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作者:劉子吉、洪永杰(2004-02-27);推薦:徐業良(2004-12-30)

電動釘槍擊發機構二次激磁參數最佳化

確立電動釘槍螺線管電感曲線L(x)之有限元素模擬,以及Matlab Simulink動態模擬程式的正確性後,我們將嘗試模擬二次激磁,求取在撞針最大出口速度時,第一次激磁時間t1、第二次激磁時間t2、與儲能彈簧之彈性係數k2此三項變數的最佳值,並對實務設計上的問題作討論,進一步提出修正設計方案。

1.         二次激磁出口速度模擬與求取最佳激磁時間

1所示為電動釘槍二次激磁出口速度模擬之主要參數,圖1為相對應之示意圖。注意此處設衝子中點初始位置在線圈中點右方14mm,撞針長度由原先81mm減為47mm,線圈中心至釘體距離仍然保持原先81mm,但在初始位置時撞針距釘體僅2mm

1. 相關設計參數

符號

代表意義

數值

x_initial

衝子中點初始位置

14mm

l_needle

撞針長度

47mm

x_coil_nail

線圈中心至釘體距離

81mm

t1_off

第一次激磁截止時間

15ms

t2_off

第二次激磁截止時間

30ms

k1

復位彈簧彈性係數

230N/m

1. 相關設計參數位置示意

(1)   第一次激磁時間t1、第二次激磁時間t2最佳值

將儲能彈簧彈性係數k2設為定值1000N/m,同時設定第一次激磁時間t1與第二次激磁時間t2的搜尋區間為0~5ms16.7~21.7ms,並在此設計範圍以0.5ms間隔變動t1t2的值。圖2、圖3、與圖4為在此兩設計變數範圍下v1v2v3的速度變化的等高線圖形,並且當第一次激磁時間t1=1ms、第二次激磁時間t2=16.7ms時,可得最佳撞針撞擊針體時速度v1=9.83m/s、撞針通過第二測速點(圖1中第二與第三組光電感測器交接點)速度v2=9.82m/s、與撞針通過第三測速點(圖1中第三與第四組光電感測器交接點)速度v3=9.80m/s,分別較一次激磁時提升61.94%61.78%、與61.45%

2. 撞針撞擊針體時速度v1等高線

3. 撞針通過第二與第三組光電感測器速度v2等高線

4. 撞針通過第三與第四組光電感測器速度v3等高線

(2)   儲能彈簧彈性係數k2最佳值

接下來嘗試改變儲能彈簧彈性係數以獲取更佳之出口速度。定義的區間為700N/m~1400N/m,並以10N/m為間隔,共搜尋了800組數據,如圖5所示。觀察圖5,當儲能彈簧彈性係數k2=1010N/m時,可得最佳撞針撞擊針體時速度v1=9.83m/s,與先前預設值k2=1000N/m十分接近。表3k2的靈敏度分析,儲能彈簧彈性係數值加減10%時,出口速度提升百分比也下降約10%

3. k2靈敏度分析表

k2(N/m)

v1(m/s)

出口速度提升

910

9.2666

52.7%

1010

9.8374

62.1%

1110

9.3072

53.3%

5. 出口速度與儲能彈簧彈性係數關係圖

2.         模擬結果討論

6為第一次激磁時間t1=1ms、第二次激磁時間t2=16.7ms、儲能彈簧彈性係數=1010N/m時,衝子中點位置與時間關係圖,圖7為撞針出口速度與時間關係圖。由圖6觀察可得,當衝子未受激磁時其中點初始位置位於線圈右端0.014m處,當第一次激磁時(t1=1ms),衝子開始向左移動同時壓縮儲能彈簧,當衝子壓縮儲能彈簧至其達到所能給予的彈簧最大壓縮量時,衝子中點位置位於線圈左端0.0364m處,t=18.1ms,彈簧將其自身儲存的位能轉換成動能釋放,二次激磁時間(t2=16.7ms)早於儲能彈簧達最大壓縮量時的時間約1.4ms,線圈第二次激磁提前產生磁力作用於衝子上,向右移動撞擊針體。期間衝子需由其中點初始位置向左移動0.0504m始能達到所能給予的彈簧最大壓縮量。觀察圖7,最高速約發生在t=0.26ms,此時衝子中線正好超越線圈中線,且二次激磁已結束,因此衝子速度因復位彈簧作用開始略略降低。圖8為對應圖63個主要衝子中點位置運動歷程圖。

