一種基于行星輪系的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計＊

譚鴻俊，湯迎紅

（湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院，湖南 株洲 412007）

1 背景

近幾年，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，市面上大部分使用的都是大型翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，但對于一些尺寸、體積較小的物體的翻轉(zhuǎn)，還需要小型翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。文獻[1]設(shè)計了一款應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線上的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，實現(xiàn)了物體在2個水平輸送帶上的傳遞，并且從原來的豎直狀態(tài)變成水平狀態(tài)。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)位于2個水平輸送帶之間，采用差動輪系傳動。為提高效率，差動輪系四周均裝有夾緊機構(gòu)，夾緊機構(gòu)在翻轉(zhuǎn)1周的過程中同時自轉(zhuǎn)1周，實現(xiàn)4個物體的位置切換，但該文獻所涉及的輪系計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計介紹不是很完善。本文在文獻[1]的基礎(chǔ)上進行了改進，設(shè)計了一款基于行星輪系的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，相比于差動輪系，只有1個自由度，機構(gòu)更簡單合理，適合包裝線、快遞包裹線上等小型件的翻轉(zhuǎn)。

2 整機設(shè)計布局

為實現(xiàn)物體在2個水平輸送帶上的傳遞，同時實現(xiàn)物體從豎直狀態(tài)切換為水平狀態(tài)，參照文獻[1]，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計布局如圖1所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的布局

3 行星輪系設(shè)計計算

本文設(shè)計的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的主體是行星輪系，如圖2所示。該行星輪系包括太陽輪1、太陽輪3、上下兩平面的行星輪2、行星輪2′以及行星架H。太陽輪1固定不動，行星架H或者太陽輪3是該輪系的輸入構(gòu)件，行星輪2和2′是該輪系的輸出構(gòu)件。根據(jù)行星輪系安裝條件，要求Z1=Z3且Z2=2′Z。

圖2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的主體

計算行星輪系傳動比不同于定軸輪系，由于行星輪系運轉(zhuǎn)時的軸線并不像定軸輪系那樣是相對于機架固定的，而是繞著某一固定軸線運轉(zhuǎn)，因此在計算行星輪系傳動比時需要為整個輪系賦予一個公共角速度“-ωH”，根據(jù)相對運動原理的知識，此時轉(zhuǎn)動的行星架H的角速度變?yōu)椤唉豀-ωH=0”，在這個轉(zhuǎn)化過程中相對運動沒有發(fā)生變化。此時，原周轉(zhuǎn)輪系的轉(zhuǎn)化輪系為一定軸輪系，其傳動比便可以采用定軸輪系的知識來進行計算。由文獻[2]可知，周轉(zhuǎn)輪系的傳動比計算公式為：

若齒輪m、齒輪n和行星架H回轉(zhuǎn)軸線平行或者重合，即3個旋轉(zhuǎn)矢量的方向一致時，矢量和數(shù)值上等于代數(shù)和，即

圖2中，齒輪1、齒輪3和行星架H這3個構(gòu)件的軸線共線，因此

圖2中，齒輪1固定不動，即ω1=0，得到ω3=2ωH，即行星架轉(zhuǎn)2周，中心輪3轉(zhuǎn)1周。

若齒輪m、齒輪n和行星架H三者回轉(zhuǎn)軸線既不平行也不重合，即3個旋轉(zhuǎn)矢量的方向不一致時，矢量和不等于代數(shù)和，即

圖2中，齒輪1、齒輪2和行星架H3個構(gòu)件軸線既不平行也不共線，因此

行星輪2的絕對角速度ω2包括2部分，即牽連角速度ωH（行星輪2隨行星架H的公轉(zhuǎn)）和相對角速度（行星輪2相對行星架H的自轉(zhuǎn)），如圖3所示。

圖3 行星輪系的傳動比計算簡圖

圖3中，P點為齒輪1和齒輪2的絕對瞬心，因此齒輪2在O點的速度為。行星架H在O 點速度為vHO=r1ωH。

因為O點為齒輪2和行星架H兩構(gòu)件的速度瞬心，因此vHO=v2O，即，得到

當(dāng)r1=r2，即Z1=Z2時，δ1=δ2=45°，即行星齒輪2的自轉(zhuǎn)速度H2ω等于公轉(zhuǎn)速度ωH。

r1=r2，Z1=Z2，Z1=Z3，Z2=Z2′，因此要實現(xiàn)行星齒輪2公轉(zhuǎn)1周的同時自轉(zhuǎn)1周，須滿足Z1=Z2=Z2′=Z3。

