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作者:蔡宗成、余家杰(2004-03-07);推薦:徐業良(2004-12-30)

電動釘槍測試機台設計與測試

接續「電動釘槍撞針出口速度之量測」一文,本文敘述電動打釘槍測試機台之設計與測試。本機台採用三個光電開關做電動打釘槍撞針出口速度量測,鐵心初始位置、出口位置、激磁時間等參數均可調整設定,可做電動打釘槍一次激磁與二次激磁兩種方式之撞針出口速度量測。本文首先簡單介紹機台之設計,接著說明操作步驟及測試結果。

1.     電動打釘槍測試機台設計

1(a)為電動打釘槍測試機台設計模型,圖1(b)為測試機台實體圖。整個機台以鋁合金與塑膠為基本材質,各功能裝置如螺線圈固定座、撞針導軌、光電開關等位置以牙條與鋼管調整彼此相對距離,以手動方式與線性電阻尺作位置回饋,底座為一塊鋼板,以保持整個機台的穩定,以鋁擠型作為結合基座,控制盒用以整合相關電路,包括速度偵測、電位計位置量測與電源供應等,並以LCD顯示器直接顯示相關測量數據,表1為本機台相關重要尺寸。

1. 電動打釘槍測試機台相關重要尺寸

項目說明

測量數值

單位

壓縮彈簧固定板厚度

3.0

mm

螺線圈固定裝置厚度

50.0

mm

撞針導軌固定裝置厚度

20.0

mm

光電開關固定裝置厚度

50.0

mm

1(a). 電動釘槍測試機台佈置圖

1(b). 電動釘槍測試機台實體圖

2.     一次激磁操作方法與測試

2.1 一次激磁操作方法

步驟1-調整螺線圈、復位彈簧與撞針鐵心

如圖2(a),將鐵心、撞針與復位彈簧裝置於螺線圈內,螺線圈靠齊螺線圈固定裝置右端面,在螺線圈右端貼上橡皮墊以模擬真實情況。如圖2(b),轉動牙條_1,調整螺線圈固定裝置與右固定板之間距離,當撞針裝上復位彈簧後,撞針後端會緊貼右固定板,以模擬真實打釘槍之配置。表2為此步驟實驗環境參數說明。

2(a). 裝設螺線圈、復位彈簧與撞針鐵心

2(b). 調整螺線圈固定裝置位置

2. 步驟1之實驗環境參數說明

項目說明

測量數值

單位

螺線圈中心位置距右固定板左端

79.0

mm

螺線圈中心位置距螺線圈固定裝置右端

20.5

mm

螺線圈固定裝置右端距右固定板左端

59.0

mm

螺線圈固定裝置右端距右固定板左端所能調整之最小距離

13.0

mm

螺線圈固定裝置右端距右固定板左端所能調整之最大距離

120.0

mm

螺線圈右端橡皮墊厚度

4.0

mm

步驟2-調整撞針導軌裝置

如圖3(a),因為光電開關固定裝置與撞針導軌裝置是以牙條_2來調整彼此間距離,並不會影響其他裝置的位置,同步移動撞針導軌裝置與光電開關固定裝置,使撞針導軌裝置緊貼螺線圈固定裝置,此時鐵心撞針的行程符合真實打釘槍裝置。如圖3(b),如要調整撞針導軌裝置與螺線圈固定裝置之距離,必須固定光電開關固定位置於鋁擠型上,轉動牙條_2以調整距離。表3為此步驟實驗環境參數說明。

3(a). 將撞針導軌裝置貼齊螺線圈固定裝置

3(b). 固定光電開關裝置,調整撞針導軌位置

3. 步驟2之之實驗環境變數說明

項目說明

測量數值

單位

撞針左端距螺線圈固定裝置右端

88.0

mm

撞針鐵心移動行程

42.0

mm

步驟3-調整光電開關位置

如圖4,固定撞針導軌裝置於鋁擠型上,轉動牙條_2,移動光電開關固定裝置,使光電開關固定裝置上的第一個光電開關感應點貼齊撞針左端,當要測量撞針速度隨位置曲線時,固定撞針導軌裝置,轉動牙條_2,改變光電開關固定裝置右端與撞針左端之間距離。表4為此步驟實驗環境參數說明。

4. 調整光電開關固定位置

4. 步驟3之實驗環境參數說明。

項目說明

測量數值

單位

光電開關固定裝置之第一個光電開關感應點貼齊撞針左端,固定光電開關裝置右端距撞針導軌裝置左端

8.7

mm

1.2 一次激磁撞針出口速度量測

使用現有打釘槍一次激磁電路進行速度測試,改變光電開關固定裝置右端與撞針左端距離,每往左增加2mm距離進行20次測試,分別調整一次激磁電路之最快與最慢觸發時間,測試結果如表5,當距離為24.7mm時,最慢觸發時間條件下,撞針無法到達第三個光電開關。表6為本測試實驗環境設定說明。

