山东省机电产品 轻便式助力臂.doc

青岛科技大学机电工程学院学科竞赛项目立项申请表

推荐学校：
青岛科技大学
项目名称：
轻便式冲床通用助力臂
所属一级学科名称：
机械工程
项目负责人：
胡明运
指导教师：
王宪伦
联系电话：
15192781572
申报日期：
2013年10月8日

机电工程学院学科竞赛项目立项申请表

大赛名称
山东省大学生机电产品大赛
竞赛项目名称

轻便式冲床通用助力臂
竞赛项目负责人
及联系方式（负责人为学生）

胡明运
15192781572
竞 赛 时 间
2014年8月
项目启动时间
2013年11月
参赛
学生
排序
姓 名
性别
班 级
所学专业
1
胡明运
男
机自113班
机械工程及其自动化
2
贺雪晨
男
机自113班
机械工程及其自动化
3
丁高鹏
男
机自112班
机械工程及其自动化
4
王斌
男
机自114班
机械工程及其自动化
5
王方舟
男
机自114班
机械工程及其自动化
指 导 教 师
第一指导教师
姓名
王宪伦
单位
青岛科技大学机电工程学院
年龄
35
专业技术职务
副教授
主要成果
主持和参与国家自然科学基金2项，国家高技术研究发展技术（863计划）项目1项，省部基金3项，市级2项，横向项目多项。
第一作者在国内外各种学术期刊上发表论文20余篇，其中EI、ISTP收录19篇，负责学校中澳机器人研发中心工作，进行工业机器人、半自主足球机器人、仿人机器人和水下机器人的开发研究，带队参加国内外机器人大赛，共获得国际机器人大赛一等奖2项，二等奖6项，三等奖2项，国家机器人大赛一等奖8项，二等奖12项，三等奖9项。
第二指导教师
姓名

单位

年龄

专业技术职务

主要成果

一、申请条件
（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）
1、项目成员有较好的机械结构设计基础，能够利用PRO/E三维设计软件，高质量地完成结构设计和机构仿真。由于项目成员在足球机器人实验室学习工作了一年多的时间，拥有较好的电气硬件的开发能力，能高质量的完成助力臂的电气控制部分。
2、项目成员在机器人设计、自动化控制系统开发和信息处理系统开发方面具有浓厚的兴趣，并且有着广泛参与积极性；
3、项目成员积极参加社会实践活动，在2012年“第十四届全国机器人锦标赛及第三届国际仿人机器人奥林匹克大赛”中获得一等奖4项，二等奖2项。在2012年“山东省机电产品创新设计大赛”中获得二等奖2项。
4、项目成员基础课程学习成绩优异，其中有2人获得一等奖学金，2人获得二等奖学金，所有成员尚有余力进行项目设计与开发，能够保证一定的课余时间。
二、项目方案

1项目研究背景
随着机器人技术的发展，机器人在工业生产中得到了广泛的应用。近年来，生产率和人机工程学问题越来越促使生产者和材料处理设备的使用者开发和应用新的设备和系统。美国、德国和日本，在过去的十年改进物料搬运设备，在这方面已经进行了一些富有意义的改进，研发了新一代的人机工程设备：智能辅助设备IAD（Intelligent Assist Device）,使用计算机控制改善物料的运动状态并准确地相应操作者的意愿。智能辅助设备具有以下特点：
（1）轻松搬运：零重力操作，可完成物料的搬运、装配和定位工作，成为各行各业中物料搬运装备的首选。
2）精确定位：悬挂载荷后，在空中处于“浮动”状态，可实现所操作物料的快速定位。
（3）操作简单：不需要控制按钮，人的动作即为机械的动作指令。刚性结构，可配合任何形式的夹具系统。
（4）高效安全：人机合作，减少误操作，提高安全保障和工作效率。
正如以上所述，IAD技术现在主要应用在物料搬运设备上，主要是物料过于沉重，而且需要较高的定位。比如应用与汽车制造业的各类型的助力机械臂。

