如何用连杆机构，把水平运动转为垂直运动？含案例剖析

qj-huang

   经典图书

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Fcosθ＝Fbelt

AB连杆在竖直方向平衡，有方程8N=2*Fsinθ，有因为Fbelt＝Fcosθ，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。

asjyfm

（SolidWorks机械工程师网钻研三维技术的家园）

feiniao57

   经典图书

老铁，你沙发

liao243

MARK学习

junliu1130

   经典案例图书

棒呆！

dreamerqn

（SolidWorks机械工程师网钻研三维技术的家园）

LKR6226

   经典案例图书

老铁，你好，感谢捧场

sdhijack

老铁，你好，感谢感谢

bjjielishen

早，老铁

s77113

   经典图书

受教了🙉

Teelly

大佬

songtao03

厉害了，楼主

hsh0119

这个很赞

zjc518

老铁，早上好，啥时候讲讲凸轮呗

gaofanlove

加入QQ群
参与讨论和学习

或扫描二维码加入

非常清晰，感谢老铁

cxlvyy

   经典案例图书

非常清晰，感谢老铁

windows2000p

加入QQ群
参与讨论和学习

或扫描二维码加入

罗罗，我要给你生猴子！

yueer2803

   经典案例图书

很好，学习了

mlc001132

不敢不敢老铁

humingyue

欢迎领导批评指正