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作者:蔡宗成(2003-11-07);推薦:徐業良(2003-11-10)

慈濟希望鐘音階La(6)新式敲擊機構之設計

本文敘述慈濟希望鐘新式敲擊機構計畫背景與目的,由顧客需求整理出設計概念,本計畫提出三種不同敲擊機構設計概念,針對這些設計概念進行實地設計與測試,最後提出一可行的設計概念運用於慈濟希望鐘敲擊機構。並說明音階La(6)敲擊機構設計階段產生的設計文件,包括設計圖、零件、材料表。

1. 設計計畫背景與目的

1為先前計畫中慈濟希望鐘音階La(6)敲擊機構設計,對應不同鐘體尺寸有不同的敲擊機構尺寸設計。此敲擊機構設計經過測試,可達成穩定敲擊動作,且反應時間較舊式機構縮短50%以上,並有強健性機構設計、模組化機構設計以利於組裝與後續維修等優點。

1. 敲擊機構設計La(6)

但慈濟功德會與觀想藝術設計公司對慈濟希望鐘敲擊機構提出新的設計需求,希望鐘體內部可見區域以一根敲擊棒機構為主,其餘連桿、馬達等組件藏於鐘體底下空間。且慈濟功德會以使用者觀點,希望敲擊軌跡能模擬人敲擊時的圓弧軌跡,本計畫研究目的便是依照使用者需求,設計一新式敲擊機構,希望能達到整體機構簡單化、圓弧敲擊軌跡等設計需求。

2. 敲擊機構設計概念1

根據上述使用者需求,首先提出一設計概念示意圖如圖2,設計模型如圖3,以直流馬達為動力源,由直流馬達帶動敲擊棒,並藉由旋轉支點作用,使敲擊棒軌跡呈現圓弧運動軌跡。

2. 設計概念1示意圖

3. 設計概念1模型

考慮敲擊棒直徑、萬象軸承等條件,進行實體模型設計如圖4,並計算出敲擊棒軌跡為旋轉角度11.4o的圓形軌跡,此實體模型雖可達到圓弧運動軌跡,但旋轉角度過小,無法敲擊鐘體內部敲擊點,此設計概念1經過證實為不可行方案。

4. 設計概念1實體模型

3. 敲擊機構設計概念2

敲擊機構設計概念2仍然使用直流馬達為動力來源,設計概念為馬達帶動一圓盤機構,圓盤機構上有一可調整角度的旋轉接點,所以主敲擊機構可依據不同尺寸鐘體調整敲擊軌跡,因為馬達直接帶動敲擊機構,敲擊軌跡呈現圓弧狀。此敲擊機構是以馬達為動力源,定位控制功能由機構與極限開關搭配,當給予馬達一初始作動訊號後,圓盤機構碰觸極限開關,此極限開關連接馬達與電源線,提供馬達持續運轉的電力,帶動敲擊機構敲擊鐘體,當敲擊機構回復初始位置後,圓盤機構不再接觸極限開關,馬達電源中斷,整個機構回復初始狀態,等待下一次敲擊動作。

5為敲擊機構設計概念2模型,機構簡化,使用馬達為動力源,帶動敲擊機構產生圓弧敲擊軌跡,旋轉機構圓盤與主敲擊棒以可調整角度接點連接,依照不同鐘體尺寸調整圓弧軌跡大小與主敲擊機構長度尺寸,達到模組化設計功能;敲擊頭與主敲擊棒之間採用撓性機構材質組裝,使得敲擊鐘體時較為柔和與人性化。

5. 敲擊機構設計概念2電腦模型

根據上述新式敲擊機構設計概念,進行實體設計與加工之前,先以電腦模擬驗證,分析有無不可預期現象發生,作為改善修正的參考。如圖6為此新式敲擊機構的機構模擬,在敲擊頭與主敲擊棒之間加入伸縮彈簧條件,當馬達帶動敲擊機構時,旋轉慣性使得敲擊頭與主敲棒因為伸縮彈簧而有“甩出”的動作,用以敲擊鐘體,此機構經過電腦模擬證實此概念可行。