图1提升系统

图2 电气式助力机械手
当前在中小制造业企业，尤其是做零件加工的制造业企业，冲床应用比较广泛，有的甚至是厂子的支柱所在，但是由于以前我国的劳动力比较廉价，所以冲床的送料等工作都是工人用手去操作，随之带来是高危险，对于一些工厂是实行的多劳多得的工资奖励方法，工人为了多做工作，常常带来更多的工伤，往往是不可医治的粉碎性的断手，目前的较常用解决办法有两种：
（1）对于一些一次成型的零件利用全自动的冲床进行加工，例如汽车制造业中的汽车车身的压制。但是这类冲床往往非常昂贵，所以这多是大型企业才能拥有财力去做。
（2）对于一些重量较轻或需要工人进行判断的工序，是利用吸钳等简单工具来夹取一些较小的铁质原料。
由于吸钳的所有动力都是人手去操作的，对于一些小零件还是比较容易夹取并且成本很低，但是对于一些质量较大（超过1kg）的零件，靠吸钳去夹取会非常困难，工人往往感觉非常吃力，于是为了提高生产率，通常在工厂中是不用吸钳而是直接用手去操作，随着带来的是较大的安全隐患。但是很多产品是小批量生产，如果重新设计一套专用的自动化操作机械手，生产费用会非常高，而且很多的产品需要工人去判断优劣，所以没有办法实现全自动。
针对以上的背景及存在的问题，项目成员从实际出发， 设计了1套利用AID技术的冲床用助力臂。利用这个助力臂工人可以操作机械手手柄轻松地完成夹取工件的工作。由于电机是用运动控制卡控制拥有较高的精度，所以可以高质量的完成冲压工作，又因为动力全由电机提供，所以会大大减轻工人的劳动强度。
2 项目已有研究基础
本项目申请人员曾在青岛科技大学中澳机器人研发中心参加了集中培训和长期的实践学习，项目申请人员掌握了机器人结构设计，机电系统开发，并且还完成了工业SCARA四轴机械手结构设计和三坐标机械手结构设计与实现等相关项目。
但是在本项目开发中还尚有一些不具备的条件，该项目需要成熟的生产线实验平台，需要较多的机械加工零件，需要基本的设备调试工具。
3项目研究目标及主要内容
（1）完成三坐标助力臂的结构设计与分析，这个冲床三坐标助力臂为圆柱坐标机械手，也是机械手常用的形式。本项目结合要完成的送料和落料的任务，要完成助力臂的结构设计与校核，要满足稳定性、可靠性和安全性标准。
（2）完成助力臂夹取原料部分的结构设计与分析。由于冲压的原料主要是铁制品，夹具也应设计为磁性材料，应考虑夹具的吸取能力，选用合适大小的磁铁。
（3）利用运动控制卡对助力臂进行控制，为了实现对助力臂的控制，采用运动控制卡来实现具体的送料、落料功能。
（4）完成操作手柄的设计，由于手柄是为一线工人使用，要有较高的操作性，简单易学。
4 项目创新特色概述
（1）当前国内的IAD技术主要应用于重物提升传送领域，还没有进行过相关的冲床通用助力臂的研究，本项目成品的服务对象是一线冲床操作工，通过机械臂来模拟人臂以达到人臂的功能，符合本次大赛“梦工厂”中梦幻的主题，工人拥有了助力臂后，既减少了出工伤的概率，也降低了工人的劳动强度。
（2）助力臂操作手柄的创新。以往助力臂的操作手柄是按钮式的，操作繁琐，不利于控制，本项目是要制造出一种利用力传感器把工人的操作意愿实时实现，操作简单易学，可以得到更好的应用
（3）现在冲床上自动化夹具多是利用气压吸盘，很少使用磁铁去吸取，本项目利用和磁力吸座（图3 图4）一样的原理达到吸取和放下工件的目的。

图3 磁力吸座
5项目研究技术路线
（1）结构部分：
A、夹具部分。利用磁力吸座的原理，设计出简单的夹具。夹具部分要简单可拆卸，因为在对冲床的操作中会不可避免的出现事故，也就是说会压坏夹具部分，这就要求夹具要具有通用，拆卸简单。

