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基本機構分類並介紹

作者:林允涵

在2020年我們開發了一組Automata凸輪教材,當時使用了這組教材實際在高中帶了一個學期的生活科技課,也在教師研習與其他老師分享這套課程,後續我們將基本套件組的檔案放在網路上供大家付費下載。

至此之後我們陸續製作了一些基本的雷切機構小模型,也拍成影片,過程中總是覺得機構是一個很龐雜的學問,非常難以把每個機構分類整理,看過的書籍與資料常以零件種類做分類,如:連桿、齒輪、肘節等,但我們實際製作時常覺得應該以動作或用途來分類比較符合直覺,尤其在設計Automata玩具時通常會先想到動態再參考適合的機構來設計,所以今天想要列出幾個基本的動作並整理出相對應的常見機構,也希望未來能以這個邏輯繼續整理擴充這個機構分類清單。

前提說明,通常我們輸入的動態不論手搖或是電動馬達都是單一方向的旋轉動作,希望透過機構將動力轉換輸出成各種各樣不同的動態,下面分類的動態是指輸出的動作,另外我們是以適合雷射切割製作的機構為主。

1.來回動作

指在固定直線來回往返的動作,是所有動態中最基本的動作,也是可以用最多機構表現的動作,很常看到使用凸輪、連桿、齒輪來製作。

1-1使用凸輪做出來回動作

凸輪是來回往返動作最常用的機構。除了容易製作,而且動態的彈性也很高,可以透過不同曲線的凸輪達到緩升、緩降等等的不同動態。比較侷限的是凸輪較適用於距離較短的來回動作,凸輪容易需要占用很大的空間才能達到較長移動距離。

1-2使用齒輪做出來回動作

利用半齒輪以及齒條可以達到很精準且省空間的來回動作,但是圖片繪製上的挑戰比較高。除了齒數需要計算外,尺寸的公差也需要拿捏才能做出很流暢的動態。而且不如凸輪有彈性,只要不一樣的動態都會需要不同的結構來達成,需要做更多的研究才能做出想要的動態效果。

1-3使用連桿做出來回動作

在一般機械機構中,利用連桿來做往返動態算是最常見也最穩定的作法。在繪製難度上以及設計彈性剛好介於上述兩種方法之間。唯一的小缺點是連桿結構會有移動的軸,因此在雷切小型作品裡要注意不要干涉(撞擊)到其他物件,且要降低/控制可動件之間不必要的磨擦力。

2.旋轉動作

由於Automata作品中,通常會輸入的轉軸和輸出會在不同的軸向上,因此很常需要製作出可以改變旋轉軸向的機構,並讓輸出軸持續旋轉的動作。

2-1使用摩擦力做出此動態

雖然摩擦力較容易不穩定(容易打滑)但是製作的成本跟複雜度最低,因此仍是很普遍被使用的技巧。可以利用砂紙、泡棉等材料來增加木頭之間的摩擦力。
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2-2使用齒輪做出此動態

與第一類相同,齒輪也是達成這個動態最穩定且最有效率的機構。但正規的傘齒輪或圓柱蝸桿都不是雷射切割可以製作出來(可以用3D列印),因此以雷切來製作通常會以模數較大的正齒輪製作,或是用影片中呈現的peg gear或cage gear (棒狀齒輪)製作。

3.間接性旋轉

指在固定圓形路徑以固定頻率走走停停的間歇性旋轉,可以用在計數、發球、發牌等間歇性發生的動態。

3-1日內瓦機構:這類最經典的就是日內瓦機構,過去被用在底片電影放映機以及精密鐘錶內。我們曾經做過一個日內瓦機構的雷切模型喔。
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更多日內瓦機構的變形

3-2使用齒輪做出此動態

利用半齒輪和其他特殊形式的齒輪也可達到類似的效果。

4.來回旋轉

指在固定弧形路徑(如:1/4圓)來回往返的動作。

4-1使用蝸牛凸輪+重力做出來回動作

相對來說比較簡單的做法,但相對應的缺點也是很明顯。蝸牛凸輪必須要在整個作品結構的上方比較凸顯,而且因為是利用重力作為往返的其中一部份的外力,因此較侷限於敲打、拍打類的動態比較適合。

4-2使用連桿連桿做出此動態

crank rocker是機械相關領域在學四連桿機構會學到的經典範例,透過調整連桿相對應的長度來決定來回旋轉的角度及動態。但因為是由四個連桿作動達成,因此在automata的作品上,如何把其他4個連桿隱藏起來會是蠻大的挑戰。

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林 允涵

透過拍攝影片紀錄創作過程並提供開源設計,讓更多人對於自造運動產生興趣並開始自己動手實現自己的想法

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