CN114043515B - 一种单电机控制的换向夹取装置 - Google Patents

一种单电机控制的换向夹取装置 Download PDF

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CN114043515B CN202111422429.6A CN202111422429A CN114043515B CN 114043515 B CN114043515 B CN 114043515B CN 202111422429 A CN202111422429 A CN 202111422429A CN 114043515 B CN114043515 B CN 114043515B
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Abstract

本发明公开了一种单电机控制的换向夹取装置，包括驱动机构、换向机构和夹取机构；换向机构分别与驱动机构和夹取机构连接，驱动机构通过换向机构带动夹取机构进行旋转；驱动机构内设有用于控制换向机构转动的第一不完全齿轮和用于控制夹取机构夹取物体的第二不完全齿轮；第一不完全齿轮和第二不完全齿轮同轴设置，第一不完全齿轮上连续有齿的部分与第二不完全齿轮上连续有齿的部分沿轴向始终不重合。本发明与传统检测用的夹取机械手相比，通过单个电机就可以实现机械手换向、夹取和放置三个动作，装置节省一个驱动电机，减少占用的空间，极大地降低了控制电路和程序设计的复杂性，降低因电机故障而导致整个装置发生故障的概率。

Description

一种单电机控制的换向夹取装置
技术领域
本发明属于自动化装备，具体涉及一种基于不完全齿轮的单电机多控制的换向夹取装置。
背景技术
无人工厂自动化生产零件后，都要对零件进行检测。无损检测的常用方法有超声波探伤、涡流探伤、X射线探伤等方法，这些探伤设备并不能直接安装在流水线上对零件进行检测，而是需要将零件从流水线上取下来进行检测，检测完成后重新放回流水线上，进行下一步工序。目前零件的检测多是人工操作，少数使用机械夹取装置夹取零件进行检测的，都是用多个电机或者气压、液压***来控制机械夹取装置换向、夹取等不同的动作。但是，使用多个电机进行动作控制，装置成本较高、占用空间大且控制电路和程序设计复杂，增大了无人工厂的建设和使用成本。因此，如何解决多个电机控制驱动带来的复杂性问题，简化整体驱动的过程，成为了亟需研究的新方向。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于不完全齿轮机构的通过单电机控制的换向夹取装置。
技术方案：本发明的一种单电机控制的换向夹取装置，包括驱动机构、换向机构和夹取机构；所述换向机构分别与驱动机构和夹取机构连接，驱动机构通过换向机构带动夹取机构进行旋转；所述驱动机构内设有用于控制换向机构转动的第一不完全齿轮和用于控制夹取机构夹取物体的第二不完全齿轮；所述第一不完全齿轮和第二不完全齿轮同轴设置，第一不完全齿轮上连续有齿的部分与第二不完全齿轮上连续有齿的部分沿轴向始终不重合。
进一步的，所述驱动机构还包括电机、电机座、电机座固定板、支座固定板、驱动轴和T型轴承座；电机通过电机座与电机座固定板连接；电机座固定板与支座固定板连接，电机的输出轴通过联轴器与驱动轴连接；所述驱动轴分别穿过第一不完全齿轮和第二不完全齿轮，第一不完全齿轮和第二不完全齿轮与驱动轴通过键连接，驱动轴通过T型轴承座与支座固定板连接。
