畢業(yè)設計（論文）自動導向車(AGV)設計

1、1 緒論1.1 自動引導車輛的概念研究始于20世紀50年代初美國 barrett electronics公司開發(fā)出世界上第一臺自動引導車輛系統(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)應用的拖車及叉車等運輸工具。 由于kalmar工廠采用agvs獲得了明顯的經濟效益，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輸手段。20世紀80年代，伴

2、隨著與機器人技術密切相關的計算機。電子、通信技術的飛速發(fā)展，國外掀起了智能機器人研究熱潮，其中各種具有廣闊應用前景和軍事價值的移動式機器人受到西方各國的普遍關注。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，車輛運動控制系統(tǒng)，交通監(jiān)控、車輛導航及協(xié)作，主動安全系統(tǒng)等方面。自動導向車(agv)是采用自動或人工方式裝載貨物，按設定的路線自動行駛或牽引著載貨臺車至指定地點，再用自動或人工方式裝卸貨物的工業(yè)車輛。按日本jisd6801的定義：agv是以電池為動力源的一種自動操縱行駛的工業(yè)車輛。自動導向車只有按物料搬運作業(yè)自動化、柔性化和準時化的要求，與自動導向系統(tǒng)、自動裝卸系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全

3、系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等構成自動導向車系統(tǒng)(agvs)才能真正發(fā)揮作用。1.2 agv技術發(fā)展agv產品所涉及的關鍵技術主要包括：引導技術(navigation techniques)、控制技術(control techniques)和電源技術(power techniques)三個方面。引導技術現在已被探索研究和開發(fā)應用的引導方法主要有：電磁感應法(inductive guide-path)、光學引導法(optical guide-path)、化學引導法(chemical guide-path)、磁感應法(magnetic guide-path)、位置推斷法(dead reckoning)、參考標志

4、法(beacon system)、慣性導航法(inertial navigation)和圖像識別法(direct imaging)等。表1-1 agv所應用的引導技術的統(tǒng)計結果引導技術電磁感應慣性導航光學檢測位置設定激光檢測圖像識別應用比例32.827.816.913.87.691.54控制技術隨著計算機控制技術的應用和多種高精度傳感器的實用化，其他各種引導技術也不斷成熟和應用。根據對國外十幾家生產agv公司的27個系列產品所應用的主要引導技術的統(tǒng)計結果（如表1.1所示），可以明顯看出，電磁感應引導技術所占的應用比例最高，這表明該項技術已經十分成熟，應用也就最多。而圖像識別引導技術應用的比例還

5、很少，因此，該項技術還需要深入研究。 計算機硬件技術、并行與分布式處理技術、自動控制技術、傳感器技術以及軟件開發(fā)環(huán)境的不斷發(fā)展，為agv的研究與應用提供了必要的技術基礎。人工智能技術如理解與搜索、任務與路徑規(guī)劃、模糊與神經網絡控制技術的發(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，涉及計算機、自動控制、信息通訊、機械設計和電子技術等多個學科，成為物流自動化研究的熱點之一。 能源技術agv運行消耗的能源一般由蓄電池提供，蓄電池容量的確定是agv設計中的重要參數之一，他的選擇應保證車輛在規(guī)定的作業(yè)方式和工作時間內提供足夠的能量。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也是一個很重要的因素。盡管對agv的研究已有多年的歷史，但仍有多項關鍵技術還有待提高和突破，以進一步提高agv的性能，降低制造成本和減少使用費用。本文所述agv主要用于工廠物流系統(tǒng)，是在已知環(huán)境中，根據任務需求并按照一定的導向方式，完成相應的物料運輸任務。因此，導向與控制方式是其核心問題。1.3 自動引導車輛發(fā)展自動引導車輛系統(tǒng)是以agv為主要運載工具， 由路徑引導系統(tǒng)、自動裝卸系統(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、構成的物料運輸系統(tǒng)。agv只有按物料搬運作業(yè)自動化、柔性化和準時化的要求，構成agvs才能充分發(fā)揮作用。20世紀50年代初期，美國electronics公司研究開發(fā)了世界上第一個自動引導車系統(tǒng)(agvs)。1954年，在south carolina州columbia市的 mercury motor freight公司投入運行使用。這個系統(tǒng)的agv采用埋線式電磁感應路徑引導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)。這一時期的agvs主要應用于倉庫的物品運輸，其目的是為了提高倉庫的自動化水平。但此時agv產品開發(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產品的技術進步。20世紀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算能力。但這種車載電子機構(on-board electronics)控制器的性能很難適應于復雜的工業(yè)化物流系統(tǒng)的要求。因此，在美國僅有限的物流系統(tǒng)采用自動牽引車輛系統(tǒng)，agv產品的技術進步仍然很慢。與此相反，在歐洲agvs的研究得到迅速發(fā)展，應用領域也擴展到了工業(yè)生產領域。80年代以來，在國際市場上，許多產品出現了供大于求的局面，產品之間的競爭加劇，同時用戶對產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、靈活的生產方式以

