สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
34 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
งานท 4 งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
จดประสงคทวไป เพอใหมเรยนมความรความเขาใจเกยวกบงานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
จดประสงคเชงพฤตกรรม (เพอใหผเรยนสามารถ) 1. จ าแนกโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)ไดอยางถกตอง 2. แยกประเภทของอปกรณโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)ไดอยางถกตอง 3. อธบายการใชงานเบองตนของอปกรณโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)ไดถกตอง
ทฤษฏการเรยนรงานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค) 4.1 ภาคแมคคานค ถาเปรยบเทยบหนยนตกบมนษยแลว ภาคแมคคานคกเปรยบเหมอนกบรางกายทท าใหการเคลอนทของหนยนตไดโดยภาคแมคคานคจะประกอบดวย 2 สวนใหญๆ นนคอสวนของโครงราง และ สวนทเคลอนไหว
4.1.1 โครงราง โครงรางของหนยนตถาเปรยบกบมนษยกจะเปรยบเหมอนโครงกระดกของมนษย แตโครงรางของหนยนตจะสรางจากวสดทมความแตกตางกน โดยขนอยกบจดประสงคการใชงาน โดยวสดทนยมน ามาสรางเปนโครงรางหนยนต ไดแก
4.1.1 ไม โครงรางทท าดวยไมสวนใหญจะสรางโดยการตดหรอเลอยไมชนดแผน เชน
ไมอด หรอ ไมบลซา ซงโครงรางแบบนมขอดคอสามารถตด เจาะงาย น าหนกเบา เหมาะส าหรบผเรมตนท าหนยนต แตขอดอยของโครงรางแบบนจะแขงแรงสโครงรางแบบเหลกไมได และโครงรางทสรางดวยไมจะบดตวเมอโดนความชน หรอ น า และโครงสรางแบบไมยงสามารถตดไฟไดดวย
ภาพท 4.1 ตวอยางหนยนตทสรางดวยโครงสรางไม
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
35 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
4.1.2 เหลก โครงรางของหนยนตทท าดวยเหลกนนจะมขอดคอมความแขงแรงทนทานสงแตขอดอยกคอ การตดประกอบนนมความยงยากตองอาศยเครองมอพเศษ เชน เครองตดเหลก เครองเชอมเหลก เปนตน และโครงรางทท าดวยเหลกนนจะมน าหนกมากท าใหมอเตอรสวนเคลอนทมขนาดใหญ โครงรางแบบนจงเหมาะกบหนยนตทตองท างานในโรงงานอตสาหกรรมเพราะจะตองมความทนทานสง และใชพลงงานในการเคลอนทมาก
ภาพท 4.2 ตวอยางหนยนตทสรางดวยโครงสรางเหลก
ภาพท 4.3 ตวอยางรปแบบเหลกชนดตางๆ
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
36 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
4.1.3 อลมเนยม โครงรางของหนยนตทท าดวยอลมเนยมจะมขอดคอมน าหนกเบา ตด เจาะ งายกวาแบบโลหะ แตขอดอยของอลมเนยมคอไมสามารถเชอมแบบเชอมโลหะดวยเครองเชอมได ดงนนเวลาประกอบอลมเนยมจะใชวธใชนอตยด หรอ ยงหมดย า (RIVET) เทานน
ภาพท 4.4 ตวอยางหนยนตทสรางดวยโครงสรางอลมเนยม
ภาพท 4.5 ตวอยางรปแบบอลมเนยมชนดตางๆ
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
37 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
