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文章编号：2095－6835（2022）09－0046－03
＊
谭鸿俊，汤迎红
（湖南工业大学科技学院，湖南株洲412007）
摘要：介绍了一种基于2组行星轮系的翻转机构设计，2组行星轮系共用太阳轮和行星架，体积小、
结构紧凑。通过安装在行星轮上的夹持机械手，翻转机构每转1周，可以实现4个物体由水平位置到竖直位置的切换，适合包装线、快递包裹线中小型物体快速平稳翻转。关键词：行星轮系；翻转机构；夹持机械手；零部件设计选型中图分类号：TH112文献标志码：
A DOI ：10.15913/jki.kjycx.2022.09.015
1背景
近几年，翻转机构的应用越来越广泛，市面上大部分使用的都是大型翻转机构，但对于一些尺寸、体积较小的物体的翻转，还需要小型翻转机构。文献[1]设计了一款应用于自动化生产线上的翻转机构，实现了物体在2个水平输送带上的传递，并且从原来的竖直状态变成水平状态。翻转机构位于2个水平输送带之间，采用差动轮系传动。为提高效率，差动轮系四周均装有夹紧机构，夹紧机构在翻转1周的过程中同时自转1周，实现4个物体的位置切换，但该文献所涉及的轮系计算、结构设计介绍不是很完善。本文在文献[1]的基础上进行了改进，设计了一款基于行星轮系的翻转机构，相比于差动轮系，只有1个自由度，机构更简单合理，适合包装线、快递包裹线上等小型件的翻转。2整机设计布局
为实现物体在2个水平输送带上的传递，同时实现物体从竖直状态切换为水平状态，参照文献[1]，翻转机构的设计布局如图1
所示。
1—竖直状态物体；2—传送带；3—翻转机构；
4—水平状态物体；5—传送带。
图1
翻转机构的布局
3
行星轮系设计计算
本文设计的翻转机构的主体是行星轮系，如图2所示。该行星轮系包括太阳轮1、太阳轮3、上下两平面的行星轮2、行星轮2′以及行星架H 。太阳轮1固定不动，行星架H 或者太阳轮3是该轮系的输入构件，行星轮2和2′是该轮系的输出构件。根据行星轮系安装条件，要求Z 1=Z 3且Z 2=2′Z 。
图2
翻转机构的主体
计算行星轮系传动比不同于定轴轮系，由于行星轮系运转时的轴线并不像定轴轮系那样是相对于机架固定的，而是绕着某一固定轴线运转，因此在计算行星轮系传动比时需要为整个轮系赋予一个公共角速度“－ωH ”，根据相对运动原理的知识，此时转动的行星架H 的角速度变为“ωH －ωH =0”，在这个转化过程中相对运动没有发生变化。此时，原周转轮系的转化轮
系为一定轴轮系，其传动比便可以采用定轴轮系的知识来进行计算。由文献[2]可知，周转轮系的传动比计算公式为：
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＊［基金项目］2020年度湖南省大学生创新创业训练计划项目（编号：湘教通〔2020〕191号-4477）；2021年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目（项目编号：湘教通〔2021〕298号，立项编号：HNJG-2021-1339）
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σ1
各主动轮齿数的连乘积
到在转化轮系中由各从动轮齿数的连乘积
到在转化轮系中由）（n m n m H
n H m H n H m H mn
±
==--==Z f i ωωω
ωωω
（1）
式（1）中：m ω 、H ω 、n ω
均为矢量。
若齿轮m 、齿轮n 和行星架H 回转轴线平行或者重合，即3个旋转矢量的方向一致时，矢量和数值上
等于代数和，即）（Z f i =--=
--=H
n H
m H n H m H
mn
ωωωωωωωω
。图2中，齿轮1、齿轮3和行星架H 这3个构件的
轴线共线，因此12
312H 3H 1H 3H 1H 3H 1H 13
-=-=--=
-
-==Z Z Z
Z i ωωωωωωωωωω
。图2中，齿轮1固定不动，即ω1=0，得到ω3=2ωH ，即行星架转2周，中心轮3转1周。
若齿轮m 、齿轮n 和行星架H 三者回转轴线既不平行也不重合，即3个旋转矢量的方向不一致时，矢量和不等于代数和，即H
n H
m H n H m
H mn ωωωωωωωω--≠
--=
i 。图2中，齿轮1、齿轮2和行星架H3个构件轴
线既不平行也不共线，因此H
2H 1H 2H 1H 2H 1H
恒温酒窖12ωωωωωωωωωω--≠
--==
i 。行星轮2的绝对角速度ω2包括2部分，即牵连角速度ωH （行星轮2随行星架H 的公转）和相对角速度
H
2ω（行星轮2相对行星架H 的自转），如图3所示。H
