3D打印造型设计课件：机械臂的装配与仿真

机械臂的装配与仿真任务一：机械臂的手爪装配任务二：运动仿真任务三：机械臂装配

机械臂的装配与仿真学习活动1：任务描述

机械臂的装配与仿真2021年7月4日，经过约7小时的出舱活动，神舟十二号航天员乘组圆满完成出舱活动期间全部既定任务，我国空间站阶段航天员首次出舱活动取得圆满成功。此次出舱活动首次检验了航天员与机械臂协同工作的能力，雄伟有力的空间站核心舱机械臂格外引人注目。空间站核心舱机械臂展开长度为10.2米，最多能承载25吨的重量，是空间站任务中的“大力士”。其肩部设置了3个关节、肘部设置了1个关节、腕部设置了3个关节，每个关节对应1个自由度，具有七自由度的活动能力。通过各个关节的旋转，空间站核心舱机械臂能够实现自身前后左右任意角度与位置的抓取和操作，为航天员顺利开展出舱任务提供强有力的保证。除支持航天员出舱活动外，空间站核心舱机械臂还承担舱段转位、舱外货物搬运、舱外状态检查、舱外大型设备维护等在轨任务，是目前同类航天产品中复杂度最高、规模最大、控制精度最高的空间智能机械系统。为扩大任务触及范围，空间站核心舱机械臂还具备“爬行”功能。由于核心舱机械臂采用了“肩3+肘1+腕3”的关节配置方案，肩部和腕部关节配置相同，意味着机械臂两端活动功能是一样的。机械臂通过末端执行器与目标适配器对接与分离，同时配合各关节的联合运动，从而实现在舱体上的爬行转移。任务一机械臂的手爪装配学习活动2：任务目标学习活动3：任务内容学习活动4：任务实施学习活动2：任务目标（1）掌握装配的相关理论知识，掌握装配的基本技能；（2）通过机械臂手爪子装配，学会部件装配的基本步骤；（3）掌握在装配中装入零部件的方法；（4）掌握给零部件添加“配合”、“角度”、“相切”和“插入”装配约束的方法。

机械臂的装配与仿真学习活动3：任务内容（1）观察机械臂手爪的机械结构，思考其装配顺序；（2）利用所学的inventor装配知识进行机械臂手爪子装配，供参考的机械臂手爪子装配，如图9-1所示。图9-1机械臂手爪子装配

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施图9-2新建装配模型1.装配模型的一般过程创建装配模型的一般过程为：（1）新建一个装配三维模型，操作步骤如图9-2所示。

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施（2）装配第一个零件，操作步骤如图9-3所示。图9-3装入第一个零件（3）装配第N个零件，操作步骤同第二步。

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施2.机械臂手爪装配（1）爪基板的建模。1）选定【三维模型】→【开始创建二维草图】选择XZ平面创建草图，【草图】→【圆】→【选择圆点】绘制Ø36和Ø30两个同心圆，如图9-4所示，单击完成草图。2）选定【三维模型】→【拉伸】→【拉伸】选项选择两个轮廓，具体参数如图9-5，点击【应用并新建拉伸】，再次选择Ø30的轮廓拉伸求差，具体参数如图9-6点击确定。学习活动4：任务实施3）选定【三维模型】→【平面】→【从平面偏移】选择XZ平面偏移-20mm创建工作平面1，在新建平面绘制图9-7草图，并拉伸5mm。图9-7绘制草图

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施4）在工作平面1绘制图9-8草图，并完成拉伸，拉伸距离为10mm。图9-8绘制草图

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施（2）爪连杆建模。1）选定【三维模型】→【开始创建二维草图】选择XY平面创建草图，绘制图9-9草图。2）选定【三维模型】→【拉伸】草图轮廓选择两端同心圆的封闭轮廓，对称拉伸10mm，接着选择两端半圆弧的矩形，对称拉伸8mm，完成爪连杆建模，如图9-10。

图9-9绘制草图

图9-10爪连杆

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施图9-11草图图9-12完成效果图（3）夹板A建模。1）选定【三维模型】→【三维模型】→选择XY平面创建草图，绘制图9-11草图。2）选定【三维模型】→【拉伸】草图轮廓选择上边同心圆的封闭轮廓，对称拉伸10mm，接着选择两端半圆弧的矩形，对称拉伸8mm，选择下边同心圆的封闭轮廓，不对称拉伸5mm和15mm，完成效果图见图9-12。

