如何用连杆机构，把水平运动转为垂直运动？含案例剖析
罗罗，你这两天在做连杆设计？ 是的，你又偷窥我。 没有啦，我路过，晃了一眼而已。 好吧。 你用连杆做什么？ 做一个推动机构，把物料从盒子里推出去。 什么物料？什么盒子？ 物料就是一片一片的运载盘，运载盘相当于是一个中转站，盘子里放客料（工艺要处理的东西），被运输到工艺位置，做下一步处理。 运载盘又一片一片地，从低到高放在盒子里面，一个盒子里放4，5片运载盘。 那盘子放在盒子里不会滑出来吗？ 不会。因为盒子前后都有门，把盒子放入传输线上前，后门会打开，以供推动机构推出。 明白了，你做的推动机构，为什么要用连杆？ 因为空间的限制。 其实，开始我们也有其他的一些方案。比如，气缸驱动、线性马达驱动、马达＋齿轮齿条驱动、马达＋滚珠丝杠驱动等。 虽然驱动方式不同，但是这4个方案有个共同点，就是导轨都是沿Y方向布置，导致其占用太多Y方向空间，无法满足要求。 什么要求？ 这些要求。1）物料最重可达：4Kg。摩擦系数按照0.4计算。 2）物料长＊宽＊高：322.6mm*135.9mm*12.9mm。 3）要求推出50%以上物料在传送带上，也就是行程： ≥ 93.5mm。 4）Y向空间有限：≤ 60mm，X向空间：≈450mm。 5）模组总重量≤ 2.5Kg。 6）推动时各个方向的间隙：X≤8mm, Z≥4.5mm。 你的要求很具体嘛。 是的。 虽然现在看来，我可以这样明确地告诉你设计要求，但是你知道的，常常这种具体的要求是没有的，所以需要自己去写，然后慢慢地完善。 没错，我们也是这样，很多时候要求不清楚，只知道个大概。 所以，要学会自己去写设计要求。 是的。 这些要求，就是设计的一些的边界，会限制着方案，选型，细节等设计。 比如呢？ 比如，物料重量和摩擦系数相当于载荷，会决定电机的选择。 物料的尺寸，在我这里案例中，特别是宽度尺寸，会影响物料在传送带上的有效长度，也就间接影响设计行程。 X，Y方向的可用空间，以及重量，会影响方案选择和布局。 重量和间隙要求，也会涉及到减重，和细节的检查。 是的，是这样的。 我看你Y向可用空间小于60mm？ 是的，所以前面的几种驱动方式，布局是有问题的。 所以后来只好想一想，用什么机构，来实现水平方向的运动转换到竖直方向，而且Y向行程还不少，需要93.5mm。 因为条件限定了，X方向可利用空间是比较多的，但是Y方向可利用空间太少了。 所以，才有了现在的连杆设计。 那你这种连杆机构，是如何实现推动的？ 来一张大图吧，连杆概念如下图。 是用伺服电机拖动同步带，同步带再驱动滑块，滑块在直线导轨引导下，做线性运动。 固定于滑块上的动铰链点A，沿着导轨方向做直线运动，配合短连杆OC绕固定点O的旋转，从而驱动长连杆AB端部点B，沿着Y方向运动，实现推动物料的动作。 嗯，原理我清楚了。这种结构的优点是什么？ 最大的优点，当然是节省Y向空间了。 因为当滑块收拢，长连杆端部推动点B，会沿－Y方向收回来，占用的空间非常小。 当需要推动物料时，再出去，所谓不用就收起来，用的时候才打开，有点像雨伞。 这种连杆机构，如何使得推动行程变大呢？ 这种机构，当滑块运动的距离一定时，长连杆的长度，会直接影响推出行程。 长连杆越长，行程越大。 但是，推动杆和物料盒两侧X方向间隙也就越小，为了保持间隙不太小，所以连杆AB长度又不能过大，最后设计成130mm。 在收回的位置，配置有零位传感器和限位块。 同时，在推出的位置附近，也有硬件限位块，防止因为控制出错，而跑出行程。 但是连杆的推动点，不会在X方向移动吗？会不会产生摩擦？ 你这个问题问得很好。 这里有一个关键点，就是长连杆AB的长度，需要设计成短连杆OC的2倍，且和短连杆铰链的点C，需要设计成长连杆的中点。 这样就保证了，三角形AOB为直角三角形，也就是当A点运动到A’时，B点只会在竖直方向移动到B’点，所以理论上是没有摩擦的。 但是，因为加工和装配误差，实际的情况可能不那么理想，所以端部最好是用带软胶的轴承。