2H 2ωωω +=。
图3行星轮系的传动比计算简图
图3中，P 点为齿轮1和齿轮2的绝对瞬心，因此齿轮2在O 点的速度为H
22O 2ωr v =。行星架H 在O 点速度为v HO =r 1ωH 。
因为O 点为齿轮2和行星架H 两构件的速度瞬心，因此v HO =v 2O ，即H 1H 2
2ωω
r r =，得到=
=21H H
2/r r ωω2H 1H σωσωctg tg =。
当r 1=r 2，即Z 1=Z 2时，δ1=δ2=45°，H H
2ωω=，
即行星齿轮2的自转速度H
排屑装置
2ω等于公转速度ωH 。
r 1=r 2，Z 1=Z 2，Z 1=Z 3，Z 2=Z 2′，因此要实现行星齿轮2公转1周的同时自转1周，须满足Z 1=Z 2=Z 2′=Z 3。
4翻转机构设计
含4个行星轮的行星轮系如图4所示。为提高效
率，避免干涉，在图2所示的行星轮系中增加了另一组行星轮系，包括太阳轮1′（和太阳轮1共轴，固定不动）、太阳轮3′（和太阳轮3共轴），前后端面的2个联动行星轮4和4′（图4中未画出），2组行星轮系共用十字行星架H ，且Z 1=Z 2=Z 2′=Z 3，Z 1′=Z 3′=Z 4′=Z 4，4个行星轮公转1周的同时自转1周，三维模型如图5所示。
图4含4个行星轮的行星轮系
图52组行星轮系三维模型
设计中取Z 1=Z 2=Z 2′=Z 3=60，Z 4=Z 4′=Z 1′=Z 3′=40，输入n 3=100r/min ，则n H =50r/min ，可以达到每分钟翻转200个物体的要求。5
夹持机构的设计
4个夹持机械手分别与4个行星轮共轴固结，实现1个翻转周期内4个物体的翻转，提高翻转工作效率。夹持机构借鉴了滑槽杠杆式手部结构原理[3]，如图6所示。这种手部具有结构简单、动作灵活、手指闭合角度大等特点，也可以根据被加持物的形状更换手指。但是考虑到气缸作为动力更加干净、灵活。本设计采用2个气缸作为驱动，1个气缸控制夹持机构的伸缩，1个气缸控制夹持物体。
由于机械手与输送带呈垂直分布，如果夹紧时直接翻转的话，机械手与输送带之间会有干涉，因此此
时的工艺动作设计为：翻转机构停止→机械手伸出→机械手夹紧→机械手缩回→翻转机构继续旋转。夹紧
r 1
ω
ω2
ωH
r 2
σ2
σ1
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机构工作时气缸控制滑块带着机械手整体向前伸出，气缸控制齿条使齿轮机械手抓紧物体，在伸缩和抓放的过程中利用步进电机进行停顿，以避免机械手和物体及皮带干涉，再将物体送至另一个传送带，
后续的
机械手再进入该工位以同样的过程进行工作。
1—手指；2—销轴；3—拉杆；4—指座。
图6
滑槽杠杆式手部结构
6主要零部件设计选型
要将物料夹紧，所以采用能间歇控制的电机，又因为所需转速不高，所以选用步进电机，本设计步进电机的型号为86BYG250AS-SAFSBL-0601，主要参数如表1所示。
表1
步进电机型号与参数[4]外伸轴长L /mm
65质量/kg 1.8相数2转动惯量/（g·cm -2）1000步距角/° 1.8最大轴向间隙/mm 1静态相
电流/A 6最大径向跳动/mm 0.02相电阻/Ω0.33绝缘电阻500VDC 每分钟100MΩ
相电感/mH 2.48绝缘强度每分钟750VAC
保持转矩/（N·m ） 3.6绝缘等级
B 级
定位转矩/（N·m ）
0.1
薄型气缸的型号为CTACQS-12×10-B ，主要参数如表2所示。
表2
旋转工作台
薄型气缸型号与参数[5]
缸径/mm 12使用压力范围
/MPa
0.1～1.0行程100保证耐压力/MPa 1.5固定型式直接安装型使用速度范围/（mm·s -1）30～500动作方式
复动型
缓冲型式
防撞垫
夹紧机构三维模型如图7所示。1—L 形板；2—导轨；3—薄型气缸；4—Z 形板；5—齿轮；6—齿条；7—气缸；8—直角过渡板；9—滑块；10—气缸滑块。
图7夹紧机构三维模型
7翻转机构虚拟模型
基于以上设计原理所制作的翻转机构总体三维模
型如图8所示，该作品荣获了2020年全国三维数字化创新设计大赛湖南赛区特等奖、全国总决赛二等
奖。
图8翻转机构三维模型
8结束语
行星轮翻转机构可实现中小型物体的快速平稳翻
转，实现包装线、快递包裹线上等小型件的翻转。本设计是从汽车自动变速器中行星轮系的应用得到的启示，提出了一个可行性办法。4个行星轮带动4个夹持机构输出，即在1个翻转周期可完成4个对象的90°翻转，体积小、质量轻、结构紧凑、速度快，能够极大提高翻转效率。参考文献：
［1］杨通胜，张宗峰，李玉朋.差动轮系在翻转机构中
的应用与分析［J ］.河南机电高等专科学报，2014（3）：18-21.
