agv车设计讲解

毕 业 设 计

题 目 AGV自动导引小车的设计 英文题目 the Design of AGV Automatic

Guided Vehicles

院 系

专 业 姓 名 年 级

指导教师

xx 年 六 月

本科生毕业论文(设计)独创性声明

本人声明所呈交的毕业论文(设计)是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为。本科毕业设计答辩稿与学校提交的相似度检测文本完全一致。

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摘 要

AGV是自动导引小车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写。它是指电磁或光学自动导引装置的设备，能按照规定的行驶路径，并具有安全保护功能的作用。本次设计主要对自动导引小车的发展历史、种类以及小车结构设计和小车的技术参数进行说明，提出AGV导引小车设计的研究内容；然后说明自动导引小车总体设计，对于传感器的选用及规格参数也进行详细的论述及说明；在自动导引小车的机械设计部分中对车轮轴和轴承的选取和校核进行了比较全面的分析，这也是本次设计的主要部分，然后再从小车的结构出发，用Pro/E对小车进行三维建模，详细伺服驱动电动机的选取，齿轮的设计与选取，还有驱动方式和车轮的选择，最后说明传感器的布置；接着对自动导引小车的驱动系统和行驶过程也进行了比较全面的分析论述，分析小车在行驶过程中的驱动力、行驶阻力、行驶的附着条件与附着率，以及主减速比的选择和电源部分选择，这些都用来提高小车的性能；最后说明本次设计的结论和展望。在目前自动化的物流系统当中，自动导引小车将能够充分发挥其高效率，高灵活性以及经济性比较好的一些优点。

【关键词】 AGV；自动导引小车；行走策略；传感器；电机驱动

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Abstract

AGV is homing car (Automated Guided Vehicle) of English abbreviations. It refers to the equipment of electromagnetic or optical automatic guiding device, can drive path in accordance with the relevant provisions, and have the function of the safety protection function. This design mainly development history, kinds of automatic guided vehicles and the car structure design and technical parameters of the car, research content for the design of AGV guided the car; Then explain overall design of automatic guided vehicles for the selection of sensors and the specification parameters are also discussed in detail and instructions; In the mechanical design of the automatic guided vehicles parts and check the selection of car axle and bearing has carried on the comprehensive analysis, it is also the main part of the design, and then from the structure of the car, car in Pro/E 3 d modeling, detailed selection of servo motor, gear design and selection, and drive mode and the choice of the wheel, and pointed out the arrangement of sensors; Then the drive system and the driving process of automatic guided vehicles is also carried on the comprehensive analysis, this paper analysis the car in the driving force in the process of driving, driving resistance, adhesion conditions of road and adhesion rate, as well as the selection of main reduction ratio and the power part, these are used to improve the performance of the car; Finally,

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the conclusion and outlook of the design are described. In the current logistics system of automation, automatic guided vehicles will be able to make full use of its high efficiency, high flexibility and economy better some advantages.

【Key words】AGV; automatic guided vehicle; walking strategy; sensor motor drive

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目 录

前 言 ............................................................. 1 第一章 绪论 ....................................................... 2 1.1 关于AGV的说明及研究.......................................... 2 1.2 AGV的种类 .................................................... 2 1.3 国内外AGV发展历史及趋势...................................... 3 1.4 AGV的结构 .................................................... 3 1.5 AGV小车主要的技术参数 ........................................ 5 1.6 课题研究内容.................................................. 6 第二章 AGV总体设计 ................................................ 7 2.1 AGV机构部分 .................................................. 7 2.2 AGV电控部分 .................................................. 8

2.2.1 传感器的选用 .................................................... 8 2.2.2 AGV的控制部分 ................................................. 11 2.2.3 AGV的执行部分 ................................................. 12

2.3 本章小结..................................................... 14 第三章 AGV机械部分的设计 ......................................... 15 3.1 AGV机械结构的设计 ........................................... 15 3.2 AGV小车机械结构与建模 ....................................... 16

3.2.1 三轮布置的AGV小车结构与其建模 ................................. 16 3.2.2 四轮布置的AGV小车结构与其建模 ................................. 18

3.3 伺服驱动电动机的选取及其参数................................. 21 3.4 减速器的使用范围及选取....................................... 25 3.5 轴的设计及其参数的计算....................................... 26

3.5.1 轴的设计方法 ................................................... 26 3.5.2 驱动后轮轴的设计 ............................................... 27 3.5.3车轮轴的受力分析和校核 ......................................... 28 3.5.4 车轮轴承的受力分析和校核 ....................................... 29

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3.6 齿轮的设计和选取............................................. 31 3.7 驱动方式的选择和车轮的选择................................... 33 3.8 本章小节..................................................... 34 第四章 AGV驱动系统的设计 ......................................... 35 4.1 驱动系统的部件............................................... 35 4.2 AGV行驶过程的分析 ........................................... 36

4.2.1 AGV小车行驶阻力的计算 ......................................... 36 4.2.2 AGV小车行驶驱动力的计算 ....................................... 38

4.3 AGV行驶的附着条件与附着率分析 ............................... 38 4.4 主减速比的选择............................................... 40 4.5 电源的选择................................................... 42 4.6 本章小节..................................................... 43 第五章 结论 ...................................................... 44 参考文献 ......................................................... 45 谢 辞 ............................................................ 47

V

前 言

随着经济社会的发展，自动化的设备越来越得到人们的青睐。首先，自动化的设备能使企业的生产操作更加人性化，更加的快捷方便；其次采用自动化的设备可以把一些比较繁重的体力劳动交给自动化的设备来进行处理，这样可以极大地提高企业的劳动生产率，降低企业的生产成本；还有自动化设备有助于提高社会生产力，系统推动工业飞速发展，提高生产能力，工作质量，使工作地的安全性和可靠性都能得到显著的提高，而且调整和维修方便。

目前，在自动化设备的发展过程中，企业越来越看重自己的生产成本与生产效率，自动导引小车就是结合企业在自动化生产中的这个需求得到了广泛的应用和发展。本次设计的课题是《AGV自动导引小车设计》，主要针对自动导引小车的传感器，车轮轴与轴承，伺服电动机，传动齿轮进行了详细的论述和分析，对它们选取过程以及校核等进行了说明；其次重点针对自动导引小车行驶过程中所受到的各种力以及小车行驶条件进行了详细的说明。这也是本次设计研究的重点问题，更多的细节问题将会在下面的章节中进行更为细致的讨论。

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第一章 绪论

1.1 关于AGV的说明及研究

AGV(Automatic Guided Vehicle),自动导引AGV小车。自动导引小车不仅可以用于物料的输送，而且具有装载货物的功能，还可以全自动移动到另一个地方，把所载的货物自行能够卸下来的一个智能自动化的小车。自动导引小车通常以电池作为其的动力的提供者，但现在有些制造商使用非接触能量传输系统作为AGV小车的动力源。自动导引小车运动特性跟其它车辆一样采用的是轮子，与其它不是以轮子运动为特性的（爬行或者是步行机器人）相比较，AGV小车不管是在其速度上，工作效率上，还是在其结构上优点都是比较突出，而且控制性和操作性比较简单，安全性方面也是特别可靠的。AGV小车还有一个比较好的优点是如果在其使用的路径上有其它的运输设备，则这些设备不需要另外铺设轨道或者是其它的一些装置，而且小车对场地的宽度，道路和空间的使用相对来说都是比较低的。所以在现在企业比较自动化物流的一些系统中，自动导引小车的性能发挥的特别好，而且显现出其无人操作的自动化的高水平。自动导引小车一些自动化的动作也就是命令，还有它工作过程中行走的路径都是由电脑来进行操作控制的，有的一些小车以电磁轨道作为它的行进路径。在现在自动化的运输物流过程的系统中，搬运和装卸是无非是一个比较关键的节点，因为它在物流运输过程中使用的次数是最多的，也是物流费用中占比比较大的部分，正是因为自动导引小车的自动化程度比较高，不仅能够充电，而且外表精巧简洁，所以可以将企业的侧面形象提升到另一个层面。综上，自动导引小车是作为一种工具，在各种场合都可以配上它来使用，其发展势头非常好，所以AGV小车的发展的速度也非常快。

