本文建立于对电动钉枪机性能提高的研究，研究建立在大量试验基础上。试验研究采用了析因法、优选法和正交试验法。本报告提供了相应的实验数据和零压触发控制电路图，本文仅供直流螺管式开路磁系统和零压触发控制电路的设计借鉴
钉枪机广泛地使用于家居装修、沙发、建筑、制鞋、制革、包装等行业。尤其是装修行业，早已大量使用钉枪机作业了。钉枪机使用F10-F30的T型钉。由于钉枪机的广泛使用，多种多样型号的新产品不断问世，如气动钉枪机、电动钉枪机。
目前市场上的钉枪机绝大多数都是气钉枪。气钉枪作业时必须携带空压机适合专业装修团队使用。早在上世纪九十年代初，美国工匠牌电钉枪就已经在国内有销售。同时国内浙江地区也有厂家生产电钉枪。电钉枪成本低、携带方便适合家庭DIY装修及一些便携的场合。
上世纪九十年代初由于电力电网的不稳定及电钉枪本身的局限性，即电钉枪动力不足导致枪钉不能完全钉入较硬的木质。电钉枪也就缺乏了其市场竞争能力。
本试验就是针对电钉枪动力不足的主要问题，对其参数做优化设计。本试验的方法与实验仅供针对直流螺管式开路磁系统的设计参考。
1．电钉枪的结构与工作原理
如图1电钉枪的结构所示，电钉枪由线圈、铁芯、枪针、枪头部分、弹夹、复位弹簧、触发开关、控制电路、减震垫、减震垫片和外壳等部分组成。
电钉枪使用v50Hz的工频交流电源，使用F10-F30的T型钉，F30的T型钉长度为30mm，本试验是建立在F30的T型钉的基础上。F30的T型钉是安装在弹夹中，由弹簧顶向枪头部分。
接通电源后，按触发开关一次，控制电路使线圈得到一个正半波的电压，线圈的电磁力使铁芯向下运动，铁芯向下运动带动枪针，枪针顶出一枚T型钉冲出枪嘴挤入木头。此电钉枪的机构为直流螺管式开路磁系统。
图1电钉枪的结构2．电钉枪结构的主要参数及分析
本机构选用直流螺管式开路磁系统，F30的T型钉必须在瞬间被挤入木头，机构特点：瞬间冲击力大（冲击电流大），动作时间短，动作频率高。
控制电路特点：零压触发，半波导通。（采用工频交流电供电）
2.1机构的反力特征
如图2所示，机构的反力有下列特征：首先铁芯启动后枪针将顶到T型钉，T型钉是整排并排胶联着，需要足够的初始顶力方可顶开(T0时刻)；其次T型钉钉入木头瞬间铁芯要有足够的动力（T1）；再者随着T型钉的深入阻力加大（T1~T2），铁芯要有足够的冲力方能将T型钉挤入木头。
图2机构的反力特征2.2机构的冲力特征
机构的冲力特征也是我们要研究和试验的重点内容，它涉及到多方面的复杂因素。
2.2.1线圈电压、电流与冲力的关系
如图3所示为线圈的电压电流波形，电流的关系将在t1时刻达到最大值，电磁吸力F与然后逐步减小。
2.2.2线圈骨架的主要参数
线圈骨架如图4所示，主要参数是线圈长度L和内径Φ，其他参数是内壁和二边的厚度。线圈骨架的参数取决去铁芯直径、行程和材料等。
图3线圈电压与电流关系2.2.3线圈的主要参数与铁芯冲力的关系
线圈的主要参数有线圈的直径和匝数，线圈长度L和内径Φ取决于骨架的参数。线圈与骨架示意图如图４所示。
增加线圈的直径将减小线圈的直流阻抗，减小线圈的直流阻抗则电流增加冲力提升。但增加线圈的直径将加大线圈体积及重量，体积增加线圈外围的作用将降低。
图4铁芯与骨架铁芯的冲力与线圈的匝数成正比，但增加线圈的匝数的同时将增加线圈的直流阻抗，直流阻抗增加则电流减小冲力下降。
2.2.4铁芯的主要参数与铁芯冲力的关系
铁芯的主要参数是铁芯的直径、长度和重量。铁芯材料采用DT3电工软铁。铁芯的直径略小于线圈骨架的内径。长度略大于线圈骨架的长度。根据F=ma，在电磁吸力F一定的情况下，适当减轻铁芯的重量可以提高铁芯运动的加速度。