6. 敲擊機構設計概念2電腦模擬

此敲擊機構設計概念2是以直流減速馬達為動力來源,直流減速馬達本身無定位功能,必須由外部控制器或是定位機構加以輔助定位,定位控制器成本與技術門檻過高,不適合此計畫,於是本計畫朝向設計一定位機構,當使用者給予馬達一初始作動訊號,馬達帶動敲擊機構運作一週期後,此定位機構會切斷馬達電源,整體敲擊機構回復初始狀態,等待下一敲擊命令。如圖7為此週期運動機構設計概念,初始狀態,旋轉圓盤有一凹槽,極限開關呈現斷路狀態,當使用者按下啟動,電源由藍色箭頭方向供應馬達作動,馬達帶動旋轉圓盤,使極限開關保持通路狀態,電源由紅色箭頭方向持續供應馬達電源,啟動開關無作用,當馬達帶動旋轉圓盤機構作動一週期後,極限開關到達凹槽位置,切斷馬達電源,整組機構回復初始狀態,等待下一動作。

7. 週期運動機構設計概念

由上述設計概念進行實體加工與組裝,敲擊機構實體圖如圖8,經過測試,發現當馬達轉速較快時,旋轉圓盤機構因慣性作用,當極限開關碰觸凹槽時,無法及時切斷馬達電源,但如馬達轉速維持在10rev/min,可完成整個動作。

8. 敲擊機構設計概念2實體圖

上述敲擊機構是由馬達帶動,以馬達為動力源是為符合敲擊動作為圓弧軌跡與可視區域內只有一根敲擊棒等需求,但由測試結果分析,此敲擊機構反應時間過慢,敲擊能量不足,且由馬達為動力來源會影響現有控制系統,現有控制系統為ON-OFF通電機制,不適用於控制馬達。此設計概念2經過證實為不可行方案。

4. 敲擊機構設計概念3

敲擊機構設計概念3是延續先前敲擊機構方式,就是使用電磁鐵驅動,帶動機構等連桿,使敲擊機構呈一平面敲擊動作,但將敲擊機構簡化,符合可視區域內只有一根敲擊棒之設計需求。如圖9,當電磁鐵通電,拉動電磁鐵驅動連桿往下移動,進而帶動主敲擊機構往前敲擊,而敲擊頭與主敲擊機構裝設一彈簧,使得敲擊頭敲擊鐘體時有一饒性動作,避免敲擊頭在敲擊時與鐘體接觸,影響音色。而此敲擊機構在鐘體可見區域只有一根主敲擊機構與敲擊頭,其餘部份皆藏於鐘體內部,符合設計需求,且是以電磁鐵為動力源,不僅容易控制且降低設計成本。圖10為敲擊機構設計概念3與先前敲擊機構比較,整體機構已簡化,可達到敲擊功能。

9. 敲擊機構設計概念3

10. 上述敲擊機構設計概念3與先前敲擊機構比較

由上述設計概念3進行實體加工與組裝,敲擊機構實體圖如圖11,經過測試,可穩定敲擊,但聲音能量較先前設計低,是因為敲擊頭與主敲擊機構是以壓縮彈簧連接,使得敲擊時,敲擊頭不會持續接觸鐘體而產生死音,但此設計會因敲擊頭較輕而所敲擊聲音較低。如敲擊頭與主敲擊機構之間不以壓縮彈簧連接,改以控制通電時間大小,可有效增加敲擊聲音能量,但通電時間過長會產生敲擊死音。