4.1.4 พลาสตกและแผนฟวเจอรบอรด โครงรางของหนยนตทท าดวยพลาสตกจะมขอดคอน าหนกเบา สวนตดเจาะจะใชวธคลายกบการสรางโครงรางดวยไม โดยโครงรางของหนยนตทเปนพลาสตกจะแบงเปน 2 ประเภท คอ โครงรางทขนรปเปนพลาสตกจากโรงงาน โดยโครงสรางแบบนจะเปนรปแบบตามทเราตองการโดยไมตองตด เจาะ แตวาตองอาศยเครองจกรในการขนรปสวนแบบทสองคอเราใชแผนพลาสตกเปนวสด ดงนนเวลาสรางโครงสรางจงตองมการตดเจาะ ประกอบคลายแบบไม และเวลาประกอบพลาสตกเขาดวยกนเรากนยมใชกาวตดพลาสตกซงเปนกาวชนดพเศษ สวนวสดฟวเจอรบอรดนนมขอดคอ น าหนกเบา ตดงายดวยคตเตอรหรอ กรรไกรและตดไดงายดวยกาวลาเทกซหรอเทปกาว 2 หนา จงเหมาะกบผเรมตนทจะสรางโครงรางหนยนต แตมขอดอยคอ ลกษณะของฟวเจอรบอรดจะเปนลกฟกท าใหเกดชองวางเกดขนท าใหไมสามารถสรางชนงานทมขนาดเลกได ดงนนในการใชงานตองพจารณาลายของลกฟกกอนการตด
ภาพท 4.6 ตวอยางหนยนตทสรางดวยโครงสรางพลาสตกและแผนฟวเจอรบอรด
ภาพท 4.7 ตวอยางรปแบบพลาสตกและแผนฟวเจอรบอรดชนดตางๆ
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
38 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
4.1.5 ไทเทเนยม ไทเทเนยมเปนวสดคลายกบพวกโลหะแตมน าหนกเบา มความทนทานสงไมเปนสนม ทนทานตอปฏกรยาเคม เราจงใชไทเทเนยมในโครงรางหนยนตทตองการความทนทาน และน าหนกเบา เชน หนยนตส ารวจดาวองคาร แตดวยราคาของไทเทเนยมทมาราคาสงมากท าใหเราไมนยมน ามาเปนโครงรางของหนยนตโดยทวไป
ภาพท 4.8 ตวอยางหนยนตทสรางดวยโครงสรางไทเทเนยม
ภาพท 4.9 ตวอยางรปแบบไทเทเนยมชนดตางๆ
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
39 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
4.1.6 แผนวงจรพมพ (PCB) ส าหรบหนยนตเพอการศกษาเรามกนยมใชโครงรางของหนยนตทเปนแผนวงจรพมพ (PCB: Printed Circuits Board) เพราะนอกจากแผนวงจรพมพยงใชเปนทประกอบวงจรอเลกทรอนกสของหนยนตแลว เรายงประยกตใหสามารถตดแตงเปนโครงรางของหนยนตไดดวยท าใหลดขนตอนและตนทนในการผลตได
ภาพท 4.10 ตวอยางแผนวงจรพมพ(PCB)ตามทองตลาด
4.2 สวนเคลอนไหว สวนเคลอนไหวเปนสวนทเปลยนพลงงานไฟฟาไปเปนพลงงานกล ท าใหเกดการเคลอนทของหนยนต เชน การเดน การหยบจบสงของ เปนตน ถาเปรยบสวนเคลอนไหวของหนยนตกบมนษยกเปรยบเหมอนอวยวะ แขน ขา นนเอง การเคลอนทของหนยนตนนจะแบงไดเปน 2 ประเภท ประเภทแรกคอเคลอนทดวยลอ และประเภททสองคอเคลอนทดวยระบบกลไกแบบขาเดน การเคลอนทแบบลอเปนพนฐานการเคลอนทของหนยนตเพราะสรางงาย กลไกไมซบซอนและขอดของหนยนตทเคลอนทแบบนกคอ สามารถเคลอนทไดอยางรวดเรว แตมขอเสยคอหนยนตจะไมสามารถเคลอนทบนพนผวทขรขระมากได การเคลอนแบบขาจะเปนโครงสรางการเคลอนทซบซอนมากกวาการเคลอนทแบบลอโดยการออกแบบตองมความรทางดานเครองกลจงจะสามารถออกแบบได ขอด ของการเคลอนทแบบนคอหนยนตสามารถเคลอนทไดในพนทขรขระได แตขอเสยของการเคลอนทแบบนกคอหนยนตจะเคลอนทไดไมเรวมาก และในการออกแบบตองอาศยความรระบบเครองกลดวย
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
40 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
อปกรณสวนใหญทน ามาใชเปลยนพลงงานไฟฟาเปนพลงงานกลเพอใชในการเคลอนไหวทใชงานทวไปนนไดแก มอเตอรชนดตางๆ ไฮดรอลก และ นวเมตกส แตอปกรณทนยมใชในการสรางและออกแบบหนยนตขนาดเลกจะเปนมอเตอร
