可壓縮性和低溫時(shí)空氣中水分容易結(jié)冰，氣壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向的靈敏度和安全，可靠性都較差。因此氣壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向現(xiàn)已很少采用。因此本次課程設(shè)計(jì)的自由引導(dǎo)車輛選用液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，且此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1） 工作壓力高，一般可達(dá)到3924至8000kpa。2） 外廓尺寸較小，容易布置，安裝方便，一般不易在不改變原車結(jié)構(gòu)的情況下即可安裝使用。3）

23、 轉(zhuǎn)向靈敏度高，操縱輕便，施與方向盤上的力較小，減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。4） 安全可靠，當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，駕駛員仍可靠體力安全轉(zhuǎn)向。5） 使汽車保持直線行駛，松開方向盤保證車輪能自動(dòng)回正。6） 路感性能好，不會因省力而發(fā)飄。7） 能吸收路面對前輪產(chǎn)生的沖擊，減輕了方向盤所受到的反沖擊力和“打手現(xiàn)象”。8） 能有效地減輕前輪擺振。 2.3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成本次課程設(shè)計(jì)的新型agv的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向助力缸，轉(zhuǎn)向油泵，轉(zhuǎn)向油罐，以及用于自動(dòng)轉(zhuǎn)向的電機(jī)減速箱等部件組成。2.3.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件選用及設(shè)計(jì)。2.3.3.1轉(zhuǎn)向器的選用。 轉(zhuǎn)向器的功用是將駕駛員加在轉(zhuǎn)向盤上的力矩放大，并降低速度，

24、然后傳給轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。汽車上采用許多種結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)向器，如齒輪齒條式，循環(huán)球-齒條齒扇式，循環(huán)球-曲柄指銷式和蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器。 本次設(shè)計(jì)選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由與轉(zhuǎn)向軸做成一體的齒條組成。與其它形式轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較??；傳動(dòng)效率高達(dá)90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部，靠近主動(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，可自動(dòng)消除齒間間隙。這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積小；沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。

25、圖2-2：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器現(xiàn)代汽車的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有兩種類型：一種是手控轉(zhuǎn)向裝置；另一種是動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置。配有動(dòng)力轉(zhuǎn)向齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的車輛，增加了液力泵和液壓動(dòng)力缸，在轉(zhuǎn)向器小齒輪轉(zhuǎn)向軸上裝有液壓控制閥。為了使齒輪齒條式間始終無間隙嚙合，通過彈簧和齒條壓塊，對齒條有一定的壓力。壓力過大會造成轉(zhuǎn)向不靈活和齒輪齒條磨損過大，因此裝有調(diào)整墊圈來調(diào)整壓力。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由一套傳動(dòng)副組成，即齒輪齒條傳動(dòng)副。轉(zhuǎn)向器殼體由螺栓固定在車架上。轉(zhuǎn)向齒輪垂直地安裝在殼體左部。其上端通過柔性萬向節(jié)連接板與轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中的柔性萬向節(jié)連接，與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合的齒條一起呈水平布置。彈簧通過導(dǎo)向座將齒條壓靠在齒輪上，保證無

26、間隙嚙合狀態(tài)。轉(zhuǎn)向齒條的右端裝有連接叉與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。為避免齒條移動(dòng)使左右防塵套內(nèi)氣壓不平衡而產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)向阻力，在轉(zhuǎn)向器殼體鉆有通氣孔，將兩端的防塵套內(nèi)腔接通。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：因逆效率高（60%-70%），汽車在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制汽車行駛方向，轉(zhuǎn)向盤突然轉(zhuǎn)動(dòng)又會造成打手，對駕駛員造成傷害。 本次的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器采用的是斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條相嚙合，這樣可以使重合度增加，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角易于滿足總體設(shè)計(jì)的要求。如果采用直齒