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施3）选定【三维模型】→【平面】→【从平面偏移】选择图9-12下圆柱体做端面偏移1mm创建平面，在创建的平面上绘制图9-13草图，然后将草图拉伸8mm，完成效果图见图9-14。图9-13草图图9-14完成效果图

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施（4）手爪子装配。1）新建部件文件【装配】→【零部件】→【放置】选择“爪基板.ipt”文件，鼠标右键选择在原点处固定。图9-15配合约束

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施2）将“爪固定板A.ipt”放入，按照图9-15的所示的各面进行配合约束关系进行约束。按照装配位置关系图9-16将右侧爪固定板A.ipt、爪固定板B.ipt、爪固定板C.ipt进行配合约束，成效果图见图9-17。图9-16手爪子装配图9-17完成效果图

机械臂的装配与仿真学习活动4：任务实施3）将“爪移动梁.ipt”放入，选择上台阶圆和爪基板圆柱孔下端面圆进行插入约束，如图9-18所示。图9-18插入约束

图9-19效果图4）利用步骤3同样的方法将“爪连杆.ipt”和“爪固定板C.ipt”放入并对相应孔进行插入约束，将“夹板A.ipt”放入，并对夹板A、爪移动梁、爪连杆的相应孔进行插入约束，完成效果图如图9-19所示

机械臂的装配与仿真任务二运动仿真学习活动5：任务目标学习活动6：任务内容学习活动7：任务实施学习活动5：任务目标（1）掌握在装配中给零部件添加运动约束和驱动约束的方法；（2）编辑装配约束的方法；（3）掌握利用距离参数驱动机构运动。

机械臂的装配与仿真学习活动6：任务内容（1）观察机械臂手爪的机械结构，思考其运动规律；（2）利用所学的Inventor运动仿真知识，对机械臂手爪进行运动仿真。

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施1.添加运动约束在Inventor中，还可以向部件中的零部件添加运动约束。运动约束用于驱动齿轮、带轮、齿条与齿轮以及其他设备的运动。可以在两个或多个零部件间应用运动约束，通过驱动一个零部件并使其他零部件作相应的运动。运动约束指定了零部件之间的预定运动，因为它们只在剩余自由度上运转，所以不会与位置约束冲突、不会调整自适应零件的大小或移动固定零部件。重要的一点是,运动约束不会保持零部件之间的位置关系，所以在应用运动约束之前先完全约束零部件，然后可以限制要驱动的零部件的运动约束。

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施要为零部件添加运动约束，可以：（1）单击【装配】标签栏【位置】面板上的【约束】工具按钮，打开【放置约束】对话框,选择【运动】选项卡，如图9-20所示。图9-20放置约束

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施（2）选择运动的类型，在Inventor中可以选择两种运动类型：1）转动约束:指定了选择的第一个按指定传动比相对于另一个零件

的转动，典型的使用是齿轮和滑轮；2）转动平动约束:指定了选择的第一个零件按指定距离相对于另一个零件的平动而转动，典型的使用是齿条与齿轮运动。（3）指定了运动方式以后,选择要约束到一起的零部件上的几何图元，可以指定一个或更多的曲面、平面或点以定义零部件如何固定在一起。（4）指定转动运动类型下的传动比、转动-平动类型下的距离即指足相对于第一个零件旋转一次时,第二个零件所移动的距离，以及两种运动类型下的运动方式。（5）单击【确定】按钮以完成运动约束的创建。

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施2.驱动约束往往在装配完毕的部件中包含有可以运动的机构，这时候可以利用Inventor驱动约束工具来模拟机构运动，驱动约束是按照顺序步骤来模拟机械运动的，零部件按照指定的增量和距离依次进行定位。

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施进行驱动约束都是从浏览器中进行的,步骤如下：（1）选择浏览器中的某一个装配的图标，单击右键，可以在打开菜单中看到【驱动约束】选项,选择后打开如图9-21所示的【驱动】对话框。图9-21驱动约束

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施（2）【开始】选项用来设置偏移量或角度的起始位置，数值可以被输入、测量或设置为寸值,默认值是定义的偏移量或角度。（3）【结束】选项用来设置偏移量或角度的终止位置，默认是起始值加10。（4）【暂停延迟】选项以秒为单位设置各步之间的延迟，默认值是0.0。一组播放控制按钮用来控制演示动画的播放。（5）【录像】◎按钮用来将动画录制为AVI文件。（6）如果选中【驱动自适应】复选框可以在调整零部件时保持约束关系。（7）如果选中【碰撞检测】选项则驱动约束的部件同时检测干涉，如果检测到内部干涉,将给出警告并停止运动。

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施（8）在增量选项中,【增量值】文本框中指定的数值将作为增量,【总步数】选项指定以相等步长将驱动过程分隔为指定的数目。（9）在【重复次数】选项中，选择【开始/结束】选项则从起始值到结束值驱动约束，在起始值处重设。选择【开始/结束/开始】选项则从起始值到结束值驱动约束并返回起始值，一次重复中完成的周期数取决于编辑框中的值。

（10）【Avi速率】选项用来指定在录制动画时拍摄“快照”作为一帧的增量。

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施3.机械臂手爪运动仿真（1）打开任务一装配完成的“机械臂手爪.iam”模型，再右侧的模型浏览器中找到“爪移动梁”和“爪基板”的插入约束，右键选择【驱动】，如图9-22所示。图9-22驱动约束

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施

（2）在弹出的对话框中将开始距离设为0mm，结束距离设为30mm，将【碰撞检测】的复选框打上钩，点击播放按钮就可以看到“爪移动梁”做上下移动。驱动约束参数设置如图9-23。图9-23驱动约束参数设置

机械臂的装配与仿真学习活动7：任务实施

（3）在确定手爪运动没有问题时，可以点击录制按钮，如图9-24所示，在弹出的对话框中选择后缀WMV或AVI的视频格式，点击播放按钮，系统自动录制手爪的运动过程。如果后期进行参数修改，从模型浏览器中找到相应的约束，右键选择编辑即可完成操作。图9-24录制按钮

机械臂的装配与仿真任务三机械臂装配学习活动8：任务目标学习活动9：任务内容学习活动10：任务实施学习活动11：任务拓展AutodeskInventorProfessional的运动仿真功能

能了解机器在真实条件下如何运转，而能节省花费在构建物理样机上的成本、时间和高额的咨询费用。可以据实际工况添加载荷、摩擦特性和运动约束，然后通过运行仿真功能验证设计。借助与应力分析模块的无缝集成，可将工况传递到某一个零件上，来优化零部件设计。可以分析机械装置中每个零部件的位置、速度、加速度以及承受的载荷。

学习活动8：任务目标

机械臂的装配与仿真

新建文件选择标准部件模板（Standard.iam）

进入部件环境“放置”功能按钮装入零部件查找并选中需要装入的零部件移动和旋转零部件对位置和视角进行单独的调整以方便安装

约束零部件指定位置关系

添加指定零部件间运动关系的约束

Inventor2023装配一般工作流程学习活动9：任务内容装配完整

机械臂的装配与仿真

Inventor是一款三维可视化实体模拟软件用于创建和验证完整的数字样机；虚拟装配是利用计算机工具，通过分析、预测产品模型，对产品进行数据描述和可视化，做出与装配有关的工程决策，不需要实物产品模型作支持。虚拟装配是许多技术的综合利用，例如可视化技术、仿真技术、决策理论、装配和制造过程的研究等等。仿真是实现虚拟装配的主要手段。加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真，检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。学习活动10：任务实施

机械臂的装配与仿真

Inventor

装配的基本指令1、放置：单击，找到指定要作为零部件装入部件中的一个或多个文件。

2、联接：应用可以确定零部件放置和运动的关系；

3、约束：创建用于控制零部件的位置和行为的约束；

4、创建；在现有部件中创建零件或部件

5、镜像：创建零部件的镜像版本；

6、列阵：复制一个或多个零部件，并在环形或矩形阵列中排列生成的引用（分矩形和环形列阵）。学习活动10：任务实