中华民国第49届中小学科学展览会

1、 8/8中华民国第49届中小学科学展览会 中華民國第49屆中小學科學展覽會 作品說明書 科別：機械科 組別：高職組 作品名稱：教學用多功能圓規 關鍵詞：黑白板通用圓規、教具、製圖儀器編號： 教學用多功能圓規 貳、研究目的 設計支具備下列功能之圓規 、可以使用粉筆，也可用白板筆或其他般筆畫圓或圓弧。 二、可取代三角板的功能繪製30、45、60、90等特別角。 三、畫圓或圓弧時圓心不會移動。 四、畫圓時不會把中心線擦掉。 五、畫同心圓時，每次都能保持在相同的圓心位置。 六、可取代量角器的功能繪製或量取物件的角度。 七、具有直尺的功能，可繪製直線或量取長度。 八、重量輕巧、攜帶方便。 九、放置或取用

2、都便利。 十、可存放常用的各色白板筆或粉筆。 參、研究設備及器材 當有了改善現有圓規的構想後，大腦中即不斷地思索其材料、結構、功能及加工方法，並打算以最經濟的方式配合學校現有的工具設備及所學的技能來完成此創作，過程中運用到的儀器工具設備分類如下: 、本體零件材料 本創作主體主要為取材自鋁門窗工廠之廢料一英吋之中空方型鋁及學校材料室一英吋之L型角鋁，其他零組件因為體積都不大，所以大多是實習廢 材再利用加工製成，只有夾持白板筆或粉筆之通用鐵製夾子是書局購得，而 磁鐵則是供應學校工具材料的廠商免費提供。 二、設計繪圖 先利用基本的製圖儀器，如平行尺、製圖桌、三角板、自動鉛筆等作草圖概念的繪製，確定材

3、料規格尺寸後，再以學校的電腦及輔助繪圖軟體Solidworks設計。 三、加工機具設備 零件的加工都以學校現有的設備為主，有車床、銑床、立式帶鋸床、鑽床、砂輪機、CNC銑床、CNC車床、鉗台等。 四、工具與儀器 使用的工具有外徑車刀、切斷刀、端面刀、中心鑽、鑽頭、螺絲攻、螺絲模、面銑刀、端銑刀、球型銑刀、銼刀、精密小虎鉗、角尺、平行塊等，劃線及測 量的儀器有游標高度尺、平板、游標卡尺、指示量表、分厘卡等。 肆、研究過程或方法 一、概念萌芽階段 初上高職，一切都感到新鮮，且認為既稱為職業學校，就是為將來職業作準備，所以理應有許多先進的器材，但看到老師如此認真的教學，使用的教學製圖 儀器卻如此原始

4、，心中自然興起要對此儀器做些改良，造福老師也造福將來的學弟 們。 二、結構設計階段 運用高一機械製圖實習中所學的製圖概念，剛開始經常以徒手繪製草圖，思考材料、功能、結構等問題，後來製圖技巧較純熟後就以製圖儀器，如平行尺、 製圖桌、三角板等將心中概念具體以設計圖呈現出粗略架構。高二時接觸電腦繪圖， 學會以繪圖軟體Solidworks來繪製設計立體零件，此時更清楚地把結構及功能以 立體圖及組合圖方式設計出來，而此時所學的加工方法也讓自己更明白要將設計圖 的概念以成品呈現的可能性大為增加。 三、材料準備階段 此為最漫長的階段，因為打算以最廉價的方式取得最合用的材料，找了無數家鋁門窗工廠及材料行，翻遍

5、了學校材料室，無奈均找不到理想中可相互契合的U型 鋁，也因此自己的設計圖尺寸，始終無法做最後的確定，幸好最後在老師的建議下， 退而求其次先找到方型鋁、鋸掉一邊即成U型鋁，再利用學校材料室中的L型 鋁對接成U型並使其開口寬之外徑，剛好是先前U型鋁之內徑，如圖一所示。 圖一：方型鋁與L型鋁加工成U型鋁 在此尋找材料的過程中不但學會了變通，更學到了創意巧妙解決問題。在技能操作方面也學會如何操作立式帶鋸床，更從老師那學到小工具拉釘與拉槍的妙用。而在使用鋸床的時候，由於床台上鋸片兩邊的縫隙大於所要鋸除掉的餘料，以致產生刺耳聲響，且難以掌控鋸切線，還好都在老師的指導下，運用簡單的輔助器材，順利圓滿地解決問

