AGV自动导引小车结构系统全设计.doc

1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/s2.2 确定机械传动方案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（2-1）πd1062.75min3.410vnr电机的转速 选择蜗轮-蜗杆的减速比 i=62（2-2）62.75140.inni r电自动导引小车的受力分析： 2OGPFBFCFAFD图 2-3 车轮受力简图小车车架自重为 P 3ρ2.8510.0.329.814abhg N（2-3）小车的载荷为 G （2-4）39.4mN取坐标系 OXYZ 如图 2-3 所示，列出平衡方程由于两前轮及两后轮关于 Y 轴对称，则 ，ABFCD， （2-5）0zF20ACFPG， （2-6）xM0.75.12.3C解得 .6ABN8.4DFN两驱动后轮的受力情况如图 2-4 所示：滚动摩阻力偶矩 的大小介于零与最大值之间，即f（2-7）max0fM（2-8）maxδ.6157.0.946NFN其中 δ 滚动摩阻系数，查表 5-2 ，δ=2 ～10，取 δ=6mm [2]牵引力 F 为 （2-9）max.3.07d3电 机 1/GW图 2-4 后轮受力 图 2-5 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 ŋ 传动装置减速比 1/G1） 求换算到电机轴上的负荷力矩（ ）LT（2-10）19.8•20WDG13.507.64..210.8Nm取 =0.7, =157.66 , =0.152） 求换算到电机轴上的负荷惯性（ ）LJ（2-11）21234LZJ 20.3490.76.01.064618kgm其中 为车轮的转动惯量； 为蜗杆的转动惯量；1JJ为蜗轮的转动惯量； 为蜗轮轴的转动惯量。

3 43） 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 Ø60mm 石墨电刷 80W 2190MJgcm匹配条件为 [3] 2max361.89LJgc（2-12）0.25LMJ即 61.89.0.25.81AOFSNP4惯量 （2-13）J 2129036.815.9MLJ gcm其中 为伺服电动机转子惯量 M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 时这个最大空载加速转矩就是伺服电动机的最大输maxn出转矩 maxT（2-14）maxax223.140165.89.91076J Nmt&加速时间 （2-15）4..aMTs其中 机械时间常数 19Ms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 电 机 轴蜗 杆 轴图 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]（2-16）8mKTDZ销钉材料选用 45 钢。

查表 5-2 优质碳素结构钢（GB 699-88）[5]45 调质 ≤200mm =637MPa =353MPa =17% bss5Ψ=35% 硬度 217～255HBS 20.39kMJm销钉的许用切应力为（2-17）.7~80.75634.75BMPa过载限制系数 k 值 查表 14-4 取 k=1.6 [4]T=0.321N•m 81.6570.643.2.dm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 η=0.7,则 [4]（2-66622 120.879.5109.509.523508PPT Nmnni18）图 2-7 蜗轮-蜗杆受力分析6各力的大小计算为（2-19）1125876.2taTFNd（2-20）2130..at（2-21）0012tn6tan2.8rFN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]（2-22）221.53FaKTmdYz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 Kβ=1，由表 11-15 选取使用[4]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（2-23 ）1.5.1265AVK由表 11-8 得，蜗轮的基本许用弯曲应力 [4] 34FMPa假设 3°10'48"，蜗轮的当量齿数 26zγ=（2-24 ）23362.29cos10Vz°´48˝根据 ， ，从图 11-19 中可查得齿形系数 20x26.9z[] 2.3FaY螺旋角系数 （2-25 ）1.9740Y˝1402 3.53625834.md m由表 11-2 得 [4]中心距 a=50mm 模数 m=1.25mm 分度圆直径 12.d2315md蜗杆头数 直径系数 17.92 分度圆导程角 γ=3°11′38″ z蜗轮齿数 变位系数2620.4x75.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1）蜗杆轴向齿距 （2-26）3.1425.9apmm齿顶圆直径 （2-27）*1 1.254.9dh齿根圆直径 （2-*122.4.0.1.275fac m28）蜗杆轴向齿厚 （2-29）13.15.962asm2）蜗轮传动比 （2-30）21zi蜗轮分度圆直径 （2-31）2.567.dmm蜗轮喉圆直径 *21.250.48.1ahax m（2-32 ）蜗轮齿根圆直径 **227.51.0.4257.4fdmhxc（2-33 ）蜗轮咽喉母圆半径 （2-228.9gardm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 轴的设计2.6.1 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81.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CF180.4.22N´˝ =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 20dmⅠ Ⅲ Ⅸ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 25dmⅣ(2)取安装左、右轮辐处的轴段Ⅵ的直径 ;轮辐的左端采用轴肩定位，30dmⅥ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 左右轮辐的左段采用2lⅥ轴肩定位，轴肩高度 ，取 h=3mm，则轴环处的直径 。

轴环0.7hd> 36Vd宽度 b≥1.4h，取 5Vlm(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,故02d, , 19Ⅱ Ⅹ 1.lⅡ Ⅹ 31.9lm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 dⅥ由手册查得平键截面b×h=8mm×7mm(GB/T 1095-1979),键槽用键槽铣刀加工，长为 28mm(标准键长见 GB/T 1096-1979),同时为了保证左右轮辐与轴配合有良好的对中性，故选择左右轮辐与轴的配合为 H7/n6滚动轴承与轴的周向定位是借过度配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为 j74）确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为 1×45°，各轴肩处的圆角半径为 R13.求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图根据轴的计算简图作出轴的弯矩图 McFF1 F2M图 2-9 前轮轴的载荷分析图912180.4.2FN1239Lm139576.8CML4.按弯曲应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩的截面强度。

最大负弯矩在截面 C 上 ， 1576.38Nm对截面 C 进行强度校核，由公式 [4]（2-35）1caMW由表 15-1 得，45 钢 调质 [4] 60Pa由表 15-4 得，[]（2-36）2 23 3 3840.18.42btdWm1576..9caMPa<因此该轴满足强度要求，故安全2.6.2 后轮轴的设计后轮轴在工作中既承受弯矩又承受扭矩，故属于转轴图 2-10 后轮轴结构1.求后轮轴上的功率 、转速 和转矩2P2n2T10取蜗轮-蜗杆传动。