1.2 AGV的种类

自动导引小车的种类：无轨型和有轨型两种。

在地面上或者在一定的空间中具有机械式导向的轨道称为是有轨型的自动导引小车。有轨型的自动导引小车的结构比较牢靠，承载的能力也比较大，成本不高，尤其是无轨型的技术方面相对来说比较成熟以及可靠性好，定位的准确精度较高，在直线或环线的双向物流系统中经常用到。自动沿着电脑预先设置好的

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路径工作的小车称为无轨型的自动导引小车。

1.3 国内外AGV发展历史及趋势

自动导引小车首先在美国起源，然后在欧洲发展，接着在日本发展，最后来到了中国。1913，该公司第一次使用美国福特汽车引导车跟踪，这是AGV自动导引车的早期发展。经过美国福特汽车公司以后，AGV小车在英国得到了很快的提高，电磁导引的自动导引小车就是英国最先研发出来的。原先得AGV小车需要铺设轨道，而电磁导引使用使AGV小车摆脱这些缺点，因此AGV的运用变得更加的简单。到了60年代初期，自动导引小车在欧洲经济的推动下使其得到了更好的推广和应用，到了80年代，日本对这一方面进行了进一步的研究，这样便推出了拥有磁导航技术的自动导引小车，使得自动导引小车的稳定性大大得到了提升，自动导引小车也大量运用在了汽车领域，而且随着中日企业的深入交流，我们国内的很多企业也感觉到自动导引小车不仅能为企业节省人力，而且还能节省不必要的成本，以及提高工作的效率具有非常好的效果，因此近些年来自动导引小车在国内也得到了很快的发展。从自动导引小车各个技术层面来看，其最为关键也最为重要的一项技术自动导引技术。磁感应导引现在得到了非常广泛的应用，现在一些企业采用的主要是激光导引，而视觉导引也引起了人们的高度关注，现在惯性导引、超声波导引和磁钉一陀螺导引也引起了人们非常大的兴趣和关注度。

1.4 AGV的结构

引导AGV小车的原理是通过电脑预先进行编程小车所要行走的路径，小车在行走的时候，当电压由数字编码器和预编程的轨迹的位置被检测到偏差信号时，控制器会根据检测出的偏差信号对电动机的转速进行调整，然后偏差将会被纠正，这样会让AGV小车能根据预先设定的路径运动。因此，小车在行驶过程中，数字编码器需要连续检测来调整电机的速度，避免出现偏差以对整个系统进行很好的控制。

自动导引小车通过两个固定式的后轮驱动使其能够运动，转向功能是通过差速来保证的，万向轮是两个前轮，它的作用除了转向外还有支撑跟平衡的作用，这是四轮结构的形式。自动导引小车主要包括车体，车架，车轮，载荷传送装置，

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驱动装置以及动力系统六个大的部分。下面是每个部分的介绍：

（1）车体

由底盘、车架、壳体、控制室和相应的机械电气结构构成了整个车体，是AGV的基础部分。结构特征与一些电动车辆的相似，而且能够自动作业没有人驾驶小车的一些要求。车架焊接一般用钢构件而，如果小车的重心比较低，那么小车的抗倾翻能力就比较高。

（2）车架

车架是整个自动导引小车的支架，轮子、光感应器、伺服电机和减速器等都安装在车架上。车架设计的基本要求是它的强度和硬度都要比较大，所以车架材料一般选用铸造铝合金，以为铸造铝合金质量比较大，在焊接的时候性能也比较好。

（3）车轮

一般用实心的橡胶轮胎作为自动导引小车的车轮。 （4）载荷传送装置

自动导引小车的载荷传递装置是一种平板的结构，通过荷载传递装置运输箱型的东西到指定位置，也可以运输材料等。

（5）驱动装置

驱动装置是自动导引小车的驱动运行系统，能对小车的速度和制动进行控制。驱动电机、减速器、电机、控制与驱动器都是驱动装置所包含的。其一般是闭环和开环两种模式，以交流伺服电机为主的闭环模式，步进电机为主的是开环模式。

（6）动力系统

现在蓄电池是自动导引小车动力系统驱动能量的来源，用蓄电池的电能转化为机械能驱动小车以及车上的附属设备按照预先设定轨迹行进。根据车型的不同，以及不同车型的运行和载荷量的不同会有不同功率的蓄电池组合体，一般交流电压有12V、24V、48V及72V。

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1.5 AGV小车主要的技术参数

图1-1 自动导引小车实物结构图

（1）AGV小车的额定载重量：车体上总的物体的重量。 （2）AGV小车自重：指AGV小车与其车上电池加起来的重量。

（3）AGV小车的尺寸：是指小车的长度尺寸，宽度尺寸，外部的高度尺寸，这个尺寸应与AGV小车所放东西的尺寸以及小车所经过的道路的宽窄相兼容。

（4）停位的精度：指AGV小车的停车的位置与预先设定好的位置的差值。 （5）AGV小车最小转弯半径 ：在空载时的最低稳定转速转向，瞬时转向中心到汽车纵向中心线的距离。最小转弯半径是由车辆曲线确定，半径越小，显示其良好的可操作性。

（6）运行速度：自动导引小车在汽车在额定负载下运动达到的最高速度就是其运行速度。AGV小车的工作周期多少和效率的好坏都是由运行速度来决定的。

（7）工作时间：指自动导引小车完成工作周期所需的时间。 （8）运载类别：指自动导引小车所运输的物料的类型。

（9）移载方式：指自动导引小车以其它装置来进行行走和转向功能的一种运动形式。

（10）驱动形式：指自动导引小车以其它装置为其提供驱动行驶和进行转向。

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1.6 课题研究内容

自动导引小车是智能化的汽车技术，作为目前一种较为重要的自动化设备，在当前企业物流系统中已被广泛应用于各个方面。本次设计主要从AGV的机械部分的设计出发，得出总体设计的一些指标，然后再对其驱动系统进行分析，得到驱动方式跟车轮的选择以及驱动系统部件的选择与校准。

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第二章 AGV总体设计

2.1 AGV机构部分

上一章讲到载荷传送装置、车架、车体、驱动装置、动力系统和车轮是AGV的主要组成部分。自动导引小车的基础部分是车架和相应的机械部分和电气部分，也就是车体的部分。车架设计的基本要求是它的强度和硬度都要比较大，一般用1mm~3mm钢焊接钢板或铝合金板，可以减少汽车的重量，要防侧翻则取决于小车的重心。

自动导引小车一般用12V、24V、48V及72V电池作为其能量以驱动小车。电池要确保其工作至少8h多，由于不同的工作和不同的工作环境的影响，其应该满足基本的要求。自动导引小车驱动命令由计算机发出，驱动的速度大小以及方向都是由计算机来进行控制的。在工作的过程中可以用不同的方法来调整速度，AGV小车在不同的工作状态下所要求的行驶速度是不一样的，高速直线1m/s，转停0.2m/s~0.6m/s，接近站点时0.1m/s。

一般由地面控制器发出的控制指令系统，它将通过通信系统返回地面控制器。连续模式和分散模式是通信系统中两种主要的模式。连续模式的通信系统可以在任何位置以允许自动导引小车在任何时间相对地面控制器可以使用射频的方法，或在通信电缆导向路径中发送和接收信息，如用红外激光通信法；分散模式的通信是系统在AGV小车计划好的地方与地面控制器传送，其一般通过感应光或者是利用光学的方法来实现，当AGV小车与地面控制站得不到联系的时候说明两者通信之间存在故障。之所以现在很多车用这个原因是由于分散模式相对于连续模式价格比较便宜。对AGV自动。导引小车安全性来说，其安全性首先关系到AGV小车本身的一些基本防护，最主要的是对人不会产生危险的状况，还有就是对一些地面设备和物品的保护到位。

自动导引小车的导引方式可分为两大类:一类是配备一个路径的导引装置到小车上，而把引导传感器放置在小车所要运行的路径上，其中电磁导引的方式就是这样的;另一类是没有固定方式的自由路径进行导引，通过计算机的控制,AGV小车自动调节方位，然后自主地决定所要行驶路径。

