自動導引小車(AGV)的研究和應用論文[帶圖紙].doc

AGV自動引導小車設計摘要隨著工廠自動化、計算機集成制造系統技術的逐步發(fā)展以及柔性制造系統、自動化立體倉庫的廣泛應用，AGV(AutomaticGuidedVehicle)即自動導引車作為聯系和調節(jié)離散型物流系統以使其作業(yè)連續(xù)化的必要的自動化搬運裝卸手段，其應用范圍和技術水平得到了迅猛的發(fā)展。AGV是以微控制器為控制核心、蓄電池為動力、裝有非接觸導引裝置的無人駕駛自動導引運載車，其自動作業(yè)的基本功能是導向行駛、認址停準和移交載荷。作為當代物流處理自動化的有效手段和柔性制造系統的關鍵設備，AGV已經得到了越來越廣泛的應用，對AGV的研究也具有十分重要的理論意義和現實意義。本文介紹了AGV在國內外的發(fā)展現狀和應用情況，在此基礎上，結合畢業(yè)設計的課題要求。其研究內容主要包括以下幾個方面：論述了AGV系統的組成、路徑導引方式及原理。介紹了AGV車體機械結構的設計，并根據小車的驅動方式和工作要求，對底盤、電機、蓄電池等進行了設計和選型。根據AGV系統的控制和工藝要求，確定了控制系統的總體框架結構。硬件方面，選擇合適的傳感器、單片機以及電機驅動器，對傳感檢測電路和單片機控制系統硬件電路進行了設計：軟件方面，采用模塊化的編程方式來實現系統的各種功能，并實現了單片機與電機控制器之間的串口通信。在總結全文的基礎上，對AGV小車的設計和研究提出了展望。關鍵詞：AGV；激光導引；單片機；驅動控制電路；行走策略；控制策略；串口通信AbstractWiththegrowingofFactoryAutomation,ComputerIntegratedManufactureSystemandextensiveapplicationofFlexibleManufactureSystem、AutomaticWarehouse,theapplicationfieldandtechnicallevelofAGVwhichcontactandadjustthediscretelogisticssystem,makethemissioncontinuous,hasgreatlyenlargedandimproved.AGVistheunmanneddriverautomaticguidedvehiclewhichhasitsuntouchedguidedequipment,itscontrolcenteristhemicrocontrollerandstoragebatteryisdrivingpower,itsbasicfunctionofautomaticactionisguideddriving,recognizingtheaddresstostoppreciselyandremovetheload.Asthevalidmeasureofcontemporarylogisticsprocessingautomationandthekeyequipmentofflexiblemanufacturesystem,theAGVhasalreadygotmoreandmoreextensiveapplication,sothattheresearchonAGVhasveryimportanttheorymeaningandrealisticmeaning.ThedissertationintroducedtheapplicationsanddevelopmentsofAGVathomeandabroad.Combiningwiththerequestofthisgraduationprojecttopic,wedesignedawholeinfraredrayguidedvehicle.Themainworkinthisdissertationwasarrangedasfollows:theconstitutionofAGVsystem,thepathguidedmeansandtheirprincipleswerediscussed.Accordingtotherequestsofthetopic,infraredraysguidedmethodwasusedintheAGVsystem.ThedesignofAGVmechanicalstructurewasintroduced,intermsofdrivingmannerandworkingrequests,thetypeofthechassis,electricalmotorandstoragebatteryetc.waschosenanddesigned.AccordingtothecontrolandthecraftworkrequestsoftheAGVS,thetotalframestructureofcontrolsystemwasdesigned.Abouthardware,therightsensor,MCUandmotorcontrollerhadbeenchosen,thesensingcircuitsandMCUcontrollinghardcircuitswasdesigned,aboutsoftware,toachievemanysystemfunctions,andtorealizeserialcommunicationbetweentheMCUandmotorcontroller,blockingprogrammingmethodwasemployed.Onthebaseofsummarizingthedissertation,thedevelopmentprospectofAGVresearchwasputforward.Keywords：AGV；Infraredraysguided；Driveandcontrolcircuit；Runningstrategy；Controlstrategy；Serialcommunication.