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DIY机械挖掘机“挖掘者”

看这炫酷的挖掘机:

一、器材准备

挖机结构:1套

底盘结构:1套

线控器:1套

减速电机:4套

二、基本原理

1、控制原理

当前挖掘机总共有4个减速电机,挖掘机的前后左右移动、左右转向、铲斗的上抬与下挖,分别由不同的减速电机控制。

1)动力机构

 挖掘机的履带底盘是由左、右两个减速电机驱动,利用差速控制原理实现履带小车的前后、左右运动,还能实现履带小车的原地转向运动:

(a)当左、右两侧的履带都向前运动时,小车整体前进;

(b)当左、右两侧的履带都向后运动时,小车整体后退;

(c)当左侧履带不动,右侧履带向前运动时,小车整体向左前进;

(d)当右侧履带不动,左侧履带向前运动时,小车整体向右前进;

(e)当左侧履向后运动,右侧履带向前运动时,小车整体原地逆时针转动;

(f)当右侧履向后运动,左侧履带向前运动时,小车整体原地顺时针转动。

提示:下图中,紫色箭头代表履带轮转动的方向,蓝色箭头代表履带前后运动的方向,红色箭头代表小车整体运动的方向。

2)转向机构

挖机结构的左右转向控制,则是由履带底盘与挖机结构之间安装了第三个减速电机的转盘结构来实现。

挖机结构是固定在底座上的转盘结构上的:当转盘往左侧转时,挖机结构也往左侧转;当转盘往右侧转时,挖机结构也往右侧转。

3)铲斗机构

挖机铲斗的上抬与下挖的控制,是由第四个减速电机控制连接了铲斗以及机械臂的连杆结构来实现的:

  下挖动作

(a)当减速电机控制偏心轮A1往铲斗方向转动时(下图逆时针),同时会带动双连杆结构B1一起摆动,其中:双连杆结构B1的上连杆部分往前摆,下连杆部分往后摆,则偏心轮A2就会同步与A1一起转动;

(b)偏心轮A2同步往铲斗方向转动(下图逆时针),同时会带动双连杆结构B2一起摆动,其中:双连杆结构B2的上连杆部分往前摆,下连杆部分往后摆;

(c)此时,双连杆结构B2的上连杆部分推向高处,而下连杆部分推向低处,而由于两者同时连接着铲斗上,使得铲斗向内侧做一个下挖的动作。

  上抬动作

(a)当减速电机控制偏心轮A1往铲斗反方向转动时(下图顺时针),同时会带动双连杆结构B1一起摆动,其中:双连杆结构B1的上连杆部分往后摆,下连杆部分往前摆,则偏心轮A2就会同步与A1一起转动;

(b)偏心轮A2同步往铲斗反方向转动(下图顺时针),同时会带动双连杆结构B2一起摆动,其中:双连杆结构B2的上连杆部分往后摆,下连杆部分往前摆;

(c)此时,双连杆结构B2的上连杆部分推向后端,而下连杆部分推向前端,而由于两者同时连接着铲斗上,使得铲斗向外侧前方做一个上抬的动作。

2、电路原理

从简化电路的角度考虑,当前项目采用简单易实现的有线遥控器来控制挖掘机上的四个减速电机的状态。

当然,了解当前电路的本质之后,也可以把有线遥控器换成无线遥控器,实现远程无线控制挖掘机的操作。

每个减速电机的控制电路都是独立的,四个减速电机其实都是并联接在电源上,互相不会影响:

1、减速电机的两个电极连接电源,通过改变两个电极所连接电源的正负极,可以改变电机的旋转方向(顺时针或逆时针);

2、电源为两组电池,每组电池作为一个独立的供电单元,通过选择开关选择电机某一时刻由哪一组电池为其供电:

(a)如下图左,假如开关往上扳,则由上面一组电池供电,减速电机顺时针转动;

(b)如下图右,假如开关往下扳,则由下面一组电池供电,减速电机逆时针转动。

依据以上控制原理,结合本项目的功能需求,则整体电路的原理如下:

1、操纵开关为一个拥有三个状态的复位开关,可以控制电机的正转、反转、停止三个状态;

2、两个双刀双掷自锁开关作为电源开关,可以分别控制两个减速电机的电源通断。不过,由于采用了三状态复位开关作为操纵开关,即便打开电源开关,默认复位开关在中间位置时整个电路还是处于断路状态不通电的,也就是说一定程度上我们也可以认为这个电源开关是多余的,加上只是为了整个电路控制更完善,不至于误操纵触发。

提示:当前项目的线控器,默认我们用了8根排线来连接,即每个减速电机对应两根排线。而实际上从电路原理图我们可以看出,所有减速电机有一个公共的地线,也就是说可以把8根排线缩减为5根,其中:每个减速电机其中一个引脚单独一根线,这里就4根线;而所有减速电机的另一个引脚共用第5根线。

为了方便初学者,这里再给出电路焊接示意图。

注意:当前项目我们采用两组电池给每个减速电机供电,可能会存在两组电池放电不平衡的情况。比如像小车前进的时候比较多,负责前进供电的那组电池,就会比另外一组电池用得多。