9、提高效率、降低成本和提高市場應變能力。由于agvs能自動完成運輸作業(yè)，可以靈活更改運輸線路，因此可以在同一條生產線上裝配出不同的產品，并且當產品需要環(huán)形或調整產量時，裝配線的重組成本低、時間短，適應快捷的現代生產需要，因此許多企業(yè)開始采用若干agvs為運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的應用在發(fā)達國家得到迅速發(fā)展。1.4國外agv的應用目前各種形式的agv已經在汽車制造業(yè)、機械加工、鋼鐵生產、食品加工、化工等行業(yè)得到應用，并在港口碼頭、倉儲中心、圖書館等場所也

10、有了廣泛應用。在荷蘭鹿特丹港口，“yard tractor”完成集裝箱從船邊運送到幾百碼以外的倉庫這一重復性工作。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)將貨物從鹿特丹運往各地。圖1-1為agv的應用場景圖片。 （a） agvs用于機械、汽車等行業(yè)的裝配線和生產線 （b） agvs用于造紙廠的紙張運送 （c） agvs用于飯店、試驗室、醫(yī)院圖1-1 agvs的應用場景20世紀80年代中期，agv的75%用于汽車制造業(yè)，而西德的比例高達64%。通過表1.2不難看出，90年代汽車制造業(yè)仍然是agv的主要應用領域。表1-2 20002004年agv在國外各個行業(yè)的應用情況

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

12、s工程中心將從國外引進的agv成功的應用于cims的實驗研究；沈陽自動化研究院為金杯汽車廠生產了9臺agv用于發(fā)動機生產線。清華大學計算機應用系也研制了應用于郵政中心的agv。原吉林工業(yè)大學智能車輛課題組織主要從事視覺導航車輛的研究，先后開發(fā)出juiv-i、juiv-ii視覺導航智能車輛實驗平臺，最近又開發(fā)了面向工廠實際應用的jluiv-iii型視覺導航agv，并在一汽集團jetta轎車變速器裝配線進行了中試。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自動引導功能。新型agv由車體、蓄電池、驅動/轉向裝置、控制箱、ccd攝像機以及儀表/指示燈等

13、組成。v-agv的主要功能要求和性能指標同其它的agv相同，但是引導方式的不同基于機器視覺引導的自動導向車輛是利用ccd采集路徑標線和標識的圖像信息，經過車載計算機對圖像的處理來識別路徑，并根據車輛與路徑軌跡之間相對位置的判斷結果，來控制車輛運行方向的一種引導方式。此為，利用機器視覺還可識別各種標識，如轉向，加速、減速、停車和工位號等，并對車輛運行狀態(tài)進行控制。由ccd采集的路徑標線的圖像，包含著車輛在某一時刻相對于路徑標線的位置信息，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，除包括路徑和標識信息外，還可能存在著因為地面反光或標線污染等干

14、擾信息。所以，必須對圖像進行處理才能達到可靠引導的目的。 圖1-2： ccd采集路徑標線本次設計車輛的主要優(yōu)點:1. 路徑設置簡單、靈活、成本低，便于維護與改線，為車輛實現長距離、變路徑導航提供了現實可行性。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，因此可以實現很高頻率的路徑識別，從而為車輛實現更高速度的自動引導創(chuàng)造了必要前提。3. 采用圖像處理技術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航和激光導航的agv多工位、多分支路徑識別的困難。4. 采用圖像識別技術可以方便地獲取車輛的多種運動偏差，從而為設計多輸入反饋最優(yōu)導向控制器提供了一種經濟且有效的途徑。5.

