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修平科技大學四技機械工程系
專題製作報告
氣壓壓力開關的設計與製造
指導老師:劉柏挺
班 級:四機三丙
組 員:林建地 BA99124
黃重淵 BA99134
廖國鼎 BA99137
葉逸勳 BA99140
中 華 民 國 一 O 二 年 六 月 二 十 一 日
摘 要
本專題利用氣壓推動活塞機構,當活塞所產生的力與彈簧力及摩擦力
達成平衡時(即當壓力達到設定值),啟動極限開關,來進行後續的控制動
作,例如:停止氣的輸入等。本專題以 LED 燈來顯示極限開關被啟動的訊
號。此元件相較於以往的壓力開關都是以方形為形狀,而改採用圓形來當
作設計的形狀,較於方便製作。
I
目 錄
摘要
目錄………………………………………………………………… I
目錄………………………………………………………………… II
圖目錄……………………………………………………………… III
圖目錄……………………………………………………………… IV
表目錄……………………………………………………………… V
第一章 前言
1-1 動機……………………………………………………… 1
1-2 氣壓壓力開關工作原理與應用………………………… 1
第二章 氣壓壓力開關的設計
2-1 初步構想………………………………………………… 2
2-2 設計條件………………………………………………… 2
2-3 製作流程………………………………………………… 3
2-4 氣壓壓力開關的初步設計……………………………… 4
2-5 零件設計………………………………………………… 5
2-5-1 上模………….…………………………………… 5
2-5-2 下模………….…………………………………… 6
2-5-3 活塞機構………………………………………… 7
2-5-4 壓力彈簧..…..…………………………………… 7
2-5-5 底蓋..………..…………………………………… 8
2-6 其他零件………………………………………………… 9
2-6-1 極限開關元件…………………………………… 9
2-6-2 氣壓管接頭元件………………………………… 10
2-6-3 小型 LED 燈...…………………………………… 10
2-6-4 電池盒…………………………………………… 11
2-6-5 麵包板…..……………………………………… 11
2-6-6 壓縮彈簧數值模擬……………………………… 12
第三章 氣壓壓力開關的製作
3-1 零件製作………..……………………..………………… 14
3-2 電路圖..……..…………………………………………… 15
II
第四章 組裝
4-1 成品組裝………………………………………………… 17
4-2 組裝過程照片…………………………………………… 18
4-3 成品照片.….…………..………………………………… 19
4-4 爆炸視圖解說….……..………………………………… 20
第五章 結果與討論
5-1 壓力開關的啟動壓力分析與實驗……………………… 21
5-2 討論………….….……..………………………………… 22
5-3 心得………….….……..………………………………… 22
5-4 使用設備…….….……..………………………………… 23
5-5 機器設備工作安全須知…..…..………………………… 23
參考文獻…………………………………………………………….. 25
III
圖 目 錄 圖 2-1 :初步概念設計圖………………………………………… 4
圖 2-2 :立體圖(上模)..…………………………………………… 5
圖 2-3 :剖面圖(上模)…..………………………………………… 5
圖 2-4 :上蓋尺寸圖……………………………………………… 5
圖 2-5 :立體圖(下模)..…………………………………………… 6
圖 2-6 :剖面圖(下模)..…………………………………………… 6
圖 2-7 :下蓋尺寸圖……………………………………………… 6
圖 2-8 :活塞……………………………………………………… 7
圖 2-9 :活塞尺寸圖…….………………………………………… 7
