3D打印造型設(shè)計(jì)課件：機(jī)械臂的裝配與仿真

機(jī)械臂的裝配與仿真任務(wù)一：機(jī)械臂的手爪裝配任務(wù)二：運(yùn)動(dòng)仿真任務(wù)三：機(jī)械臂裝配

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)1：任務(wù)描述

機(jī)械臂的裝配與仿真2021年7月4日，經(jīng)過約7小時(shí)的出艙活動(dòng)，神舟十二號(hào)航天員乘組圓滿完成出艙活動(dòng)期間全部既定任務(wù)，我國空間站階段航天員首次出艙活動(dòng)取得圓滿成功。此次出艙活動(dòng)首次檢驗(yàn)了航天員與機(jī)械臂協(xié)同工作的能力，雄偉有力的空間站核心艙機(jī)械臂格外引人注目?？臻g站核心艙機(jī)械臂展開長度為10.2米，最多能承載25噸的重量，是空間站任務(wù)中的“大力士”。其肩部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)、肘部設(shè)置了1個(gè)關(guān)節(jié)、腕部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)1個(gè)自由度，具有七自由度的活動(dòng)能力。通過各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，空間站核心艙機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)自身前后左右任意角度與位置的抓取和操作，為航天員順利開展出艙任務(wù)提供強(qiáng)有力的保證。除支持航天員出艙活動(dòng)外，空間站核心艙機(jī)械臂還承擔(dān)艙段轉(zhuǎn)位、艙外貨物搬運(yùn)、艙外狀態(tài)檢查、艙外大型設(shè)備維護(hù)等在軌任務(wù)，是目前同類航天產(chǎn)品中復(fù)雜度最高、規(guī)模最大、控制精度最高的空間智能機(jī)械系統(tǒng)。為擴(kuò)大任務(wù)觸及范圍，空間站核心艙機(jī)械臂還具備“爬行”功能。由于核心艙機(jī)械臂采用了“肩3+肘1+腕3”的關(guān)節(jié)配置方案，肩部和腕部關(guān)節(jié)配置相同，意味著機(jī)械臂兩端活動(dòng)功能是一樣的。機(jī)械臂通過末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器對(duì)接與分離，同時(shí)配合各關(guān)節(jié)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在艙體上的爬行轉(zhuǎn)移。任務(wù)一機(jī)械臂的手爪裝配學(xué)習(xí)活動(dòng)2：任務(wù)目標(biāo)學(xué)習(xí)活動(dòng)3：任務(wù)內(nèi)容學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施學(xué)習(xí)活動(dòng)2：任務(wù)目標(biāo)（1）掌握裝配的相關(guān)理論知識(shí)，掌握裝配的基本技能；（2）通過機(jī)械臂手爪子裝配，學(xué)會(huì)部件裝配的基本步驟；（3）掌握在裝配中裝入零部件的方法；（4）掌握給零部件添加“配合”、“角度”、“相切”和“插入”裝配約束的方法。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)3：任務(wù)內(nèi)容（1）觀察機(jī)械臂手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，思考其裝配順序；（2）利用所學(xué)的inventor裝配知識(shí)進(jìn)行機(jī)械臂手爪子裝配，供參考的機(jī)械臂手爪子裝配，如圖9-1所示。圖9-1機(jī)械臂手爪子裝配

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施圖9-2新建裝配模型1.裝配模型的一般過程創(chuàng)建裝配模型的一般過程為：（1）新建一個(gè)裝配三維模型，操作步驟如圖9-2所示。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施（2）裝配第一個(gè)零件，操作步驟如圖9-3所示。圖9-3裝入第一個(gè)零件（3）裝配第N個(gè)零件，操作步驟同第二步。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施2.機(jī)械臂手爪裝配（1）爪基板的建模。1）選定【三維模型】→【開始創(chuàng)建二維草圖】選擇XZ平面創(chuàng)建草圖，【草圖】→【圓】→【選擇圓點(diǎn)】繪制?36和?30兩個(gè)同心圓，如圖9-4所示，單擊完成草圖。2）選定【三維模型】→【拉伸】→【拉伸】選項(xiàng)選擇兩個(gè)輪廓，具體參數(shù)如圖9-5，點(diǎn)擊【應(yīng)用并新建拉伸】，再次選擇?30的輪廓拉伸求差，具體參數(shù)如圖9-6點(diǎn)擊確定。學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施3）選定【三維模型】→【平面】→【從平面偏移】選擇XZ平面偏移-20mm創(chuàng)建工作平面1，在新建平面繪制圖9-7草圖，并拉伸5mm。圖9-7繪制草圖

