【李家同】為台灣加油打氣專欄_(107) 拉力測量機

張貼者:2017年4月21日 上午1:21台灣精密工程學會   [ 已更新 2017年4月21日 上午1:21 ]

你知道嗎?日常生活中,我們所使用的東西都需要經過國家商檢局認證通過才能上市,在商品的認證中,要做相關的物性方面檢測,其中大部分都需仰賴拉力試驗機來做出測試數據,來驗證是否合格,進而可上市銷售。有很多的材料我們都希望知道它能承受多大的拉力,合理的拉力強度可維護我們日常使用物品的安全性及耐用性,最容易瞭解的是紡織品,從各類原料如棉花、蠶絲、羊毛、麻、化學纖維、合成纖維等原物料,將原本膨鬆無組織架構的東西,經過捻繞變成一整捲線(通稱紡紗),再放入紡織機中編織成我們日常所見的布或其他產品(通稱織布)。那捻繞成線後的原物料,強度是否達到我們的需求?是否有達到我們的需求標準就需要拉力試驗機來做數據,測試的物件是已經捻繞成線的纖維,這些線在紡織機編織成布時,當然會受到一些拉力,所以我們事先一定要知道編織成線的纖維所能承受的拉力強度。拉力測量機就是為這麼目的而設計的。 

 請看圖一:

圖一

    圖一中所受測的試件是一根編織成線的纖維,我們要用夾具把線夾好,然後使得上面的夾具往上昇,當然這就對線造成了一種拉力。當這個夾具越伸越高,纖維線所感受到的拉力也就越來越大,到達線所能承受的最大力量,最後線會斷裂,我們就要記錄下來斷裂時候所得的參數,包括拉力強度和延長距離。 

    圖一中有一個力量感測器,這個感測器在夾具往上帶動線的同時,帶動的速度加載在試件中,產生相關變形,利用這變形將其轉換為微電壓輸出,這個力量感測器在英文中叫做load cell 

    當然拉力機架構上,力量測量器不僅僅要測量細的纖維,也要能夠測量非常粗重的材料,比方說一根鋼條。所以有一個問題來了,究竟我們夾具往上升的時候要多快?如果上升的速度很快的話,一根細的纖維會立刻斷掉,有如瞬間扯斷一樣,無法確認其真實力量;反過來說,如果是一根鋼條,測試時,上昇的速度很慢,那就要等很久鋼條才會斷裂,材料的變形過大不符合我們的測試需求。換言之,我們必須要確認某一種材料應該用多快的速度使夾具上昇。這是有規範的,國際間有一個資料庫如ASTMISO等或是我國的CNS規範都有相當嚴謹的測試速度要求,只要你輸入你的材料種類以後,這個資料庫就會告訴你該如何地做試驗,從材料的準備、裁樣、選樣,養護、溫度的控制等等,也包含夾具中間的距離以及上昇的速度等等。另外,設計拉力試驗器是允許使用者改變很多參數的,因為我們會有各式各樣和各行各業不同的材料。 

    要設計一個好的拉力試驗器,最難的部分是要使夾具緩慢地上昇。我們台灣的工程師所用的馬達可以在一分鐘內使得夾具上昇慢至0.001mm也可快速上升到1000mm或是更高的速度,一個mm是一千分之一米,0.001mm乃是百萬分之一米,這種速度當然是相當相當慢的。因此我們要有一個精密的拉力試驗機就要有這種高精度大扭力的馬達,這種馬達也就是所謂的"伺服馬達" 

    還有一點,夾具上昇的時候要絕對地直線及相對平行,也就是說我們要有一個滾珠式的導螺杆,或稱滾珠螺桿,(請看圖二),當這種螺桿一端有一個馬達旋轉它的話,它的螺套(中間凸出大塊物)就會產生上昇或下降,或稱"位移)。這種螺桿必須非常精密垂直,如果位移時有些微蛇行情況,其測量出的力量就不平均而有問題了。在台灣直立式拉力機,利用伺服馬達及滾珠螺桿傳動,能夠測量到的最小拉力是一克,最大試驗容量是50噸。其測試方式可選用臥式,試驗容量超過50噸者其測試動力改用傳統的油壓式的拉力測量機。

  

圖二

    值得我們高興的是,台灣的工程師能夠設計出相當精密的拉力測量機,其中很多重要的零組件也都是我們國人廠商所提供的,當然與國際接軌等考量因素,力量感測器必須從德國、美國進口,以達與國際知名的的試驗系統相互比對之目的。 

    在台灣有一家公司深耕台灣多年,以國人自製、加工、組裝,與國內的產業趨勢相結合,已有40多年歷史的台灣公司,他們不僅可以製造相當精密的拉力試驗機,也同時設計了600多種試驗機,測試各種各樣的材料,比方說橡膠,皮革、紡織、輪胎、塑膠、紙、鋼鐵材料、混凝土等等。因為產品的多樣化與國際開發新產品同步,使得這家公司擁有3萬家以上的海內外客戶,這家公司以技術為本位以服務為天命並以客為尊,以國人自製開發一步一腳印為榮,經過08年金融海嘯的考驗未受大戶抽單,未生發生生產停滯無法銷售的問題。 

    要有這種非常精密的試驗機,可想而知的是底