如何用連桿機構，把水平運動轉為垂直運動？含案例剖析

羅羅日記

羅羅，你這兩天在做連桿設計？

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？

做一個推動機構，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載盤，運載盤相當于是一個中轉站，盤子里放客料（工藝要處理的東西），被運輸到工藝位置，做下一步處理。

運載盤又一片一片地，從低到高放在盒子里面，一個盒子里放4，5片運載盤。

那盤子放在盒子里不會滑出來嗎？

不會。因為盒子前后都有門，把盒子放入傳輸線上前，后門會打開，以供推動機構推出。

明白了，你做的推動機構，為什么要用連桿？

因為空間的限制。

其實，開始我們也有其他的一些方案。比如，氣缸驅動、線性馬達驅動、馬達＋齒輪齒條驅動、馬達＋滾珠絲杠驅動等。

雖然驅動方式不同，但是這4個方案有個共同點，就是導軌都是沿Y方向布置，導致其占用太多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：4Kg。摩擦系數按照0.4計算。

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）推動時各個方向的間隙：X≤8mm, Z≥4.5mm。

你的要求很具體嘛。

是的。

雖然現在看來，我可以這樣明確地告訴你設計要求，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，我們也是這樣，很多時候要求不清楚，只知道個大概。

所以，要學會自己去寫設計要求。

是的。

這些要求，就是設計的一些的邊界，會限制著方案，選型，細節等設計。

比如呢？

比如，物料重量和摩擦系數相當于載荷，會決定電機的選擇。

物料的尺寸，在我這里案例中，特別是寬度尺寸，會影響物料在傳送帶上的有效長度，也就間接影響設計行程。

X，Y方向的可用空間，以及重量，會影響方案選擇和布局。

重量和間隙要求，也會涉及到減重，和細節的檢查。

是的，是這樣的。

我看你Y向可用空間小于60mm？

是的，所以前面的幾種驅動方式，布局是有問題的。

所以后來只好想一想，用什么機構，來實現水平方向的運動轉換到豎直方向，而且Y向行程還不少，需要93.5mm。

因為條件限定了，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，才有了現在的連桿設計。

那你這種連桿機構，是如何實現推動的？

來一張大圖吧，連桿概念如下圖。

是用伺服電機拖動同步帶，同步帶再驅動滑塊，滑塊在直線導軌引導下，做線性運動。

固定于滑塊上的動鉸鏈點A，沿著導軌方向做直線運動，配合短連桿OC繞固定點O的旋轉，從而驅動長連桿AB端部點B，沿著Y方向運動，實現推動物料的動作。

嗯，原理我清楚了。這種結構的優點是什么？

最大的優點，當然是節省Y向空間了。

因為當滑塊收攏，長連桿端部推動點B，會沿－Y方向收回來，占用的空間非常小。

當需要推動物料時，再出去，所謂不用就收起來，用的時候才打開，有點像雨傘。

這種連桿機構，如何使得推動行程變大呢？

這種機構，當滑塊運動的距離一定時，長連桿的長度，會直接影響推出行程。

長連桿越長，行程越大。

但是，推動桿和物料盒兩側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，最后設計成130mm。

在收回的位置，配置有零位傳感器和限位塊。

同時，在推出的位置附近，也有硬件限位塊，防止因為控制出錯，而跑出行程。

但是連桿的推動點，不會在X方向移動嗎？會不會產生摩擦？

你這個問題問得很好。

這里有一個關鍵點，就是長連桿AB的長度，需要設計成短連桿OC的2倍，且和短連桿鉸鏈的點C，需要設計成長連桿的中點。

這樣就保證了，三角形AOB為直角三角形，也就是當A點運動到A’時，B點只會在豎直方向移動到B’點，所以理論上是沒有摩擦的。

但是，因為加工和裝配誤差，實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，也是滾動摩擦。

哦，好的，我明白了。

我還有一個小疑問，滑塊的位移X和推點B的位移Y有什么關系？

如上圖，經過推導，有豎直和水平位移關系是：

Y＝BB’=OB’－OB＝√（130^2－（129－X）^2）－16.1

當設計X方向的位移是75mm時，Y如上圖中的曲線，位移達到102mm。

但是因為開始推動之前，推桿需要和物料保持一定的間隙，設定初始間隙為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？

這個嘛，我們來分析一下。

因為對稱，只分析一邊，以連桿AB為分析對象，它受到3個力的作用。

第一，來自運載盤的力，盤質量4Kg，摩擦系數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A的力FA，大小也是F，沿AB方向。

因為，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，有因為Fbelt＝Fcos θ ，兩個等式一除，得到Fbelt=4cotθ。

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

這里乘以2，是因為兩邊的連桿一起工作，都是由電機給出功率，上面只分析了一邊，所以需要乘以2。

得到電機扭矩和位移X之間的關系曲線，如上圖黑色曲線。

需要注意的是，當滑塊運動到1.35mm時，推動點B才開始接觸物料盤，1.35之前的曲線只是為了方便計算，才統一畫出來，其實那一端是沒有運載盤負載的，所以不需要關注。

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

所以，需要保證的是，剛開始推動時的扭矩達標。

我們選擇的電機最大扭矩是0.95Nm，所以安全系數是0.95/0.535=1.77，沒問題。

這里，還有一個電機指標需要提一下，額定轉矩，這和占空比有關系。

因為此案例中，每推動一次，需要等候的時間是1分鐘，而推動的時間不足1秒鐘，所以占空比是非常小的。

如果非要計算，可以估算一下Trms＝√（（0^2＊60+0.535^2*1）/（60+1））=0.07Nm。電機的額定轉矩是0.318Nm，那么安全系數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X＝1.35mm時，Fbelt＝4cotθ＝20.75N。而同步帶的額定拉力是385N，得出安全系數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算過程，分享給我嗎？

可以，在我公號羅羅日記里，回復“連桿”，即可下載。

主要有兩個文件，一個是PPT，里面包含方案對比，位移及力分析，還有一個是原始計算Excel。

好的，多謝啦。

客氣了，樂意分享。

去缸活塞泵

羅羅日記

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

老鐵，你沙發

molify

MARK學習

機械制鳥

棒呆！

jylhzh

羅羅日記

|molify發表于 09-15 23:11MARK學習

老鐵，你好，感謝捧場

羅羅日記

|機械制鳥發表于 09-16 06:46棒呆！

老鐵，你好，感謝感謝

羅羅日記

|jylhzh發表于 09-16 07:33<img class="emotion" src="http://www.odgf.cn/static/image/smiley/default/victory.gif" smilieid="14 border=" 0"="" alt="">

早，老鐵

小黃黃呀

受教了&#128585;