一方面可以缓冲，另一方面就算在X方向有微动，也是滚动摩擦。 哦，好的，我明白了。 我还有一个小疑问，滑块的位移X和推点B的位移Y有什么关系？ 如上图，经过推导，有竖直和水平位移关系是： Y＝BB’=OB’－OB＝√（130^2－（129－X）^2）－16.1 当设计X方向的位移是75mm时，Y如上图中的曲线，位移达到102mm。 但是因为开始推动之前，推杆需要和物料保持一定的间隙，设定初始间隙为8.5mm，所以有效的行程是102－8.5＝93.5mm，满足要求。 好的，那如何确保推力满足要求呢？ 这个嘛，我们来分析一下。 因为对称，只分析一边，以连杆AB为分析对象，它受到3个力的作用。 第一，来自运载盘的力，盘质量4Kg，摩擦系数0.4，所以力大小是：（4Kg*10m/s^2*0.4）/2=8N。 第二，来自短连杆的力F。 第三，来自铰链点A的力FA，大小也是F，沿AB方向。 因为，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，就是对同步带的力Fbelt，也就是Fcos θ ＝Fbelt AB连杆在竖直方向平衡，有方程8N=2*Fsinθ，有因为Fbelt＝Fcos θ ，两个等式一除，得到Fbelt=4cotθ。 通过同步带上的力，和同步带轮的大小D，即可算得电机的驱动力矩： Tmotor=2*Fbelt*（D/1000/2）。D＝25.78mm，Tmotor单位是Nm。 这里乘以2，是因为两边的连杆一起工作，都是由电机给出功率，上面只分析了一边，所以需要乘以2。 得到电机扭矩和位移X之间的关系曲线，如上图黑色曲线。 需要注意的是，当滑块运动到1.35mm时，推动点B才开始接触物料盘，1.35之前的曲线只是为了方便计算，才统一画出来，其实那一端是没有运载盘负载的，所以不需要关注。 可以看出，在最开始推的时候，也就是X＝1.35mm，Y＝8.5mm时，Tmotor＝0.535Nm是最费劲的，后面需要的扭矩，是越来越小。 所以，需要保证的是，刚开始推动时的扭矩达标。 我们选择的电机最大扭矩是0.95Nm，所以安全系数是0.95/0.535=1.77，没问题。 这里，还有一个电机指标需要提一下，额定转矩，这和占空比有关系。 因为此案例中，每推动一次，需要等候的时间是1分钟，而推动的时间不足1秒钟，所以占空比是非常小的。 如果非要计算，可以估算一下Trms＝√（（0^2＊60+0.535^2*1）/（60+1））=0.07Nm。电机的额定转矩是0.318Nm，那么安全系数0.318/0.07=4.5，所以也是可以的。 好的。那是不是同步带也没问题？ 再算一下，不就知道了吗。 当X＝1.35mm时，Fbelt＝4cotθ＝20.75N。而同步带的额定拉力是385N，得出安全系数385/20.75=18.5。 其中，Cotθ=OA’/OB’= （129-X）/√（130^2－（129－X）^2）。 所以也是没有问题的。 好的。罗罗，可以把你的方案对比和计算过程，分享给我吗？ 可以，在我公号罗罗日记里，回复“连杆”，即可下载。 主要有两个文件，一个是PPT，里面包含方案对比，位移及力分析，还有一个是原始计算Excel。 好的，多谢啦。 客气了，乐意分享。:victory: |去缸活塞泵发表于 09-15 22:07<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt="">老铁，你沙发 MARK学习 棒呆！ :victory: |molify发表于 09-15 23:11MARK学习老铁，你好，感谢捧场 |机械制鸟发表于 09-16 06:46棒呆！老铁，你好，感谢感谢 |jylhzh发表于 09-16 07:33<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt="">早，老铁 受教了🙉