การออกแบบโครงสร้างเครื่องจักร การเคลื่อนที่และกลไกที่เกี่ยวข้อง
สารบัญ
ในการออกแบบเครื่องจักรแต่ละเครื่องนั้น ก็จะต้องมีโครงสร้างที่เคลื่อนที่ได้เป็นส่วนประกอบอยู่ด้วยใช่มั้ยครับ ไม่ว่าจะเป็นเพื่อการเคลื่อนย้ายชิ้นงาน เคลื่อนย้ายตำแหน่งอุปกรณ์ต่างๆ หรือแม้แต่การเปิด-ปิด ทางเข้าออกของเครื่องจักร
ซึ่งมักจะแบ่งโครงสร้างหลักๆเป็นสองส่วนหลักๆดังนี้นะครับ
1. ส่วนขับเคลื่อน (Driving unit)
2. ส่วนประคองหรือกำหนดตำแหน่ง (Support unit)
โครงสร้างเครื่องจักรและการเคลื่อนที่
1. ส่วนขับเคลื่อน (Driving unit)
ในส่วนนี้จะเป็นส่วนที่ใช้ในการกำหนดแรง และระยะในการเคลื่อนที่โดยใช้ Actuator โดยActuator คืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ในการเปลี่ยนพลังงานรูปแบบนึง เป็นการเคลื่อนที่ เช่น
1.1) กระบอกสูบ (Cylinder) ใช้ลม หรือ น้ำมันในการยืด-หดก้านสูบ
1.2) มอเตอร์ไฟฟ้า (Electrical motor) ใช้พลังงานไฟฟ้าในการหมุนแกนเพลาของมอเตอร์
2. ส่วนประคองหรือกำหนดตำแหน่ง (Support unit)
อุปกรณ์นี้จะทำหน้าที่ รับน้ำหนัก ลดแรงเสียดทาน หรือประคองตำแหน่งการเคลื่อนที่ของชิ้นงาน โดยอาจเป็นแบบประคองแนวเส้นตรง หรือการหมุนก็ได้
ทำไมถึงควรใช้ Actuator และ Support unit ควบคู่กัน
ในส่วนนี้นักออกแบบมือใหม่มักจะไม่ค่อยคำนึงถึงกันมากนัก แต่เป็นส่วนที่สำคัญมากๆในโครงสร้างเครื่องจักรที่มีการเคลื่อนที่ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว Actuator แต่ละประเภทจะออกแบบมาเพื่อรองรับแรงในแกนเดียวเท่านั้น ทำให้เมื่อได้รับแรงจากแนวแกนอื่นมารบกวนแล้ว ก็อาจส่งผลให้ทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ และส่งผลถึงอายุการใช้งานที่ลดลงด้วยเช่นกัน
ในปัจจุบันมีสินค้าหลายรุ่น จากหลายแบรนด์ที่รวบรวม Actuator และ Support unit ไว้ด้วยกัน ซึ่งทำให้มีความสะดวก และประหยัดพื้นที่มากขึ้น แต่ก็อาจจะแลกมาด้วยข้อจำกัดในการออกแบบ หรือความยุ่งยากในการซ่อมแซม
แล้วเราควรจะเลือก Actuator และ Support unit ขนาดไหนดีล่ะ
มีปัจจัยหลายอย่างที่ต้องคำนึงถึงไม่ว่าจะเป็น พลังงานที่ใช้ ขนาดของโครงสร้างเครื่องจักร รวมไปถึงราคาของอุปกรณ์และชิ้นส่วนต่างๆ แต่สิ่งสำคัญเป็นอันดับแรกคือ จะทำอย่างไรให้ชิ้นส่วนนี้ทำงานได้ผลลัพท์ตามที่ต้องการมากที่สุด
อันดับแรกเราต้องพิจารณาเราต้องดูก่อนว่า การที่จะเคลื่อนที่วัตถุชิ้นหนึ่งได้นั้น เราต้องออกแรงใส่วัตถุให้มากกว่าแรงต้าน แรงต้านก็คือแรงอะไรก็ตามที่จะทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้ยากขึ้น เช่น น้ำหนัก แรงโน้มถ่วง แรงเสียดทานระหว่างชิ้นส่วน เป็นต้น
นอกจากนี้ เรายังต้องคำนวณความแข็งแรงของโครงสร้างเครื่องจักร ให้เพียงพอที่จะรับน้ำหนักของวัตถุ หากเลือกความแข็งแรงไม่เพียงพอ ก็อาจทำให้โครงสร้างเสียรูป บิดงอ ซึ่งจะส่งผลให้เกิดแรงเสียดทานมากขึ้น หรือในกรณีแย่ที่สุดก็อาจทำให้ โครงสร้างเสียหายหรือใช้การไม่ได้ไปเลย
โครงสร้างตามภาพด้านบนนี้จะแสดงตัวอย่างของ กลไกการเคลื่อนที่แนวเส้นตรงแบบที่นิยมกันทั่วไป โดยอธิบายหลักการทำงานง่ายๆดังนี้
- วัตถุจะถูกยึดหรือวางอยู่บนลิเนียร์ไกด์ เพื่อรับนำหนักของวัตถุ ควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ และลดแรงเสียดทานจากการเคลื่อนที่
- ลิเนียร์ไกด์จะถูกยึดเข้ากับนัทบอลสกรู โดยนัทบอลสกรูจะทำหน้าที่ผลัก หรือดึงบล๊อคของลิเนียร์ไกด์ให้เคลื่อนที่เมื่อแกนของบอลสกรูมีการหมุน โดยมีตัวประคองเพลา (Shaft Holder) คอยประคองการหมุนของเพลา
- เชื่อมต่อแกนเพลาของบอลสกรู กับแกนเพลาของมอเตอร์เข้าด้วยกันด้วยคับปลิ้ง เพื่อส่งกำลังการหมุนของมอเตอร์มาที่เพลาของบอลสกรู
แล้วตอนเคลื่อนที่มีแรงอะไรมาเกี่ยวข้องบ้างล่ะ
จากภาพ จะเห็นได้ว่า มีแรงมากมายเกิดขึ้นในโครงสร้างนึงนะครับ ไม่ว่าจะเป็นแรงเฉื่อย น้ำหนัก อัตราเร่ง แรงเสียดทาง แรงบิดและ แรงต่างๆอีกมากมาย โดยแต่ละแรงนั้น มักจะมีทิศทางที่แตกต่างกัน จึงควรเลือกอุปกรณ์มารองรอบแรงต่างๆอย่างเหมาะสม เช่น ใช้ลิเนียร์ไกด์มารับน้ำหนักชิ้นงานและลดแรงเสียดทานในการเคลื่อนที่แนวเส้นตรง หรือใช้ตลับลูกปืนมารับน้ำหนักเพลา และลดแรงเสียดทานของการหมุน เป็นต้น
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
อย่างที่เพื่อนๆ ทราบกันนะครับว่า การเคลื่อนที่แบบต่างๆนั้น ล้วนอยู่ภายใต้กฏการเคลื่อนที่ของนิวตันทั้งนั้น ไม่ต้องหันไปเปิดหาตำรากันนะครับ เพราะเราได้รวมกฏทั้ง 3 ข้อไว้ให้ด้านล่างนี้ เรียบร้อยแล้วครับ
| กฎการเคลื่อนที่ | ชื่อกฎ | รายละเอียด |
|---|---|---|
| กฎข้อที่ 1 | กฎของความเฉื่อย | สภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุจะไม่เปลี่ยนแปลงตราบใดที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำ 【ตัวอย่าง】 1. สภาพการเคลื่อนที่ของดาวเทียมในห้วงอวกาศ 2. ขณะอยู่ในรถไฟ เมื่อขบวนรถเปลี่ยนความเร่งจะทำให้ร่างกายจะส่ายไปมา |
| กฎข้อที่ 2 | กฎของความเร่ง | เมื่อมีแรงภายนอกกระทำที่วัตถุจะเกิดความเร่ง ขนาดของอัตราเร่งจะแปรผันตามแรงภายนอกและมีทิศทางเดียวกับทิศทางที่แรงกระทำ 【ตัวอย่าง】 เมื่อเพิ่มรอบหมุนเครื่องยนต์จะทำให้ความเร่งเพิ่มขึ้น ขนาดของความเร่งที่เพิ่มขึ้นนั้นจะแปรผกผันกับน้ำหนักของรถยนต์ |
| กฎข้อที่ 3 | แรงกริยา และแรงปฏิกริยา | เมื่อเกิดแรงกระทำระหว่างวัตถุ 2 ชิ้น จะเกิดแรงกระทำที่มีขนาดเท่ากับแรงดังกล่าวแต่มีทิศทางตรงข้ามกัน กล่าวคือ เมื่อมีแรงกระทำในทิศทางหนึ่ง ก็จะเกิดแรงถูกกระทำในทิศทางตรงข้ามขึ้นนั่นเอง 【ตัวอย่าง】 เมื่อรถกระชากเครื่อง อัตราเร่งจะมีขนาดเพิ่มขึ้นอย่างกระทันหัน ทำให้ร่างกายเสียการทรงตัว ในตอนนี้ เมื่อร่างกายพิงกับเบาะที่นั่งจนเปลี่ยนรูปร่าง ก็จะเกิดแรงกระทำในทิศทางตรงข้ามจากเบาะที่นั่งช่วยพยุงร่างกายให้กลับไปที่เดิม |
คำศัพท์ที่น่าสนใจ
| No. | คำศัพท์ | คันจิ | ฮิรางานะ | คำอ่าน |
|---|---|---|---|---|
| 1 | การออกแบบ | 設計 | せっけい | Sek-kei |
| 2 | เครื่องจักร | 機械 | きかい | Ki-kai |
| 3 | การออกแบบเครื่องจักร | 機械設計 | きかいせっけい | Ki-kai-sek-kei |
ตัวอย่างการออกแบบเครื่องจักร