目錄摘要................................................................................11引言................................................................................11.1問題的提出及研究意義..........................................................11.1.1問題的提出..............................................................11.1.2研究意義................................................................11.2國內外研究現狀................................................................21.3自動引導小車的定義及特點.......................................................32AGV的總體設計.......................................................................42.1AGV系統的構成與結構...........................................................42.1.1AGV系統技術的研究方向...................................................42.1.2AGV的結構...............................................................52.2AGV導航系統...................................................................62.3AGV總體系統...................................................................73AGV小車的動力學建模................................................................103.1AGV小車動力學結構............................................................103.2車體運動建模.................................................................113.3驅動后輪運動建模.............................................................123.4車體整體的動力學建模..........................................................134AGV機械部分主要零件的選取..........................................................144.1伺服驅動電機的選取及參數......................................................144.1.1電機的計算..............................................................174.1.2電機的控制參數.........................................................184.2軸的設計和參數的計算.........................................................194.2.1減速器的使用范圍及選取..................................................204.2.2驅動后輪軸的設計.......................................................204.3軸的受力分析及校核............................................................224.4齒輪的設計與選取..............................................................244.5傳感器的選用..................................................................254.5.1紅外傳感器尋跡.........................................................254.5.2超聲波傳感器避障原理....................................................265驅動轉向系統的設計.................................................................275.1驅動方式的選擇...............................................................275.2傳感器的布置.................................................................285.3電機與行走系統的驅動裝置.....................................................295.4電源部分選擇.................................................................306控制系統...........................................................................316.1電源及驅動芯片模塊...........................................................316.2電路的設計及行走策略.........................................................316.3控制策略.....................................................................337結語................................................................................35參考文獻.............................................................................36致謝...............................................................................37中國地質大學長城學院2012屆畢業(yè)論文11引言1.1問題的提出及研究意義1.1.1問題的提出AGV(AutomaticGuidedVehicle)——自動導引車是上世紀50年代發(fā)展起來的智能搬運型機器人。