15、由于視覺導航不受電磁場和遮擋物的影響，所以比埋線磁導航和激光導航agv有更佳的環(huán)境適應性。6. 車輛具有自動避障、自動報警、自動上線和無線通訊等人工智能。49 2 新型agv轉向機構設計2.1設計的基本原則基于機器視覺引導的新型agv車輛的轉向系統(tǒng)機構設計，應考慮其應用條件，技術特點，加工制造成本，使用維護費用和安全可靠運行等要求進行綜合分析后確定，既要兼顧技術與經濟相結合的原則。同時，由于把一般agv的一些功能植入普通車輛并加以改造，重點注意車體的體積要小，減少整車重量，增大承載能力，因此在狹小空間內要合理布置系統(tǒng)的各個部分，并加以優(yōu)化。而基于這個前提，考慮到在選擇轉向機構各組成部分或者機械

16、零部件材料時，優(yōu)先采用重量輕性能好的產品，以更好的適應處于實驗階段的自動引導車輛。此外，區(qū)別于工廠柔性生產系統(tǒng)(fms)、計算機集成制造系統(tǒng)(cims)和物流中心(logistic center)等領域物料運輸的基于視覺引導的自動車輛，本次的新型agv應充分考慮駕駛員的感受，因此嘗試把人體工程學的一些理念加入轉向機構的設計之中。2.2系統(tǒng)的總體方案的設計。2.2.1課題要求及性能參數本次課程設計的自由引導車輛的相關課題內容為：1.根據視覺引導車輛的應用要求在有限的空間內設計一工作可靠、靈活的轉向驅動系統(tǒng)；2.設計轉向驅動系統(tǒng)的機械結構3設計、選擇轉向驅動系統(tǒng)的電氣元件；4.本次開發(fā)的系統(tǒng)應能夠

17、裝車運行。該視覺導航agv工作性能參數如下： 工作運行速度：5km/h 最高行駛速度：11.3km/h 最小轉彎半徑：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：80個 運行控制方式：自動或遙控 遠程調度管理方式：中央計算機集中數傳通信控制2.2.2 轉向系設計汽車在行駛時，經常需要改變行使方向。汽車上用來改變汽車行使方向的機構稱為汽車轉向系。汽車行駛方向的改變是由駕駛員通過操縱轉向系來改變轉向輪（一般是前輪）的偏轉角度來實現的。轉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_力是車輪自行產生的轉向，恢復汽車原來的

18、行駛方向。對轉向系提出的要求有：1） 汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉，任何車輪不應有側滑。不滿足這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。2） 汽車轉向行駛后，在駕駛員松開轉向盤的條件下，轉向輪能自動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，轉向輪不得產生自振，轉向盤沒有擺動。4） 轉向傳動機構和懸架導向裝置共同工作時，由于運動不協(xié)調使車輪產生的擺動應最小。5） 保證汽車有較高的機動性，具有迅速和小轉彎行駛能力。6） 操縱輕便。7） 轉向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉向盤的反沖力要盡可能小。8） 轉向器和轉向傳動機構的球頭處，有消除因磨損而產生間隙的調整機構。

19、9） 在車禍中，當轉向軸和轉向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。10） 進行運動校核，保證轉向盤與轉向輪轉動方向一致。2.3 轉向系統(tǒng)的分類，選用及組成。2.3.1轉向系統(tǒng)的分類及選用。轉向系統(tǒng)按照能源的不同，汽車轉向系統(tǒng)又分為機械轉向系統(tǒng)（人力轉向系統(tǒng)）與動力轉向系統(tǒng)（助力轉向系統(tǒng)）兩大類。機械轉向系統(tǒng)完全依靠駕駛員的手力操縱，轉向系統(tǒng)所有機件都是機械的。動力轉向系統(tǒng)實際上是一種助力轉向系統(tǒng)，即轉向系統(tǒng)兼用駕駛員手力和發(fā)動機動力作為操縱能源。在正常情況下，汽車轉向系統(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)動機通過轉向加力裝置提供的

