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标题: 如何用连杆机构，把水平运动转为垂直运动？含案例剖析 [打印本页]
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-15 21:39
标题: 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。
作者: 去缸活塞泵 时间: 2019-9-15 22:07
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-15 22:12
|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="">
作者: molify 时间: 2019-9-15 23:11
MARK学习
作者: 机械制鸟 时间: 2019-9-16 06:46
棒呆！
作者: jylhzh 时间: 2019-9-16 07:33
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 07:43
老铁，你好，感谢捧场
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 07:43
老铁，你好，感谢感谢
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 07:44
|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="">
作者: 小黄黄呀 时间: 2019-9-16 07:48
受教了🙉
作者: 海风1006 时间: 2019-9-16 07:58
分析的灰常详细
作者: 豌豆先生爱吃虾 时间: 2019-9-16 08:23
大佬
作者: 13995936456 时间: 2019-9-16 08:40
厉害了，楼主
作者: 七曜神权 时间: 2019-9-16 08:53
这个很赞
作者: 学渣渣 时间: 2019-9-16 08:57
老铁，早上好，啥时候讲讲凸轮呗
作者: 飞沫123 时间: 2019-9-16 09:26
非常清晰，感谢老铁
作者: 机师2 时间: 2019-9-16 09:57
非常清晰，感谢老铁
作者: wanen.wang 时间: 2019-9-16 10:40
罗罗，我要给你生猴子！
作者: 忆念丶 时间: 2019-9-16 11:47
很好，学习了
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 12:08
不敢不敢老铁
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 12:08
欢迎领导批评指正
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 12:09
欢迎领导批评指正
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 12:10
[捂脸]
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 12:10
[捂脸]
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 12:11
欢迎领导批评指正
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 12:11
有机会就讲
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 12:12
别，承受不起，[捂脸]
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 12:13
感谢老铁看帖
作者: a2336128 时间: 2019-9-16 12:19
学到了 感觉可以向楼主学习一下这种设计方式
作者: 顾小乐 时间: 2019-9-16 13:45
相当不错啊
作者: 风仔很忙 时间: 2019-9-16 13:55
小弟有个问题想请教下，为什么连杆不设计成剪叉式的举升，更可靠？
作者: 冷月梧桐 时间: 2019-9-16 15:27
我感觉在第一种的基础更换成三轴气缸不是更好吗，气缸本体隐藏在物料下方
作者: wang123jun 时间: 2019-9-16 16:09
学习
作者: 深蓝色清风 时间: 2019-9-16 16:10
抱不到大佬的大腿，我尽力抓住大佬的腿毛
作者: ZenoWu 时间: 2019-9-16 16:19
牛
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 18:04
感谢老铁来顶帖！
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 18:05
欢迎领导指正
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 18:08
剪叉式的推点在X方向有位移
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 18:13
第一，那太重了
第二，气缸速度不便于控制，存在冲击
第三，每一次推动需要运动几个轴，工艺复杂了
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 18:14
感谢老铁来捧场
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 18:14
欢迎领导来指正！
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 18:15
欢迎领导来指正！
作者: LIGL522 时间: 2019-9-16 18:40
这种对话形式的讲解，真的好棒
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 20:28
感谢老铁来捧场
作者: 远祥 时间: 2019-9-16 20:39
厉害了，666！
作者: skyzou109 时间: 2019-9-16 20:44
实在是牛逼
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 20:56
老铁，你终于来了
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-16 20:56
欢迎领导指正！
作者: 左在左边 时间: 2019-9-17 08:13
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-17 08:27
|左在左边发表于 09-17 08:13<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt="">
作者: wendsk 时间: 2019-9-17 08:31
相当清楚！
作者: lindeijun1 时间: 2019-9-17 09:07
赞一个，这才是真正的机械设计
作者: 耳总不是胖聪 时间: 2019-9-17 09:58
这是我见过的唯一一次在实际应用中最全面的设计，有理有据。学习了！
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-17 12:10
感谢老铁来顶帖
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-17 12:12
被你这样说，心里美滋滋，你是我领导多好
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-17 12:16
老板，你的鼓励，是我前进的动力！
作者: we2036hang 时间: 2019-9-17 17:26
有奉献精神，点赞
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-17 17:44
老铁，一起来奉献
作者: 思念谁 时间: 2019-9-17 19:39
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-17 19:53
