家と子供と、今日のおじさん(仮)

2017年築の家で、妻+子供3人と過ごす記録です。ほのかに工学テイスト。


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この記事では、レゴ・テクニックの「空気圧システム」について、使い方と仕組みを解説します。
使用キット:LEGO 42080 森林作業車 Forest Harvester Machine


★買っちゃった!あこがれの「LEGOテクニック」
 ついに買ってしまいました!レゴ・テクニック(LEGO Technic)の高級製品「42080 森林作業車;Forest Harvester Machine」です。電動モータ「Power Function(パワーファンクション)」と空気圧シリンダ「Pneumatic System V2(ニューマチックシステム;空気圧システム、流体システム、油圧システム)」がセットになった、豪華キットです。通常は12,000円ほどするのですが、10,000円未満で売っているのを見かけたため、思い切って購入してしまいました。
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 このキットの特徴は、なんといっても「空気圧システム」。レバーを操作すると、空気圧で、マニュピレーター・アームが上下するのです。まるで、本物の油圧シリンダみたいで、カッコウイイ!


今回は、この「空気圧システム(LEGO Pneumatic System V2)」の詳細について書きます。


★Pneumatic System V2:空気圧のしくみは、どうなっている?
 レゴの空気圧システムの仕組みを、以下の動画にまとめました。概略は、これで十分理解できるかと思います。


 以下、詳細の説明です。今回使用するパーツは、「LEGO 42080 森林作業車」のものを使っています。
・電池ボックス 6236269: battery box
・モーター(L) 6211504: large motor
・シリンダー(11) 6156699: 11 module cylinder
・シリンダー(5) 6207032: 5 module cylinder
・ポンプ 6152131: pump
・バルブ 6099773: valve
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 主役となるのが、空気圧で動くアクチュエータ、すなわち空気圧シリンダーです。本体部には、空気圧を導入するポートが2つあります。どちらのポートに空気を流入させるかによって、シリンダーの伸縮の向きが変わります。大(11モジュール)と小(5モジュール)の2種類があります。
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 そして、こちらが空気圧の源となる「ポンプ」です。きわめて単純なパーツで、これを見たとき、「エッ!これだけ?」と思ってしまいました。シリンダーと似たパーツですが、ポートが1ヶ所しかありません。黒い部分を前後させると、このポートから空気が出てくる仕組みです(圧縮時のみ空気が出る)。ハンドルをシュコシュコと往復させるタイプの空気入れと、同様の原理です。
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 こうしたシンプルな部品で、実際に空気圧で動作するアクチュエータを作ることは、たいへん価値のある理系教育(機械工学)になると思います。自分で作りながら、あるいはバラしながら、どんな原理で動いているのか、じっくり観察・研究することができます。


★「エア・コンプレッサー」でシリンダーを駆動せよ!
 このポンプを回転モータで動作させるためには、クランク機構を組んで、回転運動を直線運動に変える必要があります。軸受、円板、クランク、ポンプ支持部などを組み立てると、けっこう大げさな装置になります。下は、「LEGO 42080」の説明書を参考に作った、ポンプ駆動装置(いわゆる「エア・コンプレッサー」)です。
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 電源&モーターには、LEGO「Power Function」を使用しています。
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 クランク機構は、モータで回転させる円板の、偏心した位置にポンプの一端を固定。ポンプの他端を別途固定することで、円板が回転するとポンプが伸縮する機構を構成できます。先の動画の通り、かなり早いスピード(毎秒4~5回)で、ポンプが駆動されます。
20190825z23.jpg 20190825z23b.jpg

 ポンプから出力される圧縮空気は、まずバルブに至ります。バルブにはレバーが付いており、出力先を2ポートから選べます。
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 バルブの各出力ポートを、シリンダーの2つのポートに接続します。バルブのレバーを切り替えることで、シリンダーの伸縮の方向を切り替えることができます。
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★まとめ:ポンプ・バルブ・シリンダーで本物みたいな動きを体感!
 LEGO 空気圧システム(Pneumatic System V2)の動作原理をまとめます。
・モーター、クランク機構、ポンプで構成した「エア・コンプレッサー」で、圧縮空気を作る。
・バルブで、圧縮空気の流れを制御する。
・シリンダーに圧縮空気を導入し、直線運動を生み出す。

 キット「LEGO 42080 森林作業者」では、作業用マニュピレータ・アームの駆動に、空気圧システムが使用されています。空気圧システムをうまく用いれば、本物の「油圧シリンダー」みたいな、カッコウイイ動きを実現できます。
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