20、。本次設計選用動力轉向系統(tǒng)。動力轉向系統(tǒng)是由機械轉向系統(tǒng)加轉向加力裝置組成。轉向加力裝置包括轉向油罐，轉向油泵，轉向控制閥，轉向動力缸等機件。轉向油泵由發(fā)動機動力驅動，以產生助理高壓油液。當駕駛員逆時針方向轉動轉向盤時，轉向搖臂將拉動轉向轉向主拉桿向前運動。主拉桿的拉力作用在轉向節(jié)臂上，一方面使左側轉向節(jié)及左側轉向輪繞主銷向左偏轉一個角度，另一方面又通過梯形臂和轉向橫拉桿使另一側轉向節(jié)與轉向輪也繞該側轉向主銷偏轉一定角度。這時汽車將向左轉向。與此同時，轉向主拉桿還帶動了轉向控制閥1中的滑閥移動，使轉向動力缸的左腔接通轉向油泵的出油口，右腔通過轉向控制閥與轉向油罐接通。轉向動力缸的活塞所受的向右

21、液壓作用力便經其推桿也作用在轉向橫拉桿上。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：動力轉向示意圖1- 方向盤；2-轉向軸；3-轉向中間軸；4-轉向油管；5-轉向油泵；6-轉向油罐；7-轉向搖臂；8-轉向橫拉桿；9-轉向搖臂；10-整體式轉向器；11-轉向直拉桿；12-轉向減振器。動力轉向按其傳力工作介質，可分為液壓式和氣壓式兩種。液壓式動力轉向是以油泵產生的高壓液體作為動力。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，液壓式動力轉向缸尺寸小，結構緊湊，重量輕，靈敏度高。同時，因油液黏度產生的阻尼作用和潤滑性能，液

22、壓式動力轉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，液壓式動力轉向雖然結構復雜，加工精度高，密封要求嚴，但仍能得到廣泛的應用?？諝馐絼恿D向以壓縮空氣為動力。由于工作壓力較低，為獲得同樣大小的力，動力缸尺寸和重量要求比液壓式增大。同時，由于氣體的可壓縮性和低溫時空氣中水分容易結冰，氣壓式動力轉向的靈敏度和安全，可靠性都較差。因此氣壓式動力轉向現已很少采用。因此本次課程設計的自由引導車輛選用液壓式動力轉向系統(tǒng)，且此轉向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1） 工作壓力高，一般可達到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構的情況下即可安裝使用。3）

23、 轉向靈敏度高，操縱輕便，施與方向盤上的力較小，減輕了駕駛員的勞動強度。4） 安全可靠，當液壓系統(tǒng)出現故障時，駕駛員仍可靠體力安全轉向。5） 使汽車保持直線行駛，松開方向盤保證車輪能自動回正。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生的沖擊，減輕了方向盤所受到的反沖擊力和“打手現象”。8） 能有效地減輕前輪擺振。 2.3.2轉向系統(tǒng)的組成本次課程設計的新型agv的轉向系統(tǒng)由轉向器，轉向助力缸，轉向油泵，轉向油罐，以及用于自動轉向的電機減速箱等部件組成。2.3.3轉向系統(tǒng)各部件選用及設計。2.3.3.1轉向器的選用。 轉向器的功用是將駕駛員加在轉向盤上的力矩放大，并降低速度，

24、然后傳給轉向傳動機構。汽車上采用許多種結構形式的轉向器，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向器。 本次設計選用齒輪齒條式轉向器，齒輪齒條式轉向器由與轉向軸做成一體的齒條組成。與其它形式轉向器比較，齒輪齒條式轉向器最主要的優(yōu)點是：結構簡單，緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉向器的質量比較??；傳動效率高達90%；齒輪與齒條之間因磨損出現間隙后，利用裝在齒條背部，靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調節(jié)的彈簧，可自動消除齒間間隙。這不僅可以提高轉向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時產生沖擊和噪聲；轉向器占用的體積??；沒有轉向搖臂和直拉桿，所以轉向輪轉角可以增大；制造成本低。