进一步的，所述第二不完全齿轮底部还设有用于轴向固定的支撑组件，所述支撑组件包括第一套筒、驱动轴端垫片和驱动轴端螺钉；所述驱动轴分别穿过第一套筒和驱动轴端垫片与驱动轴端螺钉螺纹连接。
进一步的，所述换向机构包括上连接框架、下连接框架以及设置在上连接框架和下连接框架之间的轴承组件；所述上连接框架与电机座固定板固定连接，上连接框架内设有上端盖，所述上端盖上设有与第一不完全齿轮啮合的换向齿轮；所述上端盖的底部设有转轴，所述转轴穿过轴承组件、下连接框架和夹取机构，转轴通过轴承组件与上端盖始终位于同一轴线；所述转轴上设有第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮位于下连接框架内，与第二不完全齿轮啮合；第二齿轮位于夹取机构的下方。
进一步的，所述轴承组件包括轴承固定外套、轴承固定内套、下端盖、外轴承和内轴承；所述轴承固定外套与轴承固定内套相互套接；所述内轴承的内圈与转轴接触，内轴承的外圈与轴承固定内套接触；所述外轴承的内圈与轴承固定内套接触，外轴承的外圈与轴承固定外套接触；所述轴承固定外套安装固定在上连接框架下端；所述轴承固定内套与上端盖固定连接；所述下端盖的上部与轴承固定内套连接，下部与下连接框架连接固定。
进一步的，所述上端盖的两侧设有用于防止换向齿轮自转的第一对弹簧柱塞，第一对弹簧柱塞通过第一对弹簧柱塞固定座安装在上连接框架中，所述上端盖侧壁设有用于第一对弹簧柱塞定位的第一凹槽。
进一步的，所述夹取机构包括夹爪固定板，夹爪固定板与下连接框架固定连接，夹爪固定板的两侧对称设有夹爪组件，所述夹爪组件之间设有用于控制夹爪张开或闭合的移动组件。
进一步的，所述移动组件包括导轨固定板、齿条、滑块、齿条固定板和直线导轨；所述夹爪固定板上开设有通孔，所述导轨固定板设于夹爪固定板的上方，所述直线导轨安装固定在导轨固定板下方，所述滑块与直线导轨连接并位于通孔中，所述齿条固定板固定在滑块下方，所述齿条固定设于齿条固定板的下方，与第二齿轮啮合。
进一步的，所述夹爪固定板的下方还设有用于防止第一齿轮自转的第二对弹簧柱塞，第二对弹簧柱塞通过第二对弹簧柱塞固定座与夹爪固定板连接，转轴在第一齿轮下方的部分的侧壁设有用于第二对弹簧柱塞定位的第二凹槽。
进一步的，所述夹爪组件包括夹爪、夹爪转轴和夹爪齿轮；夹爪转轴从下到上穿过夹爪、夹爪齿轮和夹爪固定板；夹爪齿轮与夹爪固连并与齿条啮合，带动夹爪张开或闭合；夹爪与夹爪齿轮之间以及夹爪与夹爪固定板之间分别设有用于固定的第四套筒和第三套筒；夹爪转轴的端部通过夹爪转轴螺母锁紧。
本发明的原理为：通过设置两组不完全齿轮，可以实现单个电机控制机械夹爪完成转向和抓取多个不同动作，当不完全齿轮的有齿部分与从动轮轮齿啮合时，推动从动轮转动；当不完全齿轮的无齿部分与从动轮脱离啮合时，从动轮停歇不动。本发明中由于两组不完全齿轮位于同一轴上，可以保证驱动机构同时作用于换向机构和夹取机构；同时，两组不完全齿轮的有齿部分在轴向的投影完全不重合，可以进一步保证换向机构和夹取机构各自运动时不相互干扰。
本发明中，由于不完全齿轮是主动轮，换向齿轮和第一齿轮是从动轮，因此夹取机构实际旋转角度就是从动轮旋转的角度，因此，根据不完全齿轮上有齿部分所占据的角度以及实际需要换向机构旋转的角度可以计算出不完全齿轮的有齿区和齿数以及从动齿轮的齿数。具体公式为：Z1/Z2=α/β；其中，Z1为不完全齿轮的齿数，Z2为从齿轮的齿数；α为不完全齿轮上连续有齿的部分所占据的角度，β为换向机构实际要求的旋转角度。