经济型模块化磁引导AGV驱动系统的设计汇总Word文件下载.docx

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尽管我国很多行业对AGV系统都有着很大的需求，但由于其成本高、投资大、研发周期长等特点也制约了AGV系统的推广。

本文设计开发了一种经济型模块化AGV驱动系统。

该系统由模块化的驱动单元和控制单元组成，使用了PLC、继电器、磁力传感器等技术性能成熟且低成本的工业元件，做到了引导、驱动、转向与缓冲等功能，达到了可以在现场实际使用的设计要求，同时显著降低了AGV系统的应用成本。

关键词：

AGV，自动引导运输车，磁引导，模块化

第一章绪论

1.1 

AGV自动引导运输车简介

AGV（Automatic 

Guided 

Vehicle）, 

通常也称为AGV小车,即自动引导运输车。

它是一种物料搬运设备，是能在指定位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置，自动完成货物的卸载的全自动运输装置。

AGV是以蓄电池为动力源的一种自动操纵的工业车辆.一般可透过电脑来控制其行进路线以及行为，或利用电磁轨道（electromagnetic 

path-following 

system）来设定其行进路线，电磁轨道粘贴于地面或预先埋设在地面下，AGV则依循电磁轨道所提供的信息进行移动与动作。

装卸与搬运是物流的功能要素之一，在物流系统中使用的频率很高，占据物流费用的重要部分。

AGV相对人工搬运，有着自动化程度高、使用成本低、观赏度高、能够提高企业形象等优点。

因此，近年来AGV得到了很大的发展，广泛用于钢铁、烟草、车辆制造等行业。

图1.1新松公司生产的激光引导式AGV图1.2日本明电舍生产的多种AGV

1.2 

AGV自动引导运输车的分类 

自动引导运输车分为有轨和无轨两种。

所谓有轨是指有地面或空间的机械式导向轨道。

地面有轨小车结构牢固，承载力大，造价低廉，技术成熟，可靠性好，定位精度高。

地面有轨小车多采用直线或环线双向运行。

无轨小车则是一种利用控制系统来控制，能按照一定的程序自动沿规定的引导路径行驶，并具有停车选择装置、安全保护装置以及各种移载装置的输送车辆。

1.3国内外研究现状及发展趋势 

AGV是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动化立体仓库的大规模应用而产生并发展起来的。

目前国内总体看AGV的应用刚刚开始，相当于国外80年代初的水平。

但从应用的行业分析，分布面非常广阔，有烟草业、印刷业、制造业、家用电器行业等等。

这说明AGV有一个潜在的广阔市场。

（a）AGV在烟草行业的应用（b）AGV在汽车制造业的应用

图1.3AGV在工业现场的应用

但从AGV的应用行业分布的比重上看，AGV在国内仍然主要应用在烟草和汽车行业，这是由于AGV的生产、使用成本居高不下所决定的。

由此可以见，自主研发AGV相关技术，降低AGV成本会极大地促进AGV向其他行业的渗透。

从AGV的相关技术角度来看，虽然国内的发展已有一定的规模，但是多数公司的驱动系统依然从国外进口。

因此，国内应用AGV的成本过高，这也是AGV应用在国内迟迟得不到推广的原因。

综上所述，本文将着重从降低AGV的使用成本和缩短AGV的开发周期来研究AGV的相关技术。

第二章AGV引导模块的设计

2.1总体布局

AGV驱动单元通常由控制器、驱动电机、以及相关的传动机构组成，目前多数AGV的驱动单元与车体采用刚性连接，同时引导传感器固定在车体上。

这样，驱动单元应用在AGV上时，只需要采用的不同的随动轮，就可以实现AGV的单向或者双向运动，如图2.1所示。

驱动轮

万向轮

图2.1传统AGV轮系布局