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施4）在工作平面1繪制圖9-8草圖，并完成拉伸，拉伸距離為10mm。圖9-8繪制草圖

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施（2）爪連桿建模。1）選定【三維模型】→【開始創(chuàng)建二維草圖】選擇XY平面創(chuàng)建草圖，繪制圖9-9草圖。2）選定【三維模型】→【拉伸】草圖輪廓選擇兩端同心圓的封閉輪廓，對(duì)稱拉伸10mm，接著選擇兩端半圓弧的矩形，對(duì)稱拉伸8mm，完成爪連桿建模，如圖9-10。

圖9-9繪制草圖

圖9-10爪連桿

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施圖9-11草圖圖9-12完成效果圖（3）夾板A建模。1）選定【三維模型】→【三維模型】→選擇XY平面創(chuàng)建草圖，繪制圖9-11草圖。2）選定【三維模型】→【拉伸】草圖輪廓選擇上邊同心圓的封閉輪廓，對(duì)稱拉伸10mm，接著選擇兩端半圓弧的矩形，對(duì)稱拉伸8mm，選擇下邊同心圓的封閉輪廓，不對(duì)稱拉伸5mm和15mm，完成效果圖見圖9-12。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施3）選定【三維模型】→【平面】→【從平面偏移】選擇圖9-12下圓柱體做端面偏移1mm創(chuàng)建平面，在創(chuàng)建的平面上繪制圖9-13草圖，然后將草圖拉伸8mm，完成效果圖見圖9-14。圖9-13草圖圖9-14完成效果圖

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施（4）手爪子裝配。1）新建部件文件【裝配】→【零部件】→【放置】選擇“爪基板.ipt”文件，鼠標(biāo)右鍵選擇在原點(diǎn)處固定。圖9-15配合約束

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施2）將“爪固定板A.ipt”放入，按照圖9-15的所示的各面進(jìn)行配合約束關(guān)系進(jìn)行約束。按照裝配位置關(guān)系圖9-16將右側(cè)爪固定板A.ipt、爪固定板B.ipt、爪固定板C.ipt進(jìn)行配合約束，成效果圖見圖9-17。圖9-16手爪子裝配圖9-17完成效果圖

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)4：任務(wù)實(shí)施3）將“爪移動(dòng)梁.ipt”放入，選擇上臺(tái)階圓和爪基板圓柱孔下端面圓進(jìn)行插入約束，如圖9-18所示。圖9-18插入約束

圖9-19效果圖4）利用步驟3同樣的方法將“爪連桿.ipt”和“爪固定板C.ipt”放入并對(duì)相應(yīng)孔進(jìn)行插入約束，將“夾板A.ipt”放入，并對(duì)夾板A、爪移動(dòng)梁、爪連桿的相應(yīng)孔進(jìn)行插入約束，完成效果圖如圖9-19所示

機(jī)械臂的裝配與仿真任務(wù)二運(yùn)動(dòng)仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)5：任務(wù)目標(biāo)學(xué)習(xí)活動(dòng)6：任務(wù)內(nèi)容學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施學(xué)習(xí)活動(dòng)5：任務(wù)目標(biāo)（1）掌握在裝配中給零部件添加運(yùn)動(dòng)約束和驅(qū)動(dòng)約束的方法；（2）編輯裝配約束的方法；（3）掌握利用距離參數(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)6：任務(wù)內(nèi)容（1）觀察機(jī)械臂手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，思考其運(yùn)動(dòng)規(guī)律；（2）利用所學(xué)的Inventor運(yùn)動(dòng)仿真知識(shí)，對(duì)機(jī)械臂手爪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施1.添加運(yùn)動(dòng)約束在Inventor中，還可以向部件中的零部件添加運(yùn)動(dòng)約束。運(yùn)動(dòng)約束用于驅(qū)動(dòng)齒輪、帶輪、齒條與齒輪以及其他設(shè)備的運(yùn)動(dòng)?？梢栽趦蓚€(gè)或多個(gè)零部件間應(yīng)用運(yùn)動(dòng)約束，通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)零部件并使其他零部件作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)約束指定了零部件之間的預(yù)定運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈冎辉谑Ｓ嘧杂啥壬线\(yùn)轉(zhuǎn)，所以不會(huì)與位置約束沖突、不會(huì)調(diào)整自適應(yīng)零件的大小或移動(dòng)固定零部件。重要的一點(diǎn)是,運(yùn)動(dòng)約束不會(huì)保持零部件之間的位置關(guān)系，所以在應(yīng)用運(yùn)動(dòng)約束之前先完全約束零部件，然后可以限制要驅(qū)動(dòng)的零部件的運(yùn)動(dòng)約束。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施要為零部件添加運(yùn)動(dòng)約束，可以：（1）單擊【裝配】標(biāo)簽欄【位置】面板上的【約束】工具按鈕，打開【放置約束】對(duì)話框,選擇【運(yùn)動(dòng)】選項(xiàng)卡，如圖9-20所示。圖9-20放置約束

