如何用連桿機(jī)構(gòu)，把水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為垂直運(yùn)動(dòng)？含案例剖析

羅羅日記

羅羅，你這兩天在做連桿設(shè)計(jì)？

是的，你又偷窺我。

沒有啦，我路過，晃了一眼而已。

好吧。

你用連桿做什么？

做一個(gè)推動(dòng)機(jī)構(gòu)，把物料從盒子里推出去。

什么物料？什么盒子？

物料就是一片一片的運(yùn)載盤，運(yùn)載盤相當(dāng)于是一個(gè)中轉(zhuǎn)站，盤子里放客料（工藝要處理的東西），被運(yùn)輸?shù)焦に囄恢?，做下一步處理?/div>

運(yùn)載盤又一片一片地，從低到高放在盒子里面，一個(gè)盒子里放4，5片運(yùn)載盤。

那盤子放在盒子里不會(huì)滑出來嗎？

不會(huì)。因?yàn)楹凶忧昂蠖加虚T，把盒子放入傳輸線上前，后門會(huì)打開，以供推動(dòng)機(jī)構(gòu)推出。

明白了，你做的推動(dòng)機(jī)構(gòu)，為什么要用連桿？

因?yàn)榭臻g的限制。

其實(shí)，開始我們也有其他的一些方案。比如，氣缸驅(qū)動(dòng)、線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、馬達(dá)＋齒輪齒條驅(qū)動(dòng)、馬達(dá)＋滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)等。

雖然驅(qū)動(dòng)方式不同，但是這4個(gè)方案有個(gè)共同點(diǎn)，就是導(dǎo)軌都是沿Y方向布置，導(dǎo)致其占用太多Y方向空間，無法滿足要求。

什么要求？

這些要求。

1）物料最重可達(dá)：4Kg。摩擦系數(shù)按照0.4計(jì)算。

2）物料長＊寬＊高：322.6mm*135.9mm*12.9mm。

3）要求推出50%以上物料在傳送帶上，也就是行程： ≥ 93.5mm。

4）Y向空間有限：≤ 60mm，X向空間：≈450mm。

5）模組總重量≤ 2.5Kg。

6）推動(dòng)時(shí)各個(gè)方向的間隙：X≤8mm, Z≥4.5mm。

你的要求很具體嘛。

是的。

雖然現(xiàn)在看來，我可以這樣明確地告訴你設(shè)計(jì)要求，但是你知道的，常常這種具體的要求是沒有的，所以需要自己去寫，然后慢慢地完善。

沒錯(cuò)，我們也是這樣，很多時(shí)候要求不清楚，只知道個(gè)大概。

所以，要學(xué)會(huì)自己去寫設(shè)計(jì)要求。

是的。

這些要求，就是設(shè)計(jì)的一些的邊界，會(huì)限制著方案，選型，細(xì)節(jié)等設(shè)計(jì)。

比如呢？

比如，物料重量和摩擦系數(shù)相當(dāng)于載荷，會(huì)決定電機(jī)的選擇。

物料的尺寸，在我這里案例中，特別是寬度尺寸，會(huì)影響物料在傳送帶上的有效長度，也就間接影響設(shè)計(jì)行程。

X，Y方向的可用空間，以及重量，會(huì)影響方案選擇和布局。

重量和間隙要求，也會(huì)涉及到減重，和細(xì)節(jié)的檢查。

是的，是這樣的。

我看你Y向可用空間小于60mm？

是的，所以前面的幾種驅(qū)動(dòng)方式，布局是有問題的。

所以后來只好想一想，用什么機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)水平方向的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換到豎直方向，而且Y向行程還不少，需要93.5mm。

