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作者:蔡宗成、余家杰(2004-01-09);推薦:徐業良(2004-01-10)

電動釘槍撞針出口速度之量測

電動釘槍撞針出口速度為電動釘槍重要之性能指標。本文描述利用光電開關測量電動釘槍撞針出口速度之量測原理、實際量測數據、單晶片程式、以及誤差分析。

1.     電動釘槍撞針出口速度量測原理

測量電動釘槍撞針出口速度,首先選定發射端與接收端整合於同一元件,且反應時間適當之光電開關,將兩組光電開關平行裝置於電動釘槍撞針出口處,其與撞針之相對位置如圖1(a),設定光電開關B於電動釘槍撞針之出口處,光電開關A則緊鄰於B,可得兩者間距離L。撞針被線圈激發往光電開關處行進,當撞針觸發光電開關A時,記錄其觸發時間tA如圖1(b),此時撞針繼續行進至最大行程將觸發光電開關B,紀錄其觸發時間tB如圖1(c),可得一時間差t=tA-tB,則撞針速度

1(a). 撞針與光電開關之相對位置

1(b). 撞針到達光電開關A,時間tA

1(c). 撞針到達光電開關B,時間tB

2.     光電開關規格說明

依前節敘述原理,選用OMRON公司[http://www.omron.com]所生產的光電開關,型號為EE-SPX401,外觀如圖2,將發射端與接收端整合成一光電開關,有一LED狀態顯示窗,當光電開關偵測到物體時,顯示燈亮。EE-SPX401光電開關工作電壓為5~24VDC,可偵測到最小不透明體0.5×1mm,反應時間為500Hz,相關規格說明如表1EE-SPX401光電開關外型尺寸與接腳定義。

2. EE-SPX401光電開關外型(與EE-SPX301外型相同)【圖片來源:EE-SPX401產品使用手冊】

1(a). 光電開關外型規格【圖片來源:EE-SPX401產品使用手冊】

1(b). 光電開關電子規格【圖片來源:EE-SPX401產品使用手冊】

3. EE-SPX401光電開關外型尺寸與接腳定義【圖片來源:EE-SPX401產品使用手冊】

3.     市售電動釘槍撞針速度測試

4為實際將3個光電開關裝置於現有市售電動釘槍之出口位置,裝設3個光電開關的目的在測量撞針出口速度與加速度。先以示波器進行量測以驗證此光電開關的反應時間與可靠性是否適用於本測試機台,調整市售電動釘槍之作動速度為最低速,由示波器得到如圖5之間隔測量時間,低速時t_S1_S2=3.61mst_S2_S3=5.65ms,高低速時t_S1_S2=1.10mst_S2_S3=0.98ms。依光電開關尺寸,相鄰光電開關觸發點彼此間距為7mm,但光電開關裝配時會有誤差,故使用一高度規量測光電開關觸發點間距,測量結果光電開關12觸發點之間距d_S1_S2=7.62mm,光電開關23觸發點之間距d_S2_S3=7.46mm。可得知本次測量市售電動釘槍最低速狀態下出口速度,第一段(光電開關1~2)為2.11m/s,第二段(光電開關2~3)約為1.32m/s。調整市售電動釘槍之作動速度為最高速,由示波器得到如圖6之間隔測量時間,可得知本次測量市售電動釘槍最高速狀態下出口速度,第一段約為6.93m/s,第二段約為7.61m/s

4. 光電開關實體裝置

5. 調整市售電動釘槍之作動速度為最低速狀態下所測量三組光電開關之間隔時間

6. 調整市售電動釘槍之作動速度為最高速狀態下所測量三組光電開關之間隔時間

4.     以單晶片作數據截取

驗證此量測方式可行性後,改以單晶片作數據截取如圖7,由單晶片量測3組光電開關訊號,並由小型LCD顯示器顯示第一段出口速度與第二段出口速度,也可透過RS232與電腦連接進行資料儲存。

7. 以單晶片作數據截取

8為單晶片量測程式說明,基本原理為當主程式執行時,開啟單晶片計時程式,此計時程式(Timer1)不受外界影響而持續不斷計時,當主程式裡偵測光電開關被觸發時,讀取計時程式當時的時間,一一紀錄三個光電開關被觸發的時間點(S1S2S3),得到兩段時間差(T1T2),便可計算撞針通過三個光電開關的初速度(V1)與末速度(V2)。此單晶片量測程式之時間最小解析度為1ms

8. 單晶片量測程式

5.     可重複性測試

2為電動釘槍撞針出口速度量測可重複性測試結果,分別調整市售電動釘槍之作動速度為最高速、中速與最低速三種狀態,各進行20次試驗與紀錄,由測試結果變異係數(標準差∕平均值)均小於0.04,顯示此量測方式所得數據十分穩定。

1. 可重複性測試

 

最高速

中速

最低速

次數

第一段

第二段

第一段

第二段

第一段

第二段

1

8.29

8.89

6.69

6.50

2.63

2.27

2

7.99

9.34

6.40

6.56

2.79

2.38

3

8.27

8.65

6.64

6.72

2.81

2.48

4

7.79

8.62

6.48

6.78

2.77

2.33

5

8.46

8.77

6.62

6.68

2.60

2.26

6

7.76

9.04

6.71

6.69

2.80

2.43

7

7.44

9.80

6.49

6.57

2.79

2.48

8

8.09

9.16

6.50

6.62

2.80

2.42

9

7.85

8.71

6.29

6.85

2.77

2.46

10

7.64

9.18

6.30

6.59

2.77

2.35

11

8.57

8.80

6.44

6.68

2.74

2.35

12

7.65

8.93

6.45

6.57

2.77

2.43

13

8.25

8.62

6.64

6.34

2.84

2.39

14

7.75

8.88

6.72

6.26

2.74

2.45

15

7.56

9.26

6.50

6.49

2.71

2.43

16

8.28

8.64

6.78

6.54

2.76

2.44

17

7.50

9.02

6.48

6.71

2.74

2.41

18

7.66

9.54

6.50

6.43

2.74

2.39

19

7.76

8.97

6.59

6.69

2.76

2.36

20

7.77

8.94

6.48

6.39

2.71

2.24

平均值(m/s)

7.92

8.99

6.54

6.58

2.75

2.39

標準差(m/s)

0.33

0.32

0.13

0.15

0.06

0.07

變異係數

0.04

0.04

0.02

0.02

0.02

0.03

參考資料

OMRONhttp://www.omron.com