5(a). 最快觸發時間

距離

10.7mm

12.7mm

14.7mm

16.7mm

18.7mm

20.7mm

22.7mm

24.7mm

備註

速度(m/s)

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

距離量測誤差0.2mm

1

4.2

6.8

5.0

6.9

5.5

7.1

6.0

7.3

6.3

7.7

6.8

7.3

7.1

7.4

7.0

7.2

2

4.1

6.6

5.0

7.1

5.4

7.0

6.1

7.0

6.5

7.5

6.7

7.7

7.1

7.1

7.3

7.1

3

4.2

6.8

5.1

7.0

5.6

7.2

6.0

7.4

6.4

7.4

7.1

7.1

7.0

7.4

7.2

7.3

4

4.2

6.8

4.9

6.9

5.2

7.5

6.3

7.3

7.0

7.3

7.0

7.2

6.9

7.5

7.4

7.4

5

4.2

6.5

4.5

7.3

5.4

7.3

5.9

7.7

6.4

7.7

7.0

7.3

7.2

7.5

7.0

7.4

6

3.8

6.7

4.6

6.9

5.7

7.0

6.4

7.3

6.8

7.5

6.8

7.2

7.0

7.2

7.4

7.2

7

3.9

6.6

4.8

7.0

5.3

6.8

6.5

7.4

6.5

7.3

7.1

7.2

7.0

7.5

6.9

7.4

8

3.9

6.6

4.8

6.8

5.2

7.0

6.3

7.6

6.8

7.6

6.8

7.2

7.0

7.0

7.2

7.8

9

4.1

6.6

4.7

6.9

5.4

6.9

6.5

7.4

6.7

7.5

6.9

7.6

7.2

7.1

6.9

7.0

10

4.1

6.9

4.8

7.0

5.2

6.9

6.3

7.3

6.0

7.7

6.8

7.5

7.1

7.2

7.0

7.1

11

3.8

6.5

4.8

6.8

5.5

6.8

6.4

7.2

6.6

7.3

6.8

7.5

6.9

7.9

7.3

7.1

12

3.9

6.5

4.7

7.0

5.3

7.2

6.4

7.8

6.6

7.8

6.8

7.6

7.1

7.6

7.0

7.3

13

4.0

6.7

4.7

6.7

5.4

7.1

6.3

7.2

6.6

7.9

6.5

7.6

6.8

7.7

6.8

7.2

14

3.8

6.6

4.6

6.8

5.4

7.4

6.1

7.4

6.6

7.0

7.0

7.5

7.2

7.6

7.6

7.4

15

3.9

6.3

4.9

6.9

5.6

6.6

6.3

7.5

6.4

7.3

7.2

7.5

6.9

7.3

7.4

7.6

16

4.4

6.7

4.6

7.1

5.4

7.1

6.5

7.2

6.5

7.8

6.9

7.3

6.8

7.7

7.0

7.7

17

4.0

6.9

4.8

6.6

5.3

7.1

6.1

7.7

6.5

7.2

6.6

7.9

7.2

7.3

7.2

7.6

18

4.0

6.8

4.7

7.4

5.3

7.2

6.1

7.4

6.9

7.6

6.8

7.6

7.3

7.3

7.3

7.1

19

4.2

6.5

4.8

6.6

5.0

7.1

6.2

7.7

6.6

7.2

7.1

7.2

7.1

7.9

7.3

7.1

20

4.3

6.5

4.7

7.0

5.2

7.1

6.3

7.8

6.3

7.9

7.6

7.4

6.9

7.5

7.0

7.1

平均值

4.05

6.65

4.78

6.94

5.37

7.07

6.25

7.43

6.55

7.51

6.92

7.42

7.04

7.44

7.16

7.31

標準差

0.176

0.157

0.152

0.201

0.166

0.211

0.179

0.223

0.228

0.255

0.239

0.211

0.143

0.255

0.214

0.228

變異數

0.044

0.024

0.032

0.029

0.031

0.030

0.029

0.030

0.035

0.034

0.035

0.029

0.020

0.034

0.030

0.031

5(b). 最慢觸發時間

距離

10.7mm

12.7mm

14.7mm

16.7mm

18.7mm

20.7mm

22.7mm

24.7mm

備註

速度(m/s)

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

V1

V2

距離量測誤差0.2mm

1

2.0

2.0

2.0

1.9

1.9

1.8

1.9

1.6

1.7

1.5

1.6

1.4

1.6

1.2

 