25、圖2-2：齒輪齒條式轉向器現代汽車的齒輪齒條式轉向器有兩種類型：一種是手控轉向裝置；另一種是動力轉向裝置。配有動力轉向齒輪齒條式轉向器的車輛，增加了液力泵和液壓動力缸，在轉向器小齒輪轉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。壓力過大會造成轉向不靈活和齒輪齒條磨損過大，因此裝有調整墊圈來調整壓力。齒輪齒條式轉向器由一套傳動副組成，即齒輪齒條傳動副。轉向器殼體由螺栓固定在車架上。轉向齒輪垂直地安裝在殼體左部。其上端通過柔性萬向節(jié)連接板與轉向操縱機構中的柔性萬向節(jié)連接，與轉向齒輪嚙合的齒條一起呈水平布置。彈簧通過導向座將齒條壓靠在齒輪上，保證無

26、間隙嚙合狀態(tài)。轉向齒條的右端裝有連接叉與轉向傳動機構相連。為避免齒條移動使左右防塵套內氣壓不平衡而產生附加轉向阻力，在轉向器殼體鉆有通氣孔，將兩端的防塵套內腔接通。 齒輪齒條式轉向器的主要缺點是：因逆效率高（60%-70%），汽車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉向盤，稱之為反沖。反沖現象會使駕駛員精神緊張，并難以準確控制汽車行駛方向，轉向盤突然轉動又會造成打手，對駕駛員造成傷害。 本次的齒輪齒條式轉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，運轉平穩(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計的要求。如果采用直齒

27、圓柱齒輪與直齒齒條嚙合，則運轉平穩(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而遭淘汰。 本次設計的液壓動力轉向裝置是將轉向控制閥與機械轉向器組合成一個部件，將轉向動力缸作為獨立部件，因此也可以稱這次的轉向器為半整體式動力轉向器。 其中，位于動力轉向器上部的轉向控制閥組件，主要由閥體，閥芯及扭桿組件等組成?？刂崎y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)槽的底部開有與內壁相通的油孔，中間油環(huán)槽的四個油孔直徑較大，是進油通道，與轉向液壓泵相通；兩側油環(huán)槽各有四個直徑較小的油孔，分別與動力缸的左右腔相通

28、。密封環(huán)槽用于安裝密封圈組件。閥體的內表面制有8條不貫通的縱槽，形成8道槽肩。在閥體下部內表面固定有鎖銷，次鎖銷的外端埋在外圓表面以下，內端伸出少許，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動。轉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，此缺口與轉向螺桿用鎖銷相配合，形成閥體和驅動螺桿的傳力連接。閥芯也制成圓桶型，其外圓表面與閥體滑動配合，二者可以相對轉動。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間隙。在閥芯的不同槽肩上開有四個等間

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。閥芯下端的內圓柱開有一個缺口，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動，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。在動力轉向器上部設有進油口和出油口，通過油管分別與轉向液壓泵和轉向油罐想連接。在進油口處設有進油閥座和止回閥，進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，下端與動力缸的下腔相通。當汽車需要左轉彎時，轉動轉向盤使短軸逆時針轉

