สวัสดีทุกท่าน มาคราวนี้ขอเป็นตอนพิเศษเนื่องจากได้รับคำขอมาจากทีมงาน Krukid จากเนคเทคจ้า ด้วยความเดิมเมื่อปีที่แล้วที่ผู้เขียนกับน้องอีกคนที่เป็นวิศวกรประจำ Fablab ในสถานศึกษาที่ทำงานอยู่เกิดฮึกเหิมอยากลองลงประกวดสิ่งประดิษฐ์ที่สื่อการสอนที่พัฒนาจากบอร์ด KidBright ในงาน Krukid 2019 ที่จัดขึ้นโดยเนคเทคที่สามย่านมิตรทาวน์ แล้วทีนี้บังเอิญว่าผลงานก็พอเป็นที่สนใจบ้าง ทางทีมงานเค้าเห็นว่าสื่อตัวนี้น่าจะเป็นประโยชน์กับคนอื่น ๆ ด้วยเลยขอตัดบางส่วนของผลงานที่เป็นเรื่องเกี่ยวกับการเปลี่ยนความเร็วการหมุนด้วยเฟืองมาบันทึกไว้ตรงนี้ให้ได้อ่านกัน เริ่มต้นเลยขอให้ทฤษฎีเรื่องอัตราทดเฟืองซักนิดนึงก่อนแล้วค่อยไปดูการสร้างชุดสื่อการสอนกัน บทความนี้ก็เลยอาจจะยาวหน่อยนะ
ขอเข้าเรื่องวิชาการก่อน "เฟือง" หรือที่เรียกติดปากกันว่า "เกียร์" เนี่ยเราจะพบในส่วนประกอบของเครื่องจักรและอุปกรณ์หลายหลายอย่าง เราใช้เฟืองเพื่อช่วยในการส่งกำลังจากต้นกำลังที่มีเพลาหมุน ๆ แบบพวกมอเตอร์กะเครื่องยนต์ให้ได้ความเร็วและแรงบิดที่เหมาะสมกับการนำไปใช้งานต่อ เฟืองสองตัวที่นำมาจับคู่กันเราจะเรียกเฟืองที่ต่อเข้ากับต้นกำลังว่า เฟืองต้นกำลัง หรือ เฟืองขับ (drive gear) และเรียกเฟืองรับกำลังว่า เฟืองตาม (driven gear) ในหนังสือบางเล่มก็จะเรียกเฟืองตามขนาดของคู่เฟืองที่นำมาเข้าชุดกันโดยเรียกเฟืองที่ตัวเล็กกว่าว่า พิเนี่ยน (pinion) และเฟืองตัวใหญ่เรียกว่า เฟือง
เฟืองตรง (spur gear) นับเป็นเฟืองพื้นฐานที่เรียกชื่อตามรูปแบบของเฟืองที่เป็นทรงกระบอกตรงและมีฟันเฟืองที่ตรงไปตามแนวแกนของเพลา นอกจากเฟืองตรงแล้วยังมีเฟืองชนิดอื่น ๆ ที่มีรูปร่างที่ต่างออกไปอีก เช่น เฟืองเฉียง (helical gear) เฟืองดอกจอก (bevel gear) เฟืองสะพาน (rack and pinion) เป็นต้น การกำหนดขนาดของเฟืองที่นิยมใช้มี 2 ระบบคือระบบอังกฤษ (Imperial) ที่บอกขนาดเป็นนิ้วและระบบเอสไอ (SI) ที่บอกขนาดเป็นโมดูลและมิลลิเมตร ในบทความนี้จะอธิบายเฉพาะเฟืองตรง และใช้หน่วยในระบบเอสไอซึ่งทุกคนน่าจะคุ้นเคยกันมากกว่า
เฟืองที่นำมาจับคู่กันได้นั้นชนิด ขนาด และมาตรฐานของฟันเฟืองมีความสำคัญอย่างมาก ฟันเฟืองที่มีขนาดฟันเฟืองไม่เท่ากันจะไม่สามารถสบและเคลื่อนที่ไปด้วยกันได้ วิธีการพิจารณาว่าเฟืองนั้นนำมาใช้ด้วยกันได้หรือไม่จึงดูได้จาก
1. เฟืองที่ใช้เป็นระบบเดียวกัน ซึ่งจะกำหนดขนาดมุมและความสูงของฟันเฟืองเป็นมาตรฐานเดียวกัน
2. มีขนาดของฟันเฟืองที่เท่ากัน ในระบบเอสไอ จะใช้โมดูล (module) เป็นดัชนีในการบอกขนาดของฟันเฟือง เฟืองที่นำมาใช้ด้วยกันได้ต้องมีโมดูลเท่ากัน
โมดูล (m) เป็นอัตราส่วนระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางพิตช์ (Dp หน่วยมิลลิเมตร) กับจำนวนฟันบนเฟือง (n)
m = Dp/n
จากภาพจะเห็นเวงกลมพิตช์ (pitch circle) ซึ่งเป็นวงกลมเสมือนที่มีขนาดเล็กกว่าเส้นรอบวงนอกของเฟือง เวลาเฟืองหมุนวงกลมพิตช์ของเฟืองคู่นั้นจะสัมผัสกันตลอดเวลา ขนาดความยาวเส้นรอบวงพิตช์นี้เองที่เป็นตัวกำหนดความเร็วที่เปลี่ยนไปของเฟือง หากเราเอาเฟืองตัวเล็กมาขับเฟืองตัวใหญ่เฟืองตัวแรกที่มีขนาดเล็กกว่าจะหมุนไปได้ครบรอบในขณะที่เฟืองตัวใหญ่ยังคงหมุนไปได้เพียงส่วนเดียวซึ่งยังไม่ครบรอบเสียที ดังนั้นความเร็วรอบของเฟืองตัวใหญ่จึงน้อยกว่า ในทางกลับกันเมื่อนำเฟืองตัวใหญ่มาขับเฟืองตัวเล็ก การหมุนหนึ่งรอบของเฟืองตัวใหญ่คือการหมุนหลาย ๆ รอบของเฟืองตัวเล็กความเร็วรอบที่ได้จากเฟืองตัวเล็กจึงเพิ่มขึ้น เราจึงสรุปได้ว่าอัตราส่วนของความเร็วรอบของเฟืองคู่หนึ่งจะแปรผกผันกับอัตราส่วนของขนาดเส้นรอบวงพิตช์ของเฟืองคู่นั้น หรือเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า
Speed2/Speed1 = Dp1/Dp2
และเพราะว่าขนาดวงกลมพิตช์ (Dp) แปรผันตรงกับขนาดเส้นรอบวงนอก และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง (D) รวมถึงจำนวนฟันเฟือง (n) ด้วย ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของเฟืองตัวที่ 1 และ ตัวที่ 2 กับความเร็วในการหมุนของเฟือง (Speed) จึงสรุปได้ง่าย ๆ เลยว่า
อัตราทดเฟือง = n2/n1 = Dp2/Dp1 = D2/D1 = Speed1/Speed2
ทีนี้เราจะมาลองสร้างสื่อการสอนกัน ความตั้งใจที่อยากถ่ายทอดให้เด็ก ๆ ที่เรียนรู้จากสื่อตัวนี้คือ เมื่อเค้าเปลี่ยนขนาดเฟืองแล้วความเร็วเฟืองจะอ่านค่าได้จะเปลี่ยนแปลงไปตามอัตราส่วนของเฟืองโดยสามารถคำนวณย้อนกลับได้เหมือนสูตรด้านบนส่วนอุปกรณ์ที่จะต้องเตรียมประกอบด้วย
1. มอเตอร์ 12V DC ขนาดเพลามอเตอร์ 6 มม. เป็นเพลารูปตัว D
2. Switching Power Supply 12V. กระแสไม่ต่ำกว่า 2A.
3. เฟืองขนาดใหญ่และเล็กที่มีโมดูลเท่ากัน (มีแบบให้โหลด)
4. สกรูหัวเทเปอร์ขนาด M6 ยาว 55 มม. มาขัดแต่งเป็นเพลา
5. ลูกปืน สำหรับเพลา 6 มม. สกรู M3 น็อต M3/M6 น็อตล็อค M6
6. แผ่นไม้หรืออะคลิลิคหนา 10 มม.เพื่อใช้ทำแท่นยึดมอเตอร์และเฟือง (ตามแบบ)
7. บอร์ด Kidbright V1.3 หรือสูงกว่า
8. Photoelectric Encoder 1 ตัว จานนับความเร็วรอบแบบ 20 ช่อง 2-6 ชิ้น
9. OLED display 128X64 pixel ขนาด 1.3 นิ้ว
10. วงจรลดแรงดันไฟฟ้า 1.5-35V. 3A. (LM2596 DC step down) ใช้ปรับลดแรงดันเข้ามอเตอร์เพื่อเพิ่มหรือลดความเร็ว อาจดัดแปลงใส่ตัวต้านทานปรับค่าได้ (potentiometer) ขนาด 20 กิโลโอห์มใส่แทนปุ่มปรับแรงดันที่ตัววงจรลดแรงดันก็ได้เพื่อความสะดวกในการใช้งาน หรืออาจใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ในวงจรจ่ายไฟมอเตอร์เลยโดยไม่ใช้วงจรลดแรงดันก็ได้แต่ความเร็วมอเตอร์อาจจะไม่เสถียร
11. สายไฟและสายสัญญาณต่าง ๆ
12. ไม้บรรทัด เทปกาวสองหน้า เทปกาว ปืนกาว ฯลฯ
การสร้างสื่อการสอนจะแบ่งออกเป็นฝั่งฮาร์ดแวร์กับซอฟแวร์นะ เอาฝั่งฮาร์ดแวร์ก่อน
วิธีสร้าง
1. ใช้เครื่องพิมพ์สามมิติสร้างเฟืองขนาด 40 มิลลิเมตร และขนาดอื่น ๆ พร้อมกับ spacer และแป้นยึดเฟืองจำนวนตามที่ต้องการ เลือกโหลดเฟืองได้ตามใจจากลิงค์นี้ Gears.STL files
2. เตรียมไม้อัดหรืออะคริลิกความหนาประมาณ 10 มิลลิเมตร ตัดให้ได้ขนาด 350 มิลลิเมตร x 200 มิลลิเมตร เจาะรูเพื่อใส่มอเตอร์และช่องตามรูป กะความยาวของช่องตามความเหมาะสม รูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มิลลิเมตรจะใช้เป็นช่องเพลามอเตอร์ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามขนาดมอเตอร์ที่หาได้ ส่วนรูที่เป็นช่องยาว ๆ เอาไว้ติดตั้งชุดเฟืองออกแบบให้เลื่อนขยับไปทางซ้ายหรือทางขวาได้ตามขนาดเฟืองที่เปลี่ยนไป แต่ว่าแท่นใส่มอเตอร์และเฟืองอันนี้ยังไม่มีขาตั้งนะซึ่งก็อาจจะทำเป็นสามเหลี่ยมหรือฉากรับก็ได้ตามสะดวกเลย
3. นำสกรูหัวเทเปอร์ขนาด M6 ยาว 55 มม. จำนวน 5-6 ตัว มาขัดแต่งเป็นเพลารูปตัว D ขนาดรูปร่างเหมือนกับรูที่เฟือง
จบแล้วสำหรับส่วนแรก ตอนหน้าจะมาดูโปรแกรมกัน ไม่น่าจะยาวล่ะนะ รอแปร๊บบบบ จะมาโพสต์ต่อ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น