2.2.5枪头部分结构的主要参数
如图2所示，枪头部分在线圈下方，线圈与枪头部分之间含一减震垫片。
枪头部分与弹夹连接，弹夹内置F30的T型钉。T型钉的下止点离弹夹的下沿还有一定距离（看弹夹开模尺寸），T型钉的下止点至弹夹下部分的即为枪嘴，枪嘴太短不利于操作。
铁芯带动枪针，枪针头应离F30的T型钉有一定距离，距离太近铁芯获得的冲力不足将无法顶出T型钉，距离太远铁芯的行程太长最后将无法将T型钉完全挤入木头。
在铁芯有足够的冲力的情况下，枪针如能冲出枪嘴一定距离，T型钉会可靠的挤入木头。我们把这段距离称为出针长度。
枪头部分决定了铁芯的行程：枪针头离T型钉的距离+F30T型钉的长度+枪嘴长度+出针长度。
2.2.6机构的冲力特征分析
对于直流螺管式开路磁系统的磁力一般有二个分量：其一是由主气隙磁导和相应的主磁场能量的变化产生的；另一是由衔铁侧面的有效磁通（通过衔铁侧面且切割线圈的漏磁通）产生的电磁吸力。
一般在电流不变的情况下，铁芯的初始位置吸力为最大，铁芯完成击打动作位置吸力为最小，但这是的反力为最大。所以要将T型钉完全挤入木头必须靠铁芯的冲力，也就是冲量。
以上是电钉枪结构的主要参数与受力的定性分析，由于其受力的动态分析涉及的因数复杂，而相关性各不相同。所以本设计采用了试验研究的方法，通过参数优选完成设计。
3．电钉枪结构的主要试验研究与主要试验数据
试验条件为：本试验选择了供电环境较差的电力变压器容量不小于50KVA的环境，晚间居民用电高峰期，电源电压实测约稳定为v50hz交流电（或可以选择供电环境较好的电源电压实测约稳定为v50hz交流电，电钉枪输入电源时加接一条12m的0.75平软线延长线，软线延长线起到电压衰减的作用）；
采用柚木作为试验对象（柚木具有木质坚硬、细腻、一致性好的特点）；
试验结果：挤入（T型钉正好挤入木头）、未挤入（T型钉未能完全挤入木头，分别差-1mm、-2mm、-3mm和大于-5mm）、完全挤入（T型钉完全挤入木头内，分别为+1mm、+2mm、+3mm）；
试验研究的方法：析因法、优选法和正交试验法。
以下结构数据均为试验研究所得：
3.1枪头部分
3.1.1枪头部分太短不利用操作，分别取10~15mm试验，不小于12mm取14mm为佳。
3.1.2弹夹下沿在不影响弹夹性能的情况可减厚，可增加枪头的有效长度。
3.2铁芯部分
3.2.1铁芯最大的行程止点：枪针应适当露出枪头，枪针露出枪头太短由于反弹力的影响不能可靠地把T钉挤入木头，但加大枪针露出枪头距离将引起的行程增加应增加铁芯的长度，本试验枪针露出枪头取3.0（-0.5mm）为佳。
3.2.2静态时枪针头应该离F30钉2mm（+0.5mm）。并应在弹夹上沿内。
（试验证明：1、枪针头离F30钉太近时，启动力不足将不能启动。2、枪针头离F30钉太远时，行程长而影响动作时间。3、可将弹夹上沿的下边尽量下移，可减少铁芯回程时枪钉的跳动。)
3.2.3铁芯行程为静态时枪针头上止点到最大的行程下止点的距离：
出枪头长度3.0mm+枪头长度14mm+弹夹下沿4mm+F30钉长度30mm+静态时枪头离F30钉的距离2.5mm=53.5mm。(铁芯示意图如图5所示)
3.2.4铁芯长度（铁芯材料取DT3电工软铁）
试验条件：取铁芯直径为20mm；骨架内径大于铁芯直径1mm；线圈取Φ=0.77mm×匝
铁芯长度=铁芯最大行程+静态时铁芯含入线圈距离（见图4）+骨架上边+软磁垫片厚+反力弹簧的压缩长度+靴极厚度=（53.5+1+4.5+1+5+2）mm=67mm
图5铁芯示意图试验结果：铁芯增长，动作冲击力减小。