圖 2-10 :壓力彈簧………………………………………………… 7
圖 2-11 :底蓋.…………………… ……………………………… 8
圖 2-12 :底蓋尺寸圖……………………………………………… 8
圖 2-13 :極限開關元件…………………………………………… 9
圖 2-14 :極限開關尺寸圖………………………………………… 9
圖 2-15 :氣壓管接頭元件圖……………………………………… 10
圖 2-16 :小型 LED 燈圖…….……………………………………… 10
圖 2-17 :電池盒圖………………………………………………… 11
圖 2-18 :麵包板圖………………………………………………… 11
圖 2-19 :彈簧各項數據圖.……………………………………… 12
圖 2-20 :壓縮後長度與受力的關係圖…………………………… 13
圖 3-1 :將材料夾至於夾頭中,使用量表來對中心……………… 14
圖 3-2 :利用內逕刀將鑽好的孔徑把表面加工到需要的尺寸…… 14
圖 3-3 :將加工好的零件,使用細沙紙將表面的毛邊修除……… 15
圖 3-4 :電路實體圖……..………………………………………… 15
圖 3-5 :壓力開關測試電路圖.……………………………………… 16
圖 4-1 :上下模成品……………………………………………… 17
圖 4-2 :底盤成品…………………………………………………… 17
圖 4-3 :活塞機構成品……………………………………………… 17
圖 4-4 :將底蓋鎖上………………….…………………………… 18
圖 4-5 :將活塞裝置下模中……………………………………… 18
圖 4-6 :將上下模組裝並且將螺絲鎖上……………………..… 18
圖 4-7 :等角圖……………….…………………………………… 19
IV
圖 4-8 :右視圖………….………………………………………… 19
圖 4-9 :成品完成圖………...…………………………………..… 19
圖 4-10 :爆炸視圖………………………………………………… 20
V
表 目 錄 表 4-1 :爆炸視圖解說…………….……………………………… 20
1
第一章 前言
1-1動機
選擇此專題是因為在學習氣壓課程中,常常運用到壓力開關這氣壓元
件,因此我們想試著設計與製做此氣壓元件,並且藉由這三年在學校所學
的知識與技術來進行製造。
1-2氣壓壓力開關工作原理與應用
氣壓壓力開關是控制設備工作的一種儀器,也就是一個簡單的壓力
裝置。氣壓壓力開關工作原理:壓力開關是通過收集檢測壓力信號來控制
設備工作,當系統內壓力高於或者低於設定的壓力值的時候,感應器內部
發生移動,微動開關開始發揮作用,調節連接杆推動開關接頭連接或者斷
開的,控制一段時間後,當壓力恢復或者降到一定程度的時候,改變微動
開關的變數又讓設備正常工作了。這種通過壓力值的調節來判斷設備的正
常運行就是壓力開關。就彈簧型的壓力開關而言,是一種借助彈性元件受
壓後產生位移以驅使微動開關工作的壓力控制儀錶,通常使用在報警或連
鎖保護系統中[1]。
2
第二章 氣壓壓力開關的設計
2-1 初步構想
在機械系老師推薦下,詢問到系上有老師在於這方面有著相關技
術的知識,在老師的介紹及討論下開始有了想法並訂定了工作流程。
2-2 設計條件
因為要符合組裝與替換零件的便利性,在設計出來的氣壓元件必
須要達到以下的標準:
(1) 在設計的理念上,必須符合易於拆解組裝的固定方向去尋找符合的
方法。
(2) 在材料方面使用容易取得的物料材質,有利於更換各部位零件。
3
2-3 製作流程
討論
討論議決
草圖設計
材料準備
零件設計
零件製作
零件組裝
測試與修改
撰寫報告
製作 ppt
4
2-4 氣壓壓力開關的初步設計
了解此專題要達到的要求後,開始初步設計如圖 2-1
圖 2-1 初步概念設計圖
5
2-5 零件設計
此元件是由數個零件所組成,如下面呈現:
2-5-1 上模
圖 2-2 立體圖(上模) 圖 2-3 剖面圖(上模)
圖 2-4 上蓋尺寸圖
用途:以圓柱來當作本體,裡面包含進氣道與活塞缸,活塞是在此處進行
運動的。
6
2-5-2 下模
圖 2-5 立體圖(下模) 圖 2-6 剖面圖(下模)
圖 2-7 下模尺寸圖
