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圖書分類號(hào)：
密 級(jí)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
全自動(dòng)送料小車設(shè)計(jì)
DESIGN OF AUTOMATIC FEED VEHICLE
學(xué)生姓名
沈聰
學(xué)院名稱
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)名稱
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師
張宏艷
2008年
6月
2日
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
徐州工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。
本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
論文作者簽名： 日期： 年 月 日
徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書
本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。
論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：
日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
摘要
全自動(dòng)送料小車集聲、光、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，綜合了當(dāng)今科技領(lǐng)域先進(jìn)的理論和應(yīng)用技術(shù)。廣泛應(yīng)用在柔性制造系統(tǒng)和自動(dòng)化工廠中，具有運(yùn)輸效率高、節(jié)能、工作可靠、能實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)輸?shù)仍S多優(yōu)點(diǎn)，極大的提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。
本文在分析國內(nèi)外送料裝置的現(xiàn)狀與發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)送料小車。其主要設(shè)計(jì)過程是根據(jù)小車的設(shè)計(jì)要求合理設(shè)計(jì)小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，由小車的速度選擇合適的直流伺服電動(dòng)機(jī)，然后根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和小車速度對(duì)蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再由小車的載荷和速度合理設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)并選用合適的軸承，最后根據(jù)小車的行駛要求設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的小車通過單片機(jī)控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向能夠?qū)崿F(xiàn)其前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎的功能，達(dá)到了沿著設(shè)定的路線行駛的目的。
本次設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、負(fù)載能力大、平穩(wěn)性好、傳動(dòng)誤差小、轉(zhuǎn)向靈活并且控制簡便。
關(guān)鍵詞：全自動(dòng)送料小車；蝸桿傳動(dòng)；單片機(jī)
Abstract
Automatic Feed Vehicle integrates sound, light, electricity and the computer technology, and synthesizes advanced theory and the application technology in this world. It is applied widely in the flexible manufacturing system and the automated factory, and has the merits of high transportation efficiency, energy conservation, the operation reliable and the flexible transportation. It can enormously increase production automation levels and production efficiency.
Based on analyzing present situation and development of feeding equipment at home and abroad, two wheels of independent drive are designed. The design process of the car includes: mechanical structure design according to the design requirements, choosing direct current motors based on the speed of the car, then making the worm drive design according to the speed of the motors and car, then to design the axis structure and choose the bearings based on the load and speed of the car, at last making the control system of the microprocessors design according to driving request of the car.
This car can realize independence functions of forward recession and turning through the microprocessor controlling speed and steering of the direct current servo motors .It will drive along specific route.
The advantages of design scheme: small in size, great load capacity, smooth driving, small errors of transmission, high maneuverability and convenient operation.
Keyword: Automatic Feed Vehicle Worm drive Microprocessor
III