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2.2 AGV电控部分

2.2.1 传感器的选用 1、红外线传感器的选用

（1）下面是红外传感器导引路径原理：

由于地面的颜色和色带的颜色是不一样的，把地面颜色和色带的颜色对比，黑色带选择在光线明亮的地面，白色带选择在光线灰暗的地面。自动导引小车配备的光源可以照亮色带。根据下图2-1可以形象的看出，小车上的光源经过反射后，通过光传感器进行接收，然后由传感器到达检测回路进行检测，当检测到小车行走的路径有偏差时，再到运算回路进行偏差的计算，最后到达驱动回路进行控制然后对小车的运行路径的偏差马上进行一个纠正回到原来的位置。因此，自动导引小车其可以始终沿着设定好的色带的轨迹运行。固态红外发光二极管和固态光敏二极管（或光敏三极管）都属于红外线光电传感器。

图2-1 光学导引原理图

（2）红外线导引路径的方法

方法一：发光利用的是发光二极管，接收利用的是光敏二极管。

黑带用来吸收可见光，所以发光二极管发出的光到黑带将会被吸收。输出端的电平比较低的原因是光敏二极管检测到的信号为高阻抗所导致的。光敏二极管接收到反射的可见光信号后其为低阻抗，输出端此时为高电平，这个可见光是由发光二极管发出的。由于环境对可见光光敏二极管有一定的影响，所以其电路的稳定性不是很好。

方法二：可见光用光敏电阻接收进行检测。

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该电路采用T型网络，可以避免比较大的反馈电阻，也可以提高其输入的阻抗。可见光信号由光敏电阻检测。光敏电阻的检测到黑带输出端的电平相对较低，光是电路的输出是比较高的，信号反馈给单片机，由点偏激控制小车的转向。由正负电源，加上环境对光敏电阻的影响，其电路的稳定性也不是很好。

方法三：红外线发射用红外发射管，接收用红外线二极管进行。

耦合发射和接收红外线信号，外面的可见光红外光敏三极管接收到的信号和辐射源输出隔离信号影响不大。变成电压信号以后，通过LM399红外信号接收机进行比较，具有的高电平或者低电平最后回到了单片机。 （3）具体设计的要求

根据价格便宜，易于实现，可靠性好的这三个原则，因此通过方法三，AGV小车的稳定性能得到提升。当出现较低的电平说明红外收发器遇到了黑带，要不然就是较高的电平。由程序控制AGV小车的方向是在中断查询的模式下进行的。

不同的传感器会有不同的应用程序，其检测即感应的范围从几毫米到几米远的范围。通过合理的选择，使用FS359F反射式红外线传感器，因为这个传感器相对于其它传感器安装比较简单，并且为了满足垂直距离5-10cm的检测目的，通常来说一般的红外线传感器做到这一点是比较难的，在电流40mA发射过程中使用，没有强烈的阳光（房间里的荧光灯）距离可达8cm进行干扰检测，完全可以满足探测距离要求。 2、超声波传感器的选用 （1）超声波感器避免碰撞的原理

超声波发射后当遇到障碍物时，其波将会被反射回来，通过把超声波发射波和接收被反射回来波的总的时间t测得,则可求出距离S=Ct/2，此距离就是超声波所测的距离（其中C为超声波的波速）。我们知道由于温度的变化会影响超声波的波速C，所以在使用的时候，超声波波速保持基本不变的前提温度变化的范围比较小，否则就要加以纠正，一般用温度补偿的方法予以纠正温度。下图2-2是超声波测距仪原理框图：

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图2-2 超声波测仪原理图

（2）超声波模块功能介绍

1）根据三种不同的测距模式来选择跳线J1：

短距：10cm~80cm左右;中距：80cm~400cm左右;可调距：其范围由可调节参数来选择。前两种模式都由由被测物表面的材料来进行选择。

2）单模组和多模组的使用：

单模组的使用：应用于测量与障碍物之间距离的实验，它是单传感器。 多模组的使用：根据模组上提供的接口J5、J6，由几个模组串联在一起组成阵列式的传感器组，它是阵列式的传感器。

3）应用方便：

可用于小范围内的距离的测量，机器人检测，障碍物检测，可用于验证汽车倒车雷达及家居安全系统验证中的应用方案。 （3）规格参数

超声波传感器的谐振频率：40KHz 模组传感器中的工作电压：4.5V~9V 模组接口的电压： 4.5V~5.5V 尺寸：

6.48cm4.07cm

如下图2-3所示是自动导引小车导引系统传感器的安装位置。本次设计使用五个红外线传感器。AGV小车用于跟踪白色导引线的红外线传感器下图中间的2号、3号和5号，取黑色导引线宽为100mm，那么灰度传感器2号、3号和5号之间的距离也为100mm，这样有利于更好的接收信息。当自动导引小车处于垂直交叉路口或者在拐弯的地方时由左右两边的号和4号两个红外线传感器检测来

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传递信息，图2-4所示导引系统局部放大图。

号灰度传感器左前轮右前轮黑色引导带 图2-3 导引系统安装位置图 图2-4 导引系统局部放大图 2.2.2 AGV的控制部分

自动导引小车的控制过程分析：当红外传感器接收到反射信号将被立即传送给单片机，再由单片机判断有无反射信号然后进行处理，与此同时超声波传感器也将信号传送给单片机，感应的时间通过单片机分析后进行处理，根据输出的控制信号路径的综合分析，然后AGV小车的动作通过控制电路对控制信号进行一定的放大后输入到电机后调整。整个控制过程无需光电编码器，在电动机状态没有反馈的状态下，通过传感器输入整个信息，这个过程属于开环控制。其电控系统示意图如图2-5所示。

图2-5电控系统示意图

信息源的多少是由开环控制的，在这里信息源和单片机分析分数据都是不怎

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么多的，通常把单片机作为控制器普遍使用。单一的信息源造成输入的信息是没有纠错能力是开环控制的主要的缺点。那么只有保证信息源的可靠性是开环控制很好的一个方法。本次设计所使用的单片机是AT89C51（其实物图如图2-6所示），AT89C51单片机的优点是指令简单，外围电路和I/O输入/输出操作也比较简单，硬件设计方便，无方向寄存器，资源丰富， 而且价格便宜，比较容易购买。最后使整个自动导引小车完成所设计的控制任务。

图2-6 AT89C51单片机

由此确定自动导引小车的设计总体思路:通过红外传感器作为导航，单片机为控制器，电机差动式实现转向，根据预设路线，实现AGV导航定位策略的方式及用最简单的设置、最少的器械部件。需要部件如下表2-1所示：

表2-1

名称

红外传感器 超声波传感器

车体 交流电动机 蓄电池 电源稳压模块 控制电路 单片机

2.2.3 AGV的执行部分

数量 4 1 1 2 2 1 1 1

车轮机构的运动是在车轮驱动速度知道的前提下，通过小车的运行速度和车轮角速度运动的机制来分析的。由自动导引小车汽车底盘结构的形式我们可以确定小车的导向和驱动两个系统不能单独分开工作。本次自动导引小车的设计采用

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的底盘为四轮式的底盘，后面的两个主动轮通过差速来进行小车的驱动以及进行小车的导向。在这个过程中，车轮的转速是通过控制两个交流伺服电机的电压来控制的，而这两个交流伺服电机是用来驱动两个主动轮，即小车后面的两个轮子，转向是通过两个轮子的速度的不同来实现的。自动导引小车如果需要停车时只需按下小车操作面板的紧急制动按钮开关来对车轮进行制动，小车的转向系统是通过使用红外线导引技术来执行的。以下分析自动导引小车的转弯运动：

图2-7是AGV小车在转弯时的情况分析：假设AGV小车质量分布是均匀的，并且以速度V匀速进行转弯；距离是D是AGV小车两个主动轮的间距；AGV小车转弯半径R为转弯圆心与两主动轮中心的距离；车轮半径为r；N1、N2为两轮的转速；G是车重；为小车与行驶路面的摩擦系数。可有：