27、圓柱齒輪與直齒齒條嚙合，則運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性降低，沖擊大，工作噪聲增加。此外，齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角只能是直角，為此與總體布置不適應(yīng)而遭淘汰。 本次設(shè)計(jì)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置是將轉(zhuǎn)向控制閥與機(jī)械轉(zhuǎn)向器組合成一個(gè)部件，將轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸作為獨(dú)立部件，因此也可以稱這次的轉(zhuǎn)向器為半整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。 其中，位于動(dòng)力轉(zhuǎn)向器上部的轉(zhuǎn)向控制閥組件，主要由閥體，閥芯及扭桿組件等組成。控制閥閥體呈圓桶型，其外圓柱形表面上，制有三道較寬且深的油環(huán)槽和三道較窄且淺的密封環(huán)槽。油環(huán)槽的底部開有與內(nèi)壁相通的油孔，中間油環(huán)槽的四個(gè)油孔直徑較大，是進(jìn)油通道，與轉(zhuǎn)向液壓泵相通；兩側(cè)油環(huán)槽各有四個(gè)直徑較小的油孔，分別與動(dòng)力缸的左右腔相通

28、。密封環(huán)槽用于安裝密封圈組件。閥體的內(nèi)表面制有8條不貫通的縱槽，形成8道槽肩。在閥體下部內(nèi)表面固定有鎖銷，次鎖銷的外端埋在外圓表面以下，內(nèi)端伸出少許，與扭桿組件下端軸蓋外圓上的缺口相配合，是二者都不能相對轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向螺桿上端的法蘭部分的外圓滑配在閥體的下端止口中，閥體的下邊緣開有矩形缺口，此缺口與轉(zhuǎn)向螺桿用鎖銷相配合，形成閥體和驅(qū)動(dòng)螺桿的傳力連接。閥芯也制成圓桶型，其外圓表面與閥體滑動(dòng)配合，二者可以相對轉(zhuǎn)動(dòng)。閥芯與閥體配合間隙很小，配合精度很高，二者組成偶件，不可單獨(dú)更換。閥芯外表面上也制有八條不貫通的縱槽，形成八道槽肩，分別與閥體的槽肩和縱槽配合形成液體流動(dòng)間隙。在閥芯的不同槽肩上開有四個(gè)等間

29、隔的徑向通孔，用以流通液壓油。閥芯的上端外表面開有環(huán)槽，用來安裝o型密封圈。閥芯下端的內(nèi)圓柱開有一個(gè)缺口，短軸下端安裝的鎖銷既插入此缺口中，以保證短軸和閥芯的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而不發(fā)生相對角位移。閥芯和短軸留有較大的徑向間隙，用以流通回流的油液。在動(dòng)力轉(zhuǎn)向器上部設(shè)有進(jìn)油口和出油口，通過油管分別與轉(zhuǎn)向液壓泵和轉(zhuǎn)向油罐想連接。在進(jìn)油口處設(shè)有進(jìn)油閥座和止回閥，進(jìn)油口與閥體的中間油環(huán)槽相通。出油口和短軸與閥芯形成的回油腔相通。在轉(zhuǎn)向器殼體上開有兩條貫通的油道，一條上端與閥體的下油環(huán)槽相通，下端與動(dòng)力缸上腔相通；另一條上端與閥體的上油環(huán)槽相通，下端與動(dòng)力缸的下腔相通。當(dāng)汽車需要左轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤使短軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)

30、動(dòng)，并通過短軸下端鎖銷帶動(dòng)閥芯同步轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩通過具有彈性的扭桿傳給下端軸蓋，下端軸蓋邊緣上的缺口通過固定在閥體上的鎖銷帶動(dòng)閥體轉(zhuǎn)動(dòng)，閥體通過其下端缺口和鎖銷，把轉(zhuǎn)向力矩傳給螺桿。由于轉(zhuǎn)向阻力矩的存在，要有足夠的轉(zhuǎn)向力矩才能使轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)力矩促使扭桿發(fā)生彈性扭轉(zhuǎn)，造成閥體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，兩者產(chǎn)生相對角位移，通下動(dòng)力腔的進(jìn)油縫隙減小（或封閉）回油縫隙增大，油壓降低；通上動(dòng)力腔的進(jìn)油縫隙增大而回油縫隙減?。ɑ蜿P(guān)閉），油壓升高。齒條-活塞便在上下腔油壓差的作用下移動(dòng)，產(chǎn)生助力作用。此時(shí)來自轉(zhuǎn)向液壓泵的壓力油通過槽隙流向動(dòng)力缸上腔動(dòng)力缸下腔的油則通過閥體徑向孔，