 

2

2.1

2.0

2.1

2.0

2.1

1.9

1.9

1.6

1.7

1.5

1.7

1.4

1.6

1.3

 

 

3

2.1

2.0

2.1

2.0

2.0

1.9

1.8

1.6

1.7

1.4

1.9

1.6

1.6

1.3

 

 

4

2.0

2.0

2.0

1.9

2.0

1.9

1.9

1.6

2.0

1.9

1.6

1.4

1.6

1.2

 

 

5

2.0

2.0

2.0

1.9

1.9

1.8

1.9

1.7

1.7

1.5

1.7

1.4

1.6

1.3

 

 

6

2.1

2.2

2.0

1.9

2.0

1.7

2.0

1.9

1.7

1.5

1.7

1.4

1.6

1.2

 

 

7

2.2

2.2

2.0

1.9

2.0

1.8

1.9

1.7

1.7

1.5

1.7

1.4

1.6

1.3

 

 

8

2.2

2.2

2.0

2.0

2.0

1.9

1.9

1.6

1.7

1.5

1.7

1.4

1.6

1.3

 

 

9

2.1

2.1

2.0

1.9

2.0

1.9

1.8

1.7

1.7

1.5

1.7

1.4

1.6

1.3

 

 

10

2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

1.8

2.0

1.8

1.7

1.5

1.7

1.4

1.6

1.3

 

 

11

2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

1.8

1.8

1.7

1.7

1.5

1.7

1.4

1.5

1.2

 

 

12

2.1

2.1

2.0

2.0

2.0

1.8

1.8

1.6

1.7

1.5

1.7

1.4

1.5

1.2

 

 

13

2.1

2.1

2.0

1.9

2.1

1.9

1.9

1.6

1.7

1.5

1.7

1.4

1.6

1.3

 

 

14

2.1

2.2

2.0

2.0

2.1

1.9

2.0

1.9

1.7

1.4

1.7

1.4

1.5

1.1

 

 

15

2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

1.8

1.9

1.7

1.8

1.5

1.7

1.4

1.5

1.2

 

 

16

2.2

2.3

2.0

2.0

2.0

1.9

1.9

1.7

1.7

1.5

1.7

1.4

1.5

1.2

 

 

17

2.1

2.0

2.0

2.0

2.0

1.9

1.9

1.6

1.7

1.5

1.7

1.4

1.5

1.2

 

 

18

2.0

2.0

1.9

1.9

2.0

1.8

1.8

1.7

1.7

1.4

1.7

1.5

1.6

1.2

 

 

19

2.2

2.2

2.0

2.0

1.9

1.8

1.9

1.7

1.7

1.5

1.7

1.4

1.6

1.3

 

 

20

2.0

2.0

2.0

2.0

2.1

2.0

1.9

1.7

1.7

1.5

1.7

1.4

1.5

1.2

 

 

平均值

2.08

2.08

2.01

1.96

2.01

1.85

1.89

1.69

1.72

1.51

1.7

1.42

1.57

1.24

 

 

標準差

0.077

0.101

0.039

0.050

0.060

0.069

0.064

0.093

0.070

0.100

0.056

0.049

0.049

0.060

 

 

變異數

0.037

0.048

0.020

0.026

0.030

0.037

0.034

0.055

0.040

0.066

0.033

0.035

0.031

0.048

 

 