用途:下模部分為了配合上模,一樣採取圓柱樣式。此部分必須配合
活塞機構的控制需求來設計其中的尺寸,並且在底部挖空已安裝壓力開
關。
7
2-5-3 活塞機構
圖 2-8 活塞 圖 2-9 活塞尺寸
用途:此零件為中間部分的活塞機構,氣灌入後利用活塞壓制彈簧,當
到達一定大氣壓力後觸碰到極限開關,來進行後續動作。
2-5-4 壓力彈簧
圖 2-10 壓力彈簧
用途:此零件裝置在於活塞上,當氣灌入,壓到活塞後,可藉由彈簧來
控制活塞的做動,並且設定活塞的進給深度與啟動壓力的大小。
8
2-5-5 底蓋
圖 2-11 底蓋
用途:為了避免雜物進入與極限開關不必要的碰撞及美觀。
圖 2-12 底蓋尺寸圖
9
2-6 其他零件
2-6-1 極限開關元件
圖 2-13 極限開關元件
圖 2-14 極限開關尺寸圖[2]
用途:當氣壓達到設定值後,來傳遞此訊息以進行後續的控制動作。
10
2-6-2 氣壓管接頭
圖 2-15 氣壓管接頭元件
2-6-3 小型 LED 燈
圖 2-16 小型 LED燈圖
用途:當壓力達到所設定的值後,來顯示極限開關被啟動的訊號。
11
2-6-4 電池盒
圖 2-17 電池盒圖
用途:提供電力給 LED燈使用。
2-6-5 麵包板
圖 2-18 麵包板圖
用途:用來連接 LED燈及電池盒與極限開關的接線。
12
2-6-6 壓縮彈簧數值模擬(Compression Spring Calculator)
本專題壓縮彈簧的彈性係數(Spring constant, k)是設計上一個很重要
的設計參數,我們使用 Plantspring 公司[3]所提供的試用版模擬軟體來數
值模擬計算所使用的壓縮彈簧的彈性係數。壓縮彈簧的一些參數值為:線
徑(Diameter of spring wire, d)=0.9 mm,外徑(Outer diameter of spring,
Douter)=10.8 mm,自由長度(length of spring, tfree)=38 mm,彈簧的總圈數
(Number of total coils, nt)=10,彈簧的有效圈數 (Number of active coils,
na)=8。彈簧的材質為 Music wire ASTMA228。這些值的輸入如圖 2-19 所
示。彈簧的壓縮後長度與受力的關係如圖 2-20 所示。計算後的彈簧係數
k=0.837 N/mm。
圖 2-19 彈簧各項數據圖
13
圖 2-20 壓縮後長度與受力的關係圖
14
第三章 氣壓壓力開關的製作
3-1 零件製作
為了使工件重量不要過於厚重,所以我們選用"鋁"為材料來製作,使
用四爪車床以求得更加準確的位子。
圖 3-1 將材料夾至於夾頭中,使用量表來對中心。
圖 3-2 利用內逕刀將鑽好的孔徑把表面加工到需要的尺寸。
15
圖 3-3 將加工好的零件,使用細沙紙將表面的毛邊修除,並且將加工面
的粗糙的地方磨至光滑。
3-2 電路圖
壓力開關測試電路圖如圖 3-4,電路實體圖 3-5 所示。
圖 3-4 壓力開關測試電路圖
16
圖 3-5 電路實體圖
17
第四章 組裝
4-1 成品組裝
所有零件完成加工後,就是開始組裝的部分。第一步將活塞與彈簧放
置到下模中。第二步將上模與下模組合,並將固定用的螺絲鎖上。第三步
將極限開關固定在於底盤上,並將底盤與原先組好的上下模組裝,並且將
螺絲鎖上。第四步將線路與極限開關接上,並且連接到麵包板與 LED 燈
及電池合作連接。最後將氣壓管接頭裝到上模側邊的孔上,並將氣壓缸接
上,完成。
圖 4-1 上下模成品 圖 4-2 底盤成品
圖 4-3活塞機構成品
18
4-2組裝過程照片
圖 4-4將底蓋鎖上 圖 4-5將活塞裝置下模中
圖 4-6將上下模組裝並且將螺絲鎖上
19
4-3成品照片
圖 4-7等角圖 圖 4-8右視圖
圖 4-9成品完成圖
20
4-4爆炸視圖解說
圖 4-10爆炸視圖
表 4-1 爆炸視圖解說
標示 1 上模
標示 2 活塞
標示 3 彈簧
標示 4 下模
標示 5 底蓋
5
4
3
2
1
21
第五章 結果與討論
5-1 壓力開關的啟動壓力分析與實驗
由受力平衡可得下列力量平衡方程式
(5-1)
其中 Pon 為啟動的氣體壓力( kg / cm2 ),A 為活塞缸的面積(cm
2 ),本專題
的面積為(2) 2π/4 (cm