31、槽隙，閥芯徑向孔和回油口流向儲油罐。汽車右轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)閥的工作情況基本上與左轉(zhuǎn)彎時(shí)相似。不同的是由于轉(zhuǎn)向方向相反，造成的閥體與閥芯的角位移相反，齒條-活塞下腔壓力升高而上腔油壓降低，產(chǎn)生向右的轉(zhuǎn)向助力。2.3.3.2轉(zhuǎn)向助力缸的選用。 助力缸主要由殼體和活塞組成，而本次設(shè)計(jì)的活塞與轉(zhuǎn)向器中的齒條做成一體。殼體材料有球墨鑄鐵和鑄造鋁合金兩種。球墨鑄鐵采用qt500-05，抗拉強(qiáng)度為500mpa,屈服點(diǎn)為350mpa。鑄造鋁合金多采用zl105，抗拉強(qiáng)度為154-240mpa。由于這次微型車所要求的轉(zhuǎn)向要求，初選鑄造鋁合金?；钊?0或45鋼制造。為提高可靠性和壽命，要求其表面鍍鉻并磨光。 圖2-3

32、：轉(zhuǎn)向助力缸2.3.3.3轉(zhuǎn)向液壓泵的選用。 轉(zhuǎn)向油泵是液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的主要?jiǎng)恿?，其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能向外輸出。轉(zhuǎn)向油泵有齒輪式，轉(zhuǎn)子式，和葉片式等數(shù)種。 轉(zhuǎn)向泵是汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能源，是一個(gè)關(guān)鍵部件，她的性能及可靠性，關(guān)系到能否準(zhǔn)確，輕便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和行駛安全，所以還必須滿足以下幾點(diǎn)要求。1） 保證汽車有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向速度。2） 轉(zhuǎn)向應(yīng)輕便，這就要求油泵有足夠的工作壓力。3） 高可靠性。轉(zhuǎn)向油泵的使用工況比一般工程用泵的工況要復(fù)雜的多，高速高壓，高速低壓，低速高壓，低速低壓的工況交替出現(xiàn)，油溫變化劇烈且范圍較大，所以必須具有高可靠性。本次設(shè)計(jì)選用嚙合齒輪式轉(zhuǎn)向油泵。在國內(nèi)

33、外汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是外嚙齒輪式轉(zhuǎn)向油泵。轉(zhuǎn)向油泵的使用技術(shù)條件是：體積小，質(zhì)量輕，驅(qū)動(dòng)噪聲小，在100攝氏度左右的高溫條件下能充分發(fā)揮性能，在寒冷季節(jié)啟動(dòng)性能好，能耐受高速。轉(zhuǎn)向油泵的流量和壓力是通過泵體內(nèi)的相應(yīng)閥門進(jìn)行調(diào)整的流量調(diào)整的目的是使泵的排量限制在規(guī)定的流量范圍內(nèi)，并使剩余的油液回流到油箱內(nèi)。調(diào)壓的目的是限制油泵油壓，保護(hù)油壓系統(tǒng)，防止操作機(jī)構(gòu)受力過大。流量調(diào)整閥和調(diào)壓閥為一體式。流量值的大小由調(diào)整節(jié)流孔的大小來控制，壓力值的調(diào)整是通過增減壓力調(diào)整彈簧的彈簧力來實(shí)現(xiàn)的。圖2-4：齒輪式轉(zhuǎn)向油泵齒輪式轉(zhuǎn)向油泵的頂部的右孔口為進(jìn)油口，左孔口為出油口。主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪均與軸制