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
目 錄
1 緒論 1
1.1 全自動(dòng)送料小車簡介 1
1.2 全自動(dòng)送料小車的分類 1
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
2機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 3
2.2 確定機(jī)械傳動(dòng)方案 3
2.3 車體計(jì)算 4
2.4 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 4
2.4.1運(yùn)動(dòng)參數(shù) 4
2.4.2 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 4
2.4.3 全自動(dòng)送料小車的受力分析 5
2.4.4 求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷力矩 6
2.4.5 求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷慣性 6
2.4.6 電機(jī)的選定 6
2.4.7 電機(jī)的驗(yàn)算 7
2.5 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 7
2.6 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 8
2.6.1 選擇蝸桿的傳動(dòng)類型 8
2.6.2 選擇材料 8
2.6.3 蝸桿傳動(dòng)的受力分析 8
2.6.4 初選 9
2.6.5 中心距計(jì)算 9
2.6.6 傳動(dòng)基本尺寸 10
2.6.7 齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 10
2.6.8 輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 10
2.6.9 蝸桿軸撓度驗(yàn)算 11
2.6.10.精度等級(jí)公差的確定 11
2.6.11 熱平衡核算 11
2.7 軸的設(shè)計(jì) 11
2.7.1 前輪軸的設(shè)計(jì) 11
2.7.2 后輪軸的設(shè)計(jì) 14
2.8 滾動(dòng)軸承選擇計(jì)算 18
2.8.1 前輪軸上的軸承 18
2.8.2 蝸桿軸上的軸承 19
2.8.3 后輪上的軸承 21
3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23
3.1 控制系統(tǒng)總體概述 23
3.2 鑒相 23
3.3 計(jì)數(shù)的擴(kuò)展 24
3.4 中斷的擴(kuò)展 25
3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇 26
3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 28
3.7 控制軟件的設(shè)計(jì) 30
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻(xiàn) 34
附錄 35
附錄1 35
英文翻譯 35
中文翻譯 42
35
1 緒論
1.1 全自動(dòng)送料小車簡介
全自動(dòng)送料車（即稱AGV），是一種物料搬運(yùn)設(shè)備，是能在某一位置自動(dòng)進(jìn)行貨物的裝載，自動(dòng)行走到另一位置的全自動(dòng)運(yùn)輸裝置。它是以電池為動(dòng)力源的一種自動(dòng)操縱的工業(yè)車輛。裝卸搬運(yùn)是物流的功能要素之一，在物流系統(tǒng)中發(fā)生的頻率很高，占據(jù)物流費(fèi)用的重要部分。因此，運(yùn)輸工具得到了很大的發(fā)展，其中AGV的使用場合最廣泛，發(fā)展十分迅速。
1.2 全自動(dòng)送料小車的分類
自動(dòng)送料小車分為有軌和無軌兩種。
所謂有軌是指有地面或空間的機(jī)械式導(dǎo)向軌道。地面有軌小車結(jié)構(gòu)牢固，承載力大，造價(jià)低廉，技術(shù)成熟，可靠性好，定位精度高。地面有軌小車多采用直線或環(huán)線雙向運(yùn)行，廣泛應(yīng)用于中小規(guī)模的箱體類工件FMS中。高架有軌小車（空間導(dǎo)軌）相對(duì)于地面有軌小車，車間利用率高，結(jié)構(gòu)緊湊，速度高，有利于把人和輸送裝置的活動(dòng)范圍分開，安全性好，但承載力小。高架有軌小車較多地用于回轉(zhuǎn)體工件或刀具的輸送，以及有人工介入的工件安裝和產(chǎn)品裝配的輸送系統(tǒng)中。有軌小車由于需要機(jī)械式導(dǎo)軌，其系統(tǒng)的變更性、擴(kuò)展性和靈活性不夠理想。
無軌小車是一種利用微機(jī)控制的，能按照一定的程序自動(dòng)沿規(guī)定的引導(dǎo)路徑行駛，并具有停車選擇裝置、安全保護(hù)裝置以及各種移載裝置的輸送小車。無軌小車按引導(dǎo)方式和控制方法分為有徑引導(dǎo)方式和無徑引導(dǎo)自主導(dǎo)向方式。有徑引導(dǎo)方式是指在地面上鋪設(shè)導(dǎo)線、磁帶或反光帶指定小車的路徑，小車通過電磁信號(hào)或光信號(hào)檢測出自己的所在位置，通過自動(dòng)修正而保證沿指定路徑行駛。無徑引導(dǎo)自主導(dǎo)向方式中，地圖導(dǎo)向方式是在無軌小車的計(jì)算機(jī)中預(yù)存距離表（地圖），通過與測距法所得的方位信息比較，小車自動(dòng)算出從某一參考點(diǎn)出發(fā)到目的點(diǎn)的行駛方向。這種引導(dǎo)方式非常靈活，但精度低。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
AGV是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、自動(dòng)化立體倉庫而產(chǎn)生并發(fā)展起來的。日本人認(rèn)為柔性加工系統(tǒng)誕生于1981年，這樣計(jì)算AGV大規(guī)模應(yīng)用的歷史也只有15至20年。但是，其發(fā)展速度是非?？斓摹?981年美國通用公司開始使用AGV，1985年AGV保有量500臺(tái)，1987年AGV保有量3000臺(tái)。資料表明歐洲40%的AGV用于汽車工業(yè)，日本15%的AGV用于汽車工業(yè)，也就是說AGV在其他行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。
目前國內(nèi)總體看AGV的應(yīng)用剛剛開始，相當(dāng)于國外80年代初的水平。但從應(yīng)用的行業(yè)分析，分布面非常廣闊，有汽車工業(yè)，飛機(jī)制造業(yè)，家用電器行業(yè)，煙草行業(yè)，機(jī)械加工，倉庫，郵電部門等[1]。這說明AGV有一個(gè)潛在的廣闊市場。
AGV從技術(shù)的發(fā)展看，主要是從國家線路向可調(diào)整線路；從簡單車載單元控制向復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制；從原始的定期通訊到先進(jìn)的實(shí)時(shí)通訊等方向發(fā)展；從落后的現(xiàn)場控制到先進(jìn)的遠(yuǎn)程圖形監(jiān)控；從領(lǐng)域的發(fā)展看，主要是從較為集中的機(jī)械制造、加工、裝配生產(chǎn)線向廣泛的各行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)，物料搬運(yùn)，物品倉儲(chǔ)，商品配送等行業(yè)發(fā)展。