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：（1）与传统检测用的夹取机械手相比，本发明通过单个电机就可以实现机械手换向、夹取和放置三个动作，装置节省一个驱动电机，减少占用的空间，极大地降低了控制电路和程序设计的复杂性，降低因电机故障而导致整个装置发生故障的概率；（2）使用弹簧柱塞对不完全齿轮传动机构进行定位和制动使其能够平稳制动，避免从动轮与不完全齿轮脱离啮合后，从动轮由于外界影响或惯性转动而造成的夹爪定位偏差；再次运动时，依靠主动轮的外力就可将其压回，从而继续转动；（3）本发明的轴承组件为内外套筒和双轴承的设计，使得控制换向机构的短轴和控制夹爪的转轴在同一轴线上，缩小了整个设备的占用空间，提高了空间利用率；（4）本发明可以计算和设计不完全齿轮的有齿区和齿数、从动齿轮的齿数等，实现夹爪任意角度的旋转。
附图说明
图1为本发明的结构立体图；
图2为本发明中驱动机构的结构示意图；
图3为本发明中换向机构的结构示意图；
图4为图3换向机构的内部结构剖视图；
图5为上端盖的零件三维图；
图6为夹取机构的三维示意图；
图7为夹取机构中移动组件的结构示意图；
图8为本发明中夹取机构的部分剖视图；
图9为本发明中夹取机构的仰视图；
图10为本发明齿轮传动示意图一；
图11为本发明齿轮传动示意图二；
图12为本发明装置运动过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示的一种单电机控制的换向夹取装置，包括驱动机构1、换向机构2、夹取机构3。其中，驱动机构1驱动换向机构2带动夹取机构3一起整体换向旋转180°；驱动机构1驱动夹取机构3的夹爪39张开和闭合，用于夹取和放置物品。
如图2所示，所述的驱动机构1包括电机4、电机座5、电机座固定板6、联轴器7、支座固定板8、第一不完全齿轮9、驱动轴10、第二不完全齿轮11、第一套筒12、驱动轴端垫片13、驱动轴端螺钉14以及T型轴承座15；电机4为带编码器的步进电机，安装固定在电机座5上，电机座5安装固定在电机座固定板6上，支座固定板8与电机座固定板6用螺钉连接安装固定，联轴器7的一端连接电机输出轴，另一端连接驱动轴10，驱动轴10穿过第一不完全齿轮9、第二不完全齿轮11和第一套筒12并由两个T型轴承座15支撑，驱动轴10的下端有内螺纹孔，便于配合驱动轴端螺钉14、驱动轴端垫片13和第一套筒12对下不完全齿轮11进行轴向位置固定，第一不完全齿轮9和第二不完全齿轮11均与驱动轴10通过键连接，T型轴承座15安装固定在支座固定板8上，用于支撑驱动轴10。
电机4输出的可控转动经联轴器7和驱动轴10，驱动第一不完全齿轮9和第二不完全齿轮11转动，第一不完全齿轮9将转动传递至换向机构2进行夹取机构3整体的换向，第二不完全齿轮11将转动传递至夹取机构3控制夹爪39的张开和闭合。
如图3-5所示，换向机构2包括上连接框架16、上端盖17、换向齿轮18、第一对弹簧柱塞固定座19、第一对弹簧柱塞20、下连接框架22、第一齿轮23、转轴24、第二齿轮25、第二套筒26、转轴端垫片27、转轴端螺钉28、轴承组件；上连接框架16与电机座固定板6通过螺钉安装固定，上端盖17具体包括底部的圆形盖体以及向上的短轴结构，换向齿轮18与上端盖17的短轴通过键连接安装，上端盖17的短轴上有每隔90°有一条第一凹槽171，上端盖17通过螺钉安装固定在轴承固定内套29上，第一对弹簧柱塞固定座19安装在上连接框架16中，第一对弹簧柱塞20安装在第一对弹簧柱塞固定座19中，用于对换向齿轮的定位和制动，以防止其自转，转轴24上端顶着上端盖17，穿过两个内轴承31、下端盖30、第一齿轮23、下连接框架22、第二齿轮25以及第二套筒26，转轴24下端有内螺纹孔，同样设有用于轴向固定的支撑组件，支撑组件结构与驱动机构中的一致，具体包括转轴端螺钉28、转轴端垫片27和第二套筒26，转轴24穿过第二套筒26和转轴端垫片27与转轴端螺钉28连接；
