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)焦に囄恢茫�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?duì)稱,，只分析一邊,，以連桿AB為分析對(duì)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(duì)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(duì)比和計(jì)算過程，分享給我嗎,？

可以,，在我公號(hào)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(duì)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://97307.cn/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(chǎng)

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://97307.cn/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt="">

早,，老鐵

小黃黃呀

受教了&#128585;