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施（2）選擇運(yùn)動(dòng)的類型，在Inventor中可以選擇兩種運(yùn)動(dòng)類型：1）轉(zhuǎn)動(dòng)約束:指定了選擇的第一個(gè)按指定傳動(dòng)比相對(duì)于另一個(gè)零件

的轉(zhuǎn)動(dòng)，典型的使用是齒輪和滑輪；2）轉(zhuǎn)動(dòng)平動(dòng)約束:指定了選擇的第一個(gè)零件按指定距離相對(duì)于另一個(gè)零件的平動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，典型的使用是齒條與齒輪運(yùn)動(dòng)。（3）指定了運(yùn)動(dòng)方式以后,選擇要約束到一起的零部件上的幾何圖元，可以指定一個(gè)或更多的曲面、平面或點(diǎn)以定義零部件如何固定在一起。（4）指定轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)類型下的傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)動(dòng)-平動(dòng)類型下的距離即指足相對(duì)于第一個(gè)零件旋轉(zhuǎn)一次時(shí),第二個(gè)零件所移動(dòng)的距離，以及兩種運(yùn)動(dòng)類型下的運(yùn)動(dòng)方式。（5）單擊【確定】按鈕以完成運(yùn)動(dòng)約束的創(chuàng)建。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施2.驅(qū)動(dòng)約束往往在裝配完畢的部件中包含有可以運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，這時(shí)候可以利用Inventor驅(qū)動(dòng)約束工具來模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)約束是按照順序步驟來模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)的，零部件按照指定的增量和距離依次進(jìn)行定位。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施進(jìn)行驅(qū)動(dòng)約束都是從瀏覽器中進(jìn)行的,步驟如下：（1）選擇瀏覽器中的某一個(gè)裝配的圖標(biāo)，單擊右鍵，可以在打開菜單中看到【驅(qū)動(dòng)約束】選項(xiàng),選擇后打開如圖9-21所示的【驅(qū)動(dòng)】對(duì)話框。圖9-21驅(qū)動(dòng)約束

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施（2）【開始】選項(xiàng)用來設(shè)置偏移量或角度的起始位置，數(shù)值可以被輸入、測量或設(shè)置為寸值,默認(rèn)值是定義的偏移量或角度。（3）【結(jié)束】選項(xiàng)用來設(shè)置偏移量或角度的終止位置，默認(rèn)是起始值加10。（4）【暫停延遲】選項(xiàng)以秒為單位設(shè)置各步之間的延遲，默認(rèn)值是0.0。一組播放控制按鈕用來控制演示動(dòng)畫的播放。（5）【錄像】◎按鈕用來將動(dòng)畫錄制為AVI文件。（6）如果選中【驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)】復(fù)選框可以在調(diào)整零部件時(shí)保持約束關(guān)系。（7）如果選中【碰撞檢測】選項(xiàng)則驅(qū)動(dòng)約束的部件同時(shí)檢測干涉，如果檢測到內(nèi)部干涉,將給出警告并停止運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施（8）在增量選項(xiàng)中,【增量值】文本框中指定的數(shù)值將作為增量,【總步數(shù)】選項(xiàng)指定以相等步長將驅(qū)動(dòng)過程分隔為指定的數(shù)目。（9）在【重復(fù)次數(shù)】選項(xiàng)中，選擇【開始/結(jié)束】選項(xiàng)則從起始值到結(jié)束值驅(qū)動(dòng)約束，在起始值處重設(shè)。選擇【開始/結(jié)束/開始】選項(xiàng)則從起始值到結(jié)束值驅(qū)動(dòng)約束并返回起始值，一次重復(fù)中完成的周期數(shù)取決于編輯框中的值。

（10）【Avi速率】選項(xiàng)用來指定在錄制動(dòng)畫時(shí)拍攝“快照”作為一幀的增量。

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施3.機(jī)械臂手爪運(yùn)動(dòng)仿真（1）打開任務(wù)一裝配完成的“機(jī)械臂手爪.iam”模型，再右側(cè)的模型瀏覽器中找到“爪移動(dòng)梁”和“爪基板”的插入約束，右鍵選擇【驅(qū)動(dòng)】，如圖9-22所示。圖9-22驅(qū)動(dòng)約束