30、動，并通過短軸下端鎖銷帶動閥芯同步轉動。同時，作用在轉向盤上的轉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閥體轉動，閥體通過其下端缺口和鎖銷，把轉向力矩傳給螺桿。由于轉向阻力矩的存在，要有足夠的轉向力矩才能使轉向螺桿轉動。這個力矩促使扭桿發(fā)生彈性扭轉，造成閥體的轉動角度小于閥芯的轉動角度，兩者產生相對角位移，通下動力腔的進油縫隙減?。ɑ蚍忾]）回油縫隙增大，油壓降低；通上動力腔的進油縫隙增大而回油縫隙減小（或關閉），油壓升高。齒條-活塞便在上下腔油壓差的作用下移動，產生助力作用。此時來自轉向液壓泵的壓力油通過槽隙流向動力缸上腔動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。汽車右轉彎時，轉閥的工作情況基本上與左轉彎時相似。不同的是由于轉向方向相反，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，產生向右的轉向助力。2.3.3.2轉向助力缸的選用。 助力缸主要由殼體和活塞組成，而本次設計的活塞與轉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，抗拉強度為500mpa,屈服點為350mpa。鑄造鋁合金多采用zl105，抗拉強度為154-240mpa。由于這次微型車所要求的轉向要求，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、：轉向助力缸2.3.3.3轉向液壓泵的選用。 轉向油泵是液壓式動力轉向裝置的主要動力，其作用是將發(fā)動機輸入的機械能轉化為液壓能向外輸出。轉向油泵有齒輪式，轉子式，和葉片式等數種。 轉向泵是汽車動力轉向系統(tǒng)的能源，是一個關鍵部件，她的性能及可靠性，關系到能否準確，輕便地實現轉向和行駛安全，所以還必須滿足以下幾點要求。1） 保證汽車有適當的轉向速度。2） 轉向應輕便，這就要求油泵有足夠的工作壓力。3） 高可靠性。轉向油泵的使用工況比一般工程用泵的工況要復雜的多，高速高壓，高速低壓，低速高壓，低速低壓的工況交替出現，油溫變化劇烈且范圍較大，所以必須具有高可靠性。本次設計選用嚙合齒輪式轉向油泵。在國內

33、外汽車動力轉向系統(tǒng)中應用最多的是外嚙齒輪式轉向油泵。轉向油泵的使用技術條件是：體積小，質量輕，驅動噪聲小，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)啟動性能好，能耐受高速。轉向油泵的流量和壓力是通過泵體內的相應閥門進行調整的流量調整的目的是使泵的排量限制在規(guī)定的流量范圍內，并使剩余的油液回流到油箱內。調壓的目的是限制油泵油壓，保護油壓系統(tǒng)，防止操作機構受力過大。流量調整閥和調壓閥為一體式。流量值的大小由調整節(jié)流孔的大小來控制，壓力值的調整是通過增減壓力調整彈簧的彈簧力來實現的。圖2-4：齒輪式轉向油泵齒輪式轉向油泵的頂部的右孔口為進油口，左孔口為出油口。主動齒輪和從動齒輪均與軸制

34、成一體，二者的軸徑用軸套支撐在泵體，泵蓋上，左側兩軸套的軸向位置是固定的，右側兩軸套則可以沿軸向浮動，稱之為浮動軸套。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的結構措施之一，即是采用浮動軸套。在轉向油泵中，浮動軸套凸緣的背面與泵蓋之間留有一個密閉空間，經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，浮動軸套在彈簧片的作用下壓靠到齒輪端面。油泵開始運轉后，泵腔液壓作用力便使浮動軸套外移少許，形成軸向間隙。但此時浮動軸套凸緣背面也受到液壓作用力，因為在設計上保證了浮動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，所以當油泵壓力升高而使軸向間

35、隙增大時，浮動軸套可在液壓和彈簧作用下內移，對間隙量加以補償。油泵壓力愈高，這一補償作用愈強，這就是對齒輪油泵軸向間隙的“液壓補償”方法。零件磨損所致的間隙增量則由彈簧片隨時補償。每個齒輪兩軸徑的端面處各有一個漏泄油腔，這四個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，單向閥進油口與固定軸套一側的漏泄油腔相通，出油口則與油泵進油腔連通。當漏泄油腔壓力高于一定值時，單向閥即開啟，使油泵內部潤滑循環(huán)油路接通。該轉向油泵內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

36、油腔和出油腔之間，與油泵齒輪副并聯。安全閥位于流量控制閥內。流量控制閥內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，上方通油泵進油腔。在油泵出油腔與進油腔之間有量孔，當油液自出油腔以一定的速度流過量孔時，由于量孔的節(jié)流作用，量孔外側的進油腔壓力低于量孔內側的出油腔壓力。油泵流量愈大，量孔內外壓力差則愈大。當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緊力，并進一步壓縮彈簧，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，油泵出油腔即與進油腔相通。此時出油腔中的一部分油液便經流量控制閥流到進油腔，因而經量孔輸出的流量減小。流量減小到一定值以下時，量孔內外兩側的壓