6. 衝子中點位置與時間關係圖

7. 撞針出口速度與時間關係圖

 

8. 衝子中點位置運動歷程圖

9為模擬之電壓、電流、與磁力之綜合波形輸出,圖9(a)(b)(c)三個圖分別為t1=1mst1=0mst1=3.5ms時之綜合波形輸出。圖9(a)中可以看出,t1=1ms時第一次激磁末了時有一段與運動方向相反之磁力作用於衝子上,t1=0ms時第一次激磁末了時反向磁力作用時間更長,因此t1=0ms時雖然激磁時間較長,但撞針出口速度並未比t1=0ms時快。t1=3.5ms時第一次激磁末了時反向磁力完全不存在,故撞針出口速度有另一個高峰,但磁力較t1=1ms時小,撞針出口速度並非最高。

(a)   t1=1ms

(b)   t1=0ms

(c)    t1=3.5ms

9. 綜合波形輸出

此無任何限制條件下之理論最佳值實務設計上並不可行,從設計觀點探討圖8的設計,有以下幾項重要問題

(1)    原始電動釘槍中擋塊的厚度為9mm,當衝子中點初始位置x_initial=14mm時,鐵心部分會超出檔塊5mm(圖10)。檔塊的功能在導引撞針並在下死點阻擋衝子,但在此二次激磁設計中,如加長檔塊使在下死點(圖8下)能阻擋衝子,則再上死點(圖8中)時撞針已離開檔塊滑槽,失去導引撞針功能。

10. 擋塊設計問題

(2)    如圖11,原始電動釘槍中黑色套筒的長度為25mm,當撞針撞擊木板時套筒因長度不夠導致埋入線圈中8.5mm,黑色套筒功能在頂住儲能及復位彈簧,欲維持此二功能,黑色套筒必須增長約13mm復位彈簧固實長度約為4.5mm

11. 黑色套筒設計問題

(3)    如圖12,在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為163.5mm,若加上前述黑色套筒增長長度、上死點時儲能彈簧固實長度(估計至少為10mm)、復位彈簧固實長度與線圈端緣厚度,總長度估計約186.5mm,原有一次激磁設計釘槍,在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為160.5mm,長度增加約26.5mm(16.2%)。欲縮減長度可從改變下死點時衝子位置著手。

12. 總長度問題

針對此三個問題,以下提出三個修改設計方案。

3.         修改設計方案一

取消檔塊設計,在線圈內側塑膠環與衝子之間設計滑槽,取代檔塊導引撞針的功能。衝子在下死點時不可完全脫離線圈,否則線圈內側塑膠環與衝子之間的滑槽將無法導引衝子,因此下死點行程勢必要縮短至36mm以內,與縮短總長度的目標相符。為縮減整體長度,我們將衝子中點初始位置(x_initial)修改為10mm,同時配合將撞針長度(l_needle)增長為53mm

經模擬分析,此設計參數下當第一次激磁時間t1=2.5ms、第二次激磁時間t2=16.7ms時,可得最佳撞針撞擊針體時速度v1=9.2m/s、撞針通過第二測速點速度v2=9.193m/s、與撞針通過第三測速點速度v3=9.173m/s,分別較一次激磁時提升51.57%41.65%42%。圖13為衝子中點位置與時間關係圖,圖14為撞針出口速度與時間關係圖,圖15綜合波形輸出。由圖13觀察可得,當衝子未受激磁時其中點初始位置位於線圈右端0.01m處,當第一次激磁時(t1=2.5ms),衝子開始向左移動同時壓縮儲能彈簧,當衝子壓縮儲能彈簧至其達到所能給予的彈簧最大壓縮量時,衝子中點位置位於線圈左端0.0327m處,與一次激磁衝子初始位置相若。t=19ms時,彈簧將其自身儲存的位能轉換成動能釋放,二次激磁時間(t2=16.7ms)早於儲能彈簧達最大壓縮量時的時間約2.3ms,第二次激磁作用過程與原有一次激磁設計之機磁時間、初始位置幾乎完全相同,但因儲能彈簧幫助使撞針出口速度較原有一次激磁設計大幅提升。比較圖15與圖9(a)可以看出將衝子中點初始位置(x_initial)縮短,一次激磁時線圈施加衝子磁力下降。