RV2/(g)2rN2(2RD)V/2R 2rN1(2RD)V/2R取V1.11m/s；小车质量G约为250kg；取摩擦系数0.0196；取

R1000mm（通过后面章节选取）

图2-7 小车转弯分析图

下面是自动导引小车在行进过程中的动作： （1）直线行进时

直线路径一般是小车在比较长的直线通道上的快速行进，直线上的行走能够节省时间，当检测到有弯道时将结束。

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（2）特殊路径的行进

用于特殊路径的慢速前进，如在小车的行走中，由于导航白线折弯，前置传感器丢失了白线，小车减速行走，当中置传感器检测到白线后，根据时间的长短来判定，使小车向探测到白线的哪一个中置传感器方向转弯，直到两个前置传感器回到白线上，当前置传感器检测到白线将结束此过程。其特点是两个前置传感器同时在线外的时候，小车自动旋转寻回直线。 （3）左转弯时

用于向左的转弯，当小车在行进过程中需要左转弯时，此时小车左边的中置传感器探测到白线，会使小车向左转弯，直到两个前置传感器回到白线上，前置传感器检测到白线将结束整个过程。。 （4）右转弯时

用于向右的转弯，当小车在行进过程中需要右转弯时，此时小车右边的中置传感器探测到白线，会使小车向右转弯，直到两个前置传感器回到白线上，前置传感器检测到白线将结束整个过程。 （5）停车时

用于停车，最后结束。

2.3 本章小结

本章是自动导引小车总体设计，主要针对机构部分和电控部分作了详细的说明，电控分别对传感器、控制部分和执行部分进行了讨论和分析，以及红外传感器和超声波传感器的选择以及确定详细的规格进行了说明，还有传感器的布局参数分析。

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第三章 AGV机械部分的设计

3.1 AGV机械结构的设计

自动导引小车在机械设计的总体规划根据不同的应用场合，它的外观造型是尤为重要。如果小车的造型完美大气，那么在工作场合会给繁忙的人们一种很好的亲和力和一定的安全感，缓解人们紧张的心里状况可能会有所帮助。所以在小车机械结构设计中，需要注意它的外观造型。

自动导引小车的整车框架是用来装配零件的主要的支撑支架，也是小车在运行过程中比较重要的一个装置，其主要分为两部分：第一部分是主框架结构，是一个垂直的用于各种控制和通信设备的安装框架，也就是立体型的框架结构。；第二个部分是副框架结构，驱动电机和各种传感器，还有小车的轮子就安装在副框架上。为了维修和拆卸的方便，主框架结构和副框架结构之间的联结是可拆卸的。自动导引小车的整车框架小车的主要部分，其对小车的整个车的精度有非常大的影响，所以在设计过程AGV小车应保证：

(1)整个车的强度和刚度应该符合其加速和承载时的要求。

(2)确保小车强度和刚度的前提下来降低车身重量，这样一来可以更多加大小车的承载货物的多少。

(3)为了使不发生侧翻或者危险的侧倾，尽量降低小车的重心。 (4)防止与其他物体发生碰撞，小车外面轮廓尽量不要出现突出的部分。 所以为了更好地满足实际任务的需要，自动导引小车设计参数及性能指标设计为：

外型尺寸：920mm600mm300mm 额定载重：250kg 承载高度：600mm

行走车速：最高时速设定为1.11m/s

正常运行时速设定为 0.28~0.83m/s。

机械传动方式：三轮布置结构和四轮布置结构（本次设计采用四轮布置结构） 充电方式：外置充电器

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车轮直径：D250mm

自动导引小车体外部其它一些辅助系统安装会对小车行驶和转向造成一定的影响，为了使不发生侧翻或者危险的侧倾，尽量降低小车的重心。图3-1为车体实物外型。

图3-1小车车体实物外型

3.2 AGV小车机械结构与建模

自动导引小车机械结构尤为重要的部分，也是其核心的部分是它的轮系结构。小车的最大运行速度、最小转弯半径以及小车的运行在导引路径的精度的准确性等都受到了其轮系结构的直接影响。驱动轮、从动轮和转向机构是AGV小车轮系结构的主要组成部分，现在的AGV小车的常见结构根据AGV小车不同的适用场合的不同以及性能的要求的不同现在比较常见的轮系结构有三轮布置的结构和四轮布置的结构。利用前轮来进行转向和驱动轮的小车其轮系结构是三轮布置的结构，利用两个驱动轮、差速转向或者前面两个轮子进行转向的小车其轮系结构是四轮布置的结构。

3.2.1 三轮布置的AGV小车结构与其建模

三轮布置结构的自动导引小车的结构布局具有优点是其机构的组成比较简单，只要考虑车体的重心位置的合理性就可以了，而且车轮与地面的是否可以接触不需要特殊的其它设备来保持，主要原因是三轮布置结构的小车前轮是一个自由轮，两个后轮差速进行驱动。如图3-2所示：

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图3-2三轮布置结构图

用三维软件Pro/E对小车建模：

（1）打开pro/e软件,点击【 文件 】-【 新建 】-【 零件 】-【 实体 】-【mmns_part_solid】确定。然后选择FRONT作为草绘基准平面，通过拉伸特征建立如图3-3所示车架的实体结构：

图3-3

（2）选择合适的基准平面，通过拉伸特征，镜像特征建立如图3-4所示的车轮、支架、轴的实体结构：

图3-4

（3）选择选择合适的基准平面，通过拉伸特征，镜像特征，旋转特征，【扫描】-【伸出项】特征建立如图3-5所示的转向轮电机、前轮、皮带轮、主动轮电机、梯形带、轴承支架实体的结构：

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图3-5 三轮布置效果图

三轮布置的结构的实体效果图如图3-5，其一般用两个后轮作为其定向轮保持不变，前面的一个轮子不仅用来驱动AGV小车的行驶，而且还用来AGV小车的转向功能（可以180转动的万向轮），所配备的两个电机：一个装配在万向轮是用来驱动小车的交流减速电机；另一个装配在车架上的是用来控制小车方向的精度比较高的步进电机，所以三轮布置的前轮可以说是一个组合轮。

由上我们可以得知三轮布置结构的小车的轮系结构机动性比较好，这种结构通常用在路面不好的地方，其行走的方式以拖动型为主。三轮布置的优点是机械构造和控制系统都比较简单，单价不怎么高，但是由于两个从动轮不能够定向，通常把导向传感器装在整车的后边，向前的行走通常是三轮布置结构；其次由于三轮布置的结构是由3个轮子来支撑整车，因而在载重的时候应把货物放在尽量放在小车的中心或者是后轮方向的地方，便能比较好的保持小车在行进过程中的平衡性。但是三轮布置的缺点是如果AGV小车在运行的过程中速度相对比较快，那么小车会受离心力的作用很容易发生侧翻的危险，所以三轮布置的结构应用于低速场合将比较合适。

3.2.2 四轮布置的AGV小车结构与其建模

目前很多自动导引小车其轮系结构采用的是四轮布置的结构，其通常以从动轮作为为转向轮，驱动轮作为定向轮或者转向轮为驱动轮两种方式。

跟三轮建模一样，打开pro/e软件,点击【 文件 】-【 新建 】-【零件】-【实体】-【mmns_part_solid】确定，选择FRONT作为草绘基准平面。然后选择选择合适的基准平面，通过拉伸特征，镜像特征，旋转特征，【扫描】-【伸出项】特征建立四轮布置结构的小车。

第一种：从动轮为转向轮，驱动轮为定向轮，如图3-6所示：

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图3-6 四轮布置结构图（1）

从动轮作为为转向轮，驱动轮作为定向轮这种布置的四轮轮系结构是现在比较多的一种结构，图3-7是这种轮系结构的效果图。与普通汽车的车身结构，在图中我们可以看出小车前面两个轮子为万向轮，它在这里作为转向轮来使用，在这里小车的转向角度通过步进电机来进行比较精确的控制，其转向传动可以用传动带或者连杆；小车后面两个轮子为两个定向轮，在这里其作为驱动轮来使用，这两个定向轮的驱动可以用两个电机分别进行，也可以在一个电机上安装差速器来实现。使用两个电机的优点是当小车在运行的过程中有一个主动轮没有接地空转，那么另外的一个电机提供的驱动力可以使小车继续正常工作。