6、題。 四、零件加工階段 此創作用到的零件實際並不多，但在實際的加工過程中所遭遇的問題卻不少，也因此學習到相當多寶貴的知識、技術與經驗，茲將加工過程中體驗最深的部份分述如下。 （一）圓規變直尺的問題解決 1. 轉軸孔 利用電腦繪圖的輔助與模擬，設計兩U 型槽相結合的轉軸孔位置與結 合處外形，除了可當圓規順暢轉動外，若將兩件拉直後，U 型槽底可相頂住成平面而為直尺，為了達成此功能除了四孔須同心外，尚須做到外U 槽與內U 槽的孔中心距頂面距離致，否則拉成直線時兩頂面將形成段差，且為了減少收合起來時的段差，孔也必須盡量位於U 型槽高的中心。 為了能加強信心與成就感，所以從主結構的結合開始著手加工，雖然

7、 有上述的認知，可是一開始就發現鑽孔的位置與實際劃線的中心會有相當的誤差，結果當然不忍卒睹，為避免材料報廢，在請教老師鑽孔的方法及自己努力的練習後，情況終獲改善，也順利完成此部分的加工。 在這個部份除了學會校正鑽孔的井字劃線法，也學會如何將個孔位 控制在0.10mm 的精度內，同時也學會以銼刀修出圓弧外形，如圖二。 圖二:兩U 型槽結合部分之外形與孔位 2.轉軸 在設計轉軸時需考慮到下列因素 （1）提供兩支U型槽作固定軸轉動。 （2）無論當圓規或直尺使用都須將兩支U型槽鎖緊在一起，以便使用。 （3）若當直尺使用，轉軸的端不能有太大的頭，以避免直尺使用不便。 基於上述的考量，轉軸的設計如圖三所示

8、，頭端的厚度只有1mm，以減少直尺使用時的不便，直徑設計成較大的15mm以增加其強度，同時為了便於鎖緊，所以令一端製作長10mm之M6x1的螺紋。 圖三: 轉軸 此一零件看似容易，幸好老師事先的提醒，並教導我們有關的切削理論與切削方法，在實際加工車削時，才避免發生危險，而在加工的過程中的確發現直徑越小的工件越難車削，不小心或加工方法錯誤，就可能造成工件彎折打斷車刀的危險。 3.翼形螺帽 般市面販售之翼形螺帽，施力臂過小，使用不便，因此在老師的指導下，設計一簡單且較好使力，便於鎖緊之翼形螺帽，如圖四。 圖四：翼形螺帽設計圖 此零件是先用車床車削一圓錐體，鑽孔並攻牙後，如圖五，再於銑床 上以端銑刀

9、加工出兩平面，如圖六。 4. 轉軸襯套與墊圈 為加強鎖緊力，同時避免U 型槽的變形，在轉軸外加上襯套；而為了 避免旋緊翼形螺帽時傷害U 型鋁表面因此在翼形螺帽鎖緊處加上一墊圈，如圖七。 圖五：車床加工翼形螺帽 圖七: 轉軸處之零組件爆炸圖 圖六：銑床加工翼形螺帽 （二）傳統教學用圓規圓心腳之缺點的克服 傳統教學用圓規之圓心腳為一圓柱形橡膠，其缺點有： 1.容易斷裂破損。 2.畫圓時容易移位，導致所劃之圓起末點無法接合。 3.畫圓時會把圖面的中心位置擦掉，破壞原圖面。 4.在乾淨的白板或黑板畫圓，若不注意圓心位置並做記號，圓規離開板 面，很難知道圓心原本的位置，導致後續作圖困難與不準確。 為了避

10、免上述之缺點，經過許久的觀察與構思，終於在次老師介紹V 形枕量測的方法時引發靈感，因為圓柱置放於V形枕中，不論圓柱怎麼轉，其圓心位置都不會移動，且始終保持在V枕的中心線上，如圖八。 圖八: 圓柱與V枕之關係 相同的道理圓球置於圓錐孔中，圓球之中心位置也不會因為圓球的轉動而改變，基於這樣的理念而設計出以球型端點作為本創作的圓心腳（如圖九），配合圓心定位板中央之V形圓錐孔（如圖十），如此在畫圓時圓心腳之圓球受V形錐孔的限制，即不會移動，圓心也可保持於定位，經過測試，本設計確實可改善傳統圓規的缺點，而具有下列優點: 1.圓心不會滑動，保持於定位，因而劃出精準之圓。 2.圓心腳不會接觸黑（白）板面或滑