34、成一體，二者的軸徑用軸套支撐在泵體，泵蓋上，左側(cè)兩軸套的軸向位置是固定的，右側(cè)兩軸套則可以沿軸向浮動(dòng)，稱之為浮動(dòng)軸套。限制齒輪油泵的軸向間隙，以提高油泵的容積效率和工作壓力較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)措施之一，即是采用浮動(dòng)軸套。在轉(zhuǎn)向油泵中，浮動(dòng)軸套凸緣的背面與泵蓋之間留有一個(gè)密閉空間，經(jīng)泵體上的小油孔與泵腔中壓力較高的區(qū)域相通，其中還裝有彈簧片。油泵不工作時(shí)，浮動(dòng)軸套在彈簧片的作用下壓靠到齒輪端面。油泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，泵腔液壓作用力便使浮動(dòng)軸套外移少許，形成軸向間隙。但此時(shí)浮動(dòng)軸套凸緣背面也受到液壓作用力，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)上保證了浮動(dòng)軸套背面的液壓作用力與彈簧力之和略大于其正面液壓作用力，所以當(dāng)油泵壓力升高而使軸向間

35、隙增大時(shí)，浮動(dòng)軸套可在液壓和彈簧作用下內(nèi)移，對間隙量加以補(bǔ)償。油泵壓力愈高，這一補(bǔ)償作用愈強(qiáng)，這就是對齒輪油泵軸向間隙的“液壓補(bǔ)償”方法。零件磨損所致的間隙增量則由彈簧片隨時(shí)補(bǔ)償。每個(gè)齒輪兩軸徑的端面處各有一個(gè)漏泄油腔，這四個(gè)油腔借泵體上的孔道和齒輪中心孔道互相連通，自齒輪端面處的軸向間隙漏泄出來的油液在潤滑各摩擦面之后流到這些油腔中。漏泄油腔中的壓力受控于由球閥門，彈簧及螺塞所組成的單向閥，單向閥進(jìn)油口與固定軸套一側(cè)的漏泄油腔相通，出油口則與油泵進(jìn)油腔連通。當(dāng)漏泄油腔壓力高于一定值時(shí)，單向閥即開啟，使油泵內(nèi)部潤滑循環(huán)油路接通。該轉(zhuǎn)向油泵內(nèi)安裝有流量控制閥和安全閥。差壓式的流量控制閥裝在油泵進(jìn)

36、油腔和出油腔之間，與油泵齒輪副并聯(lián)。安全閥位于流量控制閥內(nèi)。流量控制閥內(nèi)的柱塞在彈簧的作用下處于下極限位置，柱塞下方通油泵出油腔，上方通油泵進(jìn)油腔。在油泵出油腔與進(jìn)油腔之間有量孔，當(dāng)油液自出油腔以一定的速度流過量孔時(shí)，由于量孔的節(jié)流作用，量孔外側(cè)的進(jìn)油腔壓力低于量孔內(nèi)側(cè)的出油腔壓力。油泵流量愈大，量孔內(nèi)外壓力差則愈大。當(dāng)油泵流量增大到一定值，柱塞兩端壓力差的作用力足以克服彈簧的預(yù)緊力，并進(jìn)一步壓縮彈簧，將柱塞向上推到柱塞下密封環(huán)帶高于徑向油孔的下邊緣時(shí)，油泵出油腔即與進(jìn)油腔相通。此時(shí)出油腔中的一部分油液便經(jīng)流量控制閥流到進(jìn)油腔，因而經(jīng)量孔輸出的流量減小。流量減小到一定值以下時(shí)，量孔內(nèi)外兩側(cè)的壓

