一種基于行星輪系的翻轉機構設計＊

譚鴻俊，湯迎紅

（湖南工業大學科技學院，湖南 株洲 412007）

1 背景

近幾年，翻轉機構的應用越來越廣泛，市面上大部分使用的都是大型翻轉機構，但對于一些尺寸、體積較小的物體的翻轉，還需要小型翻轉機構。文獻[1]設計了一款應用于自動化生產線上的翻轉機構，實現了物體在2個水平輸送帶上的傳遞，并且從原來的豎直狀態變成水平狀態。翻轉機構位于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，夾緊機構在翻轉1周的過程中同時自轉1周，實現4個物體的位置切換，但該文獻所涉及的輪系計算、結構設計介紹不是很完善。本文在文獻[1]的基礎上進行了改進，設計了一款基于行星輪系的翻轉機構，相比于差動輪系，只有1個自由度，機構更簡單合理，適合包裝線、快遞包裹線上等小型件的翻轉。

2 整機設計布局

為實現物體在2個水平輸送帶上的傳遞，同時實現物體從豎直狀態切換為水平狀態，參照文獻[1]，翻轉機構的設計布局如圖1所示。

圖1 翻轉機構的布局

3 行星輪系設計計算

本文設計的翻轉機構的主體是行星輪系，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是該輪系的輸入構件，行星輪2和2′是該輪系的輸出構件。根據行星輪系安裝條件，要求Z1=Z3且Z2=2′Z。

圖2 翻轉機構的主體

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，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”，根據相對運動原理的知識，此時轉動的行星架H的角速度變為“ωH-ωH=0”，在這個轉化過程中相對運動沒有發生變化。此時，原周轉輪系的轉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回轉軸線平行或者重合，即3個旋轉矢量的方向一致時，矢量和數值上等于代數和，即

圖2中，齒輪1、齒輪3和行星架H這3個構件的軸線共線，因此

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

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

圖2中，齒輪1、齒輪2和行星架H3個構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）和相對角速度（行星輪2相對行星架H的自轉），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兩構件的速度瞬心，因此vHO=v2O，即，得到

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

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

4 翻轉機構設計

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1周的同時自轉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200個物體的要求。

5 夾持機構的設計

4個夾持機械手分別與4個行星輪共軸固結，實現1個翻轉周期內4個物體的翻轉，提高翻轉工作效率。夾持機構借鑒了滑槽杠桿式手部結構原理[3]，如圖6所示。這種手部具有結構簡單、動作靈活、手指閉合角度大等特點，也可以根據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。本設計采用2個氣缸作為驅動，1個氣缸控制夾持機構的伸縮，1個氣缸控制夾持物體。

圖6 滑槽杠桿式手部結構

由于機械手與輸送帶呈垂直分布，如果夾緊時直接翻轉的話，機械手與輸送帶之間會有干涉，因此此時的工藝動作設計為：翻轉機構停止→機械手伸出→機械手夾緊→機械手縮回→翻轉機構繼續旋轉。夾緊機構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，又因為所需轉速不高，所以選用步進電機，本設計步進電機的型號為86BYG250AS-SAFSBL-0601，主要參數如表1所示。

表1 步進電機型號與參數[4]

薄型氣缸的型號為CTACQS-12×10-B，主要參數如表2所示。

表2 薄型氣缸型號與參數[5]

夾緊機構三維模型如圖7所示。

圖7 夾緊機構三維模型

7 翻轉機構虛擬模型

基于以上設計原理所制作的翻轉機構總體三維模型如圖8所示，該作品榮獲了2020年全國三維數字化創新設計大賽湖南賽區特等獎、全國總決賽二等獎。

圖8 翻轉機構三維模型

8 結束語

行星輪翻轉機構可實現中小型物體的快速平穩翻轉，實現包裝線、快遞包裹線上等小型件的翻轉。本設計是從汽車自動變速器中行星輪系的應用得到的啟示，提出了一個可行性辦法。4個行星輪帶動4個夾持機構輸出，即在1個翻轉周期可完成4個對象的90°翻轉，體積小、質量輕、結構緊湊、速度快，能夠極大提高翻轉效率。