这样的结构虽然可以实现AGV的基本功能，但是由于车体、驱动系统以及引导单元采用了刚性连接，AGV整车的惯性较大。

为了达到AGV运行的精度要求，对控制器的要求极高，增加了控制算法的难度和硬件成本；

同时由于车体、驱动系统以及导向单元采用了整体设计开发，使得应用在不同场合的AGV必须分别设计开发，造成开发周期过长。

因此本文将AGV的引导与驱动系统整合设计成AGV的驱动引导模块，进行机电一体化设计。

图2.2所示即引导驱动一体化的模块结构示意图。

模块中具有引导装置与驱动装置，以满足AGV运行的基本需求，配合合适的控制器以及车体，就能快速开发出一台AGV。

如图2.2所示为引导驱动模块。

该模块与车体连接处具有一个转动机构，这样就可以解决大惯性车体结构由于控制器纠偏原因频繁摆动的问题。

当使用上图驱动装置的AGV运行时，尽管模块底层的驱动部分会由于路径跟踪的原因左右摆动。

但由于转动机构的存在，车体不会立即跟随驱动部分摆动，当驱动部分进入稳定状态时，车体才逐渐地跟随驱动部分转动然后回正，这样就解决了目前低成本AGV车体可能存在的摆动问题。

图2.2AGV引导驱动模块

2.2驱动单元传动机构

AGV驱动装置的传动机构是指驱动力矩从驱动电机到驱动轮的传递过程中涉及的机构。

这个过程包含了转速的降低、扭矩的放大和传递方向的改变，直接关系到AGV的驱动能力和运行的速度，因此合理的传动机构对AGV是不可或缺的。

常见的传动机构包括齿轮、传动带和链条等，它们的特点如下：

齿轮：

齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大；

但是齿轮传动要求较高的制造和安装精度，成本较高；

同时齿轮传动用于AGV传动过程中需要变向，这样减速机的尺寸比较大。

传动带：

传动带传动是一种依靠摩擦力来传递运动和动力的机械传动，运动平稳无噪音，结构简单制造容易，安装和维修方便，成本较低。

但是传动带不能传递大功率，传动中有滑动，不能保持准确的传动比，效率较低。

而且皮带磨损较快，寿命较短。

链条：

相对齿轮传动而言对主动轮和从动轮的中心距的限制较宽松；

主动轮和从动轮的圆周线速度相等；

传动可靠性较皮带传动高。

同时链条传动使得主动轮与从动轮之间的距离可以灵活设计。

根据以上的分析，本次决定采用链条传动。

这样的驱动机构可以使驱动电机横向布置，有利于减小驱动模块的尺寸。

同时配合行星齿轮减速机，从电机到减速机、链条以及驱动轮就构成了AGV的传动系统。

2.3驱动单元的驱动系统布局

整个驱动系统由两个电机、两个齿轮减速机，两套链条系统和两个驱动轮组成。

常见的驱动结构布局有两种形式：

对称布局形式和交错布局形式在选用相同驱动电机和驱动轮的情况下，交错式结构的驱动单元体积要比对称布局结果体积小很多。

但交错式布局相对结构复杂，为了控制驱动模块姿态的准确，对两个驱动轮的安装精度要求较高。

为了解决驱动轮的同轴度问题，本次设计的驱动模块中两个驱动轮安装在同一根芯轴，以此来保证同轴度。

这样整个驱动系统的布局结构如图2.3所示。

图2.3驱动系统布局结构示意图

2.4驱动单元弹性连接装置结构

根据本章开始的时候分析得知，自动引导小车的驱动装置与车体之间的柔性连接是必要的。

在综合考虑自动引导小车的结构问题时候，发现采用驱动装置中采用柔性连接的方式不仅能够起到减震的效果，而且还能解决刚性连接的自动导向小车中各个随动车轮与驱动轮难以处在同一平面的问题。

图2.4是本文设计的减震缓冲装置在UG中的三维模型。

图2.4减震缓冲装置三维模型

根据图2.4可以发现，该装置采用两个柔性适中的弹簧，可以有效的减少驱动轮引起的上下震动对车体的影响。

同时当驱动装置安装在自动引导小车的车体上的时候，随动轮采用可以调节高度的结构，这样只需要调节随动轮的高度，当有负载的时候，该减震装置受压后车体下降，直到随动轮与地面接触。