6. 一次激磁測試實驗環境設定說明

項目說明

測量數值

單位

裝置於真實電動打釘槍內螺線圈電感值,不裝設鐵心、撞針與彈簧

3.13

mH

裝置於電動打釘槍測試機台之固定裝置螺線圈電感值,不裝設鐵心、撞針與彈簧

3.07

mH

第一個光電開關距光電開關固定裝置右端

1.5

mm

第一個光電開關感應點與第二個光電開關感應點

7.1

mm

第二個光電開關感應點與第三個光電開關感應點

7.3

mm

2004/02/2908:57a.m.3423實驗室交流電壓

109.5

V

2004/02/2909:25a.m.3423實驗室交流電壓

112.3

V

2004/02/2909:34a.m.3423實驗室交流電壓

111.5

V

2004/02/2909:45a.m.3423實驗室交流電壓

111.1

V

2004/02/2909:57a.m.3423實驗室交流電壓

111.2

V

2004/02/2910:07a.m.3423實驗室交流電壓

110.5

V

2004/02/2910:23a.m.3423實驗室交流電壓

110.4

V

2004/02/2910:31a.m.3423實驗室交流電壓

110.7

V

2004/02/2910:38a.m.3423實驗室交流電壓

110.4

V

由上述實驗結果顯示,本測試機台穩定性佳,變異數小,所量測的出口速度與真實打釘槍的誤差原因包括螺線圈電感值、實驗環境交流電壓、光電開關間距等因素。

3.     二次激磁操作方法與測試

3.1 二次激磁操作方法

步驟1-裝設壓縮儲能彈簧

如圖5,使用壓縮儲能彈簧固定板固定壓縮儲能彈簧,並使鐵心撞針、復位彈簧與壓縮儲能彈簧位於同一中心線。

5. 裝設壓縮儲能彈簧

步驟2-調整鐵心撞針位置

如圖6,轉動牙條_1,移動螺線圈固定裝置,使得鐵心撞針的中心線位於螺線圈中心線的左端,使得螺線圈第一次激磁時,鐵心撞針會因吸力而往右移動。但必須注意,鐵心撞針的中心線與螺線圈中心線之間距由復位彈簧與壓縮儲能彈簧的平衡位置所決定。

6. 調整鐵心撞針初始位置

步驟3-調整撞針導軌裝置

參照1.2小節,先將撞針導軌裝置對齊螺線圈固定裝置後,讀取第二組電位計位置,然後固定光電開關固定裝置,轉動牙條_2,第二組電位計位置數值會減少,其差值便是撞針導軌裝置右端距離螺線圈固定裝置左端之距離,可以此步驟來調整撞針激磁後行進靜止點。

步驟4-調整光電開關固定裝置

2.2小節得知撞針導軌裝置相對於螺線圈固定裝置距離後,參照1.3小節,藉由轉動牙條_2,調整光電開關固定裝置與撞針導軌裝置之間距離,經過計算,即可獲得光電開關固定裝置相對於螺線圈固定裝置之間距離,即可得到撞針出口速度對位置之速度曲線,得到一個最佳的出口速度。

步驟5-調整二次激磁觸發時間

調整第一次激磁通電時間與第二次激磁通電時間後,便可進行出口速度量測實驗。圖7

3.2 二次激磁撞針出口速度量測

為驗證本機台二次激磁性能,Simulink模擬程式設定如表7,進行三次模擬驗證,結果顯示本機台性能穩定,且證實二次激磁確實可提升撞針出口速度,與模擬結果有誤差分析原因如下:

(1)   ITRI所提供之儲能彈簧在經歷多次衝擊後產生變形,造成後續量測上產生相當程度之誤差。

(2)   黑色套筒於實驗時因儲能彈簧與初始位置之因素,有時會撞擊夾持儲能彈簧之擋板造成出口速度量測的誤差。

(3)   儲能彈簧因夾持方式,容易於多次衝擊後產生側潰(buckling)

(4)   機械摩擦。

(5)   實際量測時,電流出發時間與激磁時間有電路延遲的現象產生,但於模擬中無此現象發生。

7(a). 模擬設定變數與測試結果

尺寸參數

x_initial

l_needle

x_nail_coil

黑色套筒長度

彈簧與下壓預力

數值

10mm

81mm

94.6mm

50mm

0N

設定值

t1(ms)

t2(ms)

k1(N/m)

k2(N/m)

 

 

0

16.7

0

1150

 

 

測試結果

模擬

二次激磁實驗

誤差

一次激磁實驗

二次激磁與一次激磁實驗比較

V1(m/s)

7.408

6.22

19.0%

6.55

-4.98%

V2(m/s)

7.218

6.42

12.4%

7.51

-14.50%

7(b). 模擬設定變數與測試結果

尺寸參數

x_initial

l_needle

x_nail_coil

黑色套筒長度

彈簧與下壓預力

數值

12mm

81mm

96.6mm

50mm

0N

設定值

t1(ms)

t2(ms)

k1(N/m)

k2(N/m)

 

 

1.5

16.7

0

1150

 

 

測試結果

模擬

二次激磁實驗

誤差

一次激磁實驗

二次激磁與一次激磁實驗比較

V1(m/s)

9.53

7.976

20%

6.55

22%

V2(m/s)

9.28

7.928

17.10%

7.51

5.60%

7(c). 模擬設定變數與測試結果

尺寸參數

x_initial

l_needle

x_nail_coil

黑色套筒長度

彈簧與下壓預力

數值

14mm

81mm

98.6mm

50mm

0N

設定值

t1(ms)

t2(ms)

k1(N/m)

k2(N/m)

 

 

0

16.7

0

1150

 

 

測試結果

模擬

二次激磁實驗

誤差

一次激磁實驗

二次激磁與一次激磁實驗比較

V1(m/s)

9.55

8.568

12%

6.55

30.80%

V2(m/s)

9.05

8.234

9.90%

7.51

9.64%