2機(jī)械部分設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)一臺(tái)全自動(dòng)送料小車，可以在水平面上按照預(yù)先設(shè)定的軌跡行駛。本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)來控制小車的行駛，從而實(shí)現(xiàn)小車的左、右轉(zhuǎn)彎，直走，倒退，停止功能。
其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
全自動(dòng)送料小車的長度：
全自動(dòng)送料小車的載重：
全自動(dòng)送料小車的寬度：
全自動(dòng)送料小車的高度：
全自動(dòng)送料小車的行駛速度：
2.2 確定機(jī)械傳動(dòng)方案
方案一：采用三輪布置結(jié)構(gòu)。直流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器和差速器，通過兩半軸將動(dòng)力傳遞到兩后輪。全自動(dòng)送料小車的轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)前面的一個(gè)萬向輪轉(zhuǎn)向。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2-1所示。
圖2-1 傳動(dòng)方案一
方案二：采用四輪布置結(jié)構(gòu)。全自動(dòng)送料小車采用兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)差速轉(zhuǎn)向，兩前輪為萬向輪的四輪結(jié)構(gòu)形式。直流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器后直接驅(qū)動(dòng)后輪，當(dāng)兩輪運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2-2所示。
圖2-2 傳動(dòng)方案二
四輪結(jié)構(gòu)與三輪結(jié)構(gòu)相比較有較大的負(fù)載能力和較好的平穩(wěn)性。方案一有差速器和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，故機(jī)械傳動(dòng)誤差大。方案二采用兩套蝸輪-蝸桿減速器及直流伺服電動(dòng)機(jī)，成本相對(duì)于方案一較高，但它的傳動(dòng)誤差小，并且轉(zhuǎn)向靈活。因此，采用方案二作為本課題的設(shè)計(jì)方案。
2.3 車體計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求車體材料選用Q235，因?yàn)檐圀w采用矩形狀，所以其抗彎截面系數(shù)[2]為：
式（2.1）
車體厚度：
式（2.2）
式中 ——表示Q235的屈服極限；
——表示車體收受到的最大彎矩；
——表示小車寬度。
2.4 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇
伺服電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)是功率(KW)。但是，選擇伺服電動(dòng)機(jī)并不按功率，而是根據(jù)下列指標(biāo)選擇。
2.4.1運(yùn)動(dòng)參數(shù)
小車行走的速度為3m/s，則車輪的轉(zhuǎn)速為：
式（2.3）
式中 ——表示小車后輪直徑。
2.4.2 電機(jī)的轉(zhuǎn)速
選擇蝸輪-蝸桿的減速比 i=10
式（2.4）
2.4.3 全自動(dòng)送料小車的受力分析
圖2-3 車輪受力簡圖
小車車架自重為P N 式（2.5）
小車的載荷為G N 式（2.6）
式中 ——表示小車長度；
——表示貨物的質(zhì)量；
——表示小車材料密度。
取坐標(biāo)系OXYZ如圖2-3所示，列出平衡方程
由于兩前輪及兩后輪關(guān)于Y軸對(duì)稱，則 ，
， 式（2.7）
， 式（2.8）
解得 式（2.9）
兩驅(qū)動(dòng)后輪的受力情況如圖2-4所示：
圖2-4 后輪受力圖
滾動(dòng)摩阻力偶矩的大小介于零與最大值之間，即
式（2.10）
M 式（2.11）
其中δ滾動(dòng)摩阻系數(shù)，查表5-2，δ=40~60，取δ=50mm
牽引力F為：
式（2.12）
2.4.4 求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷力矩
式（2.13）
取=0.7, =1392.58, =0.15
式中 ——表示摩擦系數(shù)；
F——表示牽引力；
W——表示重物的重力；
D——表示后輪直徑；
——表示傳遞效率；
——表示傳動(dòng)裝置減速比。
2.4.5 求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷慣性
式（2.14）
式中 ——表示車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——表示蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——表示蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——表示渦輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
2.4.6 電機(jī)的選定
根據(jù)額定轉(zhuǎn)矩和慣量匹配條件，選擇直流伺服電動(dòng)機(jī)。
電機(jī)型號(hào)及參數(shù)見表2-1。
表2-1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)
型號(hào)
電刷材料
額定功率
轉(zhuǎn)子慣量
電機(jī)直徑
電機(jī)軸直徑
電機(jī)長度
效率
MAXONF2260
石墨
1KW
1290
320
20
200
70%
2.4.7 電機(jī)的驗(yàn)算
式（2.15）
即
式中 ——表示電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量。
由以上計(jì)算可以看出所選的直流電動(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。
2.4.8快移時(shí)的加速性能
最大空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在全自動(dòng)送料小車沒有攜帶工件，從靜止以階躍指令加速到伺服電機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)。這個(gè)最大空載加速轉(zhuǎn)矩就是伺服電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。
式（2.16）
加速時(shí)間 式（2.17）
式中 ——表示機(jī)械時(shí)間常數(shù)為19.