37、力差不足以平衡彈簧的彈力，柱塞被彈簧推下，重新切斷進油腔與出油腔之間的通道，流量便又逐漸增大。如此反復，轉向油泵的流量便被限制在一定的流量范圍內。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腔與油泵進油腔相通，球閥門上方油腔經泵體內的油道通向量孔外的進油腔。油泵輸出壓力升高到規(guī)定的最高值時，球閥開啟，將進油腔與出油腔連通，油泵輸出壓力即降低。2.3.3.4電機減速器的選用。因為本次設計的新型agv要包含自動轉向的部分，所以要用電機作為驅動，通過減速箱-離合器等帶動轉向軸模擬駕駛員操縱方向盤實現轉向。因此，設計的減速箱應達到傳動比要求。而且此減速箱應力圖使其尺寸較小以合理布置

38、在狹小的空間內。由于采用直流伺服系統(tǒng)的國內直流電機一般體形較大，重量較重，不滿足本次設計的設計原則，所以我選用ls系列低速直流伺服電機。 低速直流伺服電機是一種小體積、低轉速、大轉矩的特種控制電機，其由多級特種鋼制減速器與伺服直流馬達組成，尺寸小、重量輕、轉速低、結構緊湊而轉矩極大，特別適用于空間有限而又要求大轉矩工作的特殊場合。 低速直流伺服電機同時還與過載保護離合器和制動器相結合，大批量應用于機器人驅動裝置，自動翻轉控制機，構電動機械手以及車載自動裝置。2.3.3.5轉向油罐的選用。轉向油罐的作用是儲存，濾清并冷卻液壓轉向加力裝置的工作油液，本次設計采用的是日本hq201型轉向油罐。這種油

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

40、in和350 r/min兩種，考慮價格，選用轉速為220 r/min的電動機。其規(guī)格參數為：額定電壓：dc 12-24v，工作溫度：-30-60；空載電流：0.6a； 負載電流：1a；輸出轉速：220r/min; 電機重量：1kg;工作噪音：1米處55db;減速系統(tǒng)：多級鋼質減速器。3.2 齒輪的設計和校核計算。第一對齒輪：(1)大小齒輪材料用40mnb，表面淬火，齒面硬度4855hrc。 由工作軸轉速為15 r/min，電機輸出轉速220 r/min 得減速箱總傳動比為i=220/15=14.67,初選第一對齒輪的傳動比，取小齒輪齒數,(2) 齒根彎曲疲勞強度設計閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力

41、一般取決于彎曲強度，故現按彎曲強度設計，驗算接觸強度。 確定式中各數值：因載荷有輕微沖擊，有使用系數查得=1，初選載荷系數=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，取前者設計齒輪。設計齒輪模數：將確定后的各項數值代入設計公式，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的標準模數確定齒輪幾何參數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度由彈性系數表查得z=189.8由節(jié)點區(qū)域系數圖查得由接觸強度重合度系數表查得 由接觸強度的壽命系數圖查得=1.15在齒輪的接觸疲勞極限系數圖中，按齒面硬度均值51hrc，在mq和ml線之間查出 =由最小安全系數參考值表查得 .25 =933 =975 取前者作為強度條件。將確定出的各項數值代入接觸強度校核公式，得 =387

43、m pa所以滿足齒面接觸疲勞強度。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,(2) 齒根彎曲疲勞強度設計閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于彎曲強度，故現按彎曲強度設計，驗算接觸強度。 確定式中各數值：因載荷有輕微沖擊，有使用系數查得=1，初選載荷系數=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，取前者設計齒輪。設計齒輪模數：將確定后的各項數值代入設計公式，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的標準模數確定齒輪幾何參數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度由彈性系數表查得z=189.8由節(jié)點區(qū)域系數圖查得由接觸強度重合度系數表查得 由接觸強度的壽命系數圖查得=1.30在齒輪的接觸疲勞極限系

