กลไกลูกเบี้ยว กลไกลิงก์ที่ใช้เปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนหรือเส้นตรง
ให้เป็นการเคลื่อนที่ที่ซับซ้อน
เกลียวที่สร้างแรงอันยิ่งใหญ่ได้ด้วยแรงหมุนเพียงเล็กน้อย
-1- ลูกเบี้ยวที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นวงจรเฉพาะ
ลูกเบี้ยว จะมีทั้งด้านที่เคลื่อนตัว (ตัวหลัก) และด้านที่ถูกทำให้เคลื่อนที่ (ตัวตาม) โดยตัวตามที่สัมผัสโดยตรงเมื่อถูกนำโดยตัวหลักจะมีการเคลื่อนที่ไปกลับหรือเคลื่อนที่เป็นวงจรเฉพาะตามที่กำหนด จึงถูกนำมาใช้ในรูปแบบต่าง ๆ อย่างหลากหลาย ตั้งแต่กลไกของของเล่นเด็ก จนถึงเครื่องยนต์รถ
ลูกเบี้ยว โดยพื้นฐานแล้วเป็นการสัมผัสของตัวหลักกับตัวตามเท่านั้น ดังนั้น กรณีที่มีการกดตัวตามลง จำเป็นต้องใช้แรงอื่น เช่น สปริง มาดันกลับ (ผังที่ 5-1)
ลูกเบี้ยวมักใช้ในการขยับตัวตามด้วยแรงของตัวหลัก จึงใช้การได้ไม่ดีถ้าต้องการจะขยับตัวหลักด้วยตัวตาม
ลูกเบี้ยวแบ่งประเภทใหญ่ ๆ ได้เป็น ลูกเบี้ยวแนวราบ และลูกเบี้ยวสามมิติ
- ลูกเบี้ยวแนวราบ (Plane Cam)
ลูกเบี้ยวแนวราบ เป็นสิ่งที่ส่วนสัมผัสเคลื่อนที่ในแนวราบ
โดยแบ่งตามการเคลื่อนที่ได้เป็น ลูกเบี้ยวรูปหัวใจ (heart cam) ลูกเบี้ยวรูปจาน (disc cam) ลูกเบี้ยวรูปแอก (yoke cam) ลูกเบี้ยวส่าย (oscillation cam) เป็นต้น (ผังที่ 5-2)
นอกจากนั้นยังมี translation cam ที่เปลี่ยนการเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงของลูกเบี้ยวให้เป็นการเคลื่อนที่ไปกลับของตัวตาม face cam และ inverse cam ที่ตรงกันข้ามกับลูกเบี้ยวทั่วไป โดยขับเคลื่อนตัวตามเพื่อให้ลูกเบี้ยวเคลื่อนที่ (ผังที่ 5-3)
ลูกเบี้ยวสามมิติ (Solid Cam)
ลูกเบี้ยวสามมิติ ได้แก่ ลูกเบี้ยวทรงกระบอก (cylinder cam) ลูกเบี้ยวแผ่นเอียง (swash plate cam) ลูกเบี้ยวผิวขอบ (end cam) (ผังที่ 5-4) ลูกเบี้ยวทรงกระบอก เป็นลูกเบี้ยวที่เมื่อตัวลูกเบี้ยวหมุน ตัวตามจะเคลื่อนที่ไปมาซ้ายขวา ใช้กับส่วนที่ใช้ม้วนสายเอ็นเบ็ดตกปลา เป็นต้น
- วิธีทำลูกเบี้ยวแนวราบอย่างง่าย ๆ
สมมุติว่ามีสต๊อปเปอร์ของชิ้นงานอย่างง่าย ๆ โดยใช้ลูกเบี้ยวแนวราบ (ผังที่ 5-5)
ก่อนอื่น มีวงกลมฐานของลูกเบี้ยว ซึ่งอยู่ในสภาพที่สต๊อปเปอร์กำลังลงมา กำหนดเวลาที่สต๊อปเปอร์ยกขึ้นด้วยความเร็วในการหมุนของลูกเบี้ยว และมุมองศา a ของลูกเบี้ยว ปริมาณระยะขึ้นลงกำหนดโดย t