3.2.5铁芯直径
试验条件：取铁芯长度为65mm；骨架内径大于铁芯直径1mm；线圈取Φ=0.77mm×匝。
铁芯直径分别为18mm、18.5mm、19mm、19.5mm、20mm、20.5mm、21mm。
在其他试验条件相同的情况下做分组试验，每组个数据观察效果。
试验结果得出在铁芯直径Φ=19.5mm的时候，具有最佳的动力效果。
3.2.6铁芯重量
根据F=ma，在电磁吸力F一定的情况下，适当减轻铁芯的重量可以提高铁芯运动的加速度。
在不影响铁芯的机械强度的情况下，铁芯做成空心的。铁芯的靴极和枪针用Φ=2mm的销钉固定。
试验在铁芯：实芯或空芯（空芯内孔Φ=8mm~Φ=14mm）之间做试验。
试验证明取空心Φ=14mm较佳。铁芯重量减轻，动作加速度提高，动力的效果提高。
3.2.7靴极
可以考虑适当增大靴极直径，可增大动作冲击力。
铁芯靴极的作用有：加强对铁芯靴极的吸力，使吸力中心沿铁芯中心位置向下移动；可用以起定位作用；
可以考虑铁芯的靴极与骨架内径同。
3.2.8反力弹簧（由于钉入的瞬间冲击力＞＞反力弹簧的反力）
反力弹簧的主要参数：上径19.5mm；下径50mm；长度mm；g；Φ=0.8mm；螺距8mm。
3.3线圈部分
3.3.1骨架长（线圈骨架示意图见图4）
根据：铁芯行程=铁芯上止点—铁芯下止点
试验得出当铁芯上止点未含入线圈内，启动力欠佳，以含入线圈内1mm为合适，
则：骨架长=铁芯行程+1mm含入量+上边厚
=（53.5+1+4.5）mm
=59mm
(略加长1—2mm可增加含入量)
线圈长度=骨架长—上边厚—下边厚
=（59—4.5—4.5）mm
=50mm
3.3.2线圈部分（要求线圈品字排绕）
以线圈长度50mm为例，可绕以Φ0.60~0.95mm漆包线。线圈参数如表一所示：
表一线圈参数表对于装甲螺管式磁系统线圈的最佳长度长宽比为7~8，而对于直流螺管式开路磁系统长宽比在此取较小。
试验证明，随着漆包线线径的加粗，吸力略有提高。但电流增大。（电流的测试方法：电路中串联一直径Φ为1.2mm的0.1Ω的锰铜丝电阻又示波器波形给出）
线圈的线径的加粗后，电流增大，尽管线圈的热容量提高，线圈的发热量也加大。线圈的重量增加，枪身的重心向前移动，稳定性提高。
试验得出线圈直径Φ取0.77mm综合评价为最好。
3.3.3其他机构就不再一一说明（如软磁垫片、抗震垫片等）。
4.试验样机（如图6所示：试验样机外加了外壳抗冲击保护）
图6试验样机5.枪头部分图纸（如图7所示）
图7枪头部分图纸6.控制电路部分
控制电路特征：零压触发，半波导通。（采用工频交流电供电）
对于控制电路考证了美国“工匠”牌电动钉枪机的三个时期产品的电路及其它触发电路等。以如下电路设计为最佳，见图8：控制电路图。
图8控制电路图如图8所示：S1是触发开关，触发一次Q2导通一个半波，L1为主线圈，L2为辅助线圈，Q1起到电磁冲力可调的作用，通过R8可以调整电路电流。R8见图六试验样机尾部。本电路采用纯阻容设计，电路工作稳定可靠功耗及成本低。
结论
本报告建立在大量的试验基础上。试验研究采用析因、优选和正交试验法。
本试验就是针对电钉枪动力不足的主要问题，对其参数做优化设计。试验结果非常满意，能在电网电压V的情况下将F30的T型钉（99%）完全挤如木质坚硬的柚木。控制电路如能设计成力度自动可调对产品化具有更大的意义。
本试验的方法、试验结果和控制电路仅供针对直流螺管式开路磁系统的设计与零压触发电路设计参考。
（摘编自《电气技术》，原文标题为“直流螺管式开路磁系统的试验研究”，作者为于季刚。）