修平科技大學四技機械工程系

專題製作報告

氣壓壓力開關的設計與製造

指導老師：劉柏挺

班 級：四機三丙

組 員：林建地 BA99124

黃重淵 BA99134

廖國鼎 BA99137

葉逸勳 BA99140

中 華 民 國 一 O 二 年 六 月 二 十 一 日

摘 要

本專題利用氣壓推動活塞機構，當活塞所產生的力與彈簧力及摩擦力

達成平衡時(即當壓力達到設定值)，啟動極限開關，來進行後續的控制動

作，例如:停止氣的輸入等。本專題以 LED 燈來顯示極限開關被啟動的訊

號。此元件相較於以往的壓力開關都是以方形為形狀，而改採用圓形來當

作設計的形狀，較於方便製作。

I

目 錄

摘要

目錄………………………………………………………………… I

目錄………………………………………………………………… II

圖目錄……………………………………………………………… III

圖目錄……………………………………………………………… IV

表目錄……………………………………………………………… V

第一章 前言

1-1 動機……………………………………………………… 1

1-2 氣壓壓力開關工作原理與應用………………………… 1

第二章 氣壓壓力開關的設計

2-1 初步構想………………………………………………… 2

2-2 設計條件………………………………………………… 2

2-3 製作流程………………………………………………… 3

2-4 氣壓壓力開關的初步設計……………………………… 4

2-5 零件設計………………………………………………… 5

2-5-1 上模………….…………………………………… 5

2-5-2 下模………….…………………………………… 6

2-5-3 活塞機構………………………………………… 7

2-5-4 壓力彈簧..…..…………………………………… 7

2-5-5 底蓋..………..…………………………………… 8

2-6 其他零件………………………………………………… 9

2-6-1 極限開關元件…………………………………… 9

2-6-2 氣壓管接頭元件………………………………… 10

2-6-3 小型 LED 燈...…………………………………… 10

2-6-4 電池盒…………………………………………… 11

2-6-5 麵包板…..……………………………………… 11

2-6-6 壓縮彈簧數值模擬……………………………… 12

第三章 氣壓壓力開關的製作

3-1 零件製作………..……………………..………………… 14

3-2 電路圖..……..…………………………………………… 15

II

第四章 組裝

4-1 成品組裝………………………………………………… 17

4-2 組裝過程照片…………………………………………… 18

4-3 成品照片.….…………..………………………………… 19

4-4 爆炸視圖解說….……..………………………………… 20

第五章 結果與討論

5-1 壓力開關的啟動壓力分析與實驗……………………… 21

5-2 討論………….….……..………………………………… 22

5-3 心得………….….……..………………………………… 22

5-4 使用設備…….….……..………………………………… 23

5-5 機器設備工作安全須知…..…..………………………… 23

參考文獻…………………………………………………………….. 25

III

圖 目 錄 圖 2-1 ：初步概念設計圖………………………………………… 4

圖 2-2 ：立體圖(上模)..…………………………………………… 5

圖 2-3 ：剖面圖(上模)…..………………………………………… 5

圖 2-4 ：上蓋尺寸圖……………………………………………… 5

圖 2-5 ：立體圖(下模)..…………………………………………… 6

圖 2-6 ：剖面圖(下模)..…………………………………………… 6

圖 2-7 ：下蓋尺寸圖……………………………………………… 6

圖 2-8 ：活塞……………………………………………………… 7

圖 2-9 ：活塞尺寸圖…….………………………………………… 7

圖 2-10 ：壓力彈簧………………………………………………… 7

圖 2-11 :底蓋.…………………… ……………………………… 8

圖 2-12 ：底蓋尺寸圖……………………………………………… 8

圖 2-13 ：極限開關元件…………………………………………… 9

圖 2-14 ：極限開關尺寸圖………………………………………… 9

圖 2-15 ：氣壓管接頭元件圖……………………………………… 10