11、脫而破壞原圖面。 3.圓心腳離開繪圖位置時，只要不移動圓心定位板，隨時都可再回至原來的 圓心位置，繼續精確地繪製較複雜的圖形。 4.即使移動圓心定位板，只要透過定位板的十字線及中心孔，也可準確對正 取得原先之圓心位置。 5.圓球與錐孔為線接觸，在機件原理第一章介紹的運動對中屬高對，所以 摩擦較小，使用較省力。 為了使圓心定位板可穩固地保持在黑板或白板上，除了材料選擇較輕的鋁材，更在其背面鑽四個深1mm ，直徑5mm 的圓孔，然後嵌入四顆?5厚1mm 之強力磁鐵，同時為了便於將其自黑白板取下，底部的邊緣則車削15度的斜面。 在此二零件的加工過程中，得助於兩位指導老師的耐心熱心指導，除了學得許多技

12、巧與觀念，也接觸CNC 車床的基本操作與指令，深覺驚奇與有趣，例如球型圓心腳原本以傳統車床加工，卻始終無法車出精確的圓球，但利用CNC 車床，這項工作就簡單多了。再如圓心定位板的車製，從未加工過這麼薄的工件，真是一項考驗與收穫。 圖九: 球形圓心腳設計圖 圖十: 圓心定位板設計圖 （三）設計通用於黑、白板之圓規 傳統教學用之圓規在夾持筆具上有下列缺點: 1. 用於黑板之圓規，無法夾持白板筆於白板上使用，如圖十三。 2. 夾持白板筆之圓規，無法裝粉筆於黑板使用，如圖十四。 3. 夾持粉筆之圓規，當粉筆過長時容易折斷，過短又不易夾持，常造成資源之浪費，如圖十三。 4. 夾持白板筆之圓規，不易更換白

13、板筆，因此當為了教學效果需使用幾個顏色白板筆時，常浪費許多時間並造成困擾，如圖十四。 5. 畫大圓時，不論粉筆或白板筆都會與板面成角度，無法與板面垂直，造成操作上的不便。 為了解決上述問題，必須尋求個可以裝置粉筆，也可安裝白板筆的裝置；而要能方便快速地換筆，我們想夾子應該是最簡潔的方式，因此尋找比較了許多夾子，除考慮耐用性外，也考慮其夾持力，最後發現最普遍的的鐵製通用夾是很好的選擇。 圖十三: 夾持粉筆之圓規 圖十四: 夾持白板筆之圓規 圖十一: CNC 車床加工球型圓心腳 圖十二: 車床加工圓心定位板 圖十五 : 筆夾部份之設計圖 在設計通用夾與本體間的結合，以及畫大圓時，筆可調整至垂直於板

14、面的狀態，因此在夾子與U 型槽的連結部份設計如圖十五所示，增加一個軸節的設計，並以翼形螺帽配合通用夾固定座（如圖十六）內之開槽來夾緊通用夾軸心（如圖十七） 圖十六: 通用夾固定座設計圖 圖十七: 通用夾軸心設計 圖十八：傳統製圖教具 （四）直尺的功能 在所有的製圖教具上都沒有刻度的標 示，如圖十八，因此在教學上要取長度比例 時，總有美中不足之感，此外兩塊三角板總 顯得笨重又佔空間，常讓老師手忙腳亂，所 以如果支輕巧的圓規上有長度刻度，同時 又可當直尺使用，那老師在教學時應該會給 學生更優雅的感覺。 基於上述理由，本創作設計在U 型鋁 外側，有一平整面可當直尺使用，且以銑床刻劃出間距1公分之短刻

15、度，每5公分長刻度，以便畫直線或教學時可迅速參考，此外當圓規之兩腳完全拉直成直線時總長有120公分，利於畫較長之線條。而為了便於操作，本作品在貼黑白板之面，裝有強力磁鐵，可輔助老師使用時更易於劃線，如圖十九。 （五）角度的功能 如圖十八之般製圖儀器，只能繪製30、45、60、90等幾種角度，如果要畫15度角的倍數角，就需用兩片三角板有技巧的組合，但人只有兩隻手，想要操作兩塊笨重的三角板，又要畫線，即使有其他人的協助，也會擋住視線且顯得忙亂。 圖十九: 直尺刻度與磁鐵(紅點位置) 為了達此角度功能之目的，本作品於內U 槽的轉軸處外面，以CNC 銑床加工，以15度為間隔刻劃出角度線，再於外U 槽以