ดังนั้น เมื่อแทนที่เส้นรอบวงของวงกลมฐานด้วยเส้นตรง จากเวลาที่สต๊อปเปอร์ยกขึ้น และความเร็วในการหมุนของวงกลม จะเป็นตัวกำหนดมุมองศา a ของเส้นรอบวงที่จำเป็น เมื่อผนวกกับความสูงที่จำเป็น สร้างออกมากเป็นรูปสามเหลี่ยม เมื่อนำผังนี้ซ้อนเข้ากับวงกลมฐาน ก็จะได้ลูกเบี้ยวแนวราบ
- วิธีทำลูกเบี้ยวสามมิติอย่างง่าย ๆ
ตัวอย่างเช่น สมมุติว่ามีลูกเบี้ยวสามมิติที่ใช้กับจักรเย็บผ้าดังผังที่ 5-6 กรณีนี้เราจะสร้างรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า โดยให้ฐานเป็นเส้นรอบวงของตัวหลักของลูกเบี้ยว และให้ความสูงเป็นความยาวของตัวหลัก นั่นก็คือด้านฐานแสดงด้วยองศาการหมุน ด้านแนวตั้งแสดงปริมาณการเคลื่อนที่ ในที่นี้ สมมุติว่าตัวตามของลูกเบี้ยวเคลื่อนที่ไปมา 10 เซนติเมตรด้วยความเร็วคงที่ แล้วก็เพียงแค่สร้างวงจรที่มีความสูง 10 เซนติเมตรที่ตรงกลาง (180 องศา) เมื่อนำไปแปะกับกระบอกจริง แล้วก็เซาะร่องตามนั้นก็สำเร็จ
-2- กลไกลิงก์ที่ส่งถ่ายการเคลื่อนที่ที่ซับซ้อน
กลไกที่ประกอบด้วยการเชื่อมโยงสิ่งที่มีรูปทรงเป็นแท่งเข้ากับสลักหรือสิ่งอื่นที่ทำให้เกิดการหมุนได้อย่างอิสระ อันเป็นการกำหนดการเคลื่อนที่และตำแหน่งของส่วนต่าง ๆ อย่างไม่เปลี่ยนแปลง เรียกว่ากลไกลิงก์ เมื่อใช้กลไกลิงก์ จะทำให้สามารถเปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนหรือการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงให้เป็นการเคลื่อนที่ที่ซับซ้อนมากยิ่งกว่าสิ่งที่แนะนำมาแล้ว
- พื้นฐานของกลไกลิงก์
พื้นฐานของกลไกลิงก์ คือกลไกลิงก์ 4 ท่อนดังผังที่ 5-7 กรณีที่มี 3 ท่อน ถ้ายึดท่อนหนึ่งไว้ ที่เหลือจะเคลื่อนที่ไม่ได้ ถ้าเป็น 5 ท่อนแล้วยึดไว้ท่อนหนึ่ง ก็จะไม่สามารถทำให้เคลื่อนที่อย่างที่กำหนดได้
การมีลิงก์ 4 ท่อน ก็เพราะเมื่อยึดท่อนหนึ่งไว้ดังผัง แล้วขยับลิงก์ท่อนใดท่อนหนึ่ง จะสามารถส่งถ่ายการเคลื่อนที่อย่างที่กำหนดให้กับลิงก์ที่เหลืออีก 2 ท่อนได้
ยังมีรูปแบบพลิกแพลงของกลไกคานข้อเหวี่ยง (Lever Crank) ที่เรียกว่ากลไกสไลด์หมุน (Revolving Slider) (ผังที่ 5-8) โดยเฉพาะกลไก ลูกสูบข้อเหวี่ยง (Piston Crank) ซึ่งจะใช้ในเวลาต้องการเปลี่ยนการหมุนให้เป็นการยืดหดเป็นเส้นตรง หรือในทางกลับกัน ใช้ในเวลาเปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบยืดหดของลูกสูบให้เป็นการหมุนเหมือนกับการขับเคลื่อนล้อรถของรถจักรไอน้ำ