2 ),k 值為彈簧常數,本元件 k 為 0.837 (N/mm) (參
閱 2-6),x 為啟動的位移量,本設計為 7 mm ,假設活塞與活塞缸壁的摩
擦力 Fs =20 N,經計算可得 Pon = 0.839 ( kg / cm2 )。經本專題設計的測量
裝置,實際測試得 Pon ≒ 0.6 ( kg / cm2
),此值比預估值小。 依此反推,
求活塞與活塞缸壁的摩擦力應為 Fs = 12.63 N。
22
5-2 討論
在這次專題中,我們將三個比較困難的點,拿出來加以討論,第一個是活
塞的精密配合上,由於沒有很純熟的操作技術,因此對於工件設計所需求
的機密度上無法達到最理想的配合程度,不過還是盡可達到可以接受的配
合程度,而在尺寸設計上與工件製作中,要讓活塞缸壁以及套上 O 型環
的活塞必須有相當的經度配合不能讓 O 型環與活塞表上有過多的磨擦損
傷。第二個是以氣壓為動力,因此將氣壓接頭鎖在工件上蓋,可是設計圖
尺寸與工件尺寸有些微的誤差,在拿捏為了鎖上氣壓接頭的鑽孔及貫穿讓
氣體進入的鑽孔上,發生了鑽孔位置偏差,當下評估錯誤並重新估計另一
個點,對於配合氣壓接頭上的鎖頭螺紋跟階梯配合的鑽孔上,也有些問題
點,因為要不能漏氣的緊密配合,比較難找到所趨要的孔徑及螺絲攻,只
能盡可能找到可配合且誤差較小的鑽孔刀及螺絲攻。第三個是極限開關的
位置,在工件的設計及活塞前端所活動的最大長度,使極限開關啟動,要
把極限開關放在所需配合的固定位置上,必須要把極限開關放在配合的位
置上,為了能將極限開關固定上並加以施工,使用螺絲將其鎖住。
5-3 心得
在於這次的專題中,讓我們了解到從一件商品的設計到製作,原來需
要這麼多的努力,在於尺寸上的配合需要達到所訂定之公差配合,工件的
精密度要考慮到工件表面粗糙度,還須計算工件之間的摩擦阻力及摩擦係
數,在專題製作中,團隊間的默契、商量及協調上更是讓我們彼此間出現
23
了不少的小爭執,幾經波折後漸漸地步上軌道並且將作品製作出來,在老
師的協助下,讓我們了解到原來我們所欠缺的知識是如此的不足,經歷這
次的專題後,讓我們大家都充實了不少,也對於我們將來在工作職場上所
有可能面臨的狀況都有了基本的應變方法與處理方式,這是個難得的體
驗,經歷了這次專題的磨練,讓我們充實了在大學這幾年的生活。
5-4使用設備
主要硬體設備:
(1)傳統車床: 用於製作元件。
(2)傳統鑽床: 所有需鑽孔之零件。
(3)傳統铣床: 所有需端铣之零件。
主要軟體設備:
(1)Solid Works [4]: 用於繪製零件圖、組合圖、爆炸圖等。
5-5 機器設備工作安全須知:
(一)機器在使用前,應做好安全檢查,一切無誤後,方可使用。
(二)未得指導老師許可,嚴禁啟動或操作任何機器。
(三)操作機器時,須專心工作,切勿談笑嬉戲。
(四)操作機器時,不可穿著寬鬆之衣服,非必要時,不戴手套,並提防衣
服、頭髮捲入機器轉動部份。
(五)有人在使用機器時,嚴禁隨意進入危險區內。
(六)靠板、斜角規或導板等輔助器材應適時適當地使用。
24
(七)機器運轉時,切勿加油、調整速度或修理。
(八)機器在運轉時,發生噪音或故障,應立即關掉電源並通知指導老師處
理,不得自行處理。
(九)在操作機器時,偶有機器發生故障,或其他偶發事件,須立即報告指
導老師處理。
(十)機器運轉時,如遇停電,應切斷電源,以免恢復供電時,馬達機器等
受損害。
(十一)修理機器、更換刀具或調整轉速時,應先停止機器之轉動,再行更
換。
(十二)關閉機械電源之後,須等機器完全停止時,方可離開。
(十三)實習完畢,應將機器擦拭乾淨,塗抹機油後,加上防護套,方可離
去。
25
參考文獻
〔1〕 http://tw.ttnet.net/chinese-site/site/com/40028249/product/86/refno/17
6534322/
〔2〕 http://www.jin-hua.com.tw/admin/product_mang/pdf/2260000002253-
DATA.jpg
〔3〕 www.planetspring.com/pages/compression-spring-calculator-coil-calcu
lator.php?id=compression
〔4〕 許中原,”SolidWorks 2008 基礎範例應用(附範例光碟) ”,全華
圖書,2009。