2.5 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
由于電動(dòng)機(jī)軸直徑為Φ20mm，輸出軸銷平一部分后與聯(lián)軸器相連，聯(lián)軸器的直徑為Ф50mm，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-5所示。
圖2-5 聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)圖
聯(lián)軸器采用安全聯(lián)軸器，銷釘直徑d可按剪切強(qiáng)度計(jì)算，即
式（2.18）
式中 K—— 表示過載限制系數(shù)；
T ——表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩；
D——表示聯(lián)軸器直徑；
Z——表示銷的個(gè)數(shù)。
銷釘材料選用45鋼。查表5-2知：
表2-2 45鋼力學(xué)性能
牌號(hào)
試樣毛坯尺寸
硬度HBS
45
217~225
637
353
17%
35%
0.39
銷釘?shù)脑S用切應(yīng)力為；
式（2.19）
過載限制系數(shù)k值由表14-4查 得k=1.6
式（2.20）
由計(jì)算可知選用d=5mm的銷釘滿足剪切強(qiáng)度要求。
2.6 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)
2.6.1 選擇蝸桿的傳動(dòng)類型
根據(jù)GB/T 10085-1988的推薦，采用漸開線蝸桿(ZI)。
2.6.2 選擇材料
蝸桿要求表面硬度和耐磨性較高，故材料選用40Cr。蝸輪用灰鑄鐵HT300制造，采用金屬模鑄造。
2.6.3 蝸桿傳動(dòng)的受力分析
確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2：
按Z=2，由電機(jī)參數(shù)表2-1得η=0.7,則
式（2.21）
圖2-6 蝸輪-蝸桿受力分析
各力的大小計(jì)算為；
F 式（2.22）
式（2.23）
式（2.24）
2.6.4 初選
當(dāng)量摩擦系數(shù) 設(shè)=2m/s~5m/s，查表13-6取大值
選值 在圖13.11的i=10線上選?。?
=0.40，（z=2），
2.6.5 中心距計(jì)算
蝸輪轉(zhuǎn)距 式（2.25）
=9.55
=46103.45
使用系數(shù) 按題意查表12.9 K
轉(zhuǎn)速系數(shù) Z=（ Z=0.7
彈性系數(shù) 根據(jù)蝸輪材料查表13.2 Z
壽命系數(shù) = Z=1.09
接觸系數(shù) 由圖13.12查出 =2.7
接觸疲勞極限 查表13.2 =265MPa
接觸疲勞最小安全系數(shù) 自定
中心距
==78.56
取
2.6.6 傳動(dòng)基本尺寸
蝸桿頭數(shù) =2.07 式(2.26)
取=2。
蝸輪齒數(shù) =20 式(2.27)
模數(shù) =8 式(2.28)
蝸桿分度圓直徑 = a=0.40=40 式(2.29)
蝸輪分度圓直徑 式(2.30)
蝸桿導(dǎo)程角 式(2.31)
=21.8
蝸輪寬度 式(2.32)
=48
蝸桿圓周速度 式(2.33)
相對(duì)滑動(dòng)速度 式(2.34)
當(dāng)量摩擦系數(shù) 由表13.6查得（與假設(shè)有出入，毋須作調(diào)整，以計(jì)算為準(zhǔn)），
2.6.7 齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
許用接觸應(yīng)力 []==0.7=156MPa 式(2.35)
最大接觸應(yīng)力 ==152=92.4MPa 式(2.36)
因?yàn)? []所以按齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算該蝸桿合格。
2.6.8 輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度極限 由表13.2查得
彎曲疲勞最小安全系數(shù) 自定
許用彎曲疲勞應(yīng)力 =82MPa 式（2.37）
輪齒最大彎曲應(yīng)力 [] 式（2.38）
由輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算可知該蝸桿滿足要求。
2.6.9 蝸桿軸撓度驗(yàn)算
軸慣性距 式（2.39）
允許蝸桿撓度 [=0.032mm 式（2.40）
蝸桿軸撓度 式（2.41）
=
=0.001
通過對(duì)蝸桿的撓度驗(yàn)算此蝸桿合格。
2.6.10.精度等級(jí)公差的確定
考慮到所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)送料小車屬于精密傳動(dòng)，從GB/T 10089-1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇6級(jí)精度。
2.6.11 熱平衡核算
由于該蝸輪-蝸桿傳動(dòng)是開式傳動(dòng)，蝸輪-蝸桿產(chǎn)生的熱傳遞到空氣中，故無須熱平衡計(jì)算。
2.7 軸的設(shè)計(jì)
2.7.1 前輪軸的設(shè)計(jì)
前輪軸只承受彎矩而不承受扭矩，故屬于心軸。
圖2-7 前輪軸結(jié)構(gòu)
2.7.1.1 求作用在軸上的力
全自動(dòng)送料小車的前輪受力，受力如圖2-8a所示。
由式（2.9）得 式（2.42）
式（2.43）
2.7.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）擬定軸上零件的裝配方案
裝配方案是：左輪輻板、右輪輻板、螺母、套筒、滾動(dòng)軸承、軸用彈性擋圈依次從軸的右端向左安裝，左端只安裝滾動(dòng)軸承和軸用彈性擋圈。這樣就對(duì)各軸段的順序作了初步安排。
2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
(1)初步選擇滾動(dòng)軸承。全自動(dòng)送料小車前輪軸只受彎矩的作用，主要承受徑向力而軸向力較小，故選用單列深溝球軸承。由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取單列深溝球軸承6214，其尺寸為d×D×T=70mm×125mm×24mm,故。