13. 衝子中點位置與時間關係圖

14. 撞針出口速度與時間關係圖

15. 綜合波形輸出

16為對應圖133個主要衝子中點位置運動歷程圖。其中黑色套筒長度由原來25mm增長至32mm在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為167.2mm,含儲能彈簧固實長度共約177.2mm,原有一次激磁設計釘槍,在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為160.5mm,長度增加約16.7mm(10.4%)

16. 衝子中點位置運動歷程圖

4.         修改設計方案二

為進一步縮減整體長度,修改設計方案二衝子中點初始位置(x_initial)縮減為6mm,同時配合將撞針長度(l_needle)增長為57mm

經模擬分析,此設計參數下當第一次激磁時間t1=2.5ms、第二次激磁時間t2=17.1ms時,可得最佳撞針撞擊針體時速度v1=8.156m/s、撞針通過第二測速點速度v2=8.109m/s、與撞針通過第三測速點速度v3=8.087m/s,分別較一次激磁時提升34.4%24.9%25.2%。圖17為衝子中點位置與時間關係圖,圖18為撞針出口速度與時間關係圖,圖19綜合波形輸出。由圖17觀察可得,當衝子未受激磁時其中點初始位置位於線圈右端0.006m處,當第一次激磁時(t1=2.5ms),衝子開始向左移動同時壓縮儲能彈簧,當衝子壓縮儲能彈簧致其達到所能給予的彈簧最大壓縮量時,衝子中點位置位於線圈左端0.0275m處,t=20.4ms時,彈簧將其自身儲存的位能轉換成動能釋放,二次激磁時間(t2=17.1ms)早於儲能彈簧達最大壓縮量時的時間約3.3ms,線圈第二次激磁提前產生磁力作用於衝子上,向右移動撞擊針體。

17. 衝子中點位置與時間關係圖

18. 撞針出口速度與時間關係圖

19. 綜合波形輸出

20為對應圖173個主要衝子中點位置運動歷程圖。其中黑色套筒長度由原來25mm增長至28mm,此設計方案中擋塊不必取消,長度由原來9mm增長至23.5mm在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為158mm,含儲能彈簧固實長度共約168mm,同時撞針前端面凸出擋塊6mm,原有一次激磁設計釘槍,在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為160.5mm,長度增加約7.5mm(4.7%)

20. 衝子中點位置運動歷程圖

5.         修改設計方案三

此設計方案為工研院所提出之修改設計。此設計有以下重點:

(1)       取消檔塊設計,在線圈內側塑膠環與衝子之間設計滑槽,取代檔塊導引撞針的功能。

(2)       撞針於未使用狀態時須突出針體位置2mm,待使用時將撞針抵住木板後撞針縮回與針體位置切齊,同時啟動擊發裝置。一次激磁時,衝子向左移動同時針體向上移動至待撞擊位置,同時利用一阻擋機構限制撞針活動範圍,如圖21

(3)       取消復位彈簧裝置,利用儲能彈簧給予黑色套筒預力提供復位功能。

21. 修改設計方案三

我們用以下兩組參數來模擬此一設計概念:

(1)   衝子中點初始位置(x_initial)14mm,撞針長度(l_needle)51mm

當衝子中點初始位置(x_initial)14mm,同時配合撞針長度(l_needle)51mm時、儲能彈簧預力5N,經模擬分析,此設計參數下當第一次激磁時間t1=0ms、第二次激磁時間t2=16.7ms時、儲能彈簧彈性係數=1030N/m,可得最佳撞針撞擊針體時速度v1=9.486m/s、撞針通過第二測速點速度v2=9.471m/s、與撞針通過第三測速點速度v3=9.471m/s,分別較一次激磁時提升56.3%45.9%46.6%。圖22為衝子中點位置與時間關係圖,圖23為撞針出口速度與時間關係圖,圖24綜合波形輸出。由圖13觀察可得,當衝子未受激磁時其中點初始位置位於線圈右端0.014m處,當第一次激磁時(t1=0ms),衝子開始向左移動同時壓縮儲能彈簧,當衝子壓縮儲能彈簧致其達到所能給予的彈簧最大壓縮量時,衝子中點位置位於線圈左端0.0352m處,t=18.5ms時,彈簧將其自身儲存的位能轉換成動能釋放,二次激磁時間(t2=16.7ms)早於儲能彈簧達最大壓縮量時的時間,線圈第二次激磁提前產生磁力作用於衝子上,向右移動撞擊針體。