图3-7 四轮布置效果图（1）

由于小车的后面两个轮子是驱动轮，那么两个前轮转向的角度不要过大，但在小车转向角度要求不高时候可以用连杆传动机构来进行转向。采用这种四轮布置结构的AGV小车的操作控制很简单，机械结构也不怎么复杂，但它一般用于单向的运行，再加上后端作为驱动轮，所以四轮布置结构的小车最小转弯半径是比较大的。

第二种：转向轮为驱动轮，如图3-8所示：

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图3-8 四轮布置结构图（2）

以转向轮为驱动轮的轮系结构的自动导引小车现在企业使用的叉车的结构是差不多的，所以这种轮系结构的小车也是市场比较常见的，其四轮布置效果图如图3-9所示。在图中我们可以看出，这种轮系结构的AGV小车前面两个主动轮即万向轮的转向角度用交流步进电机来进行控制，还可以在在两个主动轮分别装备有驱动电机，这两个驱动电机是用来驱动轮子以带动小车运行。为了保证两个轮子的转向的角同向且角度相同，可以用连杆传动机构来进行转向，当AGV小车的转弯半径要求不怎么大时可用转向电机带动同步带传动进行转向。

图3-9 四轮布置图效果图（2）

由于此轮子结构的AGV小车的前轮不仅是驱动轮又是转向轮，那么它的后轮部分的机械结构相对前轮来说简易了许多。为了增加小车的平稳性，在其后面装备一个减震结构，减震结构如图3-10所示。与车体骨架相连的是一个活动臂，活动臂与小车的部分减震的阻尼弹簧向连接，当小车行走在路面不平的地段时，通过活动臂与阻尼弹簧的共同作用，可以减轻小车的抖动，也可以避免其上面货物的滑落。还有为了减少小车的转弯半径，所以后面的两个轮子即从动轮不能同轴转动，必须使内侧和外侧的车轮存在速度差可以解决这一问题，因而这种四轮布置的轮系结构小车在驱动和转向控制上一般都是比较自如的，比较小的转弯半

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径都是能够适应的。相对于第一种四轮布置的结构来说，第二种必然增加了整车的小车机械部分的复杂性，所以这种结构的小车整车重量和成本都是比较高的。

图3-10减震结构

车体外饰的设计也是一个比较重要的一个单元，考虑到小车维护和修理的方便性，其结构形式和安装方法应简单。自动导引小车车体面板采用的是塑料的PVC板，厚度为2mm，之所以用PVC板的原因是它的加工和安装都是比较简单的，而于固定硬件电路板都是很方便的。小车车身外部周围应尽量不要有突出的部分，这样可以避免不必要的碰撞。小车车身颜色也是比较重要的，容易出现危险的地方应该用比较鲜亮醒目的颜色（比如车架可以用红色），其它地方的颜色应尽量靠近所工作环境的效果。

3.3 伺服驱动电动机的选取及其参数

自动导引小车动力来源是蓄电池，由蓄电池给电机提供能量来驱动小车的运行。小车的驱动力是由伺服驱动电机是用来控制的，为整个小车提供动力，所以伺服电机的选取与小车的运动状态，即小车的运行快慢，以及所产生的扭矩和驱动力有很大的关系。交流电机的控制系统比较简单，速度也比较方便调节，不需要逆变器，由于自动导引小车在工作的时候所需的功率并不是特别的大，所以本次设计采用的是交流伺服电机。

本次设计的自动导引小车的载重量为250kg，设正常运行的速度为

0.28m/s~0.83m/s，速度最高时为1.11m/s。

伺服电机的选取过程：

（1）选择电机的容量

电动机所需要的功率 Pdpwa 21

kw

由式 Pw因此： PdFvkw 1000Fvkw

1000a由电动机到AGV小车轮轴的总效率

22a14234

式中：1是滚动轴承，2是齿轮传动，3是联轴器，4是轮轴的传动效率。 取 10.98），20.97（不包括轴承效率），30.99，40.96， 则

a0.9840.9720.9920.960.82Fv3041.110.42kw

1000a10000.82

所以 Pd（2）确定电动机的转速 轮轴工作转速为：

n601000v6010001.1184.84r/min

D3.14250二级圆柱齿轮减速器传动比为i12.5~20，那么总的传动比合理范围为

ia12.5~20。

所以电动机转速的可选范围为:

ndian(12.5~20)84.84(1060.5~1696.8)r/min

Pw—AGV小车车轮前进所需功率，kw；

a— 电动机到AGV小车轮轴的总效率；

F—AGV小车的运行阻力，即牵引力，N；（由第四章计算的到为F304N）

v— AGV小车轮的线速度，m/s； D— AGV小车车轮直径，mm。

综上所述，本次自动导引小车的设计选择额定功率0.6kw的交流伺服电机作为其驱动电机，所采用的交流伺服电机品牌是ADTECH，型号: ACH-13150A。ACH-13150A伺服电机高速力矩，平稳性好，低噪音，低震动，精度高，外观精美而且易于安装。下图3-11是ACH-13150A交流伺服电机实物图：

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图3-11 ACH-13150A电机

下表3-1为ACH-13150A电机的参数：

表3-1 ACH-13150A电机参数

型号 额定功率（KW） 相数、线电压（V） 额定转速（rpm) 最高转速（rpm） 最高机械转速（rpm） 额定转矩（N.m） 最大转矩（N.m） 额定线电流（A） 转子惯性（Kg.cm2）

ACH-13150A

0.6 3相220V 1500rpm 1750rpm 2000rpm 5.8 17 3 12

而自动导引小车在转向的时候所需要的动力不怎么大，转向电机可以选用功率相对小点的，所以直接选取60JSF系列伺服电机，即型号为JSF 60-40-30-DF-1000作为转向电机（图3-12为其转向电机实物图），JSF 60-40-30-DF-1000电机的调速范围宽，低噪音，高效率，运行平稳，高性能钕硼磁钢设计能提供3倍以上峰值扭矩。

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图3-12 转向电机

下表3-2为JSF 60-40-30-DF-1000电机的参数：

表3-2 JSF 60-40-30-DF-1000电机参数

电 机型 号 JSF 60-40-30-DF-1000 额定功率(W) 400 电压(VDC) 72 电流(A) 9.3 额定转速(Rpm) 3000 额定扭矩 峰值扭矩 (Nm) (Nm) 1.3 4.5

（3）联轴器和键的选择通过电动机和减速器的结构尺寸来决定 取载荷系数KA1.3,那么联轴器的计算转矩为

TcaKAT1KA9550Pw1.357307449 n通过计算转矩、最小轴径、轴的转速，查标准GB5014-85或手册，选用弹性柱销联轴器，电动机和减速器之间的联轴器型号为YL1 22×32,减速器和轮轴之间的联轴器YL9 48×80,执行标准是GB5843-86（YL是凸缘联轴器，如图3-13所示)。

图3-13 凸缘联轴器

电动机上的键： blh8368;

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减速器输入端的键：blh8338； 减速器输出端的键：blh8329； b—键的宽度，mm； l—键的长度，mm； h—键的厚度，mm；

3.4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

轮轴的转速 n84.84r/min； 电机的额定转速 nd1500r/min； 减速器的传动比 i150017.7； 84.84取减速器的传动比为 i15；i18

150083.33r/min； 18nD83.333.14250车轮的实际线速度 v1.09m/s；

601000601000实际轮轴的转速 n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 112-20-1 ZBJ19004-8814。图3-14和表3-3为减速器实物图和参数：

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图 3-14 ZLY112-20-1减速器

下表3-3是ZLY112-20-1减速器的参数：

表3-3 ZLY112-20-1减速器参数

品牌 型号 安装形式 级数 2级

齿面硬度 硬齿面

布局形式 同轴式

泰兴减速机 ZLY112-20-1 卧式

3.5 轴的设计及其参数的计算

3.5.1 轴的设计方法

一般情况下，通过给定的一些轴的定性要求以及一些物理方面和几何方面的的限制，结合形状和尺寸来进行轴的设计。轴的设计必需要满足所使用的强度要求，使其具有良好的工艺性和合理的结构。根据刚度来进行轴的设计就是要轴的静刚度比较高，也就是在工作的过程中不能出现很大的变形；当所设计的轴要在高速或者是在其载荷做周期变化的环境下工作，对于一些高转速或负载轴的周期性变化，这样会很容易发生共振，那么就得根据临界转速的限制条件进行轴的稳定性计算来避免共振的发生。通常轴的设计方法根据所要设计的具体情况的不同具有很多种，下面是轴设计的一般方法：