为了平衡两组电池,可以考虑调整两个减速电机的控制状态:当小车处于最常见的前进状态时,两个减速电机都往前驱动,这时调整电路让两个减速电机分别由不同组的电池供电,而不是由同一组电池供电。

三、制作过程

  1. 结构  
  2. 动力
  3. 电路
  4. 挖机
  5. 履带
  6. 设计
  7. 底盘
  8. 转盘
  9. 线控
  10. 组装

1、结构

【1-1】

先制作铲斗的连杆结构。 

【1-2】

再制作铲斗。

【1-3】

然后是铲斗的支架。

【1-4】

把连杆装到偏心轮上。

【1-5】

把铲斗也安装上。

【1-6】

制作铲斗支架。

【1-7】

把铲斗连杆安装到铲斗支架上。

【1-8】

把铲斗支架安装到底座上,基本结构就制作好了。

2、动力

【2-1】

用PVC线槽和齿轮,DIY一个齿轮减速电机。

提示:PVC减速电机的制作方法这里不展开介绍,具体见:《PVCBOT官网教程——基础篇——部件类——B型N20减速电机》的制作教程

 

【2-2】

把减速电机安装到底座上。

【2-3】

减速电机和铲斗结构之间,用连杆连接起来。

3、电路

【3-1】

在底座下面安装电池盒,还有复位开关,连接好电路。

【3-2】

减速电机也连接好。

复位开关在底座顶部露出操纵杆。

 

4、挖机

【4-1】

挖机制作完成。

【4-2】

当前制作只是实现了“挖掘”这个简单的动作,而缺乏转向和移动等动作。

下一步,可以考虑继续完善,比如增加履带底盘(附视频)。

5、履带

【5-1】

取两根直径50mm的皮带。

把线槽盖剪成10mm长的一段方块,让方块两侧的轨道分别套到两条皮带上,作为履带板。

另外用线槽盖侧边的轨道,剪成5mm长的一小段,套到皮带上,并且位于各方块之间,使得各履带板之间有一个间隔。

【5-2】

线槽凹槽的一侧,剪长10mm的一段,并且两个侧边保留5mm的高度,得到一个凹形结构,作为履带扣。

把每个履带扣于上一步串在皮带上的每块履带板扣在一起,这样就得到一根简易的履带了。

【5-3】

有几种规格的履带轮供选择,考虑到PVC线槽都是以白色为主,这次制作出来的履带也是白色的,所以履带轮的颜色最好不要再用白色了。最后决定用一种小一点的橙色皮带轮作为履带轮,这样可以使得颜色有层次之分,效果更好一些。

【5-4】

在皮带轮上装上用PVC剪成的链齿。

【5-5】

同一个履带轮,两侧各有一个皮带轮,两个皮带轮内侧紧贴着十字形的链齿,然后中间再用4-5颗塑料垫圈填充。

做一个简单的测试小车,把履带装上去。

【5-6】

测试小车底盘下方带有一个三级齿轮减速箱。

【5-7】

给测试小车接上电池,打开开关,小车应该可以带动履带跑起来。

【5-8】

前面步骤制作的履带已经基本成型,但还不够完美。

于是,继续对PVC履带作完善,主要是把原来的链轮槽外侧也封闭起来。

【5-9】

履带板之间的缝变小了,看起来比原来更精致和紧凑了,而且履带也更不容易从链轮上脱落下来。

【5-10】

全封闭的履带。  

还可以给每个履带板外侧再粘贴两片平行的底垫。

【5-11】

可以直接用PVC线槽的轨道侧边来做,虽然工序上又多了点,但履带板之间的缝隙也可以遮住一点,看起来更有更觉了。

【5-12】

把最终完成的带防滑底垫的履带,装到测试小车底盘上。

【5-13】

这样的测试小车,具有了一定的爬坡越野能力。

6、设计

【6-1】

把此前做好的挖机部分,直接放在履带测试小车地盘上,感觉是不是很酷啊!