右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得6214型軸承的定位軸肩高度h=4.5mm，因此取。
(2)取安裝左、右輪輻處的軸段Ⅵ的直徑;輪輻的左端采用軸肩定位，右端用螺母夾緊輪輻。已知輪輻的寬度為125mm，為了使螺母端面可靠地壓緊左右輪輻，此軸段應(yīng)略短于輪輻的寬度，故取。左右輪輻的左段采用軸肩定位，軸肩高度，取h=6mm，則軸環(huán)處的直徑。軸環(huán)寬度b≥1.4h，取。
(3)軸用彈性擋圈為標(biāo)準(zhǔn)件。選用型號(hào)為GB 894.1-85 50，其尺寸為,故
, ,。
其余尺寸根據(jù)前輪軸上關(guān)于左右輪輻結(jié)合面基本對(duì)稱可任意確定尺寸，確定了軸上的各段直徑和長度如圖2-7所示。
3）軸上零件的軸向定位
左右輪輻與軸的軸向定位采用平鍵聯(lián)接。按由手冊(cè)查得平鍵截面b×h=25mm×14mm。
(GB/T 1095-1979),鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為100mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長見GB/T 1096-1979),同時(shí)為了保證左右輪輻與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇左右輪輻與軸的配合為H7/n6。滾動(dòng)軸承與軸的軸向定位是借過度配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為j7。
4）確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑為R1。
2.7.1.3.求軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡圖。根據(jù)軸的計(jì)算簡圖作出軸的彎矩圖。
圖2-8 前輪軸的載荷分析圖
式（2.44）
式（2.45）
式（2.46）
2.7.1.4.按彎曲應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩的截面強(qiáng)度。最大負(fù)彎矩在截面C上，。
對(duì)截面C進(jìn)行強(qiáng)度校核，由公式
式（2.47）
由表15-1查得，45號(hào)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后其許用彎曲應(yīng)力為。
在C處的抗彎截面系數(shù)為：
式（2.48）
因此該軸滿足強(qiáng)度要求。
2.7.2 后輪軸的設(shè)計(jì)
后輪軸在工作中既承受彎矩又承受扭矩，故屬于轉(zhuǎn)軸。
圖2-9 后輪軸結(jié)構(gòu)
2.7.2.1 求后輪軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
取蝸輪-蝸桿傳動(dòng)的效率=0.7,則
式（2.49）
2.7.2.2 作用在蝸輪上的力
2.7.2.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)擬定軸上零件的裝配方案
裝配方案是：蝸輪、套筒、左端的深溝球軸承、軸用彈性擋圈依次從軸的左端向右安裝；右端的深溝球軸承、透蓋、輪輻、軸端蓋依次從軸右端向左安裝。
2)根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
(1)初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列深溝球軸承。單列深溝球軸承6218，其尺寸為d×D×T=90mm×160mm×30mm，故。
右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得6218型軸承的定位軸肩高度h=6mm,因此，取。
(2)軸用彈性擋圈為標(biāo)準(zhǔn)件。選用型號(hào)為GB 894.1-86 50,其尺寸為，故，。
(3)取安裝輪輻處的軸段Ⅵ的直徑。輪輻的寬度為125mm,為了使軸端擋圈可靠地壓緊輪輻，此軸段應(yīng)略短于輪輻的寬度，故取。
其余尺寸根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)可任意選取。確定了軸上的各段直徑和長度如圖2-9所示。
3)軸上零件的軸向定位
蝸輪與軸的軸向定位采用平鍵聯(lián)接。按由手冊(cè)查得平鍵截面b×h=14mm×9mm,鍵槽長為40mm。輪輻與軸的配合為H8/h7。
4)確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑為R1。
2.7.2.4 求軸上的載荷
后輪軸上的受力分析如圖2-10。
圖中L1=L2=61mm ；L3=106mm。
1)在水平面上后輪軸的受力簡圖為2-11。
由靜力平衡方程求出支座A、B的支反力
式(2.5)
三個(gè)集中力作用的截面上的彎矩分別為：
式(2.51)
式(2.52)
圖2-10 后輪軸受力圖
圖2-11 水平受力和彎矩圖
圖2-12 垂直受力和彎矩圖
圖2-13 合成彎矩
2)在垂直面上后輪軸的受力簡圖如圖2-12所示。
由靜力平衡方程求出支座A、B的支反力
式（2.53）
式（2.54）
， 式(2.55)
解得： 式（2.56）
， 式(2.57)
（與假設(shè)方向相反）
在段中，將截面左邊外力向截面簡化，得
其中 式(2.58)
在段中，同樣將截面左邊外力向截面簡化，得
其中 式(2.59)
在段中，同樣將截面右邊外力向截面簡化，得
其中 式(2.60)
計(jì)算A、B、C、D截面的總彎矩M如圖2-13所示。
式(2.61)
式(2.62)
后輪軸上的轉(zhuǎn)矩
2.7.2.5 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面D）的強(qiáng)度。
由式（15-5）得
式(2.63)
式中 ——表示折合系數(shù)為0.6。
為軸D處的抗彎截面系數(shù)：
選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得許用彎曲應(yīng)力