轴承组件位于上连接框架16和下连接框架22之间，包括轴承固定外套21、轴承固定内套29、下端盖30、内轴承31和外轴承32，轴承组件使得上端盖17的短轴和转轴24在同一轴线上，内轴承31的内圈与转轴24接触、外圈与轴承固定内套29接触，外轴承32内圈与轴承固定内套29接触、外圈与轴承固定外套21接触，轴承固定外套21安装固定在上连接框架16下端，下端盖30上面与轴承固定内套29连接固定，下面与下连接框架22连接固定，第一齿轮23和第二齿轮25均与转轴24通过键连接。
换向齿轮18被第一不完全齿轮9驱动，实现间歇转动，换向齿轮18带动上端盖17、轴承固定内套29、下端盖30以及下连接框架22整体一起转动，实现夹取机构3的整体换向功能。当旋转到达位置后，由于上端盖17外伸的短轴有凹槽171，使得第一对弹簧柱塞20弹出，对上端盖17定位和制动，防止其自转；换向齿轮18再次被第一不完全齿轮9驱动时，驱动力致使换向齿轮18带动上端盖17旋转，将第一对弹簧柱塞20压回，待上端盖17的短轴旋转到下一个凹槽171时，第一对弹簧柱塞20在弹簧的作用下弹出，并制动。
如图6-9所示，夹取机构3包括第二对弹簧柱塞固定座33、第二对弹簧柱塞34、导轨固定板35、夹爪转轴螺母36、夹爪固定板37、第三套筒38、夹爪39、第四套筒40、夹爪转轴41、夹爪齿轮42、齿条43、滑块44、齿条固定板45、直线导轨46；夹爪固定板37安装固定在下连接框架22下面，夹爪固定板37开有方形的通孔371方便安装直线导轨46等组件，导轨固定板35安装固定在夹爪固定板37上，直线导轨46安装固定在导轨固定板35下方，滑块44安装在直线导轨46中并位于通孔371中，齿条固定板45安装固定在滑块44下方，齿条43与齿条固定板45通过螺钉安装固定并与第二齿轮25啮合，第二对弹簧柱塞34安装在第二对弹簧柱塞固定座33内，第二对弹簧柱塞固定座33安装固定在夹爪固定板37下，夹爪转轴41一端有外螺纹，从下到上依次穿过夹爪39、第四套筒40、夹爪齿轮42、第三套筒38和夹爪固定板37，最后由夹爪转轴螺母36锁紧，夹爪齿轮42通过螺钉与夹爪39固连并与齿条43啮合，带动夹爪39张开和闭合，夹爪39的具体形状可以根据被夹取物品的外形而设计，亦可增加橡胶垫等保护被夹取的物品。
第二不完全齿轮11的转动通过第一齿轮23、转轴24、第二齿轮25传动至齿条43处，齿条43将第二齿轮25的旋转进给转化为直线进给，带动夹爪齿轮42旋转；由于夹爪齿轮42与夹爪39固连，所以齿条43的进给运动带动一边夹爪张开、另一边夹爪闭合，实现夹取和释放动作。第二对弹簧柱塞34对转轴24有定位和制动作用，转轴24上设有用于第二对弹簧柱塞34定位的第二凹槽241，定位和制动过程与换向过程的定位和制动一样。
下面结合附图10-12对本发明的运动过程作进一步详细说明，附图10-12均为本装置的俯视视角，其中附图12为了区分对称的两个夹爪，在第一各夹爪末端添加小黑点以作标记，而第二个夹爪末端没有小黑点。其中，第一不完全齿轮和第二不完全齿轮的具体设置参见图10，有齿部分占据占整体的角度为90°，且第一不完全齿轮和第二不完全齿轮的有齿部分完全不重合
如图10-12所示，状态1为初始状态，电机未启动，此时第一夹爪张开，第二夹爪闭合。
状态2：电机启动正转(逆时针转动)，第一不完全齿轮9带动换向齿轮18转动，换向齿轮18带动整个夹取机构3顺时针换向180°；此时由于下不完全齿轮11没有与第一齿轮23啮合传动，因此夹爪保持原来状态不变。