37、力差不足以平衡彈簧的彈力，柱塞被彈簧推下，重新切斷進(jìn)油腔與出油腔之間的通道，流量便又逐漸增大。如此反復(fù)，轉(zhuǎn)向油泵的流量便被限制在一定的流量范圍內(nèi)。安全閥借助螺紋固定在流量控制閥柱塞上端。球閥門及彈簧所處的柱塞內(nèi)腔與油泵進(jìn)油腔相通，球閥門上方油腔經(jīng)泵體內(nèi)的油道通向量孔外的進(jìn)油腔。油泵輸出壓力升高到規(guī)定的最高值時(shí)，球閥開啟，將進(jìn)油腔與出油腔連通，油泵輸出壓力即降低。2.3.3.4電機(jī)減速器的選用。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的新型agv要包含自動(dòng)轉(zhuǎn)向的部分，所以要用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過減速箱-離合器等帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸模擬駕駛員操縱方向盤實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。因此，設(shè)計(jì)的減速箱應(yīng)達(dá)到傳動(dòng)比要求。而且此減速箱應(yīng)力圖使其尺寸較小以合理布置

38、在狹小的空間內(nèi)。由于采用直流伺服系統(tǒng)的國內(nèi)直流電機(jī)一般體形較大，重量較重，不滿足本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則，所以我選用ls系列低速直流伺服電機(jī)。 低速直流伺服電機(jī)是一種小體積、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的特種控制電機(jī)，其由多級特種鋼制減速器與伺服直流馬達(dá)組成，尺寸小、重量輕、轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)緊湊而轉(zhuǎn)矩極大，特別適用于空間有限而又要求大轉(zhuǎn)矩工作的特殊場合。 低速直流伺服電機(jī)同時(shí)還與過載保護(hù)離合器和制動(dòng)器相結(jié)合，大批量應(yīng)用于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，自動(dòng)翻轉(zhuǎn)控制機(jī)，構(gòu)電動(dòng)機(jī)械手以及車載自動(dòng)裝置。2.3.3.5轉(zhuǎn)向油罐的選用。轉(zhuǎn)向油罐的作用是儲存，濾清并冷卻液壓轉(zhuǎn)向加力裝置的工作油液，本次設(shè)計(jì)采用的是日本hq201型轉(zhuǎn)向油罐。這種油

39、罐的兩個(gè)油管接頭分別裝接轉(zhuǎn)向油泵的進(jìn)油管和加力裝置的漏泄回油管路。3 相關(guān)設(shè)計(jì)及校核計(jì)算3.1電機(jī)的計(jì)算。 （1）選擇電動(dòng)機(jī)的類型。由于空間與重量的限制以及自動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸的功能要求，選用貝姆勒ls系列直流伺服電機(jī)。（2）選擇電動(dòng)機(jī)的容量。工作軸所需功率 傳動(dòng)裝置總效率 由設(shè)計(jì)資料查得各部分效率如下：一對滾動(dòng)軸承的效率 =0.995閉式齒輪傳動(dòng)效率 =0.98所以=0.946所需電機(jī)的功率為 查得ls系列電機(jī)額定功率為50w（3）確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由單級圓柱齒輪傳動(dòng)比范圍3-5，則總傳動(dòng)比范圍是=925可見電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可選范圍為：（925）15=135375r/min符合這一范圍的轉(zhuǎn)速有220 r/m

40、in和350 r/min兩種，考慮價(jià)格，選用轉(zhuǎn)速為220 r/min的電動(dòng)機(jī)。其規(guī)格參數(shù)為：額定電壓：dc 12-24v，工作溫度：-30-60；空載電流：0.6a； 負(fù)載電流：1a；輸出轉(zhuǎn)速：220r/min; 電機(jī)重量：1kg;工作噪音：1米處55db;減速系統(tǒng)：多級鋼質(zhì)減速器。3.2 齒輪的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。第一對齒輪：(1)大小齒輪材料用40mnb，表面淬火，齒面硬度4855hrc。 由工作軸轉(zhuǎn)速為15 r/min，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速220 r/min 得減速箱總傳動(dòng)比為i=220/15=14.67,初選第一對齒輪的傳動(dòng)比，取小齒輪齒數(shù),(2) 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)，承載能力