กลไกลิงก์แบบต่าง ๆ
ดังผังที่ 5-9 มีกลไกที่เรียกว่ากลไกแบบคาน คือเมื่อเพิ่มแรง F กดลงไปด้านล่างที่จุด O จะสามารถส่งแรง W ที่มากขึ้นไปที่จุด A มักใช้กับจุดที่ต้องใช้แรงมาก เช่น เครื่องอัดเพรสหรือเครื่องตัด
ถ้าใช้กลไกลิงก์ 4 ท่อนที่เป็นรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน ก็จะสามารถเคลื่อน 2 จุดหรือมากกว่านั้นในอุปกรณ์ลิงก์ให้เคลื่อนที่เป็นเส้นขนานอยู่เสมอได้อย่างง่ายดาย ไม้บรรทัดคู่ที่ใช้ในการเขียนแบบก็ใช้กลไกนี้ดังผังที่ 5-10 (1) นอกจากนั้น(2) ในผังเดียวกันยังใช้ในการ trace สำหรับขยายและย่อผังแบบที่เรียกว่า pantograph (อุปกรณ์คัดลอก)
อีกทั้งในการเปลี่ยนทิศทางล้อรถยนต์ก็ใช้กลไกลิงก์เช่นเดียวกัน (ผังที่ 5-11)
- อุปกรณ์ลิงก์กลางอากาศ
บางอย่างก็ให้การเคลื่อนที่แบบสามมิติ ผังที่ 5-12 เป็นกลไกลิงก์ที่ประกอบกันเป็นผิวหน้าทรงกลม เพื่อให้กลไกลิงก์ผิวหน้าทรงกลมนี้เคลื่อนที่ เส้นที่ต่อออกจากศูนย์กลางของแกนสลักที่เชื่อมลิงก์ต้องผ่านศูนย์กลางของวงกลมทั้งหมด เมื่อให้ลิงก์ A หมุนรอบแกน O-O1 ลิงก์ C จะหมุนรอบแกน O-O4
หลักการนี้ ใช้เป็นกลไกส่งแรงหมุนให้กับแกนที่ตัดกัน ในการส่งแรงหมุนของเครื่องยนต์รถไปที่เพลา
-2- เกลียวที่สร้างแรงอันยิ่งใหญ่ได้ด้วยแรงหมุนเพียงเล็กน้อย
เมื่อพูดถึงเกลียว เรามักจะคิดถึงการขันยึดสิ่งของ แต่แรงของเกลียวสามารถใช้ในการทำให้สิ่งของเคลื่อนที่ หรือมีการเคลื่อนที่อย่างละเอียดลออได้ด้วย
ลองนึกถึงแม่แรงของรถยนต์ (ผังที่ 5-13) ที่แม่แรงนี้ มีเกลียวขวาและเกลียวซ้ายในแต่ละแขนที่เคลื่อนที่ได้ติดอยู่ เมื่อหมุนด้ามหมุน แขนจะเคลื่อนเข้าหากัน ส่วนของฐานด้านบนจะยกตัวขึ้น ด้วยเหตุนี้จึงสามารถยกได้แม้แต่รถยนต์ทั้งคันด้วยการใช้เกลียว เพราะทำให้เกิดแรงอันมหาศาล จึงใช้ได้กับเครื่องอัดเพรสแบบปั๊มมือได้ด้วย
นอกจากนั้น ยังใช้ในการตรวจวัดที่ต้องใช้การเคลื่อนไหวที่ละเอียดลออ (ผังที่ 5-14)
แม้แต่หางเสือเรือก็อาจใช้เกลียวได้ (ผังที่ 5-15) เพราะสามารถส่งถ่ายแรงหมุนของพวงมาลัยไปที่หางเสือได้อย่างราบรื่นและมั่นคง ด้วยการใช้เกลียวขวาและเกลียวซ้ายประกอบกัน
เรียบเรียงโดย อาจารย์ณรงค์เกียรติ นักสอน
ที่ปรึกษา TPM-JIPM