16、手工具銼削指示視窗，指出兩U 槽腳所形成的角度刻度。如此將可劃出0180度間15度的倍數角，此外亦可以兩腳來約略度量物品的角度值。 （六）教具攜帶功能 一場精采的教學如果加上幾種不同顏色的圖形解說，教學效果將更良好，但是往往在緊要關頭卻找不到其他顏色的筆來使用。 此功能是在無意間發現，因為U 型槽中空的內部總覺得可以做些利用，而恰巧發現老師曾在上課時遍尋不著可用之筆，於是想到此空間正好可放置幾支不同顏色的筆（如圖二十三），需要用時可立即更換，同時也解決了狹小板溝老是掉東西的困擾。 圖二十: 角度功能之設計 圖二十一: CNC 銑床上偵測轉軸孔中心 圖二十二: CNC 銑床上加工角度線 （七）不

17、佔空間取放方便之裝置 許多時候我們都可發現，老師教學時為了取用方便，教具常置於板溝，但偏偏板溝卻有很淺小，因此教具常會掉落地面，要不然就是被板溝的污物弄得髒兮兮的。 在我們設計製作過程中，老師提供給我們這個小創意，只要在外U 槽上黏上幾片強力磁鐵，即可將此好用的圓規隨手吸附於黑（白）板上，既不佔空間又不會被弄髒，且不至於摔壞，取用也方便多了。 圖二十三: 中空U 槽內部存放可隨時取用的筆 圖二十四: 收合後，利用磁鐵可隨手吸附於黑白板上 伍、研究結果 歷經一年多的觀察、探索、思考、設計、討論、製作、修改，終於完成此多功能之教學用圓規，其不但改善了傳統圓規的缺點，同時具有如下諸多功能: 、可以夾

18、持粉筆或白板筆或其他畫線工具以畫圓或圓弧。 二、圓心腳不會任意移動，可精確地畫圓或圓弧。 三、畫圓時圓心腳不會把原圖面之圖元擦掉。 四、可取代量角器的功能繪製或量取物件的角度。 五、畫同心圓時，每次都能保持在相同的圓心位置。 六、可繪製0180度15的倍數角之角度線。 七、具有直尺的功能，可繪製直線或量取長度。 八、重量輕巧、攜帶方便。 九、放置或取用都便利。 十、可存放常用的各色白板筆。 完成之成品組合圖及各零件組裝之相關位置圖，如下所示。 陸、討論 整個作品在製作的過程中的確遭遇了許多問題，雖然一一克服，但在完成後仍有一些地方值得再作檢討改進，俾使結構與功能上更完美，茲分述如下 、材料的選

19、擇: 由於受限於加工的機具，且考量要以較經濟的方式製作出雛形，所以零件材料的選擇都以最易於取得的實心鋁材或鐵材為主，因此整體重量就 會偏重，若能大量加工，則部份零組件材料可有更多的選擇，像鎂合金、塑膠 或鈦合金等，都可降低成品的重量。 二、規格或尺寸: 此次作品的U槽橫斷面只有25mm x 25mm ，雖然看起來小巧玲 瓏，抓握的改覺也不錯，但卻影響某些功能，諸如轉軸處的角度刻紋就顯得太 小，不易觀看，且U槽內部空間也過淺只能容納三支白板筆，無法再置入存放 粉筆的保存盒。因此，如果U槽橫斷面可以有30mm x 50mm的規格，則在畫 角度或讀取角度時將會更容易，且較大的內部空間，也有助於利用。 三、美觀: 整個創作品感覺大致還不錯，唯獨夾畫筆的夾子予人感覺較突兀，若 能改善此部份的造型將更完美。 四、零件的連結：與U型槽本體相連結的零件，如球型圓心腳、筆套座及通用夾 固定座等，本作品中是以鋁材作鉚接，在此單件作品的加工是不錯的選擇， 但過於麻煩費時，如有沖壓或焊接的設備，則較省時省事且結合強度也較佳。 五、加工方法：因為機械加工的經驗不多，且對CNC機械的操作還不熟悉，因此 零件的加工或鑽孔，多使用傳統車銑床及鑚床，導致精密度不甚理想，所以 組裝起來覺得還有進步的空間，日後有