(1)轴的最小直径通常根据扭转强度约束条件来进行确定；

(2)轴的几何尺寸根据轴上零件之间的定位和装配以及轴的加工等几何约束，然后通过轴的结构设计来进行确定；

(3)轴的物理约束通常由轴的结构尺寸和工作方面的要求来进行相应的选择，最后根据所确定的参照物来测试是否满足相应的物理限制的要求，然后进行相对应的修改直到符合要求。

由于轴的设计方法根据所要设计的具体情况的不同具有很多种，所以在设计

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的时候必须对其结果进行一个综合的分析后得出一个比较优的设计思路。 3.5.2 驱动后轮轴的设计

根据前面的计算，因为AGV小车由驱动电机来驱动其运行，所以可以得到： 车轮轴转速 n84.84r/min 驱动电机的额定功率 P10.6kw 轮轴传递功率为

222PP11230.60.9920.9720.982 0.53kw受转矩T（Nmm）的实心圆轴，其切应力：

T9.55106P/nT[T]3WT0.2d

轴的最小直径：

9.55106PPd3C30.2[T]nn

轴的材料取45钢，

上两式中 WT—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3-4查得。

表3-4 轴材料的选取

轴的材料

Q23520[T]/Mpa

C

16014812

15

Q255Q27535

2025 30 27

135125

11845 40Cr38SiMnMo

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4540 52112

106102 98轴最小直径取35mm。后轮车轴上键的规格blh为8366和8336；执行标准：GB1096-79,下图3-15为驱动后轮轴尺寸图：

图3-15 驱动后轮轴尺寸图

前轮即转向轮的结构比较简单，所以不需要重复进行选取，依据最短轴直径也为35mm，因此前车轮车轴选择出轴上的键为blh为8366，执行标准：

GB1096-79，图3-16为前车轮车轴尺寸图：

图 3-16 前车轮车轴尺寸图

3.5.3车轮轴的受力分析和校核

假设AGV小车的前后车轮轴所受的力都是均匀的，下面通过后车轮轴来进行说明：

轴的材料选用45钢调质，B650Mpa,S360Mpa

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1749577.51904N 904N FR1117.5174954022845N 845N FR垂直面反力 FR1117.51计算支撑反力 FR22MXZ合成弯矩 MMXY

许用应力值 查得： [1b]60MPa 校核轴径

轴径 d3M48800321mm

0.1[1b]0.160校核完毕 21mm35mm 下表3-5为选择轴和心轴材料一览表:

表3-5 转轴和心轴的许用弯曲应力（Mpa）

材料 碳素钢

B

400 500 600 700

[1b] 130 170 200 230 270 330 100 120

[0b] 70 75 95 110 130 150 50 70

[1b] 40 45 55 65 75 90 30 40

合金钢

800 1000

铸 钢

400 500

3.5.4 车轮轴承的受力分析和校核

疲劳点蚀是引起很多滚动轴承出现故障以致失效的主要因素。轴承的寿命是指轴承在一定转速下能工作多少小时，或者是在其任何一个部件出现故障前所转动的总的转数。

轴承的额定寿命是用来选择轴承的基础，轴承以此作为标准。基本额定寿命选择轴承时常用的标准。轴承的基本额定寿命是指90%非常可靠，还有材料和加

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工质量以及运转条件下的寿命，一般以L10(r)或L10h(h)表示。

轴承基本额定动载荷C指的是将标准中规定基本额定寿命为100万转（106r）时轴承所能承受的恒定载荷。可以说是轴承在基本额定动载荷作用下可以工作100万转而不出现点饰的失效现状，并且轴承的可靠度是90%。

当量动载荷 PXFrYFa 式中 Fr—径向载荷，N； Fa—轴向载荷，N； X—径向动载荷系数； Y—轴向动载荷系数。

轴承由于振动和冲击影响，其当量动载荷应按下式计算：

Pfd(XFrYFa)

由于不受轴向力，所以 PfdFr1625625 式中 fd——冲击载荷系数; Fr——径向力，取625N。

表3-6 冲击载荷系数fd

载荷性质 机器举例 fd 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

当轴承的当量动载荷为P时以转速为的基本额定寿命L10为：

C1PL10 CL10 106r

P式中 P—当量动载荷，N；



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L10—基本额定寿命，常以106r为单位（当寿命为100万转时，L101）； —寿命指数，球轴承3；

C—基本额定动载荷，查表取43.2103N。 若轴承工作转速为nr/min，则基本额定寿命

L10h106C16670C1667043.21033()()()5.65107h60nPnP35.5625

3.6 齿轮的设计和选取

本次设计中选择锥齿轮来进行传动。

齿轮传动相比较于其它的机械传动与其它机械传动相比，其传动非常的稳定，更换周期长，传动效率高，以及齿轮的瞬时传动比恒定等优点，再加上齿轮的结构紧凑，所以它传动能够适用很多的的速度和功率。用齿轮作为传动要满足来两个条件：

一是传动要保持平稳，瞬时传动比要恒定，传动过程中的冲击、振动和噪声要要比较低，便能更好的提高齿轮传动的稳定性。

二是承载能力要比较大，在保证齿轮轻量化和体积小的条件下，还要求齿轮的高强度，强耐磨性以及不会在使用周期内出现齿轮齿断裂的现象。

在齿轮设计过程中，齿轮的齿形，齿轮强度，加工精度，加工方法和热处理工艺，都是以上面两个基本要求来进行操作的，这也是为了达到设计精度的尤为重要的要求。

锥齿轮的标准模数m和基本齿廓的确定如表3-7和表3-8：

m

表3-7 标准模数锥齿轮 GB 12368-90 1 1.125 1.25 1.375 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 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3-8 直齿锥齿轮基本齿廓

基本参数 齿形角齿顶高工作齿高顶隙

'齿根圆角半径



ha

h

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c

pf

锥齿轮 GB 12369-90

20° m 2m 0.2m 0.3m

根据类比法，所采用的齿轮跟电瓶车的齿轮差不多，由减速器的传动比和结构设计要求，再根据锥齿轮标准模数的选择要求，通过表3-4初选其标准模数

m2.5，再通过表3-4确定锥齿轮基本齿廓尺寸数据：

齿顶高 ha2.5 工作齿高 h5

顶隙 c0.5 齿根圆角半径 pf0.75 由齿轮的接触疲劳强度计算公式：d1eZbZ其中 d1—齿轮大端分度圆直径； e—锥齿轮类型几何参数； Zb—变位后强度影响系数； Z—齿宽比系数； T1—齿轮转矩，Nm； KA—使用系数；

KH—齿轮载荷分布系数； Hlim—试验齿轮的接触疲劳极限。

查《机械设计手册》，取锥齿轮类型几何参数e1200，取变位后强度影响系数Zb1，齿宽比系数Z1.683。由功率P10.53KW，转速n84.84r/min，那么齿轮的转矩为：

3T1KAKH2iHlimmm

T19.55103P0.5319.5510359.67(Nm) n84.84取使用系数KA1，取所用齿轮的接触疲劳极限Hlim850Nmm2，取齿轮载荷分布系数KH1.5KHbe1.51.11.65，那么齿轮的大端分度圆直径为：

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d1eZbZ3T1KAKH2iHlim120011.683359.6711.6582.48mm

28502取d82.5mm，由dmz1，可得齿数z133，则z2iz123366。 锥距Rm22.52z1z2332662134.17mm 22齿宽b0.3R0.392.2327.67mm 分锥角1artan(z1)63.24 z2根锥角f5920