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施

（2）在彈出的對(duì)話框中將開始距離設(shè)為0mm，結(jié)束距離設(shè)為30mm，將【碰撞檢測】的復(fù)選框打上鉤，點(diǎn)擊播放按鈕就可以看到“爪移動(dòng)梁”做上下移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)約束參數(shù)設(shè)置如圖9-23。圖9-23驅(qū)動(dòng)約束參數(shù)設(shè)置

機(jī)械臂的裝配與仿真學(xué)習(xí)活動(dòng)7：任務(wù)實(shí)施

（3）在確定手爪運(yùn)動(dòng)沒有問題時(shí)，可以點(diǎn)擊錄制按鈕，如圖9-24所示，在彈出的對(duì)話框中選擇后綴WMV或AVI的視頻格式，點(diǎn)擊播放按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)錄制手爪的運(yùn)動(dòng)過程。如果后期進(jìn)行參數(shù)修改，從模型瀏覽器中找到相應(yīng)的約束，右鍵選擇編輯即可完成操作。圖9-24錄制按鈕

機(jī)械臂的裝配與仿真任務(wù)三機(jī)械臂裝配學(xué)習(xí)活動(dòng)8：任務(wù)目標(biāo)學(xué)習(xí)活動(dòng)9：任務(wù)內(nèi)容學(xué)習(xí)活動(dòng)10：任務(wù)實(shí)施學(xué)習(xí)活動(dòng)11：任務(wù)拓展AutodeskInventorProfessional的運(yùn)動(dòng)仿真功能

能了解機(jī)器在真實(shí)條件下如何運(yùn)轉(zhuǎn)，而能節(jié)省花費(fèi)在構(gòu)建物理樣機(jī)上的成本、時(shí)間和高額的咨詢費(fèi)用?？梢該?jù)實(shí)際工況添加載荷、摩擦特性和運(yùn)動(dòng)約束，然后通過運(yùn)行仿真功能驗(yàn)證設(shè)計(jì)。借助與應(yīng)力分析模塊的無縫集成，可將工況傳遞到某一個(gè)零件上，來優(yōu)化零部件設(shè)計(jì)。可以分析機(jī)械裝置中每個(gè)零部件的位置、速度、加速度以及承受的載荷。

學(xué)習(xí)活動(dòng)8：任務(wù)目標(biāo)

機(jī)械臂的裝配與仿真

新建文件選擇標(biāo)準(zhǔn)部件模板（Standard.iam）

進(jìn)入部件環(huán)境“放置”功能按鈕裝入零部件查找并選中需要裝入的零部件移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)零部件對(duì)位置和視角進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)整以方便安裝

約束零部件指定位置關(guān)系

添加指定零部件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系的約束

Inventor2023裝配一般工作流程學(xué)習(xí)活動(dòng)9：任務(wù)內(nèi)容裝配完整

機(jī)械臂的裝配與仿真

Inventor是一款三維可視化實(shí)體模擬軟件用于創(chuàng)建和驗(yàn)證完整的數(shù)字樣機(jī)；虛擬裝配是利用計(jì)算機(jī)工具，通過分析、預(yù)測產(chǎn)品模型，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)描述和可視化，做出與裝配有關(guān)的工程決策，不需要實(shí)物產(chǎn)品模型作支持。虛擬裝配是許多技術(shù)的綜合利用，例如可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、決策理論、裝配和制造過程的研究等等。仿真是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配的主要手段。加工過程仿真，包括切削過程仿真、裝配過程仿真，檢驗(yàn)過程仿真以及焊接、壓力加工、鑄造仿真等。學(xué)習(xí)活動(dòng)10：任務(wù)實(shí)施

機(jī)械臂的裝配與仿真

Inventor

裝配的基本指令1、放置：單擊，找到指定要作為零部件裝入部件中的一個(gè)或多個(gè)文件。

2、聯(lián)接：應(yīng)用可以確定零部件放置和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；

3、約束：創(chuàng)建用于控制零部件的位置和行為的約束；

4、創(chuàng)建；在現(xiàn)有部件中創(chuàng)建零件或部件

5、鏡像：創(chuàng)建零部件的鏡像版本；

6、列陣：復(fù)制一個(gè)或多個(gè)零部件，并在環(huán)形或矩形陣列中排列生成的引用（分矩形和環(huán)形列陣）。學(xué)習(xí)活動(dòng)10：任務(wù)實(shí)