//Logo Image

電動釘槍擊發機構改良計畫書

作者:洪永杰、徐業良(2003-12-23);推薦:徐業良(2004-01-05)
附註:本文為工研院委辦計畫計畫書。

1.         計畫背景

1.1 單線圈驅動式電動釘槍

1為目前一般市售電動釘槍的擊發機構,是由衝桿、撞針、復位彈簧與一組線圈所組成。一般市售電動釘槍採單線圈驅動設計,亦即使用一組線圈激磁、斷電所產生的磁力場變化,藉以驅動釘槍中衝桿與撞針作動,撞擊釘體使其埋入工件後,復位彈簧再將衝桿與撞針回覆原位。如圖2所示,當線圈未激磁時,衝桿因受到復位彈簧伸張的關係而處於初始(平衡)位置;當線圈通電時,因產生磁力作用於衝桿上,使得衝桿產生相對位移,導致衝桿上之撞針撞擊針體使其埋入工件內(圖3)。當線圈斷電後,衝桿受到復位彈簧的彈力作用,而再度回復到圖2的初始位置。

1. 單線圈式電動釘槍

2. 預備撞擊釘體前位置(線圈未激磁)

3. 撞擊釘體時位置(線圈激磁)

1.2 雙線圈驅動式電動釘槍

電動釘槍擊發機構另一種設計方式為雙線圈驅動方式,亦即使用兩組線圈激磁、斷電所產生的磁力場變化,藉以驅動釘槍中衝桿與撞針作動,來達成撞擊釘體使其埋入工件的目的。圖4為雙線圈驅動方式整體機構,當兩組線圈皆未激磁時,衝桿因受到復位彈簧伸張的關係而處於初始(平衡)位置;當第一線圈通電時,因產生磁力作用於衝桿上,使得衝桿產生相對位移,導致衝桿上之撞針第一次撞擊針體使其初步埋入工件內。當第一組線圈斷電後,衝桿受到復位彈簧的彈力作用往後回復,此時第二組線圈激磁使得衝桿上之撞針再一次撞擊針體使其完全埋入工件內,整體作動情形如圖5~圖8所示,圖9為兩組線圈通電時間的示意圖。使用雙線圈的作用為利用觸發延遲電路之延遲時間來獲得較佳的衝擊能量,並減少後座力的產生。

4. 雙線圈式電動釘槍

5. 預備撞擊釘體前位置(兩組線圈皆未激磁)

6. 第一線圈激磁時,衝桿撞擊釘體位置

7. 第一組線圈斷電時,衝桿位置

8. 第二組線圈激磁時,衝桿撞擊釘體位置

9. 兩組線圈通電時間示意圖

1.3 Jemfa公司電動釘槍擊發衝擊力加強機構改良概念

目前市售電動釘槍之衝擊力道不如氣動式釘槍,因此Jemfa公司提出一加強電動釘槍擊發衝擊力的機構設計改良方案,利用兩段式激磁配合彈簧彈力位能轉換的方式來增加電動釘槍操作時的衝擊力道。圖10~12為此方案設計構想示意圖,圖10中整體機構組成元件與市售電動釘槍單線圈驅動設計的機構大同小異,擊發機構是由衝桿、撞針、彈簧與一組線圈所組成。當線圈未激磁時,衝桿處於初始位置;當線圈通電時,因產生磁力作用於衝桿上,使得衝桿產生相對位移向左移動,待通電達某一時間後斷電,衝桿會因為慣性力持續向左移動並持續壓縮彈簧,待其達到所能給予的彈簧最大壓縮量時,彈簧將其自身儲存的位能轉換成動能釋放,在釋放瞬間同時線圈第二次激磁產生磁力作用於衝桿上,此時衝桿所獲得之衝擊能量包括彈簧位能與線圈激磁之磁力作用,衝擊力道將大於單線圈式電動釘槍。

10. 預備撞擊釘體前位置(線圈第一次激磁使衝桿向左移動)

11. 衝桿壓縮彈簧至最大壓縮量後瞬間激磁(第二次激磁,衝桿向右移動)

12. 撞擊釘體時位置(線圈斷電)

2.         計畫目的

Jemfa公司提出之設計概念初步檢視應屬可行,本計畫目的便在對此構想作深入研究,求取各設計變數最佳值,並以實驗加以驗證。

本計畫第一部份將以現有電動釘槍線圈、衝桿等尺寸為固定參數,建立一最佳化設計數學模型,求取能賦予衝桿最大能量時,以下設計變數之最佳值,同時並比較此設計與現行單線圈驅動設計衝桿增加能量之比例:

(1)   10中衝桿初始位置

(2)   彈簧之彈簧常數

(3)   10中彈簧之初始位置

(4)   10中第一次激磁斷電時間

(5)   11中彈簧之最終位置

(6)   12中第二次激磁開始時間

(7)   12中第二次激磁斷電時間

本計畫第二個部分在建立一測試平台,實際量測前述最佳化設計下撞針出口速度,並量測市售單線圈驅動設計電動釘槍撞針出口速度,以與理論值作一比對,並進而對最佳化設計數學模型作補償、修正,求得經實驗證實之各項設計變數最佳值,提供作後續產品開發。在此目的下,本測試平台有如下設計需求:

(1) 以現有市售電動釘槍線圈、衝桿、撞針等尺寸為基準,建立測試平台型架,並設計適當裝置,使能彈性改變衝桿初始位置、改裝不同彈性係數彈簧等。

(2) 測試平台需能量測彈簧之最終位置,並能量測撞針出口速度。初步規劃將以光學方式量測。

(3) 測試平台需能彈性控制電磁鐵激磁、斷電時間。初步規劃將以單晶片作電磁鐵激磁、斷電時間控制。

計畫開始後測試平台建立將與最佳化設計數學模型建立同步進行。測試平台建立初期目標為量測市售單線圈驅動設計電動釘槍撞針出口速度,待求得最佳設計值後再以此測試平台作進一步驗證。

參考文獻

陳興勤,胡竹生,“雙線圈電動打擊機具打擊力之控制方法”,中華民國專利新型第四六五一七零號,民國九十年。

Tsai, C. C., “Electric nailing tool,” United States Patent 6,364,193 B1, 2002.