状态3：电机继续正转，第一不完全齿轮9没有与换向齿轮18啮合转动，夹取机构3不换向；此时下不完全齿轮11与第一齿轮23啮合传动，第一齿轮23和第二齿轮25同轴同向顺时针转动，带动齿条43向左运动，第一夹爪闭合夹取物品，第二夹爪张开释放物品。
状态4：电机继续正转，第一不完全齿轮9带动换向齿轮18转动，换向齿轮18带动整个夹取机构3顺时针换向180°；此时夹爪状态不变，对被夹取的物品进行扫描或者检测。
状态5：电机反转(顺时针转动)，第一不完全齿轮9带动换向齿轮18转动，换向齿轮18带动整个夹取机构3逆时针换向180°，此时夹爪状态不变，依然是第一夹爪闭合，第二夹爪张开。
状态6：电机继续反转，第一不完全齿轮9没有与换向齿轮18啮合转动，夹取机构3不换向；此时第二不完全齿轮11与第一齿轮23啮合传动，第一齿轮23和第二齿轮25同轴同向逆时针转动，带动齿条43向右运动，第一夹爪张开，第二夹爪闭合。
状态7：电机继续反转，第一不完全齿轮9带动换向齿轮18转动，换向齿轮18带动整个夹取机构3逆时针换向180°，复位回到状态1；此时夹爪状态不变，依然是第一夹爪张开，第二夹爪闭合。
本实施例不限制于机械夹爪旋转180°，旋转角度可根据实际需要来设计。根据公式Z1/Z2=α/β即可求得；其中，Z1为不完全齿轮的齿数，Z2为从齿轮的齿数；α为不完全齿轮上连续有齿的部分所占据的角度，β为换向机构实际要求的旋转角度。
以本实施例为例，当要求旋转90°时，由于α=90°，β=90°，因此Z1/Z2=1，即主动轮与从动轮齿数相等，再将主动轮变成本装置中不完全齿轮的样式，即可实现夹取装置只旋转90°，90°的设计也能充分利用两只夹爪，从两条不同的流水线中夹取需要被检测的物品，旋转90°后进行检测，检测完成后再放回原生产线上。
本发明装置不仅可以用在零件、产品检测方面，凡是需要类似本发明装置的动作的方面均可使用，例如在产品包装、流水线外焊接、产品图像识别等方面。

Claims (6)

1.一种单电机控制的换向夹取装置，其特征在于：包括驱动机构(1)、换向机构(2)和夹取机构(3)；所述换向机构(2)分别与驱动机构(1)和夹取机构(3)连接，驱动机构(1)通过换向机构(2)带动夹取机构(3)进行旋转；所述驱动机构(1)内设有用于控制换向机构(2)转动的第一不完全齿轮(9)和用于控制夹取机构(3)夹取物体的第二不完全齿轮(11)；所述第一不完全齿轮(9)和第二不完全齿轮(11)同轴设置，第一不完全齿轮(9)上连续有齿的部分与第二不完全齿轮(11)上连续有齿的部分沿轴向始终不重合；
所述换向机构(2)包括上连接框架(16)、下连接框架(22)以及设置在上连接框架和下连接框架之间的轴承组件；所述上连接框架(16)与电机座固定板(6)固定连接，上连接框架(16)内设有上端盖(17)，所述上端盖(17)上设有与第一不完全齿轮(9)啮合的换向齿轮(18)；所述上端盖(17)的底部设有转轴(24)，所述转轴(24)穿过轴承组件、下连接框架(22)和夹取机构(3)，转轴(24)通过轴承组件与上端盖(17)始终位于同一轴线；所述转轴(24)上设有第一齿轮(23)和第二齿轮(25)，第一齿轮(23)位于下连接框架(22)内，与第二不完全齿轮(11)啮合；第二齿轮(25)位于夹取机构(3)的下方；