因?yàn)?，所以該軸滿足強(qiáng)度要求。
2.8 滾動(dòng)軸承選擇計(jì)算
2.8.1 前輪軸上的軸承
要求壽命，轉(zhuǎn)速，軸承的徑向力，軸向力。
由上述條件試選軸承。
試選6214型軸承，查表16-2
表2-3 6214軸承性能
（脂）
1） 按額定動(dòng)載荷計(jì)算
由公式
式(2.64)
對(duì)深溝球軸承=3，
式(2.65)
查表13-6 全自動(dòng)送料小車
代入得
故6214型軸承能滿足要求。
按額定靜載荷校合
由公式 式（2.66）
查表13-8，選取=2
式(2.67)
代入上式，滿足要求。
2.8.2 蝸桿軸上的軸承
要求壽命，轉(zhuǎn)速，軸承的徑向載荷，作用在軸上的軸向載荷。
由上述條件試選軸承。
選2207型軸承，查表5-24得
表2-4 2207軸承性能
（脂）
圖2-11 蝸桿軸的軸承受力圖
1） 按額定動(dòng)載荷計(jì)算
式(2.68)
因?yàn)? 式(2.69)
所以 ， 式(2.70)
式(2.71)
查表15-12，
， ， 式(2.72)
式(2.73)
， ， 式(2.74)
式（2.75）
由公式
式（2.76）對(duì)調(diào)心球軸承
式(2.77)
式(2.78)
均小于滿足要求。
2）按額定靜載荷校核
由公式
式（2.79）
查表13-14，取
式（2.80）
式（2.81）
式（2.82）
均小于，滿足要求。
3）極限轉(zhuǎn)速校核
由公式（15-11）
式(2.83)
， 由圖15-5得
， 由圖15-6得
式(2.84)
，由圖15-5得
， 由圖15-6得
式(2.85)
因?yàn)樾∮诤退栽撦S承滿足要求。
2.8.3 后輪上的軸承
要求軸承的壽命，轉(zhuǎn)速，軸承A的徑向載荷 式（2.86）
軸承B的徑向載荷 式（2.87）
軸向載荷為。由于軸承A承受的載荷大于軸承B的載荷，故只需對(duì)軸承A進(jìn)行校核。
由上述給定條件試選軸承
試選6218型軸承，查表15-19
表2-5 6218軸承性能
（脂）
1）按額定動(dòng)載荷計(jì)算
由公式 式（2.88）
對(duì)深溝球軸承，
式（2.89）
由 查表15-19 ，
由 式（2.90）
查表15-12 得
代入得：
式（2.91）
式（2.92）
故6218型軸承能滿足要求。
2）按額定靜載荷校核
由公式
式(2.93)
查表15-14，選取
由
查表15-19， 時(shí)，
得 式（2.94）
代入上式，滿足要求。
2） 極限轉(zhuǎn)速校核
式（2.95）
由 查圖15-5
查圖15-6
代入
式（2.96）
滿足要求。
3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 控制系統(tǒng)總體概述
本系統(tǒng)使用AT89C51單片機(jī)作為核心的控制運(yùn)算部分。連接在電機(jī)上的數(shù)字編碼器在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過自行設(shè)計(jì)和制作的脈沖鑒相電路，可以得到電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向；來自鑒相電路的正反方向的脈沖信號(hào)進(jìn)入到兩塊8253計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和位移；經(jīng)過在AT89C51單片機(jī)上運(yùn)行的各種控制程序的適當(dāng)運(yùn)算以后，輸出的控制量經(jīng)過兩塊DAC1208轉(zhuǎn)換器變成模擬量，輸出到兩塊UC3637直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制器，通過H橋開關(guān)放大器，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度或者力矩給定，從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使整個(gè)全自動(dòng)送料小車能夠完成所設(shè)計(jì)的控制任務(wù)。
整個(gè)控制系統(tǒng)的組成框圖如下：
圖3-1 控制系統(tǒng)的組成框圖
3.2 鑒相
伺服電機(jī)根據(jù)控制要求能夠工作在四個(gè)不同的象限，作為系統(tǒng)的狀態(tài)檢測部分，必須能夠檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速及分辨電機(jī)不同的旋轉(zhuǎn)方向。安裝在電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上的數(shù)字編碼器在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠產(chǎn)生相位相差90度的兩路脈沖信號(hào)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以由鑒相電路對(duì)此兩路脈沖進(jìn)行鑒相后獲得，其原理[9]如圖3-2所示。
圖3-2 鑒相原理圖
伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，A相脈沖超前于B相脈沖90度，在cp十端輸出反向計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，B相脈沖超前于A相脈沖90度，在cp一端輸出正向計(jì)數(shù)脈沖，見圖3-3中的(b)和(c}所示，分辨出的脈沖進(jìn)入脈沖計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，再由計(jì)算機(jī)讀入進(jìn)行處理。其電路圖見圖3-3中的(a)所示。
圖3-3 電機(jī)轉(zhuǎn)向分辨電路圖
本次設(shè)計(jì)使用的數(shù)字編碼器為500P/ R ,即電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周輸出500個(gè)脈沖,電機(jī)到車輪的減速齒輪的減速比為10 : 1 ,因此車輪每前進(jìn)或者后退一周產(chǎn)生500×10 即5000個(gè)脈沖,可見分辨率非常高。編碼器的脈沖輸出為差動(dòng)形式,鑒相電路接收差動(dòng)形式的脈沖信號(hào),鑒相后輸入到8253計(jì)數(shù)器。