圖 2-16 ：小型 LED 燈圖…….……………………………………… 10

圖 2-17 ：電池盒圖………………………………………………… 11

圖 2-18 ：麵包板圖………………………………………………… 11

圖 2-19 ：彈簧各項數據圖.……………………………………… 12

圖 2-20 ：壓縮後長度與受力的關係圖…………………………… 13

圖 3-1 ：將材料夾至於夾頭中，使用量表來對中心……………… 14

圖 3-2 ：利用內逕刀將鑽好的孔徑把表面加工到需要的尺寸…… 14

圖 3-3 ：將加工好的零件，使用細沙紙將表面的毛邊修除……… 15

圖 3-4 ：電路實體圖……..………………………………………… 15

圖 3-5 ：壓力開關測試電路圖.……………………………………… 16

圖 4-1 ：上下模成品……………………………………………… 17

圖 4-2 ：底盤成品…………………………………………………… 17

圖 4-3 ：活塞機構成品……………………………………………… 17

圖 4-4 ：將底蓋鎖上………………….…………………………… 18

圖 4-5 ：將活塞裝置下模中……………………………………… 18

圖 4-6 ：將上下模組裝並且將螺絲鎖上……………………..… 18

圖 4-7 ：等角圖……………….…………………………………… 19

IV

圖 4-8 ：右視圖………….………………………………………… 19

圖 4-9 ：成品完成圖………...…………………………………..… 19

圖 4-10 ：爆炸視圖………………………………………………… 20

V

表 目 錄 表 4-1 ：爆炸視圖解說…………….……………………………… 20

1

第一章 前言

1-1動機

選擇此專題是因為在學習氣壓課程中，常常運用到壓力開關這氣壓元

件，因此我們想試著設計與製做此氣壓元件，並且藉由這三年在學校所學

的知識與技術來進行製造。

1-2氣壓壓力開關工作原理與應用

氣壓壓力開關是控制設備工作的一種儀器，也就是一個簡單的壓力

裝置。氣壓壓力開關工作原理：壓力開關是通過收集檢測壓力信號來控制

設備工作，當系統內壓力高於或者低於設定的壓力值的時候，感應器內部

發生移動，微動開關開始發揮作用，調節連接杆推動開關接頭連接或者斷

開的，控制一段時間後，當壓力恢復或者降到一定程度的時候，改變微動

開關的變數又讓設備正常工作了。這種通過壓力值的調節來判斷設備的正

常運行就是壓力開關。就彈簧型的壓力開關而言，是一種借助彈性元件受

壓後產生位移以驅使微動開關工作的壓力控制儀錶，通常使用在報警或連

鎖保護系統中[1]。

2

第二章 氣壓壓力開關的設計

2-1 初步構想

在機械系老師推薦下，詢問到系上有老師在於這方面有著相關技

術的知識，在老師的介紹及討論下開始有了想法並訂定了工作流程。

2-2 設計條件

因為要符合組裝與替換零件的便利性，在設計出來的氣壓元件必

須要達到以下的標準:

(1) 在設計的理念上，必須符合易於拆解組裝的固定方向去尋找符合的

方法。

(2) 在材料方面使用容易取得的物料材質，有利於更換各部位零件。

3

2-3 製作流程

討論

討論議決

草圖設計

材料準備

零件設計

零件製作

零件組裝

測試與修改

撰寫報告

製作 ppt

4

2-4 氣壓壓力開關的初步設計

了解此專題要達到的要求後，開始初步設計如圖 2-1

圖 2-1 初步概念設計圖

5

2-5 零件設計

此元件是由數個零件所組成，如下面呈現:

2-5-1 上模

圖 2-2 立體圖(上模) 圖 2-3 剖面圖(上模)

圖 2-4 上蓋尺寸圖

用途：以圓柱來當作本體，裡面包含進氣道與活塞缸，活塞是在此處進行

運動的。

6

2-5-2 下模

圖 2-5 立體圖(下模) 圖 2-6 剖面圖(下模)

圖 2-7 下模尺寸圖

用途：下模部分為了配合上模，一樣採取圓柱樣式。此部分必須配合

活塞機構的控制需求來設計其中的尺寸，並且在底部挖空已安裝壓力開

關。

7

2-5-3 活塞機構

圖 2-8 活塞 圖 2-9 活塞尺寸

用途：此零件為中間部分的活塞機構，氣灌入後利用活塞壓制彈簧，當

到達一定大氣壓力後觸碰到極限開關，來進行後續動作。

2-5-4 壓力彈簧

圖 2-10 壓力彈簧

用途：此零件裝置在於活塞上，當氣灌入，壓到活塞後，可藉由彈簧來

控制活塞的做動，並且設定活塞的進給深度與啟動壓力的大小。

8

2-5-5 底蓋

圖 2-11 底蓋

用途：為了避免雜物進入與極限開關不必要的碰撞及美觀。

圖 2-12 底蓋尺寸圖

9

2-6 其他零件

2-6-1 極限開關元件

圖 2-13 極限開關元件

圖 2-14 極限開關尺寸圖[2]