因?yàn)闂l件限定了，X方向可利用空間是比較多的，但是Y方向可利用空間太少了。

所以，才有了現(xiàn)在的連桿設(shè)計(jì)。

那你這種連桿機(jī)構(gòu)，是如何實(shí)現(xiàn)推動(dòng)的？

來一張大圖吧，連桿概念如下圖。

是用伺服電機(jī)拖動(dòng)同步帶，同步帶再驅(qū)動(dòng)滑塊，滑塊在直線導(dǎo)軌引導(dǎo)下，做線性運(yùn)動(dòng)。

固定于滑塊上的動(dòng)鉸鏈點(diǎn)A，沿著導(dǎo)軌方向做直線運(yùn)動(dòng)，配合短連桿OC繞固定點(diǎn)O的旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)長連桿AB端部點(diǎn)B，沿著Y方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)物料的動(dòng)作。

嗯，原理我清楚了。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是什么？

最大的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然是節(jié)省Y向空間了。

因?yàn)楫?dāng)滑塊收攏，長連桿端部推動(dòng)點(diǎn)B，會(huì)沿－Y方向收回來，占用的空間非常小。

當(dāng)需要推動(dòng)物料時(shí)，再出去，所謂不用就收起來，用的時(shí)候才打開，有點(diǎn)像雨傘。

這種連桿機(jī)構(gòu)，如何使得推動(dòng)行程變大呢？

這種機(jī)構(gòu)，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)的距離一定時(shí)，長連桿的長度，會(huì)直接影響推出行程。

長連桿越長，行程越大。

但是，推動(dòng)桿和物料盒兩側(cè)X方向間隙也就越小，為了保持間隙不太小，所以連桿AB長度又不能過大，最后設(shè)計(jì)成130mm。

在收回的位置，配置有零位傳感器和限位塊。

同時(shí)，在推出的位置附近，也有硬件限位塊，防止因?yàn)榭刂瞥鲥e(cuò)，而跑出行程。

但是連桿的推動(dòng)點(diǎn)，不會(huì)在X方向移動(dòng)嗎？會(huì)不會(huì)產(chǎn)生摩擦？

你這個(gè)問題問得很好。

這里有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，就是長連桿AB的長度，需要設(shè)計(jì)成短連桿OC的2倍，且和短連桿鉸鏈的點(diǎn)C，需要設(shè)計(jì)成長連桿的中點(diǎn)。

這樣就保證了，三角形AOB為直角三角形，也就是當(dāng)A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A’時(shí)，B點(diǎn)只會(huì)在豎直方向移動(dòng)到B’點(diǎn)，所以理論上是沒有摩擦的。

但是，因?yàn)榧庸ず脱b配誤差，實(shí)際的情況可能不那么理想，所以端部最好是用帶軟膠的軸承。一方面可以緩沖，另一方面就算在X方向有微動(dòng)，也是滾動(dòng)摩擦。

哦，好的，我明白了。

我還有一個(gè)小疑問，滑塊的位移X和推點(diǎn)B的位移Y有什么關(guān)系？

如上圖，經(jīng)過推導(dǎo)，有豎直和水平位移關(guān)系是：

Y＝BB’=OB’－OB＝√（130^2－（129－X）^2）－16.1

當(dāng)設(shè)計(jì)X方向的位移是75mm時(shí)，Y如上圖中的曲線，位移達(dá)到102mm。

但是因?yàn)殚_始推動(dòng)之前，推桿需要和物料保持一定的間隙，設(shè)定初始間隙為8.5mm，所以有效的行程是102－8.5＝93.5mm，滿足要求。