4.2.1 มอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC motor) เปนเครองกลไฟฟาชนดหนงทมหนาทเปลยนพลงงาน งานไฟฟาไปเปนพลงงานกล เมอไดรบการปอนพลงงานไฟฟาทเปนไฟฟากระแสตรงจะท าใหแกนของ มอเตอรหมนแตเนองจากการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรงตองการกระแสไฟฟาในปรมาณสงกวาความสามารถทไมโครคอนโทรลเลอรจะจายโดยตรงได จงจ าเปนทจะตองมวงจรขบมอเตอร โดยเฉพาะเพอท าหนาทขบมอเตอรใหท างานไดตามตองการ
ภาพท 4.11 แสดงตวอยางมอเตอรไฟฟากระแสตรงขนาดเลกแบบปกต
ภาพท 4.12 แสดงตวอยางมอเตอรไฟฟากระแสตรงขนาดเลกแบบทมชดเฟองทดรอบ
มอเตอรไฟฟากระแสตรงขนาดเลกจะถกน ามาใชในโครงงานทมกลไกการเคลอนไหวมคาแรงดนไฟฟาในการท างานในชวง 1.5 โวลตถง 24 โวลต
การควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรงนนสามารถท าไดงายเพยงปอนไฟเขาทขวมอเตอรเมอตองการใหมอเตอรหมนและเมอตองการใหมอเตอรหยดหมนกเพยงหยดการปอนไฟฟาหรอ ถาหากตองการใหมอเตอรหมนกลบทศทางกสามารถท าไดโดยการสลบขวไฟฟาทจายใหกบมอเตอรเพยงเทานมอเตอรไฟฟากระแสตรงกจะสามารถหมนกลบทศทางไดในทนท ส าหรบวงจรขบมอเตอรทสามารถควบคมทศทางการหมนไดประกอบดวยอปกรณทถกจดวางทมลกษณะคลายตว H ในภาษาองกฤษจงเรยกวงจรขบมอเตอรไฟฟากระแสตรงในลกษณะนวาวงจรขบแบบ H-Bridge ลกษณะของวงจรเปนดงภาพท 4.13
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
41 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
ภาพท 4.13 แสดงวงจรขบแบบ H-Bridge
จากภาพท 4.13 เปนวงจรขบแบบ H-Bridge ทใชสวตช ในสภาวะแรกเรมทสวตชทกตวยงไม ท างานมอเตอรจะไมไดรบกระแสไฟฟาท าใหมอเตอรไมหมน เมอท าการควบคมใหสวตซท างานโดยให S1 และ S4 ท างาน มอเตอรจะหมนตามเขมนาฬกา (CW: Clock wise) หากตองการใหมอเตอรหมนกลบทศทางโดยใหมอเตอรหมนทวนเขมนาฬกา (CCW: Counter clock wise) กเพยงสลบการท างานของ สวตชโดยให S1, S4 ไมท างานและใหสวตช S2, S3 ท างานแทน การควบคมดงกลาวจะมลกษณะดงภาพท 4.14
ภาพท 4.14 แสดงการควบคมการหมนของมอเตอรดวยวงจรขบแบบ H-Bridge
ตารางท 4.1 แสดงการควบคมมอเตอรดวยวงจรขบแบบ H-Bridge แบบใชสวตช สถานะของสวตช
สถานะของมอเตอรไฟฟากระแสตรง S1 S2 S3 S4
OFF OFF OFF OFF ไมหมน ON OFF OFF ON หมนตามเขมนาฬกา (CW) OFF ON ON OFF หมนทวนเขมนาฬกา (CCW)
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
42 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
วงจรขบมอเตอรทเปนลกษณะ H-Bridge สามารถเปลยนจากการใชสวตชมาเปนรเลยโดยใช รเลยทเปนชนด SPDT (Single pole double throw) ดงภาพท 4.15 และการควบคมทศทางการหมนเปน ดงภาพท 4.16
ภาพท 4.15 แสดงวงจรขบมอเตอรแบบ H-Bridge ทใชรเลย
ภาพท 4.16 แสดงการควบคมการหมนของมอเตอรดวยวงจรขบแบบ H-Bridge ทใชรเลย
ชดขบกระแสดซมอเตอรสวนใหญจะเปนแบบ H-Bridge ซงวงจรประกอบดวยทรานซสเตอร
หรอมอตเฟส โดยท าหนาทเปนสวตซเปดปด จ านวน 4 ชด (Q1-Q4) โดยตอกบ DC Motor ดงรป 4.17(a) ซงสามารถควบคมการทศทางการไหลของกระแสได เมอสงสญญาณควบคมใหทรานซสเตอร Q1 และ Q4 ท างาน และปดการท างานของทราซสเตอร Q2 และ Q3 กระแสจะไหลจากจด A ไปจด B ดงรป 4.17 (b) จงท าใหมอเตอรเรมหมน
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