根据以上的参数，达到所要求的轮齿的选择。直齿锥齿轮的零件图如下图3-17所示：

图3-17 直齿锥齿轮的零件图

3.7驱动方式的选择和车轮的选择

AGV驱动模式大致可分为两种类型：一个叫做差速型，就是把两个电机分别放在左，右两侧，通过两个电机的驱动和两轮的差速来实现小车行进；另一种叫做舵轮型，就是以从动轮为转向轮，驱动轮为定向轮，其方式跟普通车辆差不多，详细过程前面介绍过。

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图3-18 差速型转向图

差速型和舵轮型的控制过程是不一样的，差速型的控制转向如图3-18所示，从图中看出传感器是用来接收信号的，当传感器根据地面的轨道路径接收到信号，然后通过控制系统来判断是否要进行转向，当判断到小车不需要转向，则是图中的\"Yes\"，小车将按原路径继续前进，当判断出需要转向时，则是图中的\"No\"，小车则利用两独立电机以差速方式驱动转向直到传感器接收到直线路径轨道。

图3-19舵轮型转向流程图

舵轮型的控制转向如图3-19所示，其原理过程跟差速型一样，它是交流伺服电机来控制小车的转向。本次设计所采用的为差速型，即从动轮为转向轮，驱动轮为定向轮。自动导引小车的车轮采用的是实心树脂轮胎，且四个轮胎直径

D=250mm。

3.8本章小节

本章中主要是对自动导引小车车体结构的尺寸设计作了说明和两种不同结构的AGV小车的建模进行了说明，伺服电机，减速器，轴的设计及其参数的计算及齿轮的设计和选取，还有小车的驱动方式和车轮的选择作了论述。

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第四章 AGV驱动系统的设计

4.1 驱动系统的部件

由减速器、驱动电源以及交流电动机部件组成了自动导引小车的驱动系统。AGV小车其整车的动力性是由减速器的规格型号与电动机的性能参数来决定的，也就是整车的动力性是由小车的驱动力和运行速度来决定的。

前一章说到过，AGV小车的转向是用差速来进行控制的，两个驱动轮都各自有一个驱动电机。在这里，AGV小车使用的驱动电机是低速性能很好的两个外转子无刷交流电机，外转子无刷交流电机的特点是能使小车运行可靠，而且维护也比较的方便，最重要的是外转子无刷交流电机不需要配备减速系统，其可以直接作为车轮来使用，而且无刷交流电动机结构简单，它的转速不受机械换向的限制，也可作为一般的交流电机、力矩电动机和伺服电动机来使用，在各种场合得到了广泛的应用。

之所以在不采用有刷交流电机的原因是有刷的电机精度、可靠度以及其它性能都不如无刷交流电机，因为有刷交流电机存在有刷和换向器，所以它们之间形成的滑动机械的接触会产生火花会干扰无线电，对小车上的路径传感器会有一定的影响，而且电机的寿命会缩短，再加上有刷交流电机工作时噪声大，内部结构复杂以及维护困难等诸多问题，所以无刷交流电机是个不错的选择。

无刷交流电动机有三个部分组成，电子开关线路、转子位置传感器以及电动机是构成分别是，其无刷交流电机框图如图4-1。

图4-1无刷交流电机框图

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上图中的无刷交流电动机的位置传感器用的是霍尔元件，所以无刷交流电动机也叫做“霍尔无刷交流电动机”。霍尔元件具有“霍尔效应”，再加上“霍尔无刷交流电动机”转子是永磁的，所以可以转子的位置可以用“霍尔效应”来进行检测。

4.2 AGV行驶过程的分析

4.2.1 AGV小车行驶阻力的计算

自动导引小车在水平路面上运行过程中所受到的阻力主要是空气阻力（用

FW表示）和滚动阻力（用Ff表示）；自动导引小车在坡道上行驶时会受到坡度

阻力，用Fi表示坡度阻力；自动导引小车在加速行驶时所受到的阻力为加速阻力，用Fj表示加速阻力。所以在其整个行驶过程中自动导引小车所受的总的阻力是：

FFfFwFiFj

（4-1）

(1)AGV小车的滚动阻力的计算

Ffmg

（4-2）

式中: 为滚动阻力系数。滚动阻力系数是指AGV小车车轮在一定的条件下滚动时所需的推力跟车轮负荷的比值，也就是单位AGV小车的重力所需的推力。滚动阻力系数跟路面的种类，行驶的车速和车轮的构造以及材料等有很大关系。

自动导引小车通常在企业或者工厂用的比较多，考虑到AGV在工厂运行，运行的路面相对来说比较平整，一般为沥青或混凝土路面，得知0.018~0.020，实际取0.0196，设计其总质量为m250kg，代入公式(4-2)得滚动阻力为:

Ff2509.80.019648N

（2）空气阻力的计算

空气阻力FW是自动导引小车在行驶时其行驶方向上受到空气作用的分力。由公式：

2CDAuaFW （4-3）

21.15式中：CD—空气阻力系数，这里取CD1.5；

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A—迎风面积；

u—在无风条件下的汽车的行驶速度。

设AGV小车所承载货物的高为600mm，宽也为600mm，则

A0.60.60.18m2，由前面最高时速设定为1.11m/s，此时空气阻力最大，

把数据带入（4-3）式得：

2CDAua1.50.181.112FW0.016

21.1521.15（4-4）

由上知AGV小车的空气阻力为0.016，非常小,所以小车的空气阻力忽略不计。

(3)加速阻力的计算

自动导引小车所受到的加速阻力Fj是指其在加行驶的过程中需要克服小车质量加速运动时的惯性力。

由公式

Fjmdu （4-5） dt —旋转质量换算系数,1（设计取值在1.1~1.5范围）; m—AGV小车质量（kg）；

dua—为行驶加速度（m/s2）。 dt自动导引小车的旋转质量在进行车辆动力性计算时只考虑电机和车轮的转动惯量,对于其它旋转质量由于影响较小可以忽略不计，这里取1。

设AGV小车从原地起步经过的位移S1m时，其车速达到Vt1.0m/s则AGV的加速度为:

Vt2V020.5m/s2 a2S把数据带入（3-5）式得加速阻力为:

(4)坡度阻力的计算

自动导引小车的坡度阻力Fi是指其在上坡行驶的时候自身的重量沿坡道的

3分力。考虑到AGV的工作环境坡度较小，设坡道角为，那么坡度阻力为:

Fjmdu12500.5125N dt (4-6)

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Fimgsin131N

(4-7)

由前面AGV小车的运行的最高速度才为1.11m/s，因此空气阻力对AGV小车的运行基本不会影响，可以忽略不计。因此由（4-1）式，再根据（4-2）、（4-4）、（4-6）、（4-7）在行驶过程中自动导引小车所受的总的阻力是：

FFfFwFiFj480125131304N

4.2.2 AGV小车行驶驱动力的计算

要保证自动导引小车的正常运行，其驱动力必须要与行驶阻力相等，由前面求的AGV小车行驶的总阻力为 FFfFwFiFj。

下面是AGV小车在不同条件下工作时的驱动力：

（1）AGV小车匀速行驶在平直的路面上（包括小坡度），那么此时小车的加速阻力Fj0，则小车所受到的总的阻力为：

FF所需的驱动力矩为：

fFi48125173N

MFR1730.12521.6Nm

(2)AGV在平直的路面上（包括小坡度）加速行驶，那么小车所受到的总的阻力为：

FF所需的驱动力矩为：

fFiFj48125131304N

MFR3040.12538Nm

4.3 AGV行驶的附着条件与附着率分析

自动导引小车的动力性好坏是由其驱动力来决定的，如果驱动力很大，那么可能会引起小车车轮在路面上产生急剧加速滑转的现象，这样一来地面切向力也会变小，小车动力性提高不明显。由此可见，自动导引小车的动力性受到两个方面的限制:第一个是驱动力；第二个是轮胎与地面附着力的大小。

附着力F是指地面对轮胎切向反作用力的极限值,在硬路面上附着力与驱动轮法向反作用力FZ成正比，即FFZ，其中为附着系数，是由路面和轮

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胎来决定的。

要使驱动轮不发生滑转，则必需使作用在驱动轮上的转矩Tt所引起的地面切向反作用不能大于附着力。AGV小车行驶的附着条件为：

TtTfrFXFZ,也可写成

FX （4-8） 

FZ式中：FX—驱动轮上的地面切向作用力; FZ—驱动轮上的地面法向作用力;