|思念谁发表于 09-17 19:39<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt=""><img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt="">
作者: 心如水人如风 时间: 2019-9-18 07:40
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-18 08:15
|心如水人如风发表于 09-18 07:40<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt="">
作者: qq527873266 时间: 2019-9-18 10:15
优秀啊，希望必威体育网址里面全是这种干货
作者: 语文要学好 时间: 2019-9-18 10:31
厉害了带分析的，不会看得一头蒙
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-18 12:04
|qq527873266发表于 09-18 10:15优秀啊，希望必威体育网址里面全是这种干货<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/lol.gif" smilieid="12 border=" 0"="" alt="">
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-18 12:10
领导看得懂就好
作者: 钱跃跃0518 时间: 2019-9-18 14:02
MARK
作者: 陌上古道 时间: 2019-9-18 14:41
这个必须表扬点赞收藏！
作者: butongzhe 时间: 2019-9-18 16:47
精品，学习学习
作者: butongzhe 时间: 2019-9-18 17:30
优秀的男人
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-18 18:18
感谢老铁看得起
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-18 18:19
欢迎领导批评指正
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-18 18:20
老铁看得起是莫大的鼓励
作者: 北街17号 时间: 2019-9-19 10:05
连杆
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-19 11:52
老铁，下载设计，是在公号：罗罗日记，里回复“连杆”哦
作者: t2008011416 时间: 2019-9-19 12:56
大神，找到组织了
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-19 16:44
|t2008011416发表于 09-19 12:56大神，找到组织了<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/lol.gif" smilieid="12 border=" 0"="" alt="">
作者: zhonshui 时间: 2019-9-19 17:17
这个才能叫做 “设计”
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-19 18:23
老铁，感谢你看得起
作者: 925269815 时间: 2019-9-19 20:10
有理有据，点赞
作者: 遥远的救世主 时间: 2019-9-19 20:35
连杆
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-19 20:37
感谢老铁^_^
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-19 21:16
老铁，下载设计，是在公号里回复连杆哦
作者: 福兰卡叔叔 时间: 2019-9-19 21:41
分析的很详细了，厉害
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-19 22:06
感谢老铁来顶帖
作者: 384432485 时间: 2019-9-19 23:00
我就想知道老哥你受力分析示意图 表格这些是用什么软件做的
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-20 07:44
|384432485发表于 09-19 23:00我就想知道老哥你受力分析示意图 表格这些是用什么软件做的<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/lol.gif" smilieid="12 border=" 0"="" alt="">
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-20 07:45
|384432485发表于 09-19 23:00我就想知道老哥你受力分析示意图 表格这些是用什么软件做的<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/lol.gif" smilieid="12 border=" 0"="" alt="">
作者: 遥远的救世主 时间: 2019-9-20 11:13
连杆
作者: 遥远的救世主 时间: 2019-9-20 11:15
怎么在公号里回复。刚开始逛必威APP精装版下载。
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-20 11:55
1. 关注我公号：罗罗日记。2. 然后回复连杆
作者: 遥远的救世主 时间: 2019-9-20 12:30
怎么关注你的公号，我收听你了，在哪回复？
作者: 水水5 时间: 2019-9-20 13:20
楼主写的不错。分析很全面。
对于连杆的这个方案，我有些疑问。连杆推物料伸出之后，相当于一个悬臂梁。末端在垂直于XY的方向上会下沉。我猜Z轴是重力方向吧。如果控制连杆的末端在Z方向的下沉量，或者换句话说，入盒保证连杆的刚性？下沉量多少不影响机构执行？
作者: 刀剑如孟 时间: 2019-9-20 14:07
牛逼啊，我想问问，楼主用什么软件进行的这些设计分析，可以再图上进行标注，计算啥的，用来做设计说明资料很合适
作者: 遗落love 时间: 2019-9-20 16:03
非常详细
作者: 久月牧戈 时间: 2019-9-20 17:17
楼主这个分析的思路值得借鉴，我一般都是估算，选大不选小，价格差不大就行
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-20 18:42
老铁，按照图示1，2，3的步骤即可
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-20 19:14
|水水5发表于 09-20 13:20楼主写的不错。分析很全面。<br>
对于连杆的这个方案，我有些疑问。连杆推物料伸出之后，相当于一个悬臂梁。末端在垂直于XY的方向上会下沉。我猜Z轴是重力方向吧。如果控制连杆的末端在Z方向的下沉量，或者换句话说，入盒保证连杆的刚性？下沉量多少不影响机构执行？
我这里设计的上下间隙是4.5mm。
连杆用不锈钢303/304做，没有做CAE分析，但是估计刚性问题不大，毕竟前端没有载荷，只有自重。
如果严格设计的话，是需要坐CAE分析，看下沉量的。
另外，我再补充一点，严格来看，还应该计算导轨的弯矩能力。因为，滑块的受力点不在导轨中心，会形成一个力臂，这里大家也需要注意。
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-20 19:17
老铁，只用了PPT和Excel，把这两个工具用好，足够了！
另外，文档已公开在公号，欢迎查看
作者: 罗罗日记 时间: 2019-9-20 19:20
|遗落love发表于 09-20 16:03非常详细<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/loveliness.gif" smilieid="28 border=" 0"="" alt="">
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