好的，那如何確保推力滿足要求呢？

這個(gè)嘛，我們來分析一下。

因?yàn)閷ΨQ，只分析一邊，以連桿AB為分析對象，它受到3個(gè)力的作用。

第一，來自運(yùn)載盤的力，盤質(zhì)量4Kg，摩擦系數(shù)0.4，所以力大小是：（4Kg*10m/s^2*0.4）/2=8N。

第二，來自短連桿的力F。

第三，來自鉸鏈點(diǎn)A的力FA，大小也是F，沿AB方向。

因?yàn)?，三角形OCA是等腰三角形， ∠COA=∠CAO=θ， F和FA在水平方向的力需要平衡，所以FA＊cosθ=F＊cosθ ，也就是FA＝F。

而FA在水平方向的分量，就是對同步帶的力Fbelt，也就是Fcos θ ＝Fbelt

AB連桿在豎直方向平衡，有方程8N=2*Fsinθ，有因?yàn)镕belt＝Fcos θ ，兩個(gè)等式一除，得到Fbelt=4cotθ。

通過同步帶上的力，和同步帶輪的大小D，即可算得電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩： Tmotor=2*Fbelt*（D/1000/2）。D＝25.78mm，Tmotor單位是Nm。

這里乘以2，是因?yàn)閮蛇叺倪B桿一起工作，都是由電機(jī)給出功率，上面只分析了一邊，所以需要乘以2。

得到電機(jī)扭矩和位移X之間的關(guān)系曲線，如上圖黑色曲線。

需要注意的是，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到1.35mm時(shí)，推動(dòng)點(diǎn)B才開始接觸物料盤，1.35之前的曲線只是為了方便計(jì)算，才統(tǒng)一畫出來，其實(shí)那一端是沒有運(yùn)載盤負(fù)載的，所以不需要關(guān)注。

可以看出，在最開始推的時(shí)候，也就是X＝1.35mm，Y＝8.5mm時(shí)，Tmotor＝0.535Nm是最費(fèi)勁的，后面需要的扭矩，是越來越小。

所以，需要保證的是，剛開始推動(dòng)時(shí)的扭矩達(dá)標(biāo)。

我們選擇的電機(jī)最大扭矩是0.95Nm，所以安全系數(shù)是0.95/0.535=1.77，沒問題。

這里，還有一個(gè)電機(jī)指標(biāo)需要提一下，額定轉(zhuǎn)矩，這和占空比有關(guān)系。

因?yàn)榇税咐?，每推?dòng)一次，需要等候的時(shí)間是1分鐘，而推動(dòng)的時(shí)間不足1秒鐘，所以占空比是非常小的。

如果非要計(jì)算，可以估算一下Trms＝√（（0^2＊60+0.535^2*1）/（60+1））=0.07Nm。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩是0.318Nm，那么安全系數(shù)0.318/0.07=4.5，所以也是可以的。

好的。那是不是同步帶也沒問題？

再算一下，不就知道了嗎。

當(dāng)X＝1.35mm時(shí)，F(xiàn)belt＝4cotθ＝20.75N。而同步帶的額定拉力是385N，得出安全系數(shù)385/20.75=18.5。

其中，Cotθ=OA’/OB’= （129-X）/√（130^2－（129－X）^2）。

所以也是沒有問題的。

好的。羅羅，可以把你的方案對比和計(jì)算過程，分享給我嗎？

可以，在我公號羅羅日記里，回復(fù)“連桿”，即可下載。

主要有兩個(gè)文件，一個(gè)是PPT，里面包含方案對比，位移及力分析，還有一個(gè)是原始計(jì)算Excel。

好的，多謝啦。

客氣了，樂意分享。

去缸活塞泵

羅羅日記

|去缸活塞泵發(fā)表于 09-15 22:07<img class="emotion" src="http://www.xa-space.com/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt="">

老鐵，你沙發(fā)

molify

MARK學(xué)習(xí)

機(jī)械制鳥

棒呆！

jylhzh

羅羅日記

|molify發(fā)表于 09-15 23:11MARK學(xué)習(xí)

老鐵，你好，感謝捧場

羅羅日記

|機(jī)械制鳥發(fā)表于 09-16 06:46棒呆！

老鐵，你好，感謝感謝

羅羅日記

|jylhzh發(fā)表于 09-16 07:33<img class="emotion" src="http://www.xa-space.com/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt="">

早，老鐵

小黃黃呀

受教了&#128585;