图4 磁力吸座原理

B、机械臂部分。利用首先利用机械设计、机械原理、机器人学等相关知识制定详细的机械手臂结构设计方案，并设计初步的机构原理图；对方案中要使用的电机、气缸、轴承等标准件或者外购件进行选型计算，在满足基本使用要求和安全性要求的基础上进行成本优化；利用PRO/E三维建模软件对三自由度助力臂进行三维建模；使用ANSYS等分析工具对模型进行运动学和动力学分析。机械臂部分不要求像工业机械手臂那样大范围的运用，只要求能简单实现轻松夹取原料的任务即可，所以要对机械臂进行限位，分为机械限位和控制限位。
C、操作手柄部分（图5）。这个部分分为：
1)机械结构部分。机械结构部分主要考虑人机交互的方便性，将对机械臂控制的部分和夹具控制部分设计在一起实现一个手柄拥有多种功能。对机械臂的控制是通过用力传感器感知上下、前后、左右的力来控制，对原料的夹取则是通过压柄来实现。

图5 操作手柄大致外形
2)电气控制部分。，电气控制部分要实现对微操作力的感知，并向控制系统传递信息。主要应用力传感器来感知力，控制部分通过感知来的力控制机械臂的运动。
（2）控制系统硬件部分：此控制部分有两种方案：
方案一：使用PC机在windows系统下利用PCI总线与运动控制卡进行电气连接，使用运动控制卡控制机械手的几个关节的运动，使用限位开关对机械手进行限位。
方案二：使用单片机来发出脉冲信号，控制机械手的几个关节的运动，通过上位机来运行算法控制下位机。
方案一有较成熟的例子，可以方便快捷的实现，但预算较高，主要是提供SDK的运动控制卡比较贵；方案二实行起来很麻烦，但预算少。对于方案的选择可以在以后的设计过程中根据预算来选择。
两种方案主要的控制流程为：
力传感器——电信号——PC机控制器——电信号——电机转动；
因为是人进行控制，所以不用进行连续的反馈，主要是利用人的连续的力操作实现对助力臂的操作，这样也比较符合人们的操作习惯，而且控制部分也比较容易实现。
6研究进度安排
2013年11月：完成有关的资料查阅和基本开发材料的准备工作，主要是进行知识储备和国内外论文的查阅学习；
2013年12月-2014年1月：进行3坐标助力臂的设计工作，对其基本机构进行设计，然后利用PRO/E三维建模软件进行建模，同时对运动控制卡硬件部分进行可行性分析；
2014年2月-2014年3月：对助力臂本体进行设计组合，选定主要标准件，检查设计中错误，并对助力臂和夹具部分进行运动学和动力学分析。接着出工程图，并完成审图工作，并完成整个控制部分的设计和测试。
2014年4月：加工机械本体，组合控制系统，初步运行系统，保证其安全性和可靠性。
2014年5月：在线调试助力臂，观测其基本的运行参数，审查其是否满足基本设计要求，改善结构，调节机械结构或者更换零件。
2014年6月：设备整体调试，完成冲压原料的送料和落料等功能，保证其准确性、可靠性和安全性。

2014年7月：项目结题阶段，准备成果演示，完成相关的材料准备、论文撰写或者相关的专利申请工作.
7项目组成员分工
（1）胡明运：冲床助力臂主体结构的设计与实现，以及运用PRO/E对整体设计进行三维建模，并进行运动仿真和动力仿真。
（2）王方舟：冲床助力臂夹具的设计与实现，包括外购标准件及夹具本身非标准件的购买和加工。
（3）贺雪晨：利用运动控制卡对助力臂进行控制，包括硬件电气连接、硬件功能测试和分析；
（4）丁高鹏：上位机软件界面和基本功能开发。
（5）王斌：利用运动控制卡完成助力臂基本动作的设计和实现，包括外部信号的处理以及助力臂对其的反应。

三、目标成果

1.设计完成冲床通用助力臂，形成图纸一套；
2.完成样机制作，形成冲床通用助力臂一台；
3.机械系统运动控制柜一台；
4.完成系统开发，形成软件一套；
5.申请软件著作权一份；
6.本科毕业设计论文一篇。
学院
意见

签字：
（公章）
年 月 日