用途：當氣壓達到設定值後，來傳遞此訊息以進行後續的控制動作。

10

2-6-2 氣壓管接頭

圖 2-15 氣壓管接頭元件

2-6-3 小型 LED 燈

圖 2-16 小型 LED燈圖

用途：當壓力達到所設定的值後，來顯示極限開關被啟動的訊號。

11

2-6-4 電池盒

圖 2-17 電池盒圖

用途：提供電力給 LED燈使用。

2-6-5 麵包板

圖 2-18 麵包板圖

用途：用來連接 LED燈及電池盒與極限開關的接線。

12

2-6-6 壓縮彈簧數值模擬(Compression Spring Calculator)

本專題壓縮彈簧的彈性係數(Spring constant, k)是設計上一個很重要

的設計參數，我們使用 Plantspring 公司[3]所提供的試用版模擬軟體來數

值模擬計算所使用的壓縮彈簧的彈性係數。壓縮彈簧的一些參數值為:線

徑(Diameter of spring wire, d)=0.9 mm，外徑(Outer diameter of spring,

Douter)=10.8 mm，自由長度(length of spring, tfree)=38 mm，彈簧的總圈數

(Number of total coils, nt)=10，彈簧的有效圈數 (Number of active coils,

na)=8。彈簧的材質為 Music wire ASTMA228。這些值的輸入如圖 2-19 所

示。彈簧的壓縮後長度與受力的關係如圖 2-20 所示。計算後的彈簧係數

k=0.837 N/mm。

圖 2-19 彈簧各項數據圖

13

圖 2-20 壓縮後長度與受力的關係圖

14

第三章 氣壓壓力開關的製作

3-1 零件製作

為了使工件重量不要過於厚重，所以我們選用"鋁"為材料來製作，使

用四爪車床以求得更加準確的位子。

圖 3-1 將材料夾至於夾頭中，使用量表來對中心。

圖 3-2 利用內逕刀將鑽好的孔徑把表面加工到需要的尺寸。

15

圖 3-3 將加工好的零件，使用細沙紙將表面的毛邊修除，並且將加工面

的粗糙的地方磨至光滑。

3-2 電路圖

壓力開關測試電路圖如圖 3-4，電路實體圖 3-5 所示。

圖 3-4 壓力開關測試電路圖

16

圖 3-5 電路實體圖

17

第四章 組裝

4-1 成品組裝

所有零件完成加工後，就是開始組裝的部分。第一步將活塞與彈簧放

置到下模中。第二步將上模與下模組合，並將固定用的螺絲鎖上。第三步

將極限開關固定在於底盤上，並將底盤與原先組好的上下模組裝，並且將

螺絲鎖上。第四步將線路與極限開關接上，並且連接到麵包板與 LED 燈

及電池合作連接。最後將氣壓管接頭裝到上模側邊的孔上，並將氣壓缸接

上，完成。

圖 4-1 上下模成品 圖 4-2 底盤成品

圖 4-3活塞機構成品

18

4-2組裝過程照片

圖 4-4將底蓋鎖上 圖 4-5將活塞裝置下模中

圖 4-6將上下模組裝並且將螺絲鎖上

19

4-3成品照片

圖 4-7等角圖 圖 4-8右視圖

圖 4-9成品完成圖

20

4-4爆炸視圖解說

圖 4-10爆炸視圖

表 4-1 爆炸視圖解說

標示 1 上模

標示 2 活塞

標示 3 彈簧

標示 4 下模

標示 5 底蓋

5

4

3

2

1

21

第五章 結果與討論

5-1 壓力開關的啟動壓力分析與實驗

由受力平衡可得下列力量平衡方程式

(5-1)