41、一般取決于彎曲強(qiáng)度，故現(xiàn)按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)，驗(yàn)算接觸強(qiáng)度。 確定式中各數(shù)值：因載荷有輕微沖擊，有使用系數(shù)查得=1，初選載荷系數(shù)=1.5；=9.55 nmm=1.88-3.2（+）=1.88-3.2()=1.65=0.25+=0.70選取=0.7查表得 =60njl =6022010.2830010=3.16 =/3=1.05查表得 y=0.95，y=0.98選 s= 1.25 按齒面硬度均值51hrc,查表得 =450mpa =342mpa 同理， =353 mpa =0.0128 同理，=0.0111 所以，取前者設(shè)計(jì)齒輪。設(shè)計(jì)齒輪模數(shù)：將確定后的各項(xiàng)數(shù)值代入設(shè)計(jì)公式，求得： = =0.55mm

42、修正： =0.12m/s查表得 則: k=kkkk =1.32m=m=0.53mm考慮到磨損，選用m=1.25的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)確定齒輪幾何參數(shù)d=m z=1.2519=24mmd=m z=1.2557=66mma=45b=240.7=16mm 取=16，=14校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度由彈性系數(shù)表查得z=189.8由節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)圖查得由接觸強(qiáng)度重合度系數(shù)表查得 由接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)圖查得=1.15在齒輪的接觸疲勞極限系數(shù)圖中，按齒面硬度均值51hrc，在mq和ml線之間查出 =由最小安全系數(shù)參考值表查得 .25 =933 =975 取前者作為強(qiáng)度條件。將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度校核公式，得 =387

43、m pa所以滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度。第二對齒輪：(1)大小齒輪材料用40mnb，表面淬火，齒面硬度4855hrc。 ，取小齒輪齒數(shù),(2) 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)，承載能力一般取決于彎曲強(qiáng)度，故現(xiàn)按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)，驗(yàn)算接觸強(qiáng)度。 確定式中各數(shù)值：因載荷有輕微沖擊，有使用系數(shù)查得=1，初選載荷系數(shù)=1.5；=9.55 nmm=1.88-3.2（+）=1.88-3.2()=1.67=0.25+=0.70選取=0.8查表得 =60njl =6073.310.2830010=1.05 =/3=2.15查表得 y=0.98，y=1.00選 s= 1.25 按齒面硬度均值51hrc,查表得 =

44、450mpa =353mpa 同理， =360 mpa =0.0128 同理，=0.0108 所以，取前者設(shè)計(jì)齒輪。設(shè)計(jì)齒輪模數(shù)：將確定后的各項(xiàng)數(shù)值代入設(shè)計(jì)公式，求得： = =0.79mm修正： =0.055m/s查表得 則: k=kkkk =1.32m=m=0.76mm考慮到磨損，選用m=1.5的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)確定齒輪幾何參數(shù)d=m z=1.518=27mmd=m z=1.588=132mma=79b=270.8=21.6mm 取=23，=21校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度由彈性系數(shù)表查得z=189.8由節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)圖查得由接觸強(qiáng)度重合度系數(shù)表查得 由接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)圖查得=1.30在齒輪的接觸疲勞極限系

45、數(shù)圖中，按齒面硬度均值51hrc，在mq和ml線之間查出 =由最小安全系數(shù)參考值表查得 .25 =975 =1102 取前者作為強(qiáng)度條件。將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度校核公式，得 =439 m pa所以滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度。3.3 工作軸軸承的相關(guān)計(jì)算。根據(jù)工況選用選用正裝的兩個(gè)圓錐滾子軸承，型號為30207e，已知齒輪受圓周力326n，徑向力150n，軸向力100。 圖3-1 ：軸承受力分析（1） 計(jì)算軸承承受的徑向載荷r1和r2將軸系部件受到的空間力系分解為水平面和鉛垂面兩個(gè)水平力系。由力分析可知：水平支反力： 鉛垂支反力：合成支反力：= =140.6n= =241.1n（2） 計(jì)算軸承