3.3 計(jì)數(shù)的擴(kuò)展
為了得到驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的速度、位移等,而數(shù)字編碼器的輸出經(jīng)過鑒相電路提供的是電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)脈沖,必須對(duì)這些脈沖分別進(jìn)行計(jì)數(shù)、運(yùn)算才能得到所要的速度、位移等狀態(tài)量。本系統(tǒng)中使用了兩塊8253計(jì)數(shù)器,每塊芯片具有三個(gè)16 位計(jì)數(shù)器。四個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器即1# 、2 # 、3 # 和4 # 分別用于兩臺(tái)電機(jī)的正/ 反轉(zhuǎn)脈沖的計(jì)數(shù)。
8253可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器可由軟件設(shè)定定時(shí)與計(jì)數(shù)功能，設(shè)定后與CPU并行工作，不占用CPU時(shí)間，功能強(qiáng)，使用靈活。它具有3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器通道，每個(gè)計(jì)數(shù)器都可以按照二進(jìn)制或二十進(jìn)制計(jì)數(shù)，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有6種工作方式，計(jì)數(shù)頻率可高達(dá)2MHz，芯片所有的輸入輸出都與TTL兼容。
8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖[8]如圖3-4所示；引腳[8]如圖3-5所示。
圖3-4 8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
圖3-5 8253引腳圖
U6芯片中計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1用于左輪電機(jī)正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，并處于工作方式3。U7芯片中計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1用于右輪電機(jī)正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，并處于工作方式3。在中斷服務(wù)程序中,這四個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)兩臺(tái)伺服電機(jī)的正/ 反脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),所得到的計(jì)數(shù)值減掉上一次的計(jì)數(shù)值,就可以得到在這一時(shí)間周期內(nèi)的各路脈沖數(shù)。右輪反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)和左輪反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)的結(jié)果分別存于臨時(shí)變量temp 1、temp 2、temp 3 和temp 4 中,在主程序中通過對(duì)它們進(jìn)行運(yùn)算就可以得到小車的狀態(tài)量了。
3.4 中斷的擴(kuò)展
AT89C51單片機(jī)是使用兩個(gè)級(jí)聯(lián)的8259A 中斷控制器來控制中斷的。主8259A 芯片上的IRQ2 擴(kuò)展成從片上的IRQ8~IRQ15 使用。8259A作為一種可編程中斷控制器，是一種集成芯片。它用來管理輸入到CPU的各種中斷申請(qǐng)，主要外圍設(shè)備，能提供中斷向量、屏蔽各種中斷輸入等功能。每一個(gè)8259A芯片都能直接管理8級(jí)中斷，最多可以用9片8259A芯片級(jí)連，由其構(gòu)成級(jí)連機(jī)構(gòu)可以管理64級(jí)中斷。
8259A的外部引腳[8]如圖3-6。
圖3-6 8259A引腳圖
：數(shù)據(jù)線，CPU通過數(shù)據(jù)線向8259A發(fā)送各種控制命令和讀取各種狀態(tài)信息。
INT：中斷請(qǐng)求，和CPU的INTR引腳相連，用來向CPU提出中斷請(qǐng)求。
：中斷響應(yīng)，接收CPU的中斷響應(yīng)信號(hào)。
：讀信號(hào)，低電平有效，通知8259A將某個(gè)寄存器的內(nèi)容送到數(shù)據(jù)總線上。
：寫信號(hào)，低電平有效，通知8259A從數(shù)據(jù)線上接受數(shù)據(jù)（即命令字）。
：片選信號(hào)，低電平有效。
：端口選擇，指出當(dāng)前哪個(gè)端口被訪問。
：接收設(shè)備的中斷請(qǐng)求。
：級(jí)聯(lián)端，指出具體的從片。在采用主從式級(jí)聯(lián)的多片8259A的系統(tǒng)中，主從片的對(duì)應(yīng)連接在一起。
：主從片/緩沖器允許，雙功能引腳，雙向。它有兩個(gè)用處：當(dāng)作為輸入時(shí)，用來決定本片8259A是主片還是從片。作為輸出時(shí)，當(dāng)從8259A往CPU傳送數(shù)據(jù)時(shí)，由引出的信號(hào)作為總線啟動(dòng)信號(hào)，以控制總線緩沖器的接收和發(fā)送。
本次設(shè)計(jì)采用兩片8259A進(jìn)行級(jí)聯(lián)：主片的引腳連接從片的中斷請(qǐng)求INT，如果某一個(gè)引腳下面沒有連接從片，則可以直接連接外部中斷請(qǐng)求；而主片、從片的中斷響應(yīng)信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)互相連在一起。主片CAS和從片CAS互相連在一起，當(dāng)從片數(shù)量較多時(shí)，可以在主片CAS和從片CAS之間增加驅(qū)動(dòng)器。主片的接高電平。從片的接低電平。在8259A的主從式級(jí)聯(lián)方式中，中斷的優(yōu)先級(jí)設(shè)置類似于單片機(jī)的情況。