45、數圖中，按齒面硬度均值51hrc，在mq和ml線之間查出 =由最小安全系數參考值表查得 .25 =975 =1102 取前者作為強度條件。將確定出的各項數值代入接觸強度校核公式，得 =439 m pa所以滿足齒面接觸疲勞強度。3.3 工作軸軸承的相關計算。根據工況選用選用正裝的兩個圓錐滾子軸承，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） 計算軸承

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

47、徑；為活塞桿直徑，一般=0.54d聯立以上個式后得 d=0.046m，=0.025m。式中，壓力p一般在610mpa,這里p=8mpa。當活塞移動到兩側極限位置時，其端面到缸蓋之間應留有0.3d的間隙，以利于活塞導向作用。已知活塞的厚度b=7mm，活塞行程mm。則動力缸的最大長度s=20.3d+7+=135mm。動力缸殼體壁厚t，根據計算軸向平面壓力來確定。=其中，n為安全系數，n=3.5，為殼體材料（鑄造鋁合金）屈服強度154mpa得到 t1.95,取t=2mm 。4 電氣系統(tǒng)設計4.1具體任務介紹及意義。具體任務：自動引導小車在行走時接收到進入攝象采集裝置的轉向信號，為了使小車準確的按照信

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

49、數作為被控量的一種自動控制系統(tǒng)。這些機械參量包括位移，加速度，力和力矩等。本次課程設計的機械參量為角位移。伺服系統(tǒng)是所有機電一體化設備的核心，它的基本設計要求是輸出量能迅速而準確的響應輸入指令的變化，如本次小車轉向角位移測控系統(tǒng)的目標是使小車能夠按指定的要求進行轉向，象這種必須隨時跟蹤指定目標的控制系統(tǒng)即為伺服系統(tǒng)，它又被人們稱為隨動系統(tǒng)。本次的伺服系統(tǒng)設計如大多數伺服系統(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一步校準與糾正，實時的進行轉向，對轉過的角度達到一定的要求與限制。而這就要求我們采用傳統(tǒng)的經典控制理論來進行分析和設計。對于本次課程設計伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件

50、采用電氣式，電氣執(zhí)行元件以電能為動力，把電能轉變?yōu)槲灰苹蜣D角等，包括直流伺服電機，交流伺服電機，步進電機等。由于此次設計的自動引導引導小車內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，而根據要求設計出的控制系統(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：由上所述，直流伺服電動機即是滿足伺服系統(tǒng)要求的直流電動機，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開關的作用，隨著功率半導體器件技術的發(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，就產生了無刷dc伺服。與普通電動機相比，dc伺服具有工

51、作精度高，調速性能好，帶負載能力強，響應速度快，穩(wěn)定可靠等特點。雖然其工作原理與普通直流電動機基本相同，但為了減小體積和提高散熱，dc伺服電動機通常采用永久磁鐵勵磁。本次課程設計由于根據成本要求采用有刷dc永磁勵磁直流電機。功率放大即執(zhí)行電路：控制系統(tǒng)性能的好壞，不僅取決于驅動電路的性能以及兩者之間的相互配合。對驅動電路一般要求是頻帶寬，效率高，能量能回輸等。目前在無人搬運小車系統(tǒng)應用廣泛的直流伺服電機的晶體管驅動電路，有線性直流伺服放大器和脈寬調制放大器（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），而脈寬調制放大器常用在要求低速和大轉矩并且需要連續(xù)運轉的場合。該系

52、統(tǒng)采用脈寬調制放大器。pwm的優(yōu)點是功率管工作在開關狀態(tài)，功耗低。基本原理是利用大功率晶體管的開關作用，將直流電源電壓轉換成一定頻率（2000hz）的方波電壓，從而調節(jié)電機的速度。即脈寬調制。pwm信號需要連接功率放大器才能驅動直流伺服電機。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，旋轉變壓器和感應同步器等。它們的電感量隨移動物體的位移而發(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。在測控系統(tǒng)中使用的位移傳感器主要應滿足以下要求：