โครงงาน Design and Implementation of Portable Flexible Joint SCARA Robot

Flexible Joint Robot ตัวเล็ก รุ่นใหม่ ออกแบบใหม่ ไม่ซ้ำใคร โดยทีมงานกลุ่มวิจัย RAAS ม.เกษตรศาสตร์ (ศรีราชา) #RAAS_KU

การออกแบบและสร้างต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น
Design and Prototyping of Flexible Joint SCARA Robot

นายธีรพงศ์          ทับไทร      เลขประจำตัว 5730302410
นางสาวมัลลิกา   เพียรแก้ว   เลขประจำตัว 5730302568
นายมูฮัมหมัดอับดุฮ์ สามะ    เลขประจำตัว 5730302576
นายวีรยุทธ          ศรีสุวรรณ   เลขประจำตัว 5730302673

โครงงานนี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต
สาขาเครื่องกลและการออกแบบ คณะวิศวกรรมศาสตร์ศรีราชา
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
ปีการศึกษา 2560

การออกแบบและสร้างต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น
Design and Prototyping of Flexible Joint SCARA Robot

นายธีรพงศ์          ทับไทร      เลขประจำตัว 5730302410
นางสาวมัลลิกา   เพียรแก้ว   เลขประจำตัว 5730302568
นายมูฮัมหมัดอับดุฮ์ สามะ    เลขประจำตัว 5730302576
นายวีรยุทธ          ศรีสุวรรณ   เลขประจำตัว 5730302673

โครงงานนี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต
สาขาเครื่องกลและการออกแบบ คณะวิศวกรรมศาสตร์ศรีราชา
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
ปีการศึกษา 2560

ชื่อโครงงาน การออกแบบและสร้างต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น
โดย นายธีรพงศ์ ทับไทร เลขประจำตัว 5730302410
นางสาวมัลลิกา เพียรแก้ว เลขประจำตัว 5730302568
นายมูฮัมหมัดอับดุฮ์ สามะ เลขประจำตัว 5730302576
นายวีรยุทธ ศรีสุวรรณ เลขประจำตัว 5730302673
ชื่อปริญญา วิศวกรรมศาสตรบัณฑิต
สาขาวิชา เครื่องกลและการออกแบบ
ปีการศึกษา 2560
อาจารย์ที่ปรึกษา อาจารย์ ดร.กิตติพงษ์ เยาวาจา

บทคัดย่อ

โครงงานเล่มนี้เป็นการออกแบบและสร้างต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น ให้ความสนใจการศึกษาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของแขนกลที่มีการติดตั้งสปริงเพื่อให้เกิดความยืดหยุ่น นำไปใช้ในภาคอุตสาหกรรม ใช้ในการเคลื่อนย้ายสิ่งของ จัดวางตามตำแหน่งตามที่ต้องการ ข้อต่อแบบยืดหยุ่นจะช่วยลดความเสียหายจากแรงกระแทกของข้อต่อ การเคลื่อนที่ของแขนกลนั้นจะใช้     DC Servo Motor เป็นต้นกำลังในการขับเคลื่อน การออกแบบหุ่นยนต์สการ่าใช้โปรแกรม         SolidWorks 2016 ในการออกแบบก่อนจะทำชิ้นงานจริงในห้อง Work Shop ซึ่งใช้โปรแกรม LabVIEW ในการสั่งการเคลื่อนที่ของแขนกลผ่านบอร์ด Arduino ส่วนการทดลองจะแบ่งออกเป็น 2 กรณี คือติดสปริงแบบขนาน และติดสปริงแบบตัววี ทำการวัดค่าการเคลื่อนที่ของแขนกลที่มีข้อต่อแบบยืดหยุ่นโดยการติดตั้ง Encoder ทำหน้าที่วัดมุมการเคลื่อนที่ของแขนกลที่เคลื่อนที่และวัดค่าการสั่น
จากการทดลองการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์สการ่าที่มีการติดสปริงเพื่อให้เกิดความยืดหยุ่น พบว่าการติดสปริงแบบตัววีจะเคลื่อนที่ได้ราบเรียบกว่าการติดสปริงแบบขนาน แต่การการติดสปริงแบบขนานจะให้มุมการเคลื่อนที่มากกว่าการติดสปริงแบบตัววี และการติดสปริงยังทำให้แขนกลเกิดการสั่นไม่มีความแม่นยำในการเคลื่อนที่ จึงต้องมีการพัฒนาโปรแกรมการออกแบบการเคลื่อนที่เพื่อชดเชยแรงของสปริง ทำให้ให้แขนกลที่มีข้อต่อแบบยืดหยุ่นเกิดความแม่นยำในการเคลื่อน

Title Design and Prototyping of Flexible Joint SCARA Robot
Name Mr.Teerapong Tabsrai 5730302410
Miss.Munlika Piankae 5730302568
Mr.Muhammad-Abduh Sama 5730302576
Mr.Werayuth Srisuwan 5730302673
Degree Award Bachelor of Engineering
Study Program Mechanical and Design Engineering
Academic Year 2560
Project Advisor Dr.Kittipong Yaovaja

Abstract

This project is a prototype of SCARA robot. Pay attention to the study of the motion behavior of a mechanical arm fitted with a spring for flexibility. Used in industry. Used to move items. Positioned as required. Flexible joints reduce the damage of the joints. The mechanical movement of the arm will use a DC Servo Motor. The SCARA robot design uses a SOLIDWORKS program to design a workpiece in the work shop and to use the LabVIEW program to manipulate the arm through the Arduino board. The experiment is divided into 2 cases: parallel springs and V-spring. The experiment will measure the movement of the arm with flexible joints by installing the encoder to measure the moving angle of the mobile arm and vibration.
From the experiments, the SCARA robot has been fitted with a spring for flexibility. It is found that the V-spring is moving more smoothly than parallel springs. However, the parallel springs provide more motion than the V-springs. And installation of the spring will cause the arm to vibrate without precision in the movement. Development of a motion design program to compensate for spring force to make the arm with flexible joints accurate in movement.

กิตติกรรมประกาศ

ในการจัดทำโครงงานครั้งนี้ คณะผู้จัดทำขอบพระคุณอาจารย์ ดร.กิตติพงษ์  เยาวาจา อาจารย์ที่ปรึกษา ที่ได้ช่วยเหลือดูแลถ่ายทอดวิชาความรู้แนวคิด คำแนะนำต่าง ๆ ที่เป็นประโยชน์ต่อการทำโครงงานนี้ รวมถึงการวางแผนและแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นระหว่างดำเนินงานเพื่อให้โครงงานนี้สำเร็จลุล่วงไปด้วยดี

ขอบพระคุณอาจารย์พุฒิพงศ์  ขุนทรง ที่ได้ให้ข้อแนะนำแนวคิดในโครงงานนี้ รวมถึงให้ข้อเสนอแนะ ความรู้ที่เป็นประโยชน์ต่อโครงงาน และข้อติชมต่าง ๆ ในการทำโครงงานนี้

ขอบพระคุณบุคลากรครูช่างประจำห้องปฏิบัติการวิศวกรรม คุณโสพิณ  ปลอดเถาว์      คุณทีปกร  แก้วสอางค์ คุณพงษ์เทพ  เจริญเชาว์ และคุณนิเวศน์  สกุลเต็ม ที่คอยให้คำแนะนำปรึกษา คอยช่วยเหลือดูแลในส่วนการทำชิ้นงานของโครงงานนี้

ขอบพระคุณครอบครัว และเพื่อน ๆ ทุกท่าน ตลอดถึงคณาจารย์ผู้ประสาทวิชาความรู้      ที่ให้ความสนับสนุน ช่วยเหลือ ให้กำลังใจในการทำโครงงานซึ่งทำให้โครงงานชิ้นนี้สำเร็จลุล่วงไปด้วยดี

บทที่ 1
บทนำ

1.1 ความเป็นมาของโครงงาน
ในปัจจุบันหุ่นยนต์ได้รับการพัฒนาด้วยเทคโนโลยีที่เจริญก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง ทำให้ความสามารถของหุ่นยนต์พัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยทั่วโลกให้ความสนใจกับการพัฒนาของหุ่นยนต์ เพราะหุ่นยนต์เริ่มเข้ามามีบทบาทกับชีวิตประจำวันหลาย ๆ ด้าน เช่น ด้านการแพทย์ ด้านการทหาร ด้านการสำรวจอวกาศ ด้านอุตสาหกรรม หรือแม้แต่การสร้างหุ่นยนต์เพื่อช่วยทำงานบ้าน
หุ่นยนต์ถูกแบ่งออกเป็น 2 ประเภทตามลักษณะการใช้งาน ประเภทแรก คือ หุ่นยนต์ชนิดที่ติดตั้งอยู่กับที่ (Fixed Robot) เป็นหุ่นยนต์ที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ไปไหนได้ด้วยตัวเอง มีลักษณะเป็นแขนกล (Robotic Arms) ที่สามารถขยับและเคลื่อนไหวได้เฉพาะแต่ละข้อต่อ มักใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม เช่น โรงงานประกอบรถยนต์ และประเภทที่สอง คือ หุ่นยนต์ชนิดที่เคลื่อนที่ได้ (Mobile Robot) เป็นหุ่นยนต์ที่สามารถเคลื่อนที่ไปไหนมาไหนได้ด้วยตัวเองโดยการใช้ล้อหรือขา ซึ่งปัจจุบันยังมีการทำวิจัยและพัฒนาเพื่อใช้งานในรูปแบบต่าง ๆ ความยืดหยุ่นของแขนกลถือได้ว่าเป็นส่วนที่สำคัญส่วนหนึ่งของหุ่นยนต์ ในการทำงานต่าง ๆ ของระบบ โดยส่วนใหญ่แล้วข้อต่อของแขนกลทุกชนิดจะมีความยืดหยุ่นซึ่งเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุ ซึ่งความยืดหยุ่นของ แขนกลนั้นจะช่วยลดความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการชนและอุบัติเหตุที่เกิดขึ้น เพราะแขนกลนั้นจะมีการเคลื่อนที่ค่อนข้างเร็วตลอดเวลา
ดังนั้นทางคณะผู้จัดทำสนใจที่จะทำการศึกษาพฤติกรรมการทำงานของระบบแขนกลที่มี ข้อต่อแบบยืดหยุ่น รวมถึงส่วนประกอบต่าง ๆ ของระบบแขนกล คณะผู้จัดทำได้จัดทำต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าที่มีข้อต่อแบบยืดหยุ่นโดยใช้โปรแกรม LabVIEW ในการควบคุมการทำงานของระบบแขนกล

1.2 วัตถุประสงค์

1. เพื่อศึกษาการทำงานของระบบแขนกลเบื้องต้น และการประยุกต์ใช้งาน ในด้านต่าง ๆ
2. เพื่อศึกษาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ใช้ในการเลือกรูปแบบแบบการติดตั้งสปริง
3. เพื่อให้เข้าใจส่วนประกอบและชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องของระบบแขนกล
4. เพื่อศึกษาโปรแกรม LabVIEW ในการควบคุมการทำงานของระบบแขนกล

1.3 ขอบเขตของโครงงาน
ออกแบบและสร้างหุ่นยนต์แบบสการ่าที่มีข้อต่อแบบยืดหยุ่น เพื่อศึกษาการทำงานของแขนกลแบบยืดหยุ่น โดยใช้โปรแกรม LabVIEW ในการควบคุมการทำงานของหุ่นยนต์

1.4 ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ

1. ได้ต้นแบบของหุ่นยนต์แบบสการาที่มีข้อต่อที่ยืดหยุ่น
2. ได้รู้ถึงลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่มีรูปแบบการติดตั้งสปริงที่แตกต่างกัน
3. ได้รับความรู้เรื่องชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่าง ๆ ในการทำหุ่นยนต์
4. ได้รับความรู้และวิธีการใช้งานโปรแกรม LabVIEW

1.5 ระยะเวลาทำโครงงานและแผนดำเนินงาน
กิจกรรม พ.ย. ธ.ค. ม.ค. ก.พ. มี.ค. เม.ย. พ.ค.
1 ศึกษาค้นคว้า
2 ออกแบบหุ่นยนต์
3 เริ่มลงมือทำหุ่นยนต์
4 ตรวจสอบปัญหาและแก้ไข เริ่มทำเล่ม
5 เขียนโปรแกรมและเก็บข้อมูล
6 แก้ไขและส่งเล่ม
7 นำเสนอ
บทที่ 2
ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องและหลักการ

2.1 ระบบควบคุม (control system)
ระบบควบคุมคือ ระบบที่สามรถทำงานได้ตามที่เราต้องการ โดยไม่ต้องมีคนคอยควบคุมดูแล เช่น ระบบระบายความร้อนเครื่องยนต์ ระบบควบคุมอุณหภูมิของเครื่องปรับอากาศ ถังน้ำรักษาระดับน้ำได้ และอื่น ๆ ซึ่งระบบควบคุมนี้ ต้องมีเครื่องควบคุมเพื่อรักษาค่าตัวแปรต่าง ๆ ให้ระบบควบคุมทำงานได้ตามที่ต้องการ