【6-2】

实际上这只是摆一个造型而已,真正要完成一个可以移动的挖掘机,还要继续往下制作才行。

7、底盘

【7-1】

要实现履带底盘能够前进以及转向,前面单个电机的小车底盘不能用,这里要再专门做一个双电机驱动的小车底盘。

再制作两个与前面给挖机提供动力的一样的PVC减速电机,要求两个减速电机是单侧轴输出,并且一个轴在左侧,另一个轴在右侧。

对于横截面为60mm*25mm的PVC线槽,截取长70mm左右的一段,作为底座,把两个减速电机并排固定在底座的一侧。

提示:PVC减速电机的制作方法具体见:《PVCBOT官网教程——基础篇——部件类——B型N20减速电机》的制作教程

【7-2】

在底座另一端的两侧,分别在伸出两根可以空转的轴,要求轴露出外面至少长25mm么,并且这两根轴距离同侧的减速电机轴的距离是50mm。

【7-3】

给减速电机的轴以及空转轴装上两侧带链齿的履带轮。

【7-4】

拿出之前做好的履带。

【7-5】

把履带装底盘的履带轮上。

【7-6】

用横截面25mm*15mm的PVC线槽的凹槽部分,在底盘的底座正面上方做一个梯形的支架。

这样就完成了履带小车底盘的制作。

8、转盘

【8-1】

再准备一个PVC减速电机,要求也是单侧输出转轴。

用一段横截面为40mm*20mm的PVC线槽的凹槽部分,作为减速电机的外壳。

提示:PVC减速电机的制作方法具体见:《PVCBOT官网教程——基础篇——部件类——B型N20减速电机》的制作教程

【8-2】

横截面为40mm*20mm的PVC线槽的槽盖部分,剪成一个凹形,作为减速电机外壳的盖子。

减速电机伸出的转轴前端,用塑料垫圈把一块截面25mm*15mm的PVC线槽的槽盖部分夹在中间,然后在外侧的塑料垫圈周围涂上502胶水,把槽盖和转轴固定在一起。

注意:502胶水不要粘贴到减速电机的外壳上,当减速电机转动时,只是转轴前端的槽盖跟着转动。

【8-3】

把减速电机装到外壳内,得到一个转盘结构。

【8-4】

履带底盘的底座上方的梯形支架是PVC线槽的凹槽,它与转盘上减速电机前端的PVC线槽槽盖的规格是匹配的,把两者扣在一起,这样就把转盘装到了履带地盘上了。

【8-5】

对于此前做好的挖机,把挖机底座以下的部分拆掉。

【8-6】

把挖机的底座用螺丝固定在转盘的顶端。

为了美观以及牢固,还可以在转盘上增加支撑,与挖机底座连接起来,用热熔胶固定住。

这样就把挖机安装到转盘上了。

9、线控

线控器内部装有电池,线控器通过排线把多组电源引出,给排线另一端挖掘机上的多个减速电机供电。通过线控器上的多个复位开关,可以控制引出的每组电源的开关状态以及正负极性,以此控制对应减速电机的停止或转动状态以及转动的方向。

下面主要是介绍线控器的结构制作。而关于线控器的电路连接,具体见前面的电路原理说明。

【9-1】

用横截面为40mm*20mm的线槽来制作线控器的外壳,线控器的外形可以做成类似游戏手柄。

【9-2】

线控器中间部分有两个自锁按钮开关,分别是:

(1)左右两侧用于前进后退的减速电机的电源开关;

(2)挖机和转盘的减速电机的电源开关。

【9-3】

线控器两侧的手柄前端,各有两个复位开关,其中:

(1)最外侧的两个前后拨动方向的复位开关,分别控制左右两侧电机的正反转;

(2)左内侧的前后拨动方向的复位开关,用于控制挖机的上下挖动;

(3)右内侧的左右拨动方向的复位开关,用于控制转盘的左右转动。

【9-4】

给线控器装上两组电池。

【9-5】

最后把线控器后端手柄外壳扣上,这就是一个完整的线控器。

10、组装

【10-1】

履带底盘两侧的减速电机,分别连接着一个位于底盘后端的PH插座;而转盘减速电机和挖机减速电机,则分别连接着一个位于挖机后端的PH插座。

线控器引出的8根排线,输出4组独立的电源。对应每组电源的两根排线共同连接这一个PH插头,总共就是4个PH插头。

【10-2】

每个PH插头,插到对应要控制的减速点击的PH插座上。

【10-3】

把安装了挖机的转盘,转到底盘上,这样就把整个挖掘机组装完成了。

【10-4】

线控器引入的排线,组好集中固定在挖机后端,用一个夹子状结构卡住,防止拉扯排线导致PH插头/插座松动。

【10-5】

尝试用线控器控制挖掘机,正常情况下:

(1)左外侧前后方向的复位开关,控制底盘左侧履带的停止或前后转动;

(2)右外侧前后方向的复位开关,控制底盘右侧履带的停止或前后转动;

(3)左内侧前后方向的复位开关,往前拨则挖机上抬,往后拨则挖机下挖;

(4)右内侧左右方向的复位开关,控制转盘的停止或者左右转动。

假如发现控制的减速电机不正确,则需要调整对应的PH插头和PH插座接在一起;假如发现控制的减速电机转动的方向反了,则把PH插头上的两根排线调换过来接。

五、项目总结

当前项目是一台结构精致的履带驱动挖掘机,涉及的内容比较多,可以学到较多的东西:

(1)DIY减速电机,这是基础,且是个精细活,比较考验动手能力;

(2)PVC版履带的制作,这是一个巧妙的结构,特别考耐心;

(3)差速转向控制原理的实际应用;

(4)简单连杆结构实现一系列的挖掘动作。

当前挖掘机看似复杂,其实了解本质原理之后,就会发现做好它只是时间问题,需要的主要就是细心和耐心。(编辑:Lyroat)

挖掘机做好了,哪里不爽挖哪里,谁再说你out,就用铲斗挖他鼻孔!

文章题图:作者提供

The End

发布于2015-05-19, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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