所述轴承组件包括轴承固定外套(21)、轴承固定内套(29)、下端盖(30)、外轴承(32)和内轴承(31)；所述轴承固定外套(21)与轴承固定内套(29)相互套接；所述内轴承(31)的内圈与转轴(24)接触，内轴承(31)的外圈与轴承固定内套(29)接触；所述外轴承(32)的内圈与轴承固定内套(29)接触，外轴承(32)的外圈与轴承固定外套(21)接触；所述轴承固定外套(21)安装固定在上连接框架(16)下端；所述轴承固定内套(29)与上端盖(17)固定连接；所述下端盖(30)的上部与轴承固定内套(29)连接，下部与下连接框架(22)连接固定；
所述夹取机构(3)包括夹爪固定板(37)，夹爪固定板(37)与下连接框架(22)固定连接，夹爪固定板(37)的两侧对称设有夹爪组件，所述夹爪组件之间设有用于控制夹爪(39)张开或闭合的移动组件；
所述移动组件包括导轨固定板(35)、齿条(43)、滑块(44)、齿条固定板(45)和直线导轨(46)；所述夹爪固定板(37)上开设有通孔(371)，所述导轨固定板(35)设于夹爪固定板(37)的上方，所述直线导轨(46)安装固定在导轨固定板(35)下方，所述滑块(44)与直线导轨(46)连接并位于通孔(371)中，所述齿条固定板(45)固定在滑块(44)下方，所述齿条(43)固定设于齿条固定板(45)的下方，与第二齿轮(25)啮合。
2.根据权利要求1所述的单电机控制的换向夹取装置，其特征在于：所述驱动机构(1)还包括电机(4)、电机座(5)、电机座固定板(6)、支座固定板(8)、驱动轴(10)和T型轴承座(15)；电机(4)通过电机座(5)与电机座固定板(6)连接；电机座固定板(6)与支座固定板(8)连接，电机(4)的输出轴通过联轴器(7)与驱动轴(10)连接；所述驱动轴(10)分别穿过第一不完全齿轮(9)和第二不完全齿轮(11)，第一不完全齿轮(9)和第二不完全齿轮(11)与驱动轴(10)通过键连接，驱动轴(10)通过T型轴承座(15)与支座固定板(8)连接。
3.根据权利要求2所述的单电机控制的换向夹取装置，其特征在于：所述第二不完全齿轮(11)底部还设有用于轴向固定的支撑组件，所述支撑组件包括第一套筒(12)、驱动轴端垫片(13)和驱动轴端螺钉(14)；所述驱动轴(10)分别穿过第一套筒(12)和驱动轴端垫片(13)与驱动轴端螺钉(14)螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的单电机控制的换向夹取装置，其特征在于：所述上端盖(17)的两侧设有用于防止换向齿轮自转的第一对弹簧柱塞(20)，第一对弹簧柱塞(20)通过第一对弹簧柱塞固定座(19)安装在上连接框架(16)中，所述上端盖(17)侧壁设有用于第一对弹簧柱塞(20)定位的第一凹槽(171)。
5.根据权利要求1所述的单电机控制的换向夹取装置，其特征在于：所述夹爪固定板(37)的下方还设有用于防止第一齿轮(23)自转的第二对弹簧柱塞(34)，第二对弹簧柱塞(34)通过第二对弹簧柱塞固定座(33)与夹爪固定板(37)连接，转轴(24)在第一齿轮(23)下方的部分的侧壁设有用于第二对弹簧柱塞(34)定位的第二凹槽(241)。
6.根据权利要求1所述的单电机控制的换向夹取装置，其特征在于：所述夹爪组件包括夹爪(39)、夹爪转轴(41)和夹爪齿轮(42)；夹爪转轴(41)从下到上穿过夹爪(39)、夹爪齿轮(42)和夹爪固定板(37)；夹爪齿轮(42)与夹爪(39)固连并与齿条(43)啮合，带动夹爪(39)张开或闭合；夹爪(39)与夹爪齿轮(42)之间以及夹爪与夹爪固定板(37)之间分别设有用于固定的第四套筒(40)和第三套筒(38)；夹爪转轴(41)的端部通过夹爪转轴螺母(36)锁紧。
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