其中 Pon 為啟動的氣體壓力( kg / cm2 )，A 為活塞缸的面積(cm

2 )，本專題

的面積為(2) 2π/4 (cm

2 )，k 值為彈簧常數，本元件 k 為 0.837 (N/mm) (參

閱 2-6)，x 為啟動的位移量，本設計為 7 mm ，假設活塞與活塞缸壁的摩

擦力 Fs =20 N，經計算可得 Pon = 0.839 ( kg / cm2 )。經本專題設計的測量

裝置，實際測試得 Pon ≒ 0.6 ( kg / cm2

)，此值比預估值小。 依此反推，

求活塞與活塞缸壁的摩擦力應為 Fs = 12.63 N。

22

5-2 討論

在這次專題中，我們將三個比較困難的點，拿出來加以討論，第一個是活

塞的精密配合上，由於沒有很純熟的操作技術，因此對於工件設計所需求

的機密度上無法達到最理想的配合程度，不過還是盡可達到可以接受的配

合程度，而在尺寸設計上與工件製作中，要讓活塞缸壁以及套上 O 型環

的活塞必須有相當的經度配合不能讓 O 型環與活塞表上有過多的磨擦損

傷。第二個是以氣壓為動力，因此將氣壓接頭鎖在工件上蓋，可是設計圖

尺寸與工件尺寸有些微的誤差，在拿捏為了鎖上氣壓接頭的鑽孔及貫穿讓

氣體進入的鑽孔上，發生了鑽孔位置偏差，當下評估錯誤並重新估計另一

個點，對於配合氣壓接頭上的鎖頭螺紋跟階梯配合的鑽孔上，也有些問題

點，因為要不能漏氣的緊密配合，比較難找到所趨要的孔徑及螺絲攻，只

能盡可能找到可配合且誤差較小的鑽孔刀及螺絲攻。第三個是極限開關的

位置，在工件的設計及活塞前端所活動的最大長度，使極限開關啟動，要

把極限開關放在所需配合的固定位置上，必須要把極限開關放在配合的位

置上，為了能將極限開關固定上並加以施工，使用螺絲將其鎖住。

5-3 心得

在於這次的專題中，讓我們了解到從一件商品的設計到製作，原來需

要這麼多的努力，在於尺寸上的配合需要達到所訂定之公差配合，工件的

精密度要考慮到工件表面粗糙度，還須計算工件之間的摩擦阻力及摩擦係

數，在專題製作中，團隊間的默契、商量及協調上更是讓我們彼此間出現

23

了不少的小爭執，幾經波折後漸漸地步上軌道並且將作品製作出來，在老

師的協助下，讓我們了解到原來我們所欠缺的知識是如此的不足，經歷這

次的專題後，讓我們大家都充實了不少，也對於我們將來在工作職場上所

有可能面臨的狀況都有了基本的應變方法與處理方式，這是個難得的體

驗，經歷了這次專題的磨練，讓我們充實了在大學這幾年的生活。

5-4使用設備

主要硬體設備：

（1）傳統車床： 用於製作元件。

（2）傳統鑽床： 所有需鑽孔之零件。

（3）傳統铣床： 所有需端铣之零件。

主要軟體設備：

（1）Solid Works [4]： 用於繪製零件圖、組合圖、爆炸圖等。

5-5 機器設備工作安全須知：

(一)機器在使用前，應做好安全檢查，一切無誤後，方可使用。

(二)未得指導老師許可，嚴禁啟動或操作任何機器。

(三)操作機器時，須專心工作，切勿談笑嬉戲。

(四)操作機器時，不可穿著寬鬆之衣服，非必要時，不戴手套，並提防衣

服、頭髮捲入機器轉動部份。

(五)有人在使用機器時，嚴禁隨意進入危險區內。

(六)靠板、斜角規或導板等輔助器材應適時適當地使用。

24

(七)機器運轉時，切勿加油、調整速度或修理。

(八)機器在運轉時，發生噪音或故障，應立即關掉電源並通知指導老師處

理，不得自行處理。

(九)在操作機器時，偶有機器發生故障，或其他偶發事件，須立即報告指

導老師處理。

(十)機器運轉時，如遇停電，應切斷電源，以免恢復供電時，馬達機器等

受損害。

(十一)修理機器、更換刀具或調整轉速時，應先停止機器之轉動，再行更

換。

(十二)關閉機械電源之後，須等機器完全停止時，方可離開。

(十三)實習完畢，應將機器擦拭乾淨，塗抹機油後，加上防護套，方可離

去。

25

參考文獻

〔1〕 http://tw.ttnet.net/chinese-site/site/com/40028249/product/86/refno/17

6534322/

〔2〕 http://www.jin-hua.com.tw/admin/product_mang/pdf/2260000002253-

DATA.jpg

〔3〕 www.planetspring.com/pages/compression-spring-calculator-coil-calcu

lator.php?id=compression

〔4〕 許中原，”SolidWorks 2008 基礎範例應用(附範例光碟) ”，全華

圖書，2009。