AGV是現代工業(yè)自動化物流系統中的關鍵設備之一，它是以電池為動力，裝備有電磁或光學等自動導航裝置，能夠獨立自動尋址，并通過計算機系統控制，完成無人駕駛及作業(yè)的設備。自從1913年美國福特汽車公司使用有軌底盤裝配車，1954年英國采用地下埋線電磁感應導向車以來，到九十年代全世界擁有AGV(AutomatedGuidedVehicles)10萬臺以上。近年來，自動化技術呈現加速發(fā)展的趨勢，國內自動化立體倉庫和自動化柔性裝配線進入發(fā)展與普及階段。其中，在自動倉庫與生產車間之間，各工位之間，各段輸送線之間，AGV起了無可替代的重要作用，與傳統的傳送輥道或傳送帶相比，AGV輸送路線具有施工簡單、路徑靈活，不占用空間、較好的移動性、柔性等優(yōu)點。1.1.2研究意義21世紀制造業(yè)將進入一個新階段，敏捷制造將成為企業(yè)的主導模式。能否抓住市場機遇開發(fā)出新產品將是企業(yè)贏得競爭的主要手段。要減小生產成本對生產批量的依賴，就要發(fā)展敏捷制造裝備。繁重制造裝各的可編程、可重組和快速響應能力使得在進行小批量生產時，可實現接近中、大批量生產的效率。由于機器人具有自主規(guī)劃、可編程、可協調作業(yè)和基于傳感器控制等特點，它將成為可重組的敏捷制造生產裝備及系統的重要組成部分，為傳統制造企業(yè)向敏捷制造企業(yè)跨越發(fā)展提供重要的技術支持。自動導向小車((AutomatedGuidedVehicle簡稱AGV)是移動機器人的一種，是現代制造企業(yè)物流系統中的重要設備，主要用來儲運各類物料，為系統柔性化、集成化、高效運行提供了重要保證。AGV主要有兩類形式，一種是固定路徑AGV，它的運行路徑是固定的，且有軌道，故導引技術相對簡單；另一種是自由路徑AGV，由于沒有軌道，它為AGV自由運行提供了最大可能，但由于技術限制，AGV沿任意路徑自由運行仍是一個有待解決的技術難題。在以往的生產線上，導向式AGV是人們經常采用的方式，有導軌式、磁導引式等方法。這些方法都需要預先規(guī)劃好AGV的運行路線，而且生產車間的裝置不能隨意移動。隨著生產車間智能化的提高，導向式AGV明顯降低了AGV的柔性。因此，非導向式AGV將成為敏捷制造物流系統中的主要選擇。在非導向式AGV系統中，AGV的運行路徑不需要由附加設備決定，而且當車間的布局變化后，只要及時改變規(guī)劃系統的軟件參數即可滿足路徑規(guī)劃要求。資料顯示：在產品生產的整個過程中，僅僅有5%的時間是用于加工和制造，剩余的95%都用于儲存、裝卸、等待加工和輸送:在美國，直接勞動成本所占比例不足生產成本的10%，且這一比例還在不斷下降，而儲存、運輸所占的費用卻占生產成本的40%。因此，AGV自動引導小車的設計2目前世界各工業(yè)強國普遍把改造物流結構、降低物流成本作為企業(yè)在競爭中取勝的重要措施，為適應現代生產的需要，物流正在向著現代化的方向發(fā)展。自動導引小車AGV適應性好、柔性程度高、可靠性好、可實現生產和搬運功能的集成化和自動化，在各國的許多行業(yè)都得到廣泛的應用。目前，在我國某些汽車、煙草行業(yè)，AGV已投入使用，并取得了良好的經濟效益。但從使用形式來看，大都采用屬于固定路徑導向范疇的電磁導引AGV，無固定路徑自主導向的AGV由于諸多問題未能完全解決，還沒有達到實用。因此進行自山路徑導向式AGV的研究，不僅對敏捷物流設備的研制和應用有現實的工程意義，而且對移動機器人路徑規(guī)劃有重要的理論意義。1.2國內外研究現狀世界上第一臺AGV是美國Basrrett電子公司于20世紀50年代開發(fā)成功的，它是一種牽引式小車系統。小車中有一個真空管組成的控制器，小車跟隨一條鋼絲索導引的路徑行駛。60年代和70年代初，除Basrrett公司以外，Webb和Clark公司在AGV市場中也占有相當的份額。在這個時期，歐洲的AGV技術發(fā)展較快，這是由于歐洲公司已經對托盤的尺寸與結構進行了標準化，統一尺寸的托盆促進了AGV的發(fā)展。歐洲的主要制造廠家有Schindler-Digitron，WognerHJC，ACS，BT.CFC，FATA，Saxby，Denford和Blecbert等。70年代中，歐洲約裝備了520個AGV系統，共有4800臺小車，1985年發(fā)展到一萬臺左右，為美、歐、日之首。在機械制造行業(yè)的應用為：汽車工業(yè)(57%)，柔性制造系統FMS(8%)和柔性裝配系統FAS(4%)。歐洲的AGV技術于80年代初，通過在美國的歐洲公司以許可證與合資經營的方式轉移到美國。芝加哥的Keebler分發(fā)中心從歐洲引進直接由計算機控制的AGV1981年John公司將AGV連接到AS/RS，以提供在制造過程中物料自動輸送和跟蹤。1984年，通用汽車公司便成為AGV的最大用戶，1986年已達1407臺(包括牽引式小車、叉式小車和單元裝載小車)，1987年又新增加1662臺。美國各公司在歐洲技術的基礎上將AGV發(fā)展到更為先進的水平。他們采用更先進的計算機控制系統(可聯網于FMS或CIMS)，運輸量更大，移載時問更短，具有在線充電功能，以便24小時運行，小車和控制器可靠性更高。此時美國的AGV生產廠商從23家(1983年)驟增至74家(1985年)。日本的第一家AGV工廠于1966年由一家運輸設備供應廠與美國的Webb公司合資開設。到1988年，日本AGV制造廠已達20多家，如大福、Fanuc公司、Murata(村田)公司等。到1986年，日本己累計安裝了2312個AGV系統，擁有5032臺AGV。國內自主研發(fā)方面：六十年代開始研究。1976年，北京起重運輸機械研究所研制的ZDB-1型自動搬運車是最早的實用型AGV。1988年，原郵電部北京郵政科學技術研究所等單位研制了郵政樞紐AGV。1991年，中科院沈陽自動化所與新松機器人自動化股份有限公司為沈陽金杯汽車公司總裝線上設計的九臺自動裝配系統，并于1996年獲得國家科學技術進步三等獎，是當時國內較先進的使用型AGV。1992年，天津理工學院研制了核電站用光學導引AGV。1998年昆明船舶設備公司在紅河卷煙廠研究多模式激光導引無人自動車