46、承受的軸向載荷和查設(shè)計(jì)手冊，30207e軸承的c=51.5kn，=37.2n對于此類軸承，查得派生軸向力的計(jì)算公式為s=r/（2y）；由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查出y=1.6，e=0.37。 由于，因?yàn)閚=3,故a-a截面的疲勞強(qiáng)度是足夠的。3.5動(dòng)力缸尺寸的計(jì)算。動(dòng)力缸的主要尺寸有動(dòng)力缸的內(nèi)徑，活塞桿直徑和動(dòng)力缸殼體壁厚。動(dòng)力缸應(yīng)產(chǎn)生的推力f用下式計(jì)算 f=。式中，m,為轉(zhuǎn)向搖臂的長度；l=210m,為轉(zhuǎn)向搖臂軸到動(dòng)力轉(zhuǎn)向缸活塞之間的距離。推力f與工作油液壓力p和動(dòng)力截面缸截面面積s之間有如下關(guān)系 f=ps所以 s=因?yàn)閯?dòng)力活塞兩側(cè)的工作面積不同，應(yīng)按較小一側(cè)的工作面積來計(jì)算，即 s=式中，d為動(dòng)力缸內(nèi)

47、徑；為活塞桿直徑，一般=0.54d聯(lián)立以上個(gè)式后得 d=0.046m，=0.025m。式中，壓力p一般在610mpa,這里p=8mpa。當(dāng)活塞移動(dòng)到兩側(cè)極限位置時(shí)，其端面到缸蓋之間應(yīng)留有0.3d的間隙，以利于活塞導(dǎo)向作用。已知活塞的厚度b=7mm，活塞行程mm。則動(dòng)力缸的最大長度s=20.3d+7+=135mm。動(dòng)力缸殼體壁厚t，根據(jù)計(jì)算軸向平面壓力來確定。=其中，n為安全系數(shù)，n=3.5，為殼體材料（鑄造鋁合金）屈服強(qiáng)度154mpa得到 t1.95,取t=2mm 。4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1具體任務(wù)介紹及意義。具體任務(wù)：自動(dòng)引導(dǎo)小車在行走時(shí)接收到進(jìn)入攝象采集裝置的轉(zhuǎn)向信號，為了使小車準(zhǔn)確的按照信

48、號的意圖完成轉(zhuǎn)向要求，筆者設(shè)計(jì)了以直流伺服電機(jī)為執(zhí)行裝置，利用單片機(jī)為主控制器的位置環(huán)反饋控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)意義：模擬現(xiàn)實(shí)新型agv的轉(zhuǎn)向角反饋檢測控制，初步理解現(xiàn)代化概念車輛的設(shè)計(jì)理念，鞏固單片機(jī)的原理并了解了模擬控制的一般方法。4.2設(shè)計(jì)的總體方案。4.2.1設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。4.2.1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)圖的建立依據(jù)。自動(dòng)控制系統(tǒng)是由若干環(huán)節(jié)組成，若要列出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖，首先根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)畫出大體的結(jié)構(gòu)框圖，在圖中標(biāo)出各方塊（環(huán)節(jié)）的輸入輸出量以及系統(tǒng)的給定，擾動(dòng)，被控制量等，然后簡化成原則性方塊圖。根據(jù)本次課程設(shè)計(jì)自動(dòng)引導(dǎo)小車轉(zhuǎn)向角位移測控系統(tǒng)的要求，需要采用伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械參