11. 敲擊機構設計概念3實體圖

5. La(6)鐘敲擊機構尺寸設計文件

5.1鐘體尺寸參數化

12為慈濟希望鐘鐘體剖面說明,定義相關參數如表1,這些相關參數依照不同的鐘體尺寸而有所不同。

1. 慈濟希望鐘鐘體尺寸相關參數

參數

說明

Hupper

最佳敲擊位置上端距鐘體最高點距離

RHupper

最佳敲擊位置上端與固定機構旋轉接點距離

θHupper

RHupper與水平夾角

Hlower

最佳敲擊位置下端距鐘體最高點距離

RHlower

最佳敲擊位置下端與固定機構旋轉接點距離

θHlower

RHlower與水平夾角

Rbell

鐘體最高點與固定機構旋轉接點距離

θbell

Rbell與水平夾角

Helect

電磁鐵下死點與固定機構旋轉接點垂直距離

Velect

電磁鐵下死點與固定機構旋轉接點水平距離

Hfix

固定機構旋轉接點與鐘體內部垂直距離

Edis

電磁鐵作用距離

12. 慈濟希望鐘鐘體剖面

下表2為音階La(6)的鐘體測量設計參數,對照圖12慈濟希望鐘鐘體剖面說明,圖13為固定機構尺寸與鐘體敲擊曲率。圖14La(6)鐘之敲擊機構設計佈置圖,單位mm,圖15La(6)敲擊機構訂做零件圖,圖16La(6)鐘之敲擊機構組裝圖,表3為其零件表。最後圖17La(6)鐘之敲擊機構組裝步驟。

2. 音階La(6)鐘體測量設計參數

參數

La(6)

參數

La(6)

RHupper

194

Helect

190

θHupper

32o

Velect

41

RHlower

182

Hfix

15

θHlower

24o

Edis

10

Rbell

202

單位

mm

θbell

42o

 

 

長度測量誤差:

角度測量誤差:

13. La(6)固定機構尺寸與鐘體敲擊曲率

14. La(6)鐘之敲擊機構設計佈置圖

15(a). 主機構零件圖

15(b). 主機構連桿零件圖

15(c). 套筒零件圖

15(d). 磁力桿零件圖

15(e). 連接連桿零件圖

15(f). 固定座零件圖

15(g). 鐵塊零件圖

15(h). 捶頭零件圖

15(i). 捶頭連接零件圖

15(j). 壓縮彈簧長度修正零件圖

16. La(6)鐘之敲擊機構組裝圖

3. La(6)鐘之敲擊機構零件表

零件編號

名稱

數量

建議材料

來源

2

主機構

1

不鏽鋼

外包製作

3

電磁鐵連桿

1

鋁合金

外包製作

4

套筒

1

塑鋼POM

外包製作

5

磁力桿

1

鋁合金

外包製作

6

連接連桿

1

鋁合金

外包製作

7

固定座

1

塑鋼POM

外包製作

8

鐵塊

1

外包製作

9

捶頭

1

黑檀木

外包製作

10

捶頭連接零件

1

塑鋼POM

外包製作

11

壓縮彈簧長度修正零件

1

塑鋼POM

外包製作

12

止付螺絲

1

M6-50mm

外購

13

O型環

1

橡膠

外購

14

壓縮彈簧

1

D12260

春名公司

15

螺帽

1

M6

外購

16

墊片

1

1371

外購

17

固定機構

1

外包製作

18

O型環

1

橡膠

外購

17(a). 組裝零件2910,由零件210調整敲擊距離

17(b). 組裝零件365

17(c). 組裝零件7

17(d). 組裝零件1114後再組裝零件4

17(e). 零件17與零件4以接著劑黏合,零件16與零件15用以調整敲擊角度

17(f). 零件13與零件8以接著劑黏合,零件8與零件11可調整距離以符合敲擊行程

17(g). 將所有機構裝入零件18,再由零件7兩邊螺絲固定

6. 結論

本計畫由顧客需求整理出設計概念,提出三種不同敲擊機構設計概念,針對這些設計概念進行實地設計與測試,最後將設計概念3運用於慈濟希望鐘敲擊機構,也就是沿用先前敲擊方式,採平面敲擊方式,且簡化敲擊機構,在鐘體內部可見區域只有一根敲擊棒。敲擊頭與主敲擊機構之間不以壓縮彈簧連接,改以控制通電時間大小以增加敲擊聲音能量,同時避免因通電時間過長會產生敲擊死音。實際測試結果電磁鐵通電時間約0.1秒,斷電時間約0.4秒,可完整完成敲擊動作,反應時間較先前設計加快許多。

另外採用圓弧敲擊軌跡之設計構想與現有鐘體尺寸、固定機構配置、電磁鐵作動方式等限制條件有所衝突,相對提高整體設計成本,並不適用於本計畫。