［2］孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理［M ］.8版.北
京：高等教育出版社，2013.
［3］徐元昌.工业机器人［M ］.北京：中国轻工业出版
社，1999．
（下转第51页）
·51·
解码器采样来重构原始图，其编码器为：
)(log )( conv 2conv A x G A x G μ
，，，，σ
σμ==（4）
5时空图神经网络
时空图神经网络用于捕捉图的动态性，结合考虑空间依赖性和时间依赖性[5]，假定节点的未来信息取决于该节点和其邻居节点的历史信息。
递归图神经网络结合空间依赖性，t 时刻的节点特征表示形式为）
（b Uh wx h
t t t ++=-)1()()
(σ，但基于递归图神经网络算法，可能存在耗时迭代和梯度爆炸或者梯度消失的问题。
卷积图神经网络在考虑空间依赖性的基础上，采用扩展的因果卷积作为时间卷积层，来学习节点的时间特征，其表示形式为h
（t ）bimp
=σ｛G conv （x
（t －1）
，A ；w ）
＋G conv （h （t ）
，A ；U ）＋b ｝，通过非递归的方式处理时空图，具有并行计算和梯度问题的优点，对内存需求也较低。6总结
图神经网络是用来高效处理非欧式图数据的重要模型之一，在学习图数据方面展现了强大的能力，本
文总结概述了循环递归图神经网络、卷积图神经网络、图自编码器和时空图神经网络的基本模型。循环递归图神经网络是图神经网络的先驱，通过循环递归的方式聚合邻居节点的信息，受计算能力限制较大，适用于时序性的特征学习任务；受启发于递归循环图神经网络的卷积图神经网络使用神经元之间的连通性，旨在减少预处理，降低空间复杂度和时间复杂度，是一
种半监督学习算法，适用于节点分类和边处理；图自编码器作为一种无监督学习方式，利用编码器和解码器完成网络嵌入和图生成，可用来做链路预测和推荐
任务；时空图神经网络结合空间依赖性和时间依赖性，使得图结构学习更加完整，多用于预测任务。在4种模型基础之上，众多变种的图神经网络模型不断涌现，但模型在动态网络、异构图等方面仍存在一些局限性。随着科研人员的不断学习研究，这些问题终能得到解决。参考文献：
［1］徐冰冰，岑科廷，黄俊杰，等.图卷积神经网络综
述［J ］.计算机学报，2020，43（5）：755-780.［2］刘忠雨，李彦霖，周洋.深入浅出图神经网络：GNN
原理解析［M ］.北京：机械工业出版社，2020.［3］WU Z ，PAN S ，CHEN F ，et al.A comprehensive
survey on graph neural networks ［J ］.IEEE transactions on neural networks and learning systems ，2021，32（1）：4-24.
［4］ZHOU Y ，ZHENG H ，HUANG X.Graph neural
networks:taxonomy ，advances and trends ［J ］.ACM transactions on intelligent systems and technology ，2020，13（1）：1-54.
［5］WU Z ，PAN S ，LONG G.Graph wavenet for deep
spatial-temporal graph modeling ［C ］//Twenty-eighth international joint conference on artificial intelligence ，2019.————————
作者简介：赵佳英（1993—），女，硕士研究生，研究方向为算法博弈论、图神经网络。
〔编辑：丁琳〕
————————————————————————————————————————————————（上接第45页）
鱼鲜度电子鼻测量系统［J ］.农业工程学报，2009，25（3）：110-113.
［24］庄家俊，骆德汉，邹宇华.百草油鉴别分类的电d2x说明书
子鼻实现方法研究［J ］.传感器与微系统，2010，29（7）：62-65.
［25］徐赛，陆华忠，周志艳，等.基于高光谱与电子
鼻融合的番石榴机械损伤识别方法［J ］.农业机械学报，2015，46（7）：214-219.
［26］殷勇，郝银凤，于慧春.基于多特征融合的电子鼻鉴别玉米霉变程度［J ］.农业工程学报，2016，32（12）：254-260.————————
作者简介：陈亭利（2000—），女，江苏盐城人，会计专业本科生。
通讯作者：苗卿华（1984—）
家具保护垫，女，山东平度人，博士，讲师，研究方向为石墨烯的制备及其复合材料的相关应用。
〔编辑：王霞〕————————————————————————————————————————————————（上接第48页）
［4］曲彩云.机械设计手册［M ］.北京：机械工业出版
社，2004．
［5］王伟光.气缸的选择［J ］.液压工业，1989（1）：
31-34.
————————
作者简介：谭鸿俊（2000—），男，湖南怀化人，湖南工业大学科技学院2018级本科生。
〔编辑：严丽琴〕
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