FX—驱动轮上的附着率C（汽车附着性能的一个重要指标是驱动轮FZ的附着率，附着率自动导引小车驱动轮在不发生滑转情况下充分发挥其驱动力作用所要求的最低地面附着系数）。

所以，上式（4-8）还可写成：CFX FZ表4-2给出了轮胎在不同路面上附着系数的数值。

表4-2不同路面上轮胎附着系数值

路面种类与状态 水泥、沥青路（干） （湿） 碎石路（干） （湿） 土路（干） （湿） 结冰的道路 覆盖着雪的路

下面是附着力和附着系数的影响因素： (1)附着载荷

附着系数

0.7~0.8

0.3~0.40.6~0.7

0.3~0.40.5~0.6

0.3~0.40.2~0.3

0.2~0.4通常附着力随着附着载荷的增加而增加，也就是成正比。当在比较松软的地

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面上时,附着力随着负荷超过一定值时不但没有增加反而下降了,所对应的滚动阻力的增加会对小车的运行产生不利的影响。

(2)轮胎气压

轮胎气压对小车轮胎与地面的附着力有很大的影响。轮胎气压适度的降低会增大附着力，当轮胎气压过低时,由于滚动阻力的增加，反而会引轮胎的变形和胎壁内部摩擦加速缩短轮胎的寿命。

(3)轮胎尺寸与轮胎结构

小车的附着性能可以通过增加轮胎直径与宽度,以致其支承面积变大，附着性能变好。子午线轮胎的附着性能相对于斜交轮胎其附着性能较好。

(4)轮胎花纹

小车的附着性能还受到轮胎有无花纹以及花纹图案的样式的影响而不同。有花纹的轮胎比无花纹的轮胎的附着性能好。

(5)车速

当在干燥路面行驶时，车速对附着系数影响不大，但当出现“水滑现象”出现时车速的增加会使附着系数有所下降。

4.4 主减速比的选择

(1)AGV小车主减速比满足驱动能力的计算

通过前一章车轮是直径为0.25m的驱动轮，小车总的行驶阻力为

F304N,那么小车说受的总的行驶阻力矩是:

MFR3040.12538Nm

电机的转矩是11Nm，驱动系统的电机驱动力矩为:

MD5.5Nm

只有确定AGV小车最小主减速比，小车才能够正常行驶，所以其最小主减速比imin为:

iminMMD386.91

5.5 (4-9)

40

(2）AGV小车的主减速比满足运动速度时的计算

因为AGV小车车轮半径R0.125m，最高运行速度为 Vmax1.11m/s，所以车轮的转速是:

nw1000V85r/min 120R6007.1 85（4-10）

已知电机的转速为 n600r/min，AGV小车的最大主减速比为:

imax 得出： iminisimax （4-11） 即：6.84is7.1

由上面的得出本次设计取is7.0并且使用螺旋锥齿轮减速器。 (3)进行运动速度的校核

为了使小车有足够驱动力，而且还要有比较高的工作速度，根据小车主减速对其速度进行校核。由车轮半径R0.125m，电机转速n600r/min，主减速比

is7.0，则:

V2Rn60(1000is)4.04km/h1.12m/s （4-12）

由1.12m/s1.11m/s,但小车的速度是可以控制的，所以该电机可以选用。 (4)进行驱动能力的校核

车轮半径R0.125m，扭矩MD5.5Nm，总的行驶阻力M38Nm，主减速比 is7.0，则车轮的驱动力矩为:

MwMDis5.57.038.5Nm

得到MwM，所以小车能正常启动。 (5)启动时加速度的校核

AGV小车启动时的驱动阻力，即滚动阻力为: Ff48N。那么电机到车轮所发出的驱动力为:

FDMDisR5.57.0 41

0.125308N

所以小车的加速度为:

aFDFfm308481.04m/s2 （4-13） 250 由1.04m/s20.5m/s2，所以小车能够满足其加速的要求能力。

通过得出小车所用的电机的型号为130SZD，减速器的型号是TK38螺旋锥齿轮减速器，is7.0，车轮半径为0.125m，所以可以得到做出小车行驶的驱动系统。

4.5 电源的选择

对AGV小车使用的镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂电池和铅酸蓄电池进行一个简单的论述。

1、镍镉蓄电池

镍镉蓄电池内阻比较小，它跟其它种类电池相比之下其放电时电压变化比较小，而且过量充电或者过量放电都对其影响不大，操作也比较简单。但放电电压会根据镍镉电池的放电电流的数量不同也有所不一样，一般在1.2V镍镉电池的放电终止电压是1.0V/cell，可以在-200C-600C这个温度范围内连续充放电。

2、镍氢蓄电池

镍氢电池的能量比镍镉电池大很多，它有一个专用的充电器可以快速充电在一小时内，放电特性比镍镉电池更好，而且镍氢电池持续时间较长，可连续充放电500多次。

3、锂电池

锂电池的密度要比镍镉电池的密度高很多。电压也是比较高的，锂电池的平均使用电压是3.6V，是前两种电池的三倍，其使用温度范围是-200C-600C。充电和放电的寿命比较长长，经过反复充放电其容量至少在70%之上，锂电池工作状态很稳定。

4、铅酸蓄电池

铅酸电池通常以负极为铅，正极为二氧化铅，电解液为硫酸水溶液，充电过程是化学能量转化为电能，放电过程是电能转化为化学能量。所以铅酸蓄电池具有很好的可逆性，其使用寿命长，工作状态很稳定相当稳定，而且其价格优势也

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比较明显。所以铅酸蓄电池应用范围特别广在生活的各个领域都能看到。

通过对几种蓄电池的简单的介绍，本次设计选用2块40AH的铅酸蓄电池串联起来作为电源，铅酸蓄电池布置在AGV小车的车体上，总重量为24248kg，

输出电压为12224V。

4.6 本章小节

本章这一章主要是电机的设计过程和驱动力，AGV小车驱动过程中的附着条件与附着率进行了分析，驱动电源，电机的转矩和电池容量的计算进行了详细的讨论。然后通过计算得出小车的计算得出交流电机和蓄电池的选型分析，轮胎的选择。

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第五章 结论

本论文第一章说明了自动导引小车的发展历史，种类，结构设计和小车的技术参数，还有本次AGV小车设计的研究内容；第二章讲了自动导引小车总体设计，详细说明其传感器的选用及规格参数；第三章是自动导引小车的机械设计部分，它也是本次设计的主要部分，从小车的结构出发，然后再用Pro/E对其进行三维建模，详细说明了伺服驱动电动机的选取，车轮轴和轴承的受力分析和校核，齿轮的设计与选取，驱动方式和车轮的选择，以及传感器的布置；第四章主要对自动导引小车的驱动系统和行驶过程进行了详细的分析论述，分析了小车在行驶过程中的驱动力，行驶阻力，行驶的附着条件与附着率，以及主减速比的选择和电源部分选择，提高小车的性能。

下面是研究工作中的一些不足情况：

本论文对自动导引小车各个部件进行初步的确定，并进行理论的计算与校核，Pro/E对其进行的三维建模还存在好多问题，对小车的差速转向没有详细的进行说明，由于对小车控制单元以及实施措施不怎么熟悉，所以这一部分没有加进去，也没有进行论述，对小车的整个性能分析还是不到位。

最后，通过本次自动导引小车的设计，能够进一步对小车的控制单元以及实施措施进行全新的研究，最终设计出一个方便、安全、快捷的自动化的小车，使小车更能趋近于智能化，满足AGV小车在人们生活中的需求，使其得到更为广泛的应用，遍及各个方面。

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参考文献

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谢 辞

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，在老师的指导下和同学的帮之下自己刻苦独立完成了本次毕业设计，心里也觉得比较踏实；这次设计让我充分懂得不论做什么事情都要认真，不要三心二意；老师的谆谆教导让我的得到了好多的知识，如果没有老师的帮助我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，要衷心感谢副教授丁老师的精心指导，同时谢谢同学们和对我设计提供过帮助的人！

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