49、數(shù)作為被控量的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。這些機(jī)械參量包括位移，加速度，力和力矩等。本次課程設(shè)計(jì)的機(jī)械參量為角位移。伺服系統(tǒng)是所有機(jī)電一體化設(shè)備的核心，它的基本設(shè)計(jì)要求是輸出量能迅速而準(zhǔn)確的響應(yīng)輸入指令的變化，如本次小車轉(zhuǎn)向角位移測控系統(tǒng)的目標(biāo)是使小車能夠按指定的要求進(jìn)行轉(zhuǎn)向，象這種必須隨時(shí)跟蹤指定目標(biāo)的控制系統(tǒng)即為伺服系統(tǒng)，它又被人們稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。本次的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)如大多數(shù)伺服系統(tǒng)一樣必須是具有檢測回路的反饋控制系統(tǒng)，這樣才能將檢測到的信號反饋回去進(jìn)一步校準(zhǔn)與糾正，實(shí)時(shí)的進(jìn)行轉(zhuǎn)向，對轉(zhuǎn)過的角度達(dá)到一定的要求與限制。而這就要求我們采用傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論來進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。對于本次課程設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件

50、采用電氣式，電氣執(zhí)行元件以電能為動(dòng)力，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰苹蜣D(zhuǎn)角等，包括直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等。由于此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)引導(dǎo)引導(dǎo)小車內(nèi)置了車載蓄電池提供了直流電源，所以此次的執(zhí)行元件采用的是直流伺服電機(jī)，而根據(jù)要求設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)方塊圖即為直流伺服的閉環(huán)控制框圖。4.2.1.2系統(tǒng)框圖元件說明。直流伺服電機(jī)：由上所述，直流伺服電動(dòng)機(jī)即是滿足伺服系統(tǒng)要求的直流電動(dòng)機(jī)，它分為有刷dc伺服和無刷dc伺服。在傳統(tǒng)的有刷dc伺服中，整流子和電刷一起起著回轉(zhuǎn)開關(guān)的作用，隨著功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，霍爾元件和大功率晶體管代替了整流子和碳刷的作用，就產(chǎn)生了無刷dc伺服。與普通電動(dòng)機(jī)相比，dc伺服具有工

51、作精度高，調(diào)速性能好，帶負(fù)載能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。雖然其工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同，但為了減小體積和提高散熱，dc伺服電動(dòng)機(jī)通常采用永久磁鐵勵(lì)磁。本次課程設(shè)計(jì)由于根據(jù)成本要求采用有刷dc永磁勵(lì)磁直流電機(jī)。功率放大即執(zhí)行電路：控制系統(tǒng)性能的好壞，不僅取決于驅(qū)動(dòng)電路的性能以及兩者之間的相互配合。對驅(qū)動(dòng)電路一般要求是頻帶寬，效率高，能量能回輸?shù)取Ｄ壳霸跓o人搬運(yùn)小車系統(tǒng)應(yīng)用廣泛的直流伺服電機(jī)的晶體管驅(qū)動(dòng)電路，有線性直流伺服放大器和脈寬調(diào)制放大器（pwm）兩種。一般情況下，寬頻帶低功率系統(tǒng)選擇線性放大器（小于幾百瓦），而脈寬調(diào)制放大器常用在要求低速和大轉(zhuǎn)矩并且需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的場合。該系

52、統(tǒng)采用脈寬調(diào)制放大器。pwm的優(yōu)點(diǎn)是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗低。基本原理是利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率（2000hz）的方波電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。即脈寬調(diào)制。pwm信號需要連接功率放大器才能驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)。下圖為典型的雙極性輸出的h型橋式晶體管功率放大器。圖4-1： h型橋式pwm功率放大器原理圖傳感器的選用：對于數(shù)字輸出式位移傳感器，采用光電脈沖編碼器，光柵等，它們采用光敏元器件接受信號，再經(jīng)過信號處理送入cpu。采用這種傳感器的控制系統(tǒng)，分辨能力高，價(jià)格低，但抗干擾能力較差，對其安裝和工作環(huán)境要求較高。對于模擬輸出式位移傳感器，目前采用較多的是磁柵，旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器等。它們的電感量隨移動(dòng)物體的位移而發(fā)生變化，其制造比較簡單，工作環(huán)境要求不高，抗干擾能力較強(qiáng)。在測控系統(tǒng)中使用的位移傳感器主要應(yīng)滿足以下要求：