这样随动轮与驱动轮都处于与地面接触的平面，有效的避免了驱动轮与地面无法良好接触，而引起的驱动力不足的问题。

这种结构与传统的刚性连接的自动引导小车结构相比，还有一个优势在于，当车体有负载的情况下，负载首先会是弹簧变形，随动轮下降，直到随动轮与地面接触。

这样负载会平均分配在随动轮与驱动轮子上。

而刚性连接的自动引导小车结构中，当负载摆放在车体的不同的位置时候，分配在各个轮子上的载荷是不同的，很有可能会出现负载集中在个别车轮上，引起车轮过载，从而出现故障或过度磨损的情况。

2.5驱动单元与车体转动机构

上文中已经分析提到，为了尽量减小自动引导小车的驱动装置由于差速纠偏时频繁左右调整姿态而带来的车体整体摆动，本文将驱动导向单元分为上下两层的设计，将减震装置设计在上层，与车体连接，下层则为上文设计的驱动系统，驱动系统通过驱动轮与地面接触。

两层之间依靠一个平面轴承连接，轴承上套装了一个扭簧，当上下两层之间转动产生角度时，扭簧能够提供一定的力矩使上层结构回摆。

这样既能够避免车体的频繁摆动，又能使车体有效地跟随驱动装置，完成路径跟踪功能。

此外，在两层结构之间还设置有一个角度传感器，用来实时测量车体与驱动导向结构之间的相对转角关系，这样可以给主控制器提供更全面的信息，使控制器更全面有效的控制AGV的运动轨迹。

2.6AGV驱动力的计算

AGV在行驶的过程中通过驱动轮与地面接触，驱动力矩Tq由电机输出，通过减速机构放大到驱动轮上的力矩为Tt：

Tt=IgηTg（2.1）

其中Ig为整个传动系统的减速比，η为整个传动系统的机械效率。

驱动轮与地面作用产生的驱动力Ft：

Ft=Tt/R=IgηTg/R（2.2）

其中R为驱动轮半径。

AGV行驶过程中需要克服各种阻力，主要有：

滚动阻力Ff，空气阻力Fw，坡度阻力Fy，加速阻力Fa等，所以驱动AGV需要的总驱动力为：

Ft=Ff+Fw+Fy+Fa（2.3）

（1）滚动阻力Ft

AGV通过轮子与地面接触，因此滚动摩擦力取决于滚动摩擦系数与AGV整车质量与载重：

Ff=fMmaxg+fmg（2.4）

式中f为滚动摩擦系数，根据本文中选用的AGV驱动轮材料，取值为0.02；

g为重力加速度常数，因此得出最大Ff为117.6N。

（2）加速阻力Fa

加速阻力主要是在AGV启动时的加速过程中产生的，由AGV载重和加速度决定，本文设计的AGV最大加速度为0.5m/s因此得出的Fa峰值为150N。

（3）坡道阻力Ft与空气阻力Fw

因为AGV通常工作在车间里面，地面平整性较高，因此坡道阻力忽略不计。

同时，由于AGV的车速通常不会超过100mm/s，而空气阻力与车速度平方成正比，因此空气阻力Fw也是非常小的，可以忽略不计。

上面的分析可得，通常自动引导小车运行过程中需要克服的最大阻力发生在其满载且以最大加速度启动时候，此时本文设计的单驱动单元AGV的目标载重500KG，因此驱动电机需要提供的最大驱动力Ft为267.6N。

2.7驱动电机选型

目前AGV使用的驱动电机通常是直流伺服电机和步进电机两大类，其中步进电机由于非线性较强，不易实现高性能的闭环控制，所以极少使用。

直流伺服电机主要分为有刷直流伺服电机和无刷直流伺服电机，有刷直流伺服电机的结构简单，成本低，启动时转矩大，调速范围宽，控制比较容易，但由于碳刷存在损耗，所以需要维护，同时有刷直流伺服电机会产生电磁干扰，对应用的环境有所要求，适用于需求成本较低的民用场合和普通工业。

无刷直流伺服电机重量轻、体积小、响应快、出力大、速度快、惯量小、力矩稳定、转动平滑。

比较容易实现智能化，且不需要维护、效率高、运行