22. 衝子中點位置與時間關係圖

23. 撞針出口速度與時間關係圖

24. 綜合波形輸出

25為衝子中點位置運動歷程圖。其中黑色套筒長度由原來25mm增長至34mm在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為171.3mm,含儲能彈簧固實長度共約181.3mm,原有一次激磁設計釘槍,在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為160.5mm,長度增加約21.3mm(13%)

25. 衝子中點位置運動歷程圖

(2)衝子中點初始位置(x_initial)10mm,撞針長度(l_needle)55mm

當衝子中點初始位置(x_initial)10mm,同時配合撞針長度(l_needle)55mm、儲能彈簧預力5N時,經模擬分析,此設計參數下當第一次激磁時間t1=2.5ms、第二次激磁時間t2=16.7ms時、儲能彈簧彈性係數=1040N/m,可得最佳撞針撞擊針體時速度v1=9.236m/s、撞針通過第二測速點速度v2=9.201m/s、與撞針通過第三測速點速度v3=9.186m/s,分別較一次激磁時提升52.2%41.8%42.2%。圖26為衝子中點位置與時間關係圖,圖27為撞針出口速度與時間關係圖,圖28綜合波形輸出。由圖26觀察可得,當衝子未受激磁時其中點初始位置位於線圈右端0.01m處,當第一次激磁時(t1=2.5ms),衝子開始向左移動同時壓縮儲能彈簧,當衝子壓縮儲能彈簧致其達到所能給予的彈簧最大壓縮量時,衝子中點位置位於線圈左端0.0321m處,t=19.2ms時,彈簧將其自身儲存的位能轉換成動能釋放,二次激磁時間(t2=16.7ms)早於儲能彈簧達最大壓縮量時的時間約2.5ms,線圈第二次激磁提前產生磁力作用於衝子上,向右移動撞擊針體。

26. 衝子中點位置與時間關係圖

27. 撞針出口速度與時間關係圖

28. 綜合波形輸出

29為衝子中點位置運動歷程圖。其中黑色套筒長度由原來25mm增長至30mm在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為164.2mm,含儲能彈簧固實長度共約174.2mm,原有一次激磁設計釘槍,在上死點時黑色套筒尾端到釘體總長為160.5mm,長度增加約13.7mm(8.5%)

29. 衝子中點位置運動歷程圖

6.         修改設計方案總結

在完整模擬分析了三種修改設計方案之後,我們將就相關參數最佳值、出口速度提升情形與元件尺寸修改幅度作一總結,內容如表3與表4所示。

4.各設計方案最佳值參數一覽表

 

(ms)

(ms)

(N/m)

出口速度提升

設計方案一

2.5

16.7

1010

51.57%

設計方案二

2.5

17.1

730

34.3%

設計方案三(1)

0

16.7

1030

56.3%

設計方案三(2)

2.5

16.7

1040

52.2%

5. 各設計方案相關尺寸修改一覽表

 

黑色套筒尺寸(mm)

槍體總長度(mm)

修改重點

設計方案一

32

177.2

1.      取消擋塊設計,在線圈與衝子間設滑槽

2.      黑色套筒增長7mm

3.      以黑色套筒與復位彈簧在下死點阻擋

設計方案二

28

168

1.擋塊尺寸增長14.5mm

2.黑色套筒增長3mm

設計方案三(1)

34

181.3

1.      取消擋塊設計,在線圈與衝子間設滑槽

2.      取消復位彈簧設計

3.      修改撞針形狀,並在下死點增設阻擋機制

4.      撞針初始位置突出針體2mm

5.      黑色套筒增長9mm

設計方案三(2)

30

174.2

1.      取消擋塊設計,在線圈與衝子間設滑槽

2.      取消復位彈簧設計

3.      修改撞針形狀,並在下死點增設阻擋機制

4.      撞針初始位置突出針體2mm

5.      黑色套筒增長5mm