4 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

含4個行星輪的行星輪系如圖4所示。為提高效率，避免干涉，在圖2所示的行星輪系中增加了另一組行星輪系，包括太陽輪1′（和太陽輪1共軸，固定不動）、太陽輪3′（和太陽輪3共軸），前后端面的2個聯(lián)動行星輪4和4′（圖4中未畫出），2組行星輪系共用十字行星架H，且Z1=Z2=Z2′=Z3，Z1′=Z3′=Z4′=Z4，4個行星輪公轉(zhuǎn)1周的同時自轉(zhuǎn)1周，三維模型如圖5所示。

圖4 含4個行星輪的行星輪系

圖5 2組行星輪系三維模型

設(shè)計中取Z1=Z2=Z2′=Z3=60，Z4=Z4′=Z1′=Z3′=40，輸入n3=100 r/min，則nH=50 r/min，可以達到每分鐘翻轉(zhuǎn)200個物體的要求。

5 夾持機構(gòu)的設(shè)計

4個夾持機械手分別與4個行星輪共軸固結(jié)，實現(xiàn)1個翻轉(zhuǎn)周期內(nèi)4個物體的翻轉(zhuǎn)，提高翻轉(zhuǎn)工作效率。夾持機構(gòu)借鑒了滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)原理[3]，如圖6所示。這種手部具有結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活、手指閉合角度大等特點，也可以根據(jù)被加持物的形狀更換手指。但是考慮到氣缸作為動力更加干凈、靈活。本設(shè)計采用2個氣缸作為驅(qū)動，1個氣缸控制夾持機構(gòu)的伸縮，1個氣缸控制夾持物體。

圖6 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)

由于機械手與輸送帶呈垂直分布，如果夾緊時直接翻轉(zhuǎn)的話，機械手與輸送帶之間會有干涉，因此此時的工藝動作設(shè)計為：翻轉(zhuǎn)機構(gòu)停止→機械手伸出→機械手夾緊→機械手縮回→翻轉(zhuǎn)機構(gòu)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。夾緊機構(gòu)工作時氣缸控制滑塊帶著機械手整體向前伸出，氣缸控制齒條使齒輪機械手抓緊物體，在伸縮和抓放的過程中利用步進電機進行停頓，以避免機械手和物體及皮帶干涉，再將物體送至另一個傳送帶，后續(xù)的機械手再進入該工位以同樣的過程進行工作。

6 主要零部件設(shè)計選型

要將物料夾緊，所以采用能間歇控制的電機，又因為所需轉(zhuǎn)速不高，所以選用步進電機，本設(shè)計步進電機的型號為86BYG250AS-SAFSBL-0601，主要參數(shù)如表1所示。

表1 步進電機型號與參數(shù)[4]

薄型氣缸的型號為CTACQS-12×10-B，主要參數(shù)如表2所示。

表2 薄型氣缸型號與參數(shù)[5]

夾緊機構(gòu)三維模型如圖7所示。

圖7 夾緊機構(gòu)三維模型

7 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)虛擬模型

基于以上設(shè)計原理所制作的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)總體三維模型如圖8所示，該作品榮獲了2020年全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽湖南賽區(qū)特等獎、全國總決賽二等獎。

圖8 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)三維模型

8 結(jié)束語

行星輪翻轉(zhuǎn)機構(gòu)可實現(xiàn)中小型物體的快速平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)包裝線、快遞包裹線上等小型件的翻轉(zhuǎn)。本設(shè)計是從汽車自動變速器中行星輪系的應(yīng)用得到的啟示，提出了一個可行性辦法。4個行星輪帶動4個夾持機構(gòu)輸出，即在1個翻轉(zhuǎn)周期可完成4個對象的90°翻轉(zhuǎn)，體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、速度快，能夠極大提高翻轉(zhuǎn)效率。