3.5 數(shù)摸轉(zhuǎn)換器的選擇
將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(digital-analog converter),簡稱為DAC。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、轉(zhuǎn)換精度、線性誤差和建立時(shí)間。
分辨率是指最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。本次設(shè)計(jì)采用DAC1208芯片，故其分辨率為。
轉(zhuǎn)換精度是以最大的靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。DAC1208芯片為12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器其最大誤差為:,精度為。
線性度是指DAC的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之間的最大偏移差。
建立時(shí)間是在數(shù)字輸入端發(fā)生滿量程碼的變化以后，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的模擬輸出穩(wěn)定到最終值±1/2(最低有效位)時(shí)所需要的時(shí)間，當(dāng)輸出的模擬量為電流時(shí)，這個(gè)時(shí)間很短。
DAC1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳[8]如圖3-7和圖3-8所示。
。
圖3-7 DAC1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3-8 DAC1208的引腳圖
DAC1208內(nèi)部對(duì)輸入數(shù)據(jù)具有兩級(jí)緩存：8位輸入寄存器、4位輸入寄存器和12位DAC寄存器，這三個(gè)寄存器可以分別選通。
DAC1208有三種工作方式：單緩沖方式、雙緩沖方式、直通方式。
所謂的單緩沖方式就是使DAC1208的兩個(gè)輸入寄存器中有一個(gè)處于直通方式，而另一個(gè)處于受控的鎖存方式。
所謂雙緩沖方式，就是把DAC1208的兩個(gè)鎖存器都接成受控鎖存方式。本次設(shè)計(jì)采用雙緩沖方式，目的是為了讓兩個(gè)直流伺服電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)同步。
所謂直通方式，輸入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式，即信號(hào)均有效，數(shù)據(jù)被直接送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。
本次設(shè)計(jì)采用DAC1208芯片的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器其工作步驟為：為高電平時(shí)，選中數(shù)據(jù)輸入到8位輸入寄存器；當(dāng)為低電平時(shí)，選中數(shù)據(jù)輸入到4位輸入寄存器；片選信號(hào)，低電平有效，和輸入鎖存信號(hào)一起決定第一級(jí)數(shù)據(jù)鎖存是否有效。第一級(jí)允許鎖存，高電平有效。寫信號(hào)1，作為第一級(jí)鎖存信號(hào)，必須和同時(shí)有效。寫信號(hào)2，作為第二級(jí)鎖存信號(hào)，必須和同時(shí)有效?？刂菩盘?hào)，低電平有效，和一起決定第二級(jí)數(shù)據(jù)鎖存是否有效。模擬電流輸出端，DAC寄存器全1時(shí)最大，全0時(shí)為0。模擬電流輸出端，和有一個(gè)常數(shù)差：常數(shù)，此常數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)固定基準(zhǔn)電壓的滿量程電流。參考電壓輸入端，電壓范圍為。
3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇
電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM技術(shù)[6]來驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。PWM技術(shù)為脈寬調(diào)制技術(shù)，可通過輸入直流電壓，在其輸出可以得到頻率固定、脈沖幅度一定、脈沖寬度與輸入信號(hào)成線性關(guān)系的方波脈沖串，利用該方波脈沖串驅(qū)動(dòng)功率放大電路，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用PWM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，PWM具有較高的切換頻率，這有助于克服伺服電機(jī)的靜摩擦力矩，與其線性功率放大器相比，功耗低且效率高，因而在伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。為了改善伺服電機(jī)的運(yùn)行特性，必須適當(dāng)選擇PWM的切換頻率，其選擇可參考以下原則：
1)切換頻率應(yīng)能使電機(jī)軸產(chǎn)生微振，以克服靜摩擦，改善運(yùn)行特性。即[6]
式(3.1)
式（3.2）
式中 ——表示PWM的切換頻率；
——表示電機(jī)頻率；
K——表示力矩常數(shù)；
——表示PWM電源電壓；
L——表示電感；
T——表示電機(jī)靜摩擦力矩。
2)微振的最大角位移應(yīng)小于設(shè)定的位置誤差。即[6]
式(3.3)
式中 J——表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——表示設(shè)定的位置誤差。
3)盡量減少電機(jī)產(chǎn)生的高頻功耗。即應(yīng)使得[6]