连杆机械手的虚拟装配及运动干涉检查

　　1 Autodesk Inventor简介

    Autodesk Inventor是美国推出的一个基于特征的参数化实体造型软件。Autodesk Inventor软件集成了三维建模、信息管理和支持功能，包括以下几个设计环境：零件造型环境、钣金造型环境、部件装配环境、焊接设计环境、工程图环境、表达视图环境。各子环境的功能：在零件环境中可以进行单一零件设计，创建用于装配的标准件；在装配部件环境中，可以将零件环境中生成的已有零件调入部件环境，并添加各零部件之间的匹配约束，也可以在装配环境中创建新零件，完成部件的混合式设计，其中添加的约束用于定位零件，控制特征的自适应驱动；可以从普通装配环境切换到焊接件环境，也可以选择焊接件模板直接进入焊接环境，进行零部件之间不可逆的焊接设计；在工程图子环境中，可以创建零件、部件及表达视图的工程图；在表达视图环境中，可以定义部件的爆炸视图，进行装配过程的动态模拟，为后期动画制作做准备。

　　2 连杆机械手的作用、结构及工作原理简介

    该机械手用于机车车轮自动生产线中车轮的动平衡工序，完成车轮在生产线和动平衡机之间搬运，要求工作平稳，抓取零件可靠，节拍为每个工作循环20s。利用Autodesk Inventor软件设计的连杆式车轮搬运机械手，主要由左右机械手、支架、导轨、驱动机构等组成。工作时先是左右机械手同时下降，下降到一定高度时停止，有一个小汽缸开始工作，使卡爪收拢，抓取车轮，这时，靠近中心轴的连杆几乎水平，由于力的相互作用，实现机械自锁。抓住车轮后，在顶部的大气缸作用下左右机械手匀速上升，到顶点后停止，整体向左移动2m，这时，左手的车轮送到了左边的后传送线，右手的车轮从前传送线送到了动平衡机的上方。然后，同时下降，卡爪同时张开放下车轮，之后同时上升，右移至起点，至次一个工作循环完成。在该机械手的设计中，如何精确实现各个运动，如何实现自锁，连杆机构是否干涉，有没有机械死点，上下、左右运动的行程是否满足要求，这些利用传动设计手段很难解决的问题，通过Inventor的虚拟装配和干涉检查都可得到很好的解决，方便、高效而且可靠。

　　3 连杆机械手的虚拟装配

    (1) 部件虚拟装配

    在虚拟装配之前，已经运用Autodesk Inventor完成连杆机械手大部分零件的三维造型，这时即可通过Inventor提供的部件装配子环境，进行机械手各零部件之间的装配，这时主要定义的约束有：①大卡爪与连接圆盘连接关节处的转动约束；②大卡爪与连杆连接关节处的转动约束；③小滑环与连杆连接关节处的转动约束；④小滑环与导杆上下运动约束。还可以利用零件之间的关联性，在部件装配过程中引用零件的边界，进行相关零件的设计。这样，某些只有在部件装配时才能确定的零件参数就不必在零件造型阶段大费周折，提高了工作效率，缩短了产品开发周期。

    (2)虚拟动画装配及干涉检查

    Autodesk Inventor具有动画功能，可以生成基于装配自由度的动画，也可以用其来检验装配的合理性；它所提供的干涉检查功能，在屏幕上就可协调各部件的装配关系，从而提高了装配精度；利用Autodesk Inventor的“iPart”功能，可以实现对机械手连杆、导柱等零件的定义和装配引用，在Inventor部件环境中，零部件可以在剩余自由度方向运动。利用基于剩余自由度的运动，可以实现机构运动，并检测干涉边界。

    虚拟装配完成后，利用Autodesk Inventor提供的“静态干涉检查”和“机构运动干涉检查”来判断机械手各个零部件之间有无干涉，运动是否自如、灵活，在干涉检查报告中，详细地记录了干涉发生的处数，每处干涉是在哪些零部件之间产生的，干涉的体积、质心位置等，进而帮助设计人员返回对零部件模型进行必要修改，真正体现了虚拟设计的优越性。利用“动画”命令，生成和观察部件的分解动画及装配过程。

    (3)总体虚拟装配

    该机械手的装配体完全采用自下而上的设计思想，先分别生成各个零部件，根据装配体的特点按先后顺序调入各子部件，进而完成整机的装配。整个装配过程犹如在实际生产中进行实物组装一样，直观而形象。利用Inventor提供的标准件库，可以调入相应的标准件。整个装配过程主要运用配合、对准角度、相切和插入等约束条件消除其自由度，完成的装配体。

　　4 结论

    利用三维设计软件Autodesk Inventor实现了机械手装置所有零件的三维造型设计及虚拟装配，并运用其干涉检查功能，及时进行卡爪的运动、轨迹、是否干涉等方面的检查，在设计阶段完全替代了传统的样机生产，从而缩短了产品开发周期、降低了开发费用、提高了设计质量。目前该机械手在河南汝州天瑞集团的车轮自动检测线上安全、可靠地运行，赢得了用户的好评。该设计完全体现了虚拟设计技术的重要性，也展现了Autodesk Inventor软件在三维造型设计中的强大功能及其在现代设计中的优越性，为类似设计提供了一种很好的范例。