43 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
เมอสงสญญาณควบคมใหทรานซสเตอร Q2 และ Q3 ท างาน และปดการท างานของทราซสเตอร Q1 และ Q4 กระแสจะไหลจากจด B ไปจด A ดงรป 4.17 (c) เปนผลใหมอเตอรหมนกลบทศ
รปท 4.17 การท างานของวงจร H-Bridge ส าหรบควบคมการหมนของ DC Motor
ปจจบนวงจร H-Bridge มอยในรปของไอซวงจรรวม เชน ไอซเบอร L293D หรอ L298N เพอลดขนาดของอปกรณ และงายตอการใชงาน เพยงตอสญญาณ PWM และสญญาณควบคมทศทาง (1 บตหรอ 2 บต) ดงรป 4.18
รปท 4.18 การเชอมตอ Microcontroller กบชดขบกระแสดซมอเตอรแบบ H-Bridge
ทมา : http://aimagin.com/blog/motor/?lang=th
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
44 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
การใชงานจรงมไอซทถกออกแบบมาเพอการนโดยเฉพาะมคณสมบตเปนวงจรขบแบบ H-Bridge ในกรณทใชกบมอเตอรไฟฟากระแสตรงขนาดเลกทใชกระแสไมเกน 600 มลลแอมปจะใช ไอซเบอร L293D แตหากมอเตอรไฟฟากระแสตรงใชกระแสสงเกนคาดงกลาวแตไมเกน 4 แอมปจะตองใชไอซเบอร L298 ในใบงานนใชมอเตอรไฟฟากระแสตรงขนาดเลกซงจะใชไอซเบอร L293D ในการทดลองโดยโครงสรางของไอซเปนดงภาพท 4.19
ภาพท 4.19 แสดงโครงสรางไอซขบมอเตอรกระแสตรงขนาดเลกเบอร L293D
ภาพท 4.20 แสดงการขบมอเตอรกระแสตรงขนาดเลกดวยไอซเบอร L293D 4.2.2 เซอรโวมอเตอร เปนมอเตอรทสามารถควบคมการเคลอนทไปยงมมทตองการไดดวย
วงจร ควบคมแบบปอนกลบภายใน เซอรโวมอเตอรขนาดเลกนยมใชกนมากในเครองเลนบงคบวทย เชน รถ เรอ เครองบน เซอรโวมอเตอรประกอบขนจากสวนประกอบหลก ๆ 3 สวนคอ
1. มอเตอรไฟฟากระแสตรงขนาดเลก 2. ชดเกยรทดรอบ
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
45 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
3. วงจรควบคม
ภาพท 4.21 แสดงโครงสรางเซอรโวมอเตอร เซอรโวมอเตอรมคอนเนคเตอรส าหรบตอใชงาน 3 ขา โดยใชตอกบแหลงจายไฟ 2 ขาและอก
หนงขาจะใชตอกบสญญาณควบคม เซอรโวมอเตอรใชไฟฟากระแสตรงในการท างานมแรงดนใชงานอย ในชวง 4-6 โวลต (ส าหรบรนก าลงแรงบดสงจะใชแรงดนสงถง 12 โวลต) การเรยงขาคอนเนคเตอรเปน มาตรฐานแบบเดยวกน มความตางกนบางตรงสของสายไฟขนอยกบบรษทผผลตดงภาพท 4.22
ภาพท 4.22 แสดงคอนเนคเตอรเซอรโวมอเตอรของแตละบรษท
การควบคมเซอรโวมอเตอรใหเคลอนไปยงมมทตองการ สามารถท าไดโดยการสงพลสทม คาประมาณ 1 ms - 2 ms ดงรปท 4.23 โดยสญญาณของพลสใน 1 ลกคลนมคาบเวลาประมาณ 20 ms เซอรโวมอเตอรสามารถเคลอนทตงแตมม 0 องศาจนถง 180 องศา (ซงบางต าราอาจกลาววาเคลอนตงแต มม -90 องศาถง +90 องศา) ซงโครงสรางของเซอรโวมอเตอรไมสามารถทจะหมนทมมเกนกวาทก าหนด ไวได ในการใชงานเซอรโวมอเตอรทมการรบภาระโหลดอาจจะท าใหต าแหนงเคลอนไดหากไมสง สญญาณควบคมแบบตอเนอง โดยปกตโครงสรางภายในทเปนเฟองทดรอบจะท าการลอกต าแหนงไว แลวในระดบหนงแตไมสามารถคงต าแหนงเดมไวไดหากการตอใชงานมการรบภาระโหลด ในกรณทตองการลอกต าแหนงจะตองสงพลสควบคมต าแหนงอยางตอเนอง
สาขาวชา อเลกทรอนกส ใบเนอหาการเรยนรท 4
ชอวชา หนยนตเบองตน รหสวชา 2105-2121 หนา
46 ชองาน งานโครงสรางของหนยนต(แมคคานค)
ภาพท 4..23 แสดงสญญาณพลสทใชควบคมเซอรโวมอเตอร