2.1.1 คำจำกัดความ (Definition)
ระบบ (System) หมายถึง ส่วนหรือหน่วยที่ได้รวบรวมสิ่งต่าง ๆ เข้าด้วยกัน
ควบคุม (Control) หมายถึงการบังคับ หรือสั่งการ
ระบบควบคุม (Control Systems) หมายถึง ส่วนหรือหน่วยที่ได้รวบรวมสิ่งต่าง ๆ เข้าด้วยกัน เพื่อใช้บังคับหรือสั่งการเพื่อให้สิ่งใดสิ่งหนึ่งเป็นไปตามความต้องการ
พลานต์ (Plant) คือสิ่งที่จะควบคุม อาจเป็นเครื่องมือ เครื่องจักร หรืออุปกรณ์ที่ใช้ในการทำงาน
สัญญาณรบกวน (Disturbance) คือสัญญาณรบกวนที่เข้ามาในระบบทำให้ค่าเอาต์พุตของระบบเปลี่ยนไป
การควบคุมป้อนกลับ (Feedback) คือการพยายามลดค่าแตกต่างระหว่างเอาต์พุตกับค่าอ้างอิง (Set point)
ระบบควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control System) คือระบบควบคุมที่รักษาค่าเอาต์พุตให้ใกล้เคียงค่าอินพุต โดยมีการเปรียบเทียบสัญญาณทั้งสองนี้ ผลจากการเปรียบเทียบจะเป็นค่าผิดพลาด (Error) ซึ่งเป็นสัญญาณที่ใช้ป้อนเข้าสู่ตัวควบคุม (Controller)
เซอร์โวแมคคานิกส์ (Servomachanisms) คือระบบควบคุมแบบป้อนกลับ โดยที่เอาต์พุตอยู่ในรูปของตำแหน่ง (Position) ความเร็ว (Velocity) หรืออัตราเร่ง (Acceleration)
ออโตเมติก เรคกูเรติ้ง (Automatic Regulating System) คือระบบควบคุมแบบป้อนกลับซึ่งรักษาค่าเอาต์พุตให้คงที่ตามการเปลี่ยนแปลงของค่าอ้างอิงหรืออินพุต

2.1.2 รูปแบบของการควบคุม
1.) ระบบควบคุมแบบเปิด (Open Loop Control System) หรือระบบควบคุมแบบไม่มีการป้อนกลับ ระบบควบคุมชนิดนี้ จะไม่มีการนำค่าเอาต์พุต (Output) มาเปรียบเทียบกับค่าอินพุต (Input) ที่ป้อนให้กับระบบ หรือหมายความว่าค่าเอาต์พุตที่ได้ จะไม่มีผลต่อการควบคุมของระบบ ทำให้ระบบควบคุมชนิดนี้ง่ายต่อการสร้าง ประหยัด ไม่มีความซับซ้อนและไม่ต้องการความแม่นยำสูง หลักการทำงานของระบบควบคุมแบบเปิด คือ ตัวควบคุม (Controller) จะส่งสัญญาณป้อน(Input) ให้กับสิ่งที่ต้องการควบคุม (Plant) ตามคำสั่ง (Command or referent) ที่รับมา โดยที่ตัวควบคุมจะคาดคะเนว่า เมื่อสิ่งที่ต้องการควบคุมได้รับสัญญาณป้อนแล้ว ก็จะผลิตเอาต์พุตหรือผลตอบสนอง (Response) ให้ได้ตามที่คาดหมายไว้โดยที่ไม่ต้องทำการตรวจสอบสัญญาณเอาต์พุตจริงว่าเป็นไปตามคำสั่งหรือไม่ ตัวอย่างเช่น การปิด-เปิด สวิตช์ไฟฟ้าในบ้าน การควบคุมการไหลของน้ำในถัง สัญญาณไฟจราจร เป็นต้น ลักษณะทั่วไปของระบบควบคุมแบบเปิดจะเป็นไปตามภาพที่ 2-1

ภาพที่ 2-1 ระบบควบคุมแบบวงรอบเปิด
ที่มา: สุมาลี (2545)

2.)  ระบบควบคุมแบบปิด (Closed Loop Control System) หรือระบบควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control) หลักการทำงานก็คือจะนำสัญญาณเอาต์พุตหรือผลตอบสนอง (Response) ของระบบป้อนกลับมาเปรียบเทียบกับสัญญาณอินพุต (Input) ที่ป้อนให้กับระบบ โดยจะมีการเปรียบเทียบกันระหว่างสัญญาณเอาต์พุต (Output) กับสัญญาณอินพุต (Input) ตลอดเวลา ซึ่งผลต่างของสัญญาณระหว่างอินพุตและเอาต์พุต จะเป็นสัญญาณค่าผิดพลาด (Error) หลังจากนั้นสัญญาณจะป้อนเข้าตัวควบคุม (Controller) และตัวควบคุมก็จะทำหน้าที่ปรับค่าผิดพลาดที่เกิดขึ้นในระบบให้ได้ค่าใหม่ (Set Point) ที่จะส่งสัญญาณให้เอาต์พุตแสดงผลตามคำสั่งที่ต้องการต่อไป เพื่อลด ความผิดพลาดที่เกิดขึ้นกับระบบ ระบบควบคุมแบบปิดนี้จะใช้มากในหุ่นยนต์อุตสาหกรรม เพื่อให้ได้หุ่นยนต์ทำงานตามต้องการ เช่น การควบคุมตำแหน่ง ควบคุมความเร็ว ควบคุมระยะทาง เป็นต้น ลักษณะทั่วไปของระบบควบคุมแบบปิดจะเป็นไปตามภาพที่ 2-2

ภาพที่ 2-2 ระบบควบคุมแบบวงรอบปิด
ที่มา: สุมาลี (2545)

2.2 ระบบขับเคลื่อน (Drive system)
หุ่นยนต์มีหลายชนิด หลายลักษณะการทำงาน แต่หุ่นยนต์จะเคลื่อนที่ได้จะต้อง ประกอบด้วยระบบขับเคลื่อนเป็นสำคัญ เพราะฉะนั้นการทำงานของหุ่นยนต์จะจับชิ้นงานจากจุดหนึ่งไปยังจุดหนึ่ง หรือประกอบชิ้นงาน จะต้องมีระบบขับเคลื่อนที่ดี ขึ้นอยู่กับลักษณะงานว่าจะใช้ระบบขับเคลื่อนแบบไหน โดยทั่วไป จะแบ่งระบบขับเคลื่อนออกเป็น 3 ลักษณะ ดังนี้คือ ระบบขับเคลื่อนด้วยนิวแมติกส์ (Pneumatics Drive Systems) ระบบขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิกส์ (Hydraulics Drive Systems) และระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า (Electric Drive Systems)

 2.2.1  ระบบขับเคลื่อนด้วยนิวแมติกส์ (Pneumatics Drive Systems) 
หุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยนิวแมติกส์จะถูกใช้มากในโรงงานอุตสาหกรรม เพราะมีราคาถูกกว่าหุ่นยนต์ขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิกส์ และสามารถออกแบบการทำงานให้ใช้กับงานที่มีลักษณะของงานที่ซับซ้อนได้ดีกว่า โรงงานอุตสาหกรรมทั่วไปจะใช้หุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยนิวแมติกส์มาควบคุมระบบการผลิต ทำให้ได้งานที่รวดเร็ว และมีคุณภาพมาก เช่น อุตสาหกรรมบรรจุหีบห่อ อุตสาหกรรมขนถ่ายวัสดุ อุตสาหกรรมอาหาร เป็นต้น

ภาพที่ 2-3 หุ่นยนต์ขับเคลื่อนด้วยนิวแมติกส์
ที่มา: http://maxrobot.en.hisupplier.com

2.2.2  ระบบขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิกส์ (Hydraulics Drive Systems) 
หุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิกส์โดยทั่วไปจะใช้ควบคุมการทำงานที่เกี่ยวกับอุตสาหกรรมหนัก  เพราะระบบไฮดรอลิกส์สามารถใช้แรงดันที่ 30-400 bar ทำให้มีกำลังงานสูงมากเมื่อเทียบกับระบบนิวแมติกส์ ระบบไฮดรอลิกส์จะใช้น้ำมันเป็นตัวกลางในการเคลื่อนที่ ส่วนระบบนิวแมติกส์จะใช้ลมเป็นตัวกลาง ทำให้การยุบตัวของน้ำมันน้อยกว่า มีผลทำให้หุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยระบบไฮดรอลิกส์ มีความแม่นยำมากกว่าหุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยระบบไฮดรอลิกส์ ระบบไฮดรอลิกส์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมทั่วไป เช่น อุตสาหกรรมงานเชื่อม อุตสาหกรรมขนถ่ายวัสดุทั่วไป อุตสาหกรรมงานขึ้นรูป อุตสาหกรรมงานตัดโลหะ เป็นต้น

ภาพที่ 2-4 หุ่นยนต์ขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิกส์
ที่มา: http://www.tradekorea.com

2.2.3  ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า (Electric Drive Systems)
หุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าก็เป็นระบบขับเคลื่อนอย่างหนึ่งที่ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมมาก โดยจุดเด่นของระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า คือให้ความแม่นยำในการทำงานไม่ว่าจะควบคุมตำแหน่ง ความเร็ว หรือระยะทางจะมีความถูกต้องสูง ตลอดจนการทำงานก็จะค่อนข้างเงียบอีกด้วยในขณะที่หุ่นยนต์ทำงานจะมีเสียงดังน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับระบบอื่น ทำให้ลดมลภาวะทางเสียงได้อีกด้วย หุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจะทำงานร่วมกับระบบขับเคลื่อนด้วยระบบนิวแมติกส์หรือระบบไฮดรอลิกส์ ขึ้นอยู่กับการออกแบบเครื่องจักร หุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าที่ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไป เช่นเครื่องกัด CNC เครนยกของหุ่นยนต์เคลื่อนย้ายชิ้นงาน เป็นต้น

ภาพที่ 2-5 หุ่นยนต์ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า
ที่มา: https://www.maxonmotor.com

2.3 โปรแกรม LabVIEW
LabVIEW หรือ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench หมายถึง เครื่องมือวัดเสมือนจริงสำหรับห้องปฏิบัติการทางวิศวกรรม LabVIEW เป็นซอฟต์แวร์ที่สร้าง และพัฒนาขึ้นมาโดยบริษัทเนชั่นแนลอินสทรูเม้นทส์ (National Instruments) เพื่อใช้พัฒนา แอปพลิเคชั่นทางด้านการวัด ทดสอบ และควบคุมสำหรับงานทางด้านวิศวกรรม

ภาพที่ 2-6 ตัวอย่างเครื่องมือวัดเสมือนที่สร้างจาก LabVIEW
ที่มา: http://www.research-system.siam.edu
การเขียนโปรแกรมด้วย LabVIEW เป็นการเขียนโปรแกรมด้วยภาษารูปภาพ (Graphical Language) ที่อาศัยหลักการเขียนโปรแกรมแบบการไหลของข้อมูลหรือ Data Flow ซึ่งคล้ายคลึงกับการทำงานของบล็อกไดอะแกรม (Block Diagram) ที่มีการไหลเข้า (Input) ของข้อมูลและการไหลออก (Output) ของข้อมูลของบล็อกไดอะแกรม โดยจะทำงานจากบล็อกไดอะแกรมหนึ่งไปยังอีกบล็อกไดอะแกรมหนึ่งต่อไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะครบทุกบล็อกไดอะแกรม ซึ่งจะแตกต่างจากการเขียนโปรแกรมปกติทั่วไปในรูปแบบตัวหนังสือ หรือ Text Base ที่อาศัยหลักการเขียนโปรแกรมเป็นตัวหนังสือทีละบรรทัด จากบนลงล่าง ยกตัวอย่างเช่น ภาษา C หรือ เบสิก เป็นต้น
LabVIEW เป็นโปรแกรมประเภท GUI (Graphical User Interface) ซึ่งเป็นการเขียน โปรแกรมติดต่อระหว่างส่วนเชื่อมต่อกับส่วนผู้ใช้และอุปกรณ์ภายนอกอื่นเพื่อใช้ในการวัด ทดสอบ และควบคุม การเขียนโปรแกรมด้วย LabVIEW จะช่วยลดเวลาและอำนวยความสะดวกในการเขียนโปรแกรมได้มาก โดยเฉพาะการเขียนโปรแกรมของฟังก์ชันย่อยซึ่งการเขียนโปรแกรมด้วย LabVIEW ไม่จำเป็นต้องใช้ฟังก์ชันย่อยเหมือนกับการเขียนโปรแกรมแบบตัวหนังสืออีกทั้งการเขียนโปรแกรมควบคุมเครื่องมือวัดต่าง ๆไม่จำเป็นต้องเขียนโปรแกรมเชื่อมต่อกับส่วนผู้ใช้กับซอร์สโค้ด (source code) หรือตัวโปรแกรมให้ยุ่งยาก

ภาพที่ 2-7 การเข้าสู่โปรแกรม LabVIEW 2015
ที่มา: http://www.research-system.siam.edu
2.3.1 Data flow and programing
เนื่องจาก LABVIEW เป็นโปรแกรมที่ใช้รูปภาพ หรือสัญลักษณ์แทนการเขียนด้วย ตัวอักษรเหมือนโปรแกรมปกติทั่วไป เมื่อเริ่มส่งข้อมูลเข้าสู่โปรแกรม เราจะต้องกำหนดทิศทางไหลของข้อมูลว่าจะไปที่ส่วนใด ผ่านการประเมินผลและคำนวณในส่วนใดบ้างและจะให้แสดงผลอย่างไร ซึ่งลักษณะการเขียนนี้จะมีลักษณะเหมือนกับการเขียน Block Diagram ซึ่งทำให้ผู้เขียนโปรแกรมสามารถให้ความสนใจกับการเคลื่อนที่และเปลี่ยนแปลงข้อมูลได้โดยไม่ต้องจดจำ รูปแบบคำสั่งที่ยุ่งยาก เนื่องจาก LabVIEW ใช้ลักษณะการเขียนแบบ Block Diagram จึงเป็นการง่ายที่จะทำความเข้าใจและนำไปพัฒนาใช้ต่อไปได้และถ้าหากเราจำได้ถึงขั้นตอนการเขียนโปรแกรมว่าก่อนที่จะเขียนโปรแกรมจะต้องเขียน Flow Chart ให้เสร็จสิ้นก่อน หลังจากตรวจสอบ Flow Chart เรียบร้อยแล้วเราจึงนำไปเขียนโปรแกรมซึ่งจะมีความสะดวกมากขึ้น LabVIEW จะมี Front Panel ซึ่งเปรียบเสมือนได้กับสิ่งที่ผู้ใช้จะเห็นและควบคุมการทำงาน ผู้ใช้สามารถสร้างรูปแบบขึ้นเองได้อย่างรวดเร็วเพราะ LabVIEW มีส่วนประกอบต่าง ๆที่ใช้สำหรับออกแบบหน้าจอมากมาย เช่น จอแสดงผลแบบออพิโลลโครบ ปุ่มหมุน (Dial) และสวิทช์ เป็นต้น โดย LabVIEW จะแสดงผลและควบคุมการทำงานผ่านทางคอมพิวเตอร์ พื้นที่ส่วนเขียนโปรแกรมจะเรียกว่า Block Diagram เปรียบเสมือนกับ Hardware ภายในเครื่องมือวัดโดย LabVIEW จะเขียนโปรแกรมโดยอาศัยรูปภาพ

ภาพที่ 2-8 Block Diagram ของโปรแกรม LabVIEW
ที่มา: http://www.research-system.siam.edu
2.3.2 ส่วนประกอบต่าง ๆ ใน LabVIEW
โปรแกรมที่เขียนขึ้นมาโดย LabVIEW เราจะเรียกว่า Virtual Instrument (VI) เพราะ ลักษณะที่ปรากฏทางจอภาพเมื่อผู้ใช้ใช้งานจะเหมือนกับ เครื่องมือหรืออุปกรณ์ทางวิศวกรรม ใน ขณะเดียวกัน หลังฉากของอุปกรณ์เสมือนจริงเหล่านั้นจะเป็นการทำงานของ ฟังก์ชัน Subroutines และโปรแกรมหลักเหมือนกับภาษาทั่วไป สำหรับ VI หนึ่ง ๆ จะประกอบด้วยส่วนประกอบ 3 ส่วน คือ
1.) Front Panel
2.) Block Diagram
3.) Icon และ Connector

    1.)  Front Panel คือ หน้าต่างที่ใช้สำหรับเป็นส่วนติดต่อระหว่างผู้ใช้ หรือที่เรียกว่า User Interface กับโปรแกรม ซึ่งหน้าต่างนี้ใช้สำหรับออกแบบหน้าปัดด้านหน้าของเครื่องมือ วัดให้เหมือนกับหน้าปัดด้านหน้าของเครื่องมือวัดของจริง ทำได้โดยนำเอาอุปกรณ์ที่ต้องการ มาวางลงบนตำแหน่งใด ๆ เช่น โวลุ่มปรับค่าได้ หลอดไฟแอลอีดี เทอร์โมมิเตอร์ กราฟแสดงผล สวิตช์เปิดปิด หรือปุ่มกด เป็นต้น

ภาพที่ 2-9 Front Panel ของโปรแกรม LabVIEW

    2.)  Block Diagram เพื่อให้เกิดความเข้าใจง่ายขึ้น เราอาจมอง Block Diagram นี้เป็นเสมือนกับ Source Code หรือโปรแกรมของ LabVIEW ซึ่งปรากฏว่าอยู่ในรูปของภาษา G ซึ่ง Block Diagram นี้ถือว่า เป็น Executable Program คือสามารถที่จะทำงานได้ทันทีและข้อดีอีกประการหนึ่งก็คือ LabVIEW จะมีการตรวจสอบความผิดพลาดของโปรแกรมตลอดเวลา ทำให้โปรแกรมจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อไม่มีข้อผิดพลาดในโปรแกรมเท่านั้นโดยผู้ใช้สามารถที่จะดูรายละเอียดของความผิดพลาดแสดงให้เห็นได้ตลอดเวลา ทำให้การเขียนโปรแกรมนั้น ง่ายขึ้นมาก ส่วนประกอบภายใน Block Diagram นี้จะประกอบด้วยฟังก์ชัน ค่าคงที่โปรแกรมควบคุม การทำงานหรือโครงสร้าง จากนั้น ในแต่ละส่วนเหล่านี้ซึ่งจะปรากฏในรูปของ Block เราจะได้รับ การต่อสาย (Wire) สำหรับ Block ที่เหมาะสมเข้าด้วยกัน เพื่อกำหนดลักษณะการไหลของข้อมูล ระหว่าง Block เหล่านั้น ทำให้ข้อมูลได้รับการประมวลผลตามที่ต้องการและแสดงผลออกมาให้แก่ผู้ใช้ต่อไป

ภาพที่ 2-10 Block Diagram ของ LabVIEW

    3.)  Icon และ Connector เปรียบเสมือนโปรแกรมย่อย Subroutine ในโปรแกรมปกติทั่ว ๆ ไป โดย Icon จะหมายถึง Block Diagram ตัวหนึ่งที่มีการส่งข้อมูลเข้าและออกผ่านทาง Connector ซึ่ง ใน LabVIEW เราจะเรียก Subroutine นี้ว่า SubVI ข้อดีของการเขียนโปรแกรมด้วยภาษา G นี้ก็คือเรา สามารถสร้าง VI ทีละส่วนขึ้นมาให้ทำงานด้วยตัวเองได้อย่างอิสระจากนั้น ในภายหลักหากเรา ต้องการเราก็สามารถเขียน โปรแกรมอื่นขึ้นมาเพื่อเรียกใช้งาน VI ที่เราเคยสร้างขึ้นก่อนหน้านี้ทีละ ตัว ซึ่งทำให้ VI ที่เราเขียนขึ้นก่อนกลายเป็น SubVI ไปการเขียนในลักษณะนี้เราเรียกว่า เขียนเป็น  Module สำหรับลักษณะทั่ว ไปของ Icon และ Connector จะแสดงในรูปต่อไปนี้เราจะเห็นว่า เมื่อเรา แสดงในรูปของ Connector เราจะพบว่า มีช่องต่อข้อ มูลหรือที่เรียกว่า Terminal ปรากฏให้เห็น

ภาพที่ 2-11 ลักษณะทั่วไปของ Icon และ Connector
ที่มา: http://www.research-system.siam.edu

2.4 ทฤษฎีความเค้นและความเครียด
การวิเคราะห์การออกแบบโครงสร้างหรือเครื่องจักรกลใด ๆ มีข้อพิจารณาอยู่ 2 ข้อ คือ

1. ภายในโครงสร้างแข็งแรงพอที่จะรับน้ำหนักหรือแรงที่กระทำได้หรือไม่
2. ภายในโครงสร้างแข็งแรงพอที่จะไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปร่างมากเกินไปหรือไม่
   วิชากลศาสตร์ จะพิจารณาแรงในวัตถุโดยไม่คำนึงถึงขนาดที่เปลี่ยนแปลง แต่ในวิชากลศาสตร์ของแข็ง จะต้องพิจารณาทั้งสองอย่างนี้พร้อมกัน 2.4.1 ชนิดของแรง (Types of loads)
   แรงที่กระทำต่อวัสดุหรือส่วนของโครงสร้างใด ๆ สามารถแบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
   1.) แรงที่อยู่นิ่ง (static load) เป็นแรงที่กระทำต่อชิ้นส่วนของโครงสร้างอย่างช้า ๆ จนกระทั่งมีค่าถึงค่าหนึ่ง แล้วจะมีค่าคงที่อยู่ตลอดไปหรือเกือบเท่ากับค่านั้นตลอดไป เช่น แรงที่กระทำบนอาคารต่าง ๆ แรงเนื่องจากความดัน ของภายในหม้อความดันที่กระทำต่อรอยเชื่อม
   2.) แรงที่กระทำช้ำ ๆ (repeated load) หมายถึง แรงหรือน้าหนักที่กระทำต่อโครงสร้างหรือวัสดุหลายครั้งซ้ำ ๆ กัน และสลับกันไปมา ในช่วงเวลาหนึ่ง เช่น แรงกระทำต่อข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ เพลารถไฟ ก้านลูกสูบของเครื่องอัด อากาศ ฯลฯ
   3.) แรงกระแทก (impact load) เป็นแรงที่กระทำต่อชิ้นส่วนในระยะเวลาอันสั้นโดยปกติแล้วไม่สามารถที่จะหาระยะเวลาที่แรง กระแทกนี้กระได้ล่วงหน้า เช่น แรงกระแทกที่เกิดจากรถยนต์วิ่งข้ามสะพาน หรือการปล่อย น้าหนักกระทบบนส่วนของโครงสร้าง เป็นต้น 2.4.2 ความเค้น (Stress)
   ความเค้น คือ แรงภายนอกที่มากระทำผ่านจุดศูนย์ถ่วงของพื้นที่หน้าตัดของวัสดุนั้น หรือ คือแรงภายนอกต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ใช้สัญลักษณ์ว่า σ (sigma) โดยวิธี take limit จะได้ว่า
   (2.1)

เมื่อวัตถุอยู่ในสภาวะสมดุล แรงภายนอกที่มากระทำบนวัตถุจะต้องมีแรงภายในต้าน ขนาดรวมแล้วเท่ากับแรงภายนอกของวัตถุที่ถูกกระทำ

ภาพที่ 2-12 ความเค้นในวัสดุ
ที่มา: มนตรี (2558)
แรงภายนอก (F) = แรงภายใน (P)
ดังนั้น (2.2)
กำหนดให้ คือ เป็นแรงภายนอกต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ ซึ่งเรียกว่า ความเค้น (stress)
A คือ พื้นที่หน้าตัดของท่อนวัตถุ
F คือ แรงภายนอกที่กระทำกับวัตถุ
เนื่องจากในที่นี้เราจะใช้หน่วยระบบเอสไอ (SI metric units) ดังนั้นแรง (F) จึงมีหน่วย เป็นนิวตัน (N) พื้นที่ (A) มีหน่วยเป็นตารางเมตร (m2)และความเค้น (σ) มีหน่วยเป็นนิวตันต่อ ตารางเมตร (N/m2) หรือเรียกว่า ปาสคาล (Pa)
ชนิดของความเค้นที่เกิดขึ้นกับวัสดุสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิด คือ
1.) ความเค้นดึง (Tensile Stress) สัญลักษณ์ σ_tจะเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่ภายใต้แรงดึง โดย แรงดึงจะต้องตั้งฉากกับพื้นที่หน้าตัดที่กระทำนั้น ความเค้นดึงจะให้เครื่องหมายแสดงเป็นบวก

ภาพที่ 2-13 แรงดึงกระทำจากวัตถุ
ที่มา: มนตรี (2558)

จะได้สมการ (2.3)
กำหนดให้ σt คือ ความเค้นดึงที่เกิดขึ้นมีหน่วยเป็น N/m
σt คือ ความเค้นดึงที่เกิดขึ้นมีหน่วยเป็น N/m
A คือ พื้นที่หน้าตัดของท่อนวัตถุมีหน่วยเป็น m2
F คือ แรงดึงที่กระทำกับท่อนวัตถุมีหน่วยเป็น N จะได้ความสัมพันธ์
2.) ความเค้นอัด (compressive stress) สัญลักษณ์ σ_cจะเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่ภายใต้ แรงอัดโดยแรงอัดจะต้องกระทำตั้งฉากกับพื้นที่หน้าตัดของท่อนวัตถุที่กระทำนั้น ความเค้นดึงจะ ให้เครื่องหมายแสดงเป็นลบ

ภาพที่ 2-14 แรงอัดกระทำจากวัตถุ
ที่มา: มนตรี (2558)

จะได้สมการ (2.4)
กำหนดให้ σc คือ ความเค้นอัดที่เกิดขึ้นมีหน่วยเป็น N/m
A คือ พื้นที่หน้าตัดของท่อนวัตถุมีหน่วยเป็น m2
F คือ แรงอัดที่กระทำกับท่อนวัตถุมีหน่วยเป็น N จะได้ความสัมพันธ์

3.)  ความเค้นเฉือน (shear stress) สัญลักษณ์ τ (tau) เป็นแรงภายนอกที่มากระทำต่อ วัตถุนั้นโดยพยายามทำให้วัตถุเกิดการขาดจากกันตามแนวระนาบที่ขนานกับทิศทางของแรงนั้น

ภาพที่ 2-15 แรงเฉือนที่พยายามทำให้วัตถุขาด
ที่มา: มนตรี (2558)

จะได้สมการ (2.5)
กำหนดให้ σ คือ ความเค้นเฉือนที่เกิดขึ้น มีหน่วยเป็น N/m2
A คือ พื้นที่หน้าตัดที่ขนานกับแรง มีหน่วยเป็น m2
F คือ แรงเฉือนที่กระทำกับท่อนวัตถุ มีหน่วยเป็น N

2.5 แรงบิด (Torque)
ทอร์ก คือแรงที่พยายามจะหมุนมวล คุณสามารถสร้างทอร์กได้ด้วยตนเองโดยการใช้ประแจขันน๊อต แรงที่คุณกระทำกับด้ามจับ คือทอร์กที่พยายามหมุนน๊อตให้แน่นนั่นเอง

ภาพที่ 2-16 ลักษณะแรงที่กระทำให้เกิดแรงบิด
ที่มา: พงษ์ศักดิ์และคณะ (2559)

หน่วยอังกฤษของทอร์กคือ ปอนด์ – นิ้ว หรือ ปอนด์ – ฟุต หน่วย SI คือ นิวตัน – เมตร หน่วยของทอร์กเกิดจากแรงคูณด้วยระยะทาง ถ้าคุณจะหาทอร์ก คุณจะต้องคูณแรงที่กระทำกับระยะทางที่วัดห่างจากจุดหมุนในแนวตั้งฉาก ในกรณีของการขันน๊อต ถ้าประแจมีด้ามยาว 1 ฟุต และคุณออกแรงขนาด 200 ปอนด์ ในแนวตั้งฉากกับด้าม ทอร์กที่คุณได้คือ 200 ปอนด์-ฟุต แต่ถ้าคุณใช้ประแจที่มีด้ามยาว 2 ฟุต คุณใช้แรงเพียง 100 ปอนด์เพื่อสร้างทอร์กขนาดเดียวกัน
ทอร์ก (T) หรือ โมเมนต์ของแรง (Moment of a force) คือ ความพยายามของแรงที่จะหมุนวัตถุรอบแกนหรือจุดหมุนหรือก็คือ โมเมนต์ของวัตถุที่เคลื่อนที่แบบหมุน มีหน่วย Nm เกิดจากผลคูณเชิงเวกเตอร์ของเวกเตอร์ตำแหน่ง r กับแรง F
(2.6)
กำหนดให้ T คือ ทอร์กของแรง หน่วยเป็น Nm
R คือ รัศมีการหมุนของวัตถุ หน่วยเป็น m
F คือ แรงที่กระทำต่อวัตถุในทิศตั้งฉากกับรัศมีของการหมุน หน่วยเป็น N

2.6 กำลัง (Power)
จากความรู้เรื่องงานพบว่า งานที่เกิดจะเกี่ยวข้องกับแรง และการกระจัดเท่านั้น ไม่เกี่ยวกับปริมาณอื่น เช่น ไม่เกี่ยวข้องกับเวลา แต่ยังมีปริมาณที่เกี่ยวข้องกับงานและเวลาที่ใช้ในการเกิดงานอีก เช่น งานที่ทำใช้เวลาน้อยเรากล่าวว่าจะมีกำลังมากกว่าในช่วงงานที่ทำในเวลาที่มากกว่า
นิยาม กำลัง คือ อัตราที่ทำงานหรืองานที่เกิดขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลา
กำหนดให้ W คือ งานที่ทำได้ มีหน่วยเป็นจูล (J)
t คือ เวลาที่ใช้ในการทำงาน มีหน่วยเป็นวินาที (s)
P คือ กำลังมีหน่วยเป็น (Watt) หรือ J/s
S คือ ระยะทางมีหน่วยเป็น (m)
จากนิยามของกำลังเขียนเป็นสมการได้ว่า
(2.7)
(2.8)
หน่วยของกำลัง คือ J/s หรือเรียกว่า Watt (วัตต์) “W”
การหากำลังของวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว V
(2.9)
2.7 การออกแบบเพลาตามเกณฑ์ของ ASME
วิธีดังกล่าวนี้ใช้ทฤษฎีความเค้นเฉือนสูงสุด และไม่พิจารณาถึงความล้าหรือความเค้นหนาแน่นที่เกิดขึ้นบนเพลา ซึ่งเป็นการออกแบบโดยวิธีสถิตศาสตร์ (Static Design Method) ในการหาสมการสำหรับการออกแบบเพลาให้พิจารณาในรูปที่ 2-17 ให้เป็นแบบเพลากลมและกลวง โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในและภายนอกเท่ากับ d1 และ d ตามลำดับความเค้นต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นบนเพลามีดังต่อไปนี้

ภาพที่ 2-17 เพลาอยู่ภายใต้แรงต่าง ๆ
ที่มา: วริทธิ์ และชาญ (2556)

ความเค้นดึงหรือกด (2.10)
ความเค้นดัด (2.11)
ความเค้นเฉือน (2.12)

ในกรณีที่เป็นแรงกด อาจมีผลจากการโก่งงอ (Buckling) ได้ ดังนั้นสมการที่ (2.10) จะกลายเป็น (2.13)

เพลาส่วนมากจะอยู่ภายใต้ความเค้นที่เป็นวัฏจักร ทั้งนี้เพราะเพลาหมุนอยู่ตลอดเวลานอกจากนั้นแรงที่กระทำยังอาจจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาก็ได้ ดังนั้นเพลาจึงเกิดความเสียหายเนื่องจากความล้าเป็นส่วนใหญ่ สำหรับวิธีการคำนวณของ ASME ใช้วิธีการแบบสถิตยศาสตร์ ดังนั้นจึงต้องมีตัวประกอบความล้า (Fatigue Factor) มาเกี่ยวข้องด้วย
ถ้าให้ Cm คือ ตัวประกอบความล้าเนื่องจากการตัด
Ct คือ ตัวประกอบความล้าเนื่องการการบิด
ดังนั้นสมการที่ (2.11) และสมการที่ (2.12) จึงกลายเป็น
(2.14)
และ (2.15)

ความเค้นกดหรือความเค้นดึงรวมคือ
(2.16)
จากทฤษฎีความเค้นเฉือนสูงสุด

แทนค่าสมการที่ (2.13) , (2.14) , (2.15) และสมการที่ (2.16) ลงในสมการข้างบนนี้แล้วจัดรูปใหม่ได้ว่า
(2.17)
โดยที่
ในกรณีที่ไม่มีแรง F กระทำอยู่ด้วย สมการที่ (2.17) จะลดรูปเหลือเพียง
(2.18)
หรือในกรณีของเพลา เมื่อแทนค่าลงในสมการที่ (2.18) ก็จะได้สมการที่คล้ายกับในหนังสือกลศาสตร์วัสดุทั่วไปคือ
(2.19)
ค่าตัวประกอบความล้าสามารถเลือกใช้ตามลักษณะของแรงที่มากระทำซึ่งหาดูได้จากตารางภาคผนวกที่ 1

2.8 การหาคำนวณหากำลังของมอเตอร์
เมื่อต้องการจะคำนวณหามอเตอร์จะได้แรง F นิวตัน ที่กระทำสัมผัสกับเพลาที่หมุนด้วยความเร็วรอบ n รอบต่อนาที ขณะเพลาหมุนไป 1 รอบสามารถหาค่าต่าง ๆ ได้ดังนี้การคำนวณหาระยะทางที่ ขณะที่เพลาหมุนไป 1 รอบ สามารถคำนวณหาได้ดังแสดงในสมการที่ (2.20)
สมการที่ใช้ในการคำนวณระยะทางที่เคลื่อนที่
(2.20)
การคำนวณหางานในการหมุนเพลา 1 รอบ คำนวณหาได้ดังแสดงในสมการที่ (2.21)
สมการที่ใช้ในการคำนวณหางาน
(2.21)
การคำนวณหางานในการที่เพลากระทำต่อวินาที ขณะเพลาหมุน n รอบต่อนาทีสามรถคำนวณได้ดังสมการที่ (2.22)
สมการที่ใช้ในการคำนวณหางานที่เพลากระทำต่อวินาที
(2.22)
การคำนวณหาแรงบิด สามารถคำนวณได้จากสมการที่ (2.23)
สมการที่ใช้คำนวณในการหาแรงบิด
(2.23)
ดังนั้น การคำนวณหากำลังมอเตอร์สามารถคำนวณหาได้ ดังสมการที่ (2.24)
(2.24)
เมื่อ P คือ กำลังหน่วยเป็นวัตต์ (Watt)
T คือ โมเมนต์แรงบิด มีหน่วยเป็น นิวตันเมตร
n คือ ความเร็วของเพลามีหน่วยเป็นรอบต่อนาที
r คือ รัศมีของแกนเพลามีหน่วยเป็นเมตร
การคำนวณหาความเค้นเฉือนสามารถคำนวณได้ดังสมการที่ (2.25)

จากสูตร (2.25)
เพราะฉะนั้นจะได้ (2.26)

จากสูตร (2.27)
เมื่อ τ คือ ความเค้นเฉือน
V คือ ความปลอดภัย
σzul คือ ค่าความเค้นสูงสุด N/mm
σlim คือ พิกัดความเค้นขึ้นอยู่กับลักษณะการรับแรง

2.9 การแทนระบบควบคุมด้วยภาพบล็อกไดอะแกรม
ปกติการวิเคราะห์ระบบส่วนใหญ่ จะพิจารณาระบบจริงซึ่งเป็นระบบที่ค่อนข้างจะสลับซับซ้อน การอธิบายโดยตรงด้วยสมการเชิงอนุพันธ์เป็นเรื่องที่เข้าใจยาก วิธีการหนึ่งที่จะอธิบายให้ข้าใจง่ายขึ้น คือ การเขียนภาพบล็อกแทนวงจรที่ยุ่งยากเสียก่อน จากนั้นนำแต่ละบล็อกมาประกอบเข้าด้วยกัน เพื่อหาทรานเฟอร์ฟังก์ชันรวมของระบบ ข้อได้เปรียบของการนำภาพบล็อกแทนระบบ คือกรณีที่ระบบควบคุมมีองค์ประกอบแตกต่างกัน และเป็นอิสระต่อกัน เราสามารถหาทรานเฟอร์ของแต่ละภาพบล็อกก่อน แล้วนำมาร่วมกันเพื่อหาทรานเฟอร์ฟังก์ชันของระบบ
ส่วนประกอบที่สำคัญชองภาพบล็อกมี 3 ส่วน คือ ส่วนแรกเป็นสัญญาณทางเข้า (Input) ส่วนที่สองฟังก์ชันถ่ายโอน (Transfer function) และส่วนที่สามสัญญาณทางออก (Output) ซึ่งภาพบบล็อกไดอะแกรมจะมีการทำงานแบบทิศทางเดียว ตามทิศทางหัวลูกศร ดังภาพที่ 2-18

ภาพที่ 2-18 ภาพบล็อกไดอะแกรม
ที่มา: สุมาลี (2545)

บล็อกไดอะแกรมในระบบควบคุมคุณสมบัติไหลได้ในทิศทางเดียวดังภาพที่ 2-19

ภาพที่ 2-19 แสดงทิศทางการไหลของภาพบล็อก
ที่มา: สุมาลี (2545)

ระบบที่ใช้งานจริงจะมีระบบป้อนกลับ เพื่อนำสัญญาณททางออกกลับมาควบคุมให้ระบบทำงานตามต้องการ ลักษณะของระบบที่มีการป้อนกลับดังแสดงในภาพที่ 2-20

ภาพที่ 2-20 ระบบควบคุมป้อนกลับ
ที่มา: สุมาลี (2545)

ภาพที่ 2-21 สัญญาณที่จุดรวม
ที่มา: สุมาลี (2545)

จากภาพที่ 2-21 สามรถอธิบายถึงการทำงานของจุดรวม (Summing Point) สัญญาณซึ่งที่จุดรวมสัญญาณจะประกอบไปด้วยการบวก การลบ และการคูณของสัญญาณรวมทั้งจุดที่สัญญาณแยกไป
ระบบป้อนกลับจะนำเอาสัญญาณทางออก C(s) ป้อนกลับมายังจุดรวม (Summing point) เพื่อนำไปเปรียบเทียบกับสัญญาณทางเข้า R(s) ผลการเปรียบเทียบจะเรียกว่า สัญญาณผลต่าง (Error signal) ของระบบ
ซึ่งสัญญาณทางออก C(s) เกิดจากผลคูณของฟังก์ชันการโอนย้ายไป G(s) กับสัญญาณผลต่าง E(s) ในระบบควบคุมที่เป็นเชิงเส้นใด ๆ จะเขียนแทนด้วยภาพบล็อกที่ประกอบด้วยบล็อกจุดรวมและจุดแยก เมื่อสัญญาณทางออกถูกป้อนกลับไปยังจุดรวม เพื่อนำการเปรียบเทียบกับสัญญาณทางเข้านั้น จำเป็นต้องแปลงสัญญาณทางออกให้มีรูปแบบเหมือนสัญญาณทางเข้าเสียก่อน 

บทที่ 3
อุปกรณ์และวิธีการ

3.1 อุปกรณ์ (materials)
ในการสร้างโครงงานชิ้นนี้มีส่วนประกอบทั้งด้านฮาร์ดแวร์และทางด้านซอฟแวร์โดยมีการประยุกต์ใช้วัสดุอุปกรณ์รวมทั้งเครื่องมือช่างหลาย ๆ ชนิดในการสร้างโครงงานชิ้นนี้ จึงจำแนกอุปกรณ์ได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ อุปกรณ์ส่วนที่เป็นฮาร์ดแวร์ และอุปกรณ์ส่วนที่เป็นซอฟแวร์

3.1.1  อุปกรณ์ส่วนที่เป็นฮาร์ดแวร์
    1.)  เซอร์โวมอเตอร์กระแสตรง (Direct Current  Servo Motor) คือ มอเตอร์ที่มีโรเตอร์แบบพันขดลวดอาร์มาเจอร์เหมือนกับมอเตอร์กระแสตรงทั่วไป มีแปรงถ่านเพื่อจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงให้มอเตอร์ ขดลวดสนามเป็นแม่เหล็กถาวร เซอร์โวมอเตอร์กระแสตรงมีแรงเฉื่อยในตัวน้อยกว่ามอเตอร์กระแสตรงทั่วไป ทำให้การควบคุมมีความแม่นยำกว่า นิยมใช้กับงานหุ่นยนต์ แขนกล เพื่อควบคุมความเร็วและตำแหน่งร่วมกันกับระบบทางกล ระบบเซอร์โวที่ดีจะต้องตอบสนองต่อตำแหน่งและความเร็วได้อย่างรวดเร็วเหมาะสม

ภาพที่ 3-1 MOTOR RE 25 Ø25 mm, Precious Metal Brushes CLL, 10 Watt
2.) Incremental Rotary Encoder เป็นเอ็นโค้ดเดอร์ที่รูปแบบสัญญาณเอาท์พุตที่ออกมาเป็นลักษณะของสัญญาณพัลส์ที่เป็นคลื่นรูปสี่เหลี่ยม ซึ่งจะไม่เหมือนกับไซน์เวฟ โดยจำนวนพัลส์ที่ออกมานั้น จะมีความสัมพันธ์กับระยะการเคลื่อนที่ ตำแหน่ง ระยะห่าง ความเร็ว และ ความเร่ง นอกจากนี้ยังสามารถระบุได้ถึงทิศทางการหมุนของตัวเอ็นโค้ดเดอร์ได้ว่าจะ หมุน ตามเข็มนาฬิกา หรือ ทวนเข็มนาฬิกา โดยอาศัยการตรวจจับทิศทางการหมุนจากมุมเฟสของสัญญาณเอาท์พุต A กับ B ว่าสัญญาณใดเกิดก่อนกัน ซึ่งจะมีมุมเฟสที่ต่างกันอยู่ 90 องศา
เอ็นโค้ดเดอร์แบบนี้ มีข้อเสียตรงที่ไม่สามารถจดจำตำแหน่งแกนหมุนของตัวเองได้ว่าอยู่ที่จุดใด ด้วยเหตุนี้การหมุนกลับไปยังตำแหน่งเริ่มต้น Homing Point นั้นจะทำได้ยาก จึงต้องอาศัยการเก็บข้อมูลพัลส์ตั้งแต่เริ่มต้น เพื่อหาค่าตำแหน่ง ซึ่งในบางครั้งอาจจะอ้างอิงจากจุด Zero Point ซึ่งจะสัญญาณพัลส์ที่เกิดขึ้นทุกการหมุน 1 รอบ แล้วค่อยดูว่าหมุนไปทิศทางใด ระยะทางเท่าไร จากจุดนี้

ภาพที่ 3-2 สัญญาณพัลส์ที่เกิดจาก Incremental Rotary Encoder
ที่มา: www.factomart.com

Product Details : Incremental Rotary Encoder
Product Name : LPD3806600BM-G5-24C AB Two-Phase 5-24V 600 Pulses Incremental Optical Rotary Encoder
Type : Rotary Encoder
Working Principle : Incremental
Operating System : Photoelectric Type
Signal Output : Open Collector Output
Axle Sleeve Type : Large Diameter Type
Axonia : Synchronous FlangeType
Specification : 600 PPR
Pulses : 600
Weight : 0.17 kg
Size : 10cm x 8cm x 7cm
Wiring : Green = A phase
White = B phase
Red = Vcc
Black = GND

1. Electrical specification : Resolution (P/R) : 600
   Standard with 1.5M cable
   Supply voltage : DC 5V-24V
   Max Current Consumption : 40 mA
   Max Response Frequency : 30KHz
   Maximum mechanical speed 5000 rev / min
   Integrated speed 2000 rev / min
2. Mechanical specification : Starting torque : 1.5×103 N.M
   Moment of inertia : 3.5×6 kgm2
   Shaft loading/Radial : 10N
   Thust loading/Radial : 20N
   Max Allowable revolution : 2000rpm
   Net Weight : 100g
   3.) Timing Belt และ Pulley สายพานไทม์มิ่ง (Timing Belt) ตัวสายพานจะมีฟันเฟืองตลอดความยาวของสายพาน ฟันของสายพานทำด้วยยางเทียม เป็นสายพานที่มีแกนรับแรงด้วยลวดเหล็กกล้า หรือทำด้วยลวดไฟเบอร์ฝังอยู่ในยางเทียม มีหน้าตัดเป็นรูปสี่เหลียมคางหมู ซึ่งจะหุ้มด้วยเส้นใยไนลอนเพื่อลดการสึกหรอ สายพานชนิดนี้สามารถงอตัวได้ดี ใช้กับมู่เล่ล้อเล็ก ๆ ได้ เนื่องจากร่องสายพานจะมีขนาดเดียวกับบนร่องมู่เล่ (Pulley) ทำให้เกิดการขบกันเหมือนฟันเฟือง จึงไม่เกิดการลื่นไถลขณะส่งกำลัง สามารถใช้เป็นตัวส่งกำลังงานในเครื่องยนต์ โดยเป็นตัวขับเฟืองเพลาข้อเหวี่ยงและเพลาราวลิ้น และจะไม่เสียงดังขณะทำงาน

ภาพที่ 3-3 Timing Belt และ Pulley

    4.) Bearing ตลับลูกปืนเม็ดกลมสัมผัสเชิงมุม (Angular Contact Ball Bearings) เป็นตลับลูกปืนที่ออกแบบมาให้เหมาะสำหรับการรับแรงรวมที่เกิดจากแรงในแนวรัศมี และแรงในแนวแกนได้ดี และช่วยเพิ่มความแข็งแรงของเพลา 

ภาพที่ 3-4 Bearing และ ตลับลูกปืนเม็ดกลมสัมผัสเชิงมุม
5.) Aluminium Profile (อลูมิเนียมโปรไฟล์) หรือ Aluminum Frame (อลูมิเนียมเฟรม) มีคุณสมบัติพิเศษที่แตกต่างจากโลหะ ลูมิเนียมที่ขึ้นรูปเป็นแท่งยาว สำหรับใช้ในงานโครงสร้างและงานอุตสาหกรรม มีน้ำหนักเบา ไม่เป็นสนิม และรองรับน้ำหนักได้สูง จึงถูกใช้ในงานต่าง ๆ เช่น Product display, Exhibition มีความแข็งแรง สามารถใช้งานทดแทนเหล็กได้เป็นอย่างดี

ภาพที่ 3-5 Aluminium Profile

ภาพที่ 3-6 Point Load และ Distributed Load ตามลำดับ
ที่มา: http://www.dojogarden.com
รับน้ำหนักสูงสุด
Point Load / 1,000 mm = 10 kg
Distributed Load / 1,000 mm = 20 kg
6.) Aluminium (อลูมิเนียม) เป็นโลหะที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์มากทั้งในอุตสาหกรรม สามารถขึ้นรูปได้ง่าย ไม่เสี่ยงต่อรอยร้าว เป็นโลหะที่มีคุณสมบัติคงทนต่อการหัก ความร้อน การกัดกร่อน มีความหนาแน่นน้อย น้ำหนักเบา และมีความสามารถในการสะท้อนแสง และความร้อนได้ดี อัตราความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง ความเหนียวที่ต้านการแตกหักสูง และไม่เป็นพิษต่อมนุษย์ อลูมิเนียมมีน้ำหนักเพียง 1 ใน 3 เท่าของเหล็กและทองแดงทำให้มันเป็นโลหะในเชิงพาณิชที่มีน้ำหนักเบาที่สุด

ภาพที่ 3-7 Aluminium

    7.)  Flexible Coupling เป็นอุปกรณ์เชื่อมต่อระหว่างชิ้นงานหรือเป็นตัวรับแรงของแกนจะมีลักษณะยืดหยุ่น ซึ่งจะสามารถป้องกันชิ้นงานหรือตัวมอเตอร์ที่เกิดแรงบิดมากเกินไปที่จะสร้างความเสียหายอย่างมากต่ออุปกรณ์ต่าง ๆ ของระบบส่งกำลัง ตัว “COUPLING” ก็จะเกิดการหักหรือฉีกขาดก่อน

ภาพที่ 3-8 Flexible Coupling
Flexible Coupling ที่เลือกใช้เป็น Flexible Coupling 6×8 mm CNC Motor Jaw Shaft Coupler 6 mm.To 8 mm.
Material: Aluminum Alloy Total Length (L): 25 mm
Outer Diameter (D): 19 mm Shaft: 6 mm x 8 mm

ภาพที่ 3-9 Flexible Coupling 6×8 mm. CNC Motor Jaw Shaft Coupler 6 mm. To 8 mm.
ที่มา: www.mechashop.ne

    8.)  Spring สปริงดึง Extension Spring เป็นสปริงที่มีลักษณะเป็นเกลียวหรือขดโดยปลายทั้ง 2 ด้านจะเป็นห่วงหรือตะขอเกี่ยวเพื่อยึดจับ สามารถยืดตัวออกเมื่อมีการดึง ทำหน้าที่ในการรับแรงต้านหรือแรงดึง 

ภาพที่ 3-10 สปริงรับแรงดึง
9.) บอร์ดควบคุม DC Motor โครงสร้างแบบ H-bridge ออกแบบขึ้นมาเพื่อสลับขั้วแรงดันที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ทำให้สามารถสลับทิศทางการหมุนของมอเตอร์ได้ โครงสร้าง H-bridge ประกอบด้วยสองส่วน คือส่วนตัดต่อกระแส หรือ switching element ซึ่งในที่นี้เราใช้มอสเฟต และ load ซึ่งก็คือมอเตอร์
มอสเฟต (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor or Mosfet) คืออุปกรณ์ที่ตัดต่อกระแส ในที่นี้สามารถนำมาใช้เป็น switching element ได้ (อาจจะใช้ BJT แทนได้เช่นกัน) ข้อดีของมอสเฟต คือจ่ายกระแสได้สูง อัตราสูญเสียต่ำ เมื่อเทียบกับ bjt (bijuntion transistor)
คุณสมบัติบอร์ด บอร์ดควบคุม DC Motor (H-BRIDGE/POWER MOSFET 80-160A)
ใช้ Power Mosfet ขนาด 80-160A เป็นวงจรขับ DC Motor
มีไอซี Opto เพื่อแยกกราวด์ระหว่างวงจร Drive และ Power
สามารถควบคุมความเร็ว DC MOTOR ด้วยสัญญาณ PWM
สามารถเปลี่ยนทิศทางการหมุนของ DC MOTOR ได้
บอร์ดออกแบบมาให้สามารถหยุดการหมุนของ DC MOTOR ได้ 2 แบบคือ หยุดแบบช้า และหยุดทันที
มี LED แสดงสถานะแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงวงจร 3 แหล่งจ่าย
มี LED แสดงทิศทางการหมุน DC MOTOR, CW และ CCW
มี LED แสดงสถานะ ON/OFF การสั่งงาน (ENABLE หรือ ENA)
วงจรป้องกัน ขณะเปลี่ยนทิศทางการหมุนของ DC MOTOR
ลายวงจรออกแบบให้นำกระแสสูงได้ดี

ภาพที่ 3-11 บอร์ด H-BRIDGE/POWER MOSFET 80-160A
ที่มา: http://www.hy.co.th

ตารางที่ 3-1 การส่งสัญญาณควบคุม DC MOTOR
ENA/PWM DIR1 DIR2 Status DC Motor
0 X X Slow Stop
1 0 0 Slow Stop
1 0 1 Rotate Right
1 1 0 Rotate Left
1 1 1 Fast Stop
ที่มา: http://www.hy.co.th

    10.)  Arduino Board เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ตระกูล AVR ที่มีการพัฒนาแบบ Open Source คือมีการเปิดเผยข้อมูลทั้งด้าน Hardware และ Software 
    Arduino Board เป็นชิ้นส่วนหลัก ถูกนำมาประกอบร่วมกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ เพื่อให้ง่ายต่อการใช้งาน

ภาพที่ 3-12 Arduino Board
ที่มา: https://uae.souq.com

    11.)  LED Driver Power Supply เป็นอุปกรณ์ที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ โดยจะทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC)

ภาพที่ 3-13 Driver Power Supply
ที่มา: https://www.dhgate.com
12.) NI myRIO-1900 National Instruments myRIO 1900 เป็นอุปกรณ์ I / O (RIO) ที่สามารถใช้เพื่อออกแบบระบบควบคุมหุ่นยนต์และระบบเมคคาทรอนิกส์

ภาพที่ 3-14 NI myRIO-1900
ที่มา: https://www.ebay.com

3.1.2  อุปกรณ์ส่วนที่เป็นซอฟแวร์
    1.)  โปรแกรม LabVIEW เป็นการเขียนโปรแกรมด้วยภาษารูปภาพ (Graphical Language) ที่อาศัยหลักการเขียนโปรแกรมแบบการไหลของข้อมูลหรือ Data Flow ซึ่งคล้ายคลึงกับการทำงานของบล็อกไดอะแกรม (Block Diagram) ที่มีการไหลเข้า (Input) ของข้อมูลและการไหลออก (Output) ของข้อมูลของบล็อกไดอะแกรม โดยจะทำงานจากบล็อกไดอะแกรมหนึ่งไปยังอีกบล็อกไดอะแกรมหนึ่งต่อไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะครบทุกบล็อกไดอะแกรม
    2.)  โปรแกรม Arduino IDE อาดุยอิโน่ ไอดีอี IDE ย่อมาจาก (Integrated Development Environment)  Arduino IDE เป็นเครื่องมือสำหรับเขียนโปรแกรมด้วยภาษา Arduino คอมไพล์โปรแกรม (Compile) และอัปโหลดโปรแกรมลงบอร์ด (Upload)

3.2 วิธีการ (methods)
3.2.1 ออกแบบร่างโครงสร้างเบื้องต้น
เป็นการออกแบบร่างโครงสร้างเบื้องต้น เพื่อทำการวิเคราะห์เลือกวัสดุและอุปกรณ์ มาใช้ในการสร้างตัวชิ้นงาน
3.2.2 ทำการออกแบบโดยใช้ โปรแกรม SolidWorks 2016

ภาพที่ 3-15 การเข้าสู่โปรแกรม SolidWorks 2016
ทำชิ้นส่วน และอุปกรณ์ต่าง ๆ โดยใช้โปรแกรม SolidWorks 2016

ภาพที่ 3-16 อุปกรณ์ต่าง ๆ วาดโดยโปรแกรม SolidWorks 2016
ทำการ mate อุปกรณ์และชิ้นส่วนโครงสร้างเข้าด้วยกัน

ภาพที่ 3-17 ต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น

ภาพที่ 3-18 Dimension ของต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น

ภาพที่ 3-19 อุปกรณ์ต่าง ๆ ของต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น
3.2.3 การคำนวณ
ขั้นตอนนี้จะทำการคำนวณหาค่าต่าง ๆ เพื่อจะนำไปเลือกใช้วัสดุ และกำหนดขนาดของแขนกล นำกำลังขนาดมอเตอร์ที่ได้มาจากการคำนวณไปเลือกขนาดของมอเตอร์ที่มีขายอยู่ตามท้องตลาด
การคำนวณเพื่อออกแบบแขนกล
ออกแบบให้รับภาระที่ 2 กิโลกรัม สมมติให้ความเร็วเท่ากับ 0.5 m/s หากำลังที่ต้องการถ่ายทอด
จากสมการ (2.9)
จะได้

กำลังที่ต้องการถ่ายทอดเท่ากับ 9.81 Watt
ดังนั้นจึงเลือกใช้มอเตอร์ที่มีกำลังเท่ากับ 10 Watt
นำรายละเอียดข้อมูลของมอเตอร์ที่เลือกใช้มาแทนค่าเพื่อหาแรงบิด
จากสมการ (3.1)
จะได้
นำค่าแรงบิดที่ได้ไปคำนวณหาขนาดของเพลาที่รับเพียงแรงบิด
จากสมการ (3.2)
จะได้
หาค่าขนาดของเพลาที่มีการรับแรงบิดและโมเมนต์ดัด
จากสมการ (3.3)
จะได้

    2.)  การเลือกแบริ่ง แบริ่งจะทำงานร่วมกับเพลา โดยทั่วไปแบริ่งแบ่งออกเป็นหลายชนิด เช่น บอลแบริ่ง (ball bearing) และโรเล่อร์แบริ่ง ( Roller Bearing ) แบริ่งจะมีลูกกลิ้งอยู่ด้านใน ทำให้เพลามีการเคลื่อนที่ได้ง่าย และสามารถรับแรงได้ทั้งแนวแกนและแนวรัศมี แบริ่งจะถูกนำไปประยุกต์ใช้มากในอุตสาหกรรม เช่น การเคลื่อนที่แนวแกน x,y,z แบริ่งจะทำงานร่วมกับเพลา เพลาอาจอยู่ในรูปของเกลียวและมีงาน ( Load ) อยู่ตรงกลางเมื่อเกลียวมีการเคลื่อนที่ซ้าย-ขวา ทำให้เคลื่อนที่ไปตามทิศต่าง ๆ นั้นด้วย
                  สำหรับงานส่งกำถ่ายกำลังด้วยแบริ่งมีข้อดีคือ มีความเสียดทานต่ำ การบำรุงรักษาง่าย การติดตั้งสะดวกรวดเร็ว ส่วนข้อเสียคือ มีราคาสูง อายุการใช้งานน้อยเมื่อมีแรงกระแทกที่แบริ่งบ่อย ๆ
                สำหรับการออกแบบแบริ่งในการส่งกำลังผู้ออกแบบจะต้องรู้ถึงรายละเอียดต่าง ๆ ของแบริ่งดังนี้
กำลังขับของมอเตอร์ไฟฟ้า
ความเร็วรอบของเพลา
โมเมนต์บิดเนื่องจากความเสียดทาน
แรงที่กระทำในแนวรัศมี
แรงที่กระทำในแนวแกน
ขนาดรูสวมของแบริ่ง
ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทาน

    3.)  การเลือกเฟือง เฟืองเป็นอุปกรณ์ส่งกำลังชนิดหนึ่ง ที่สามารถส่งกำลัง โดยทางตรงและทางอ้อม การส่งกำลังทางตรงของเฟือง การส่งกำลังจากเฟืองตัวที่ 1 ถึง เฟืองตัวที่ 2 ขบกันอยู่ ทำให้มีอัตราทดคงที่ และไม่เกิดการลื่นไหล ( Slip ) ขณะการส่งกำลังสำหรับการส่งกำลังทางอ้อมของเฟือง เช่น การส่งกำลังจากเฟืองตัวที่ 1 ไปยังตัวที่ 2 โดยผ่านการส่งกำลังผ่านสายพานหรือโซ่ เป็นต้น การส่งกำลังของเฟืองสามารถส่งกำลังจากการหมุนของเพลาหนึ่งไปยังเพลาหนึ่งที่ขนานกัน หรือสามารถส่งกำลังจากการหมุนของมอเตอร์โดยตรงได้ ขึ้นอยู่กับการออกแบบการทำงานของหุ่นยนต์
                  สำหรับความเร็วในการหมุนของเฟือง ควรใช้ความเร็วที่ต่ำจนถึงความเร็วปานกลาง เฟืองไม่เหมาะสำหรับการส่งถ่ายกำลังที่มีความเร็วรอบสูงๆ เพราะขณะเฟืองทำงานจะมีเสียงดัง และอาจทำให้เฟืองเกิดความเสียหายได้

อัตราทดของเฟือง ( Ratio ) =n_1/n_2 =d_2/d_1 =Z_2/Z_1 (3.4)

    4.)  การเลือกสปริง ในการเลือกใช้สปริงจะเลือกสปริงดึง มีลักษณะเป็นเกลียวหรือขดโดยปลายทั้ง 2 ด้านจะเป็นห่วงหรือตะขอเกี่ยวเพื่อยึดจับ สามารถยืดตัวออกเมื่อมีการดึง ทำหน้าที่ในการรับแรงต้านหรือแรงดึง โดยสปริงที่เลือกใช้ มีค่า k ต่างกัน เนื่องจากแขนที่ 1 รับภาระมากกว่าแขน 2 ดังนั้นจึงเลือกใช้สปริงของแขน 1 ให้มีค่า k มากกว่าแขน 2
        ค่า k1 ของสปริงแขน 1 
            คำนวณจาก     



            จะได้        
        ค่า k2 ของสปริงแขน 2
            คำนวณจาก     



            จะได้        

    5.)  การเลือกสายพาน สายพานจะทำงานร่วมกันกับรอกโดยสายพานจะสามารถส่งถ่ายกำลังจากล้อขับไปยังล้อตาม เหมาะกับลักษณะงานที่ล้อขับกับล้อตามอยู่ใกล้กัน เพราะการส่งถ่ายกำลังจะมีลักษณะงานที่ไม่เหมือนกัน ขึ้นอยู่กับผู้ออกแบบ สำหรับงานส่งถ่ายกำลังด้วยสายพานจะมีข้อดี คือ การส่งถ่ายมีความยืดหยุ่น ไม่ค่อยมีเสียงดัง สามารถรับแรงกระตุกได้ ตลอดจนการบำรุงรักษาต่ำ ส่วนข้อเสียคือ การส่งถ่ายจะมีอัตราทดที่ไม่แน่นอนสายพานอาจเกิดการลื่นไหล ( Slip ) ได้ระหว่างการส่งถ่ายกำลัง และถ้าสายพานหย่อนขณะส่งถ่ายกำลัง ต้องมีการปรับความตึงของสายพาน โดยทั่วไปสายพานมีอายุการใช้งานสั้นด้วย สายพานสามารถแบ่งได้มาลักษณะดังนี้ 
สายพานแบน ( Flat Belt ) หน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า เป็นอุปกรณ์อีกชนิดที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย ใช้ในการส่งถ่ายกำลังจากพูลเลย์ของเพลาขับไปยังพูลเลย์ของเพลาตาม
สายพานลิ่ม ( V-Belt ) สามารถส่งกำลังได้ในตำแหน่งต่าง ๆ ได้ดี ส่วนใหญ่จึงใช้กับเครื่องจักรกลตามโรงงานต่าง ๆ แต่ไม่สามารถส่งกำลังแบบไขว้เหมือนกับสายพานแบน
สายพานไทมิ่ง ( Timing Belt ) มีหน้าตัดเป็นรูปสี่เหลียมคางหมู ซึ่งจะหุ้มด้วยเส้นใยไนลอนเพื่อลดการสึกหรอ สายพานชนิดนี้สามารถงอตัวได้ดี ใช้กับมู่เล่ล้อเล็ก ๆ ได้ เนื่องจากร่องสายพานจะมีขนาดเดียวกับบนร่องมู่เล่ (Pulley)

3.2.4  ทำชิ้นส่วนในการสร้างแขนกล
    เตรียมวัสดุ อุปกรณ์ต่าง ๆ และทำชิ้นส่วนในการสร้างแขนกลแบบข้อต่อยืดหยุ่น ตามที่ได้ทำการออกแบบไว้ในโปรแกรม SolidWorks 2016

ภาพที่ 3-20 การตัด Aluminium Profile

ภาพที่ 3-21 การปาดผิว Aluminum Plate

ภาพที่ 3-22 การตะไบเก็บรายละเอียดชิ้นงาน

ภาพที่ 3-23 การลบขอบรู แผ่น Aluminum Plate

ภาพที่ 3-24 การเจาะแผ่น Aluminum Plate

ภาพที่ 3-25 การกลึงเพลา

ภาพที่ 3-26 การตัดเพลา

ภาพที่ 3-27 อุปกรณ์และชิ้นส่วนต่าง ๆ ใช้สร้างต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น

ภาพที่ 3-28 น้ำหนักของอุปกรณ์ต่าง ๆ
3.2.5 ประกอบอุปกรณ์ ชิ้นส่วนต่าง ๆ ตามแบบที่ได้ ออกแบบไว้

ภาพที่ 3-29 การต่อ Aluminium Profile ทำส่วนฐานของโครงสร้าง

ภาพที่ 3-30 การต่อ Aluminium Profile ทำส่วนขาของแขนกล

ภาพที่ 3-31 การติดตั้ง motor ในชุดแขนที่ 1

ภาพที่ 3-32 การต่อ encoder กับ coupling ในชุดแขนที่ 1

ภาพที่ 3-33 การต่อเพลาเข้าแขนที่ 1

ภาพที่ 3-34 การต่อ gripper และเพลาเข้าแขนที่ 2

ภาพที่ 3-35 แขนกลข้อต่อยืดหยุ่นได้
3.2.6 ทำการ wiring ระบบสายไฟ
อุปกรณ์ที่ใช้ในการ wiring สายไฟ
บอร์ดควบคุม DC Motor 5V. 1 บอร์ด
บอร์ดควบคุม DC Motor 12V. 1 บอร์ด
Arduino Board 1 บอร์ด
LED Driver Power Supply 2 บอร์ด
NI myRIO-1900 1 บอร์ด
Direct Current Servo Motor 2 ตัว
Incremental Rotary Encoder 2 ตัว

ภาพที่ 3-36 ทำการบัดกรีสายไฟ

ภาพที่ 3-37 ทำการ wiring สายไฟกับ board

ภาพที่ 3-38 การ wiring สายไฟในการขับเคลื่อนแขน 1

    จากภาพที่ 3-38 เป็นการ wiring สายไฟ มีอุปกรณ์แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 2 ตัว ซึ่งจะแปลงแรงดันไฟฟ้าจาก 5V.เป็น 12V. บอร์ด Arduino จะรับคำสั่งจากผู้ใช้งานผ่านคอมพิวเตอร์โดยใช้โปรแกรม LabVIEW และบอร์ด Arduino ทำหน้าที่สั่งบอร์ดควบคุม DC Motor เพื่อควบคุมมอเตอร์ที่ใช้ขับเคลื่อนแขน 1

ภาพที่ 3-39 การ wiring สายไฟในการขับเคลื่อนแขน 2

    จากภาพที่ 3-39 เป็นการ wiring สายไฟ มีอุปกรณ์แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 2 ตัว ซึ่งจะแปลงแรงดันไฟฟ้าจาก 5V.เป็น 12V. มีบอร์ด Arduino รับคำสั่งจากผู้ใช้งานผ่านคอมพิวเตอร์โดยใช้โปรแกรม LabVIEW และบอร์ด Arduino ทำหน้าที่สั่งบอร์ดควบคุม DC Motor เพื่อควบคุมมอเตอร์ที่ใช้ขับเคลื่อนแขน 2

ภาพที่ 3-40 การ wiring สายไฟ Incremental Rotary Encoder กับ NI myRIO-1900

    จากภาพที่ 3-40 เป็นการ wiring สายไฟ Incremental Rotary Encoder กับ NI myRIO-1900 ซึ่ง myRIO-1900 จะรับสัญญาณจาก Incremental Rotary Encoder ทั้ง 2 ตัว และบันทึกค่าที่ Incremental Rotary Encoder อ่านได้







3.2.7  ทดลองการเคลื่อนที่ของแขนกลโดยใช้โปรแกรม LabView 

ภาพที่ 3-41 การเขียนคำสั่งให้แขนกลเคลื่อนที่

    ในการสั่งให้แขนกลเคลื่อนที่โดยใช้โปรแกรม LabVIEW ให้การเคลื่อนที่เป็น Square Wave คือสัญญาณทางไฟฟ้าที่มีรูปร่างหรือลักษณะเป็นคลื่นรูปสี่เหลี่ยม มีอยู่สองสภาวะคือ high และ low ซ้ำกันไปเรื่อย ๆ เนื่องจากสัญญาณที่ใช้เป็นดิจิตอล ส่วน Duty Cycle คือการวัดอัตราส่วนของเวลา ระหว่างทำงานต่อเวลารวมของรอบการทำงาน เทียบเป็นเปอร์เซ็นต์   กำหนดให้ Duty Cycle เท่ากับ 50%  Frequency เท่ากับ 0.04 และ Amplitude เท่ากับ 30 ตามภาพผนวกที่ 13  

    ทำการทดลองแขนกลเพื่อสังเกตุลักษณะพฤติกรรมการเคลื่อนที่ โดยใช้โปรแกรม LabVIEW ซึ่งจะติดตั้งสปริงที่ใช้ในการทดลอง แบ่งเป็น 2 กรณี ดังนี้




    กรณีที่ 1.)  ทำการติดตั้งสปริงแบบขนานทั้งสองข้อต่อ 

ภาพที่ 3-42 ลักษณะการติดตั้งสปริงแบบขนาน
กรณีที่ 2.) ติดตั้งสปริงแบบตัววีทั้งสองข้อต่อ

ภาพที่ 3-43 ลักษณะการติดตั้งสปริงแบบตัววี
3.2.8 บันทึกค่าที่ได้จาก Encoder ลงในโปรแกรม Excel แล้วนำค่าไปพล็อตกราฟ

ภาพที่ 3-44 การนำค่าสัญญาณที่จาก Encoder มาพล็อตกราฟในโปรแกรม Excel

เป็นการนำค่าที่ myRIO-1900 รับสัญญาณจาก Incremental Rotary Encoder ทั้ง 2 ตัว มาพล็อตกราฟในโปรแกรม Excel เพื่อสังเกตและสรุปผลลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่มีการติดตั้งสปริงทั้ง 2 แบบ
จากการทดลอง Encoder จะได้สัญญาณ Pulse ออกมา แล้วทำการเปลี่ยนสัญญาณ Pulse เป็นมุมการสั่น หาได้จาก

บทที่ 4
ผลการทดลอง

ในการนำเสนอผลที่ได้จากการวิจัยในครั้งนี้จะทำการการทดลองเพื่อศึกษาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของแขนกล สามารถแบ่งออกเป็นหัวข้อได้ ดังนี้
1.  ผลที่ได้จากการทดสอบโครงสร้างผ่านโปรแกรม SolidWorks 2016 ผลของลักษณะและพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของแขนกลแบบข้อต่อยืดหยุ่น 
2.  ผลของลักษณะและพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของแขนกลแบบข้อต่อยืดหยุ่น

4.1 ผลที่ได้จากการทดสอบโครงสร้างผ่านโปรแกรม SolidWorks 2016
ในหัวข้อนี้เป็นการวิเคราะห์โครงสร้าง โดยทำการ simulation ในโปรแกรม SolidWorks 2016
ผลที่ได้จากการ simulation ของแขน 1
ในการทดสอบการ simulation จะใส่ค่าแรงที่กระทำต่อแขน 1 เท่ากับ 11.28 N. วัสดุที่ใช้เป็น aluminium alloy และกำหนดให้จุด Fixed ของแขน 1 ดังภาพที่ 4-1

ภาพที่ 4-1 จุด Fixed Geometry ของแขน 1

ภาพที่ 4-2 ค่า Stress จากการ simulation ของแขน 1

ภาพที่ 4-3 ค่า Displacement จากการ simulation ของแขน 1

ภาพที่ 4-4 ค่า Strain จากการ simulation ของแขน 1
จากการทดสอบโครงสร้างของแขน 1 จากการ simulation พบว่าแรงจะกระทำมากสุดที่บริเวณรูเจาะ และเกิดการโค้งงอบริเวณปลายแขนทั้งสองด้าน เนื่องจากกำหนดให้บริเวณรูเจาะเป็นจุด Fixed ที่รับน้ำหนักของแขนจึงทำให้เกิดแรงกดที่บริเวณรูเจาะมากที่สุด
ผลที่ได้จากการ simulation ของแขน 2
ในการทดสอบการ simulation จะใส่ค่าแรงที่กระทำต่อแขน 2 เท่ากับ 4.8 N. วัสดุที่ใช้เป็น aluminium alloy และกำหนดให้จุด Fixed ของแขน 2 ดังภาพที่ 4-5

ภาพที่ 4-5 จุด Fixed Geometry ของแขน 2

ภาพที่ 4-6 ค่า Stress จากการ simulation ของแขน 2

ภาพที่ 4-7 ค่า Displacement จากการ simulation ของแขน 2

ภาพที่ 4-8 ค่า Strain จากการ simulation ของแขน 2
จากการทดสอบโครงสร้างของแขน 2 จากการ simulation พบว่าจะเกิดแรงกระทำมากที่บริเวณรูเจาะปลายแขนด้านที่ Fixed และเกิดการโค้งงอที่บริเวณปลายแขนอีกด้านหนึ่ง
ผลที่ได้จากการ simulation ของแบริ่ง
ในการทดสอบการ simulation จะใส่ค่าแรงที่กระทำต่อแบริ่ง เท่ากับ 16 N. วัสดุที่ใช้เป็น Steel และกำหนดให้จุด Fixed Geometry ของแบริ่ง ดังภาพที่ 4-9

ภาพที่ 4-9 จุด Fixed Geometry ของแบริ่ง

ภาพที่ 4-10 ค่า Stress จากการ simulation ของแบริ่ง

ภาพที่ 4-11 ค่า Displacement จากการ simulation ของแบริ่ง

ภาพที่ 4-12 ค่า Strain จากการ simulation ของแบริ่ง
จากการทดสอบโครงสร้างของแบริ่ง จากการ simulation พบว่าบริเวณจุดรองรับเพลาจะรับแรงมากที่สุด และเกิดการยุบตัว เนื่องจากจุดรองรับเพลาเป็นจุดรับแรงทั้งหมด ถ้าแรงที่กระทำมากเกินไปจะทำให้เกิดแรงกดที่จุดรองรับเพลา เกิดการยุบตัวมากขึ้น อาจส่งผลให้ลูกปืนที่อยู่ข้างในแบริ่งแตก

4.2 ผลของลักษณะและพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของแขนกลแบบข้อต่อยืดหยุ่น
ในหัวข้อนี้เป็นการเปรียบเทียบผลการเคลื่อนที่ของแขนกลทั้ง 2 แขน ใช้โปรแกรม LabView ในกรสั่งการเคลื่อนที่แบบ Square Wave คือสัญญาณทางไฟฟ้าที่มีรูปร่างหรือลักษณะเป็นคลื่นรูปสี่เหลี่ยม มีอยู่สองสภาวะคือ high และ low ซ้ำกันไปเรื่อย ๆ เนื่องจากสัญญาณที่ใช้เป็นดิจิตอล ส่วน Duty Cycle คือการวัดอัตราส่วนของเวลา ระหว่างทำงานต่อเวลารวมของรอบการทำงาน เทียบเป็นเปอร์เซ็นต์ กำหนดให้ Duty Cycle เท่ากับ 50% Frequency เท่ากับ 0.04 และ Amplitude เท่ากับ 30 ตามภาพผนวกที่ 13 โดยบันทึกค่าที่วัดได้จาก Encoder ที่ติดตั้งอยู่ระหว่างข้อต่อแบบยืดหยุ่น ในการติดตั้งสปริงได้ทดลองการติดตั้งสปริง 2 แบบดังนี้
กรณีที่ 1 การเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบขนานตามภาพที่ 3-42
มุมการสั่นของแขน 1

ภาพที่ 4-13 กราฟมุมการสั่นของแขน 1
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบขนาน Case 1.1เมื่อสั่งให้แขน 1 เคลื่อนที่อย่างเดียว พบว่าเมื่อแขน 1 เคลื่อนที่ทำให้แขน 2 เกิดการสั่นไปพร้อมกับแขน 1 โดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -30 ถึง 50 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -60 ถึง 10เนื่องจากแรงเหวี่ยงของแขน 1 ซึ่งมุมการสั่นของแขน 1 จะมากกว่าแขน 2
มุมการสั่นของแขน 2

ภาพที่ 4-14 กราฟมุมการสั่นของแขน 2
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบขนาน Case 1.2เมื่อสั่งให้แขน 2 เคลื่อนที่อย่างเดียว พบว่าเมื่อแขน 2 เคลื่อนที่ทำให้แขน 1 เกิดการสั่นไปพร้อมกับแขน 2 โดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -20 ถึง 28 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -20 ถึง 10 เนื่องจากแรงเหวี่ยงของแขน 2 ทำให้มุมการสั่นทั้ง 2 แขนมีค่าใกล้เคียงกัน
มุมบอกการสั่นของแขน 1 และ แขน 2

ภาพที่ 4-15 กราฟมุมการสั่นของแขน 1 และแขน 2 พร้อมกัน

จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบขนาน Case 1.3 เมื่อสั่งให้แขน 1 และแขน 2 เคลื่อนที่พร้อมกัน พบว่าเมื่อเคลื่อนที่ทำให้แขน 1 และแขน 2 เกิดการสั่นไปพร้อมกันโดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -30 ถึง 60 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -80 ถึง 20 ทำให้มุมการสั่นทั้ง 2 แขนมีค่าใกล้เคียงกัน

จากภาพที่ 4-13  ภาพที่ 4-14  และภาพที่ 4-15  คือกราฟมุมการสั่น แกน X คือเวลา (วินาที) แกน Y คือมุม (องศา) เป็นลักษณะการเคลื่อนของการติดตั้งสปริงแบบขนาน มุมที่ได้เปรียบเสมือนการสั่นขณะเคลื่อนที่ จากกราฟพบว่าการเคลื่อนที่ของแขน 1 และแขน 2 พร้อมกัน จะทำให้เกิดมุมการสั่นมากสุด และการเคลื่อนที่ของแขน 2 อย่างเดียวทำให้เกิดมุมการสั่นน้อยสุด เนื่องจากลักษณะการติดตั้งสปริงแบบขนาน และค่า k ของสปริงทั้งสองแขนที่แตกต่างกัน

กรณีที่ 2 การเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบตัววีตามภาพที่ 3-43
มุมบอกการสั่นของแขน 1

ภาพที่ 4-16 กราฟมุมการสั่นของแขน 1
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบตัววี Case 2.1เมื่อสั่งให้แขน 1 เคลื่อนที่อย่างเดียว พบว่าเมื่อแขน 1 เคลื่อนที่ทำให้แขน 2 เกิดการสั่นไปพร้อมกับแขน 1 โดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -28 ถึง 30 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -28 ถึง 5 เนื่องจากแรงเหวี่ยงของแขน 1 ซึ่งทำให้มุมการสั่นของแขน 1 จะมากกว่าแขน 2
มุมบอกการสั่นของแขน 2

ภาพที่ 4-17 กราฟมุมการสั่นของแขน 2
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบตัววี Case 2.2เมื่อสั่งให้แขน 2 เคลื่อนที่อย่างเดียว พบว่าเมื่อแขน 2 เคลื่อนที่ทำให้แขน 1 เกิดการสั่นไปพร้อมกับแขน 2 โดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -10 ถึง 20 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -10 ถึง 5 เนื่องจากแรงเหวี่ยงของแขน 2 ทำให้มุมการสั่นทั้ง 2 แขนมีค่าใกล้เคียงกัน
มุมบอกการสั่นของแขน 1 และ แขน 2

ภาพที่ 4-18 กราฟมุมการสั่นของแขน 1 และแขน 2 พร้อมกัน
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบตัววี Case 2.3เมื่อสั่งให้แขน 1 และแขน 2 เคลื่อนที่พร้อมกัน พบว่าเมื่อเคลื่อนที่ทำให้แขน 1 และแขน 2 เกิดการสั่นไปพร้อมกันโดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -35 ถึง 40 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -30 ถึง 15 ทำให้มุมการสั่นของแขน 2 คงที่และมุมการสั่นน้อยกว่าแขน 1

จากภาพที่ 4-16  ภาพที่ 4-17  และภาพที่ 4-18  คือกราฟมุมการสั่น แกน X คือเวลา (วินาที) แกน Y คือมุม (องศา) เป็นลักษณะการเคลื่อนของการติดตั้งสปริงแบบตัววี มุมที่ได้เปรียบเสมือนการสั่นขณะเคลื่อนที่ จากกราฟพบว่ามุมการสั่นของแขน 1 และแขน 2 พร้อมกัน จะทำให้เกิดมุมการสั่นมากสุด และการเคลื่อนที่ของแขน 2 ทำให้เกิดมุมการสั่นน้อยสุด เนื่องจากลักษณะการติดตั้งสปริงแบบตัววี และค่า k ของสปริงทั้งสองแขนที่แตกต่างกัน

บทที่ 5
สรุปผล และข้อเสนอแนะ

ในการวิจัยครั้งนี้ ผู้วิจัยได้สรุปผล และนำเสนอไว้ดังหัวข้อต่อไปนี้
1. สรุปผล
2. ข้อเสนอแนะทั่วไป
3. ข้อเสนอแนะและงานวิจัยครั้งต่อไป
5.1 สรุปผล
การทำโครงงานวิจัยเกี่ยวกับการออกแบบและสร้างต้นแบบหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น ได้เก็บรวบรวมข้อมูลต่าง ๆ ที่ได้จากการทดลองพบว่า
โครงสร้างที่ได้ออกแบบคำนวณเอาไว้ พบปัญหาระหว่างการทำโครงสร้างคือแบริ่งที่ใช้รับน้ำหนักแขนทั้งสอง ไม่สามารถรับน้ำหนักได้ทำให้แขนทั้งสองไม่สมดุล แก้ไขปัญหาโดยออกแบบ การติดตั้งแบริ่งที่รับน้ำหนักแขนทั้งสองจากเดิมที่ใช้แบริ่ง 1 ตัว เพิ่มเป็น 2 ตัว พบว่าแบริ่งสามารถรับน้ำหนักของแขนทั้งสองที่กดกระทำต่อแบริ่งได้ มีแรงเสียดทานน้อย กำลังของมอเตอร์มีความสามารถเพียงพอที่จะขับแขนทั้งสองให้เคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่ต้องการได้ โครงสร้างทนทานต่อการใช้งาน
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบขนาน Case 1.1เมื่อสั่งให้แขน 1 เคลื่อนที่อย่างเดียว พบว่าเมื่อแขน 1 เคลื่อนที่ทำให้แขน 2 เกิดการสั่นไปพร้อมกับแขน 1 โดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -30 ถึง 50 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -60 ถึง 10เนื่องจากแรงเหวี่ยงของแขน 1 ซึ่งทำให้มุมการสั่นของแขน 1 จะมากกว่าแขน 2
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบขนาน Case 1.2เมื่อสั่งให้แขน 2 เคลื่อนที่อย่างเดียว พบว่าเมื่อแขน 2 เคลื่อนที่ทำให้แขน 1 เกิดการสั่นไปพร้อมกับแขน 2 โดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -20 ถึง 28 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -20 ถึง 10 เนื่องจากแรงเหวี่ยงของแขน 2 ทำให้มุมการสั่นทั้ง 2 แขนมีค่าใกล้เคียงกัน
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบขนาน Case 1.3 เมื่อสั่งให้แขน 1 และแขน 2 เคลื่อนที่พร้อมกัน พบว่าเมื่อเคลื่อนที่ทำให้แขน 1 และแขน 2 เกิดการสั่นไปพร้อมกันโดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -30 ถึง 60 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -80 ถึง 20 ทำให้มุมการสั่นทั้ง 2 แขนมีค่าใกล้เคียงกัน
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบตัววี Case 2.1เมื่อสั่งให้แขน 1 เคลื่อนที่อย่างเดียว พบว่าเมื่อแขน 1 เคลื่อนที่ทำให้แขน 2 เกิดการสั่นไปพร้อมกับแขน 1 โดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -28 ถึง 30 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -28 ถึง 5 เนื่องจากแรงเหวี่ยงของแขน 1 ซึ่งทำให้มุมการสั่นของแขน 1 จะมากกว่าแขน 2
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบตัววี Case 2.2เมื่อสั่งให้แขน 2 เคลื่อนที่อย่างเดียว พบว่าเมื่อแขน 2 เคลื่อนที่ทำให้แขน 1 เกิดการสั่นไปพร้อมกับแขน 2 โดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -10 ถึง 20 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -10 ถึง 5 เนื่องจากแรงเหวี่ยงของแขน 2 ทำให้มุมการสั่นทั้ง 2 แขนมีค่าใกล้เคียงกัน
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบตัววี Case 2.3เมื่อสั่งให้แขน 1 และแขน 2 เคลื่อนที่พร้อมกัน พบว่าเมื่อเคลื่อนที่ทำให้แขน 1 และแขน 2 เกิดการสั่นไปพร้อมกันโดยอ่านมุมการสั่นแขน 1 ได้เท่ากับ -35 ถึง 40 และมุมการสั่นแขน 2 เท่ากับ -30 ถึง 15 ทำให้มุมการสั่นของแขน 2 คงที่และมุมการสั่นน้อยกว่าแขน 1
จากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลที่ติดตั้งสปริงแบบขนานและแบบตัววี พบว่าการติดตั้งสปริงแบบขนานจะให้มุมการสั่นของแขนกลมากกว่าการติดตั้งสปริงแบบตัววี แต่ในทางกลับกันจากกราฟการทดลองลักษณะการเคลื่อนที่ของแขนกลพบว่าการติดตั้งสปริงแบบตัววีจะทำให้การเคลื่อนของแขนกลที่ราบเรียบเกิดมุมการสั่นน้อยกว่าการติดตั้งสปริงแบบขนาน เนื่องจากการติดตั้งสปริงแบบขนาน เมื่อเคลื่อนที่ ไป-กลับ สปริงทั้งสองตัวจะยืดหรือหดไปพร้อมกัน ส่วนการติดตั้งสปริงแบบตัววี เมื่อเคลื่อนที่ ไป-กลับ สปริงตัวหนึ่งจะยืดและอีกหนึ่งตัวจะหด ทำให้การติดตั้งสปริงแบบขนานมีมุมการสั่นของแขนกลมากกว่าการติดตั้งสปริงแบบตัววีและทำให้การติดตั้งสปริงแบบตัววีมีการเคลื่อนของแขนกลที่ราบเรียบเกิดมุมการสั่นน้อยกว่าการติดตั้งสปริงแบบขนาน

5.2 ข้อเสนอแนะทั่วไป
ในการทำโครงงานครั้งนี้คณะผู้จัดทำได้ทำการออกแบบจำลองหุ่นยนต์สการ่าข้อต่อยืดหยุ่น ที่มี 2 แขนสามารถเคลื่อนที่ได้ 2 แกน แขนที่ 1 และ 2 ใช้ DC Servo motor ในการขับเคลื่อน โดยน้ำหนักของแขนที่กระทำต่อแบริ่งประมาณ 2 kg ในการทำการทดลองครั้งนี้คณะผู้จัดทำได้กำหนดการเคลื่อนที่ของแขนกลโดยให้ความเร็วไม่มากนัก เนื่องจากอาจเกิดความเสียหายจากแรงบิดของมอเตอร์ ในการจัดทำโครงงานนี้ใช้เพื่อการศึกษาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของแขนกลข้อต่อที่มีการติดตั้งสปริงเพียงเบื้องต้น หากมีผู้ที่สนใจที่จะนำไปใช้งานควรศึกษาและวิเคราะห์แรงที่กระทำต่าง ๆ อย่างละเอียด เพื่อป้องกันความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้นต่ออุปกรณ์ และตัวผู้นำไปใช้งานเอง
การทำโครงงานในครั้งนี้ผู้ที่สนใจในหุ่นยนต์แบบสการ่าข้อต่อยืดหยุ่นจะสังเกตได้ว่าการที่มีสปริงมาติดตั้งแทนข้อต่อแบบธรรมดาจะทำให้เกิดความยืดหยุ่น แต่ความแม่นยำของการเคลื่อนที่นั้นจะต่ำลงหากจะนำไปใช้งานจริง ต้องมีการเขียนโปรแกรมขึ้นมาเพื่อชดเชยแรงที่สปริงกระทำจะทำให้การเคลื่อนที่เกิดความแม่นยำมากขึ้นและสามารถเป็นประโยชน์ต่อผู้ที่สนใจ

5.3 ข้อเสนอแนะงานวิจัยครั้งต่อไป
ในการพัฒนางานวิจัยครั้งต่อไปควรประยุกต์ให้แขนกลให้มีความสามารถในการเคลื่อนที่ได้หลายแกนมีระยะในการทำงานมากกว่าต้นแบบ รวมถึงติดตั้งตัวจับชิ้นงานเพื่อให้แขนกลสามารถนำไปใช้งานได้จริง และทำการเขียนโปรแกรมควบคุมการเคลื่อนที่เพื่อชดเชยแรงที่สูญเสียจากสปริง จะทำให้แขนกลที่มีข้อต่อยืดหยุ่นทำงานได้แม่นยำและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

เอกสารอ้างอิง

รศ.สุมาลี อุณหวณิชย์.(2545),”ระบบควบคุม (Control System)”,บริษัท ว. เพ็ชรสกุล จำกัด , กรุงเทพมหานคร
ผศ.ดร.เดชฤทธิ์ มณีธรรม.(2559),”คัมภีร์การใช้งาน หุ่นยนต์ (ROBOT)”,บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน),กรุงเทพมหานคร
บุญธรรม ภัทราจารุกุล.(2557),”เมคคาทรอนิกส์เบื้องต้น”,บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน), กรุงเทพมหานคร
ศ.ดร.วริทธิ์ อิ๊งภากรณ์ และ รศ.ชาญ ถนัดงาน.(2556),”การออกแบบเครื่องจักรกล เล่ม1”, บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน),กรุงเทพมหานคร
ศ.ดร.วริทธิ์ อิ๊งภากรณ์ และ รศ.ชาญ ถนัดงาน.(2556),”การออกแบบเครื่องจักรกล เล่ม2”,บริษัท ซี เอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน),กรุงเทพมหานคร
พงศ์แสน พิทัก์วัชระ.(2557),’’พื้นฐานของหุ่นยนต์ กลศาสตร์ของหุ่นยนต์แบบอนุกรม’’,สำนักพิมพ์ แห่งจุฬาลงกรณืมหาวิทยาลัย,กรุงเทพมหานคร
กรรมมันต์ ชูประเสริฐ และคณะ.(2539),”ทฤษฎีและตัวอย่าง การออกแบบเครื่องจักรกล”, สำนักพิมพ์โอเดียนสโตร์,กรุงเทพมหานคร
ผศ.ดร.สถาพร เชื้อเพ็ง.(2559),”การหล่อลื่น Lubrication”,สำนักพิมพ์หาวิทยาลัย เกษตรศาสตร์,กรุงเทพมหานคร
ดร.อรรณพ เรืองวิเศษ และ รศ.กฤษดา วิศรธีรานนท์.(2548),”เปิดโลกหุ่นยนต์ สำหรับนัก ประดิษฐ์รุ่นใหม่”,สำนักพิมพ์ ส.ส.ท ,กรุงเทพมหานคร
พงษ์ศักดิ์ ชินนาบุญและคณะ.(2559),”ฟิสิกส์มหาวิทยาลัย 1 เล่ม 1”,บริษัทวิทยพัฒน์ จำกัด , กรุงเทพมหานคร
รศ.มนตรี พิรุณเกษตร.(2558),”กลศาสตร์ของวัสดุ”,บริษัทวิทยพัฒน์ จำกัด ,กรุงเทพมหานคร

ภาคผนวก

ตารางผนวกที่ 1 ค่าตัวประกอบความล้า

ที่มา: วริทธิ์และชาญ (2556)

ตารางผนวกที่ 2 ขนาดระบุของเพลาตามมาตรฐาน ISO/R 775-1969

ที่มา: วริทธิ์และชาญ (2556)

ตารางผนวกที่ 3 การเลือกขนาดแบริ่งจากผู้ผลิต

ที่มา: www.bearingworks.com

ภาพผนวกที่ 1 Dimension Aluminium Profile
ที่มา: www.maxonmotor.com

ภาพผนวกที่ 2 Encoder HEDS 5540, 500 CPT, 3 Channels
ที่มา: www.maxonmotor.com

ภาพที่ 3 spec ของมอเตอร์
ที่มา: www.maxonmotor.com

ภาพผนวกที่ 4 แผ่นวงจรพิมพ์บอร์ด H-BRIDGE/POWER MOSFET 80-160 A
ที่มา: www.hy.co.th

ภาพผนวกที่ 5 Layout & Pin out Arduino Board (Model: Arduino UNO R3)
ที่มา: www.thaieasyelec.com

ภาคผนวกที่ 6 รูปแบบการเขียนโปรแกรมบน Arduino
ที่มา: www.thaieasyelec.com

ภาคผนวกที่ 7 NI myRIO-1900
ที่มา: www.ni.com

ภาคผนวกที่ 8 Primary/Secondary Signals on MXP Connectors A and B
ที่มา: www.ni.com
ตารางผนวกที่ 4 Descriptions of Signals on MXP Connectors A and B

ที่มา: www.ni.com

ภาคผนวกที่ 9 Primary/Secondary Signals on MSP Connector C
ที่มา: www.ni.com
ตารางผนวกที่ 5 Descriptions of Signals on MSP Connector C

ที่มา: www.ni.com

ภาพผนวกที่ 10 Dimension ของแขน 1

ภาพผนวกที่ 11 Dimension ของแขน 2

ภาพผนวกที่ 12 หน้าต่าง Block Diagram แสดงโค้ดที่ใช้ควบคุมแขนกลข้อต่อยืดหยุ่น โดยใช้โปรแกรม LabVIEW

ภาพผนวกที่ 13 หน้าต่าง Front Panel ในโปรแกรม LabVIEW แสดงการควบคุมแขนกลข้อต่อยืดหยุ่น

ภาพผนวกที่ 14 หน้าต่าง Block Diagram ในโปรแกรม LabVIEW แสดงโค้ดที่ใช้งานกับ Encoder

ภาพผนวกที่ 15 หน้าต่าง Front Panel ในโปรแกรม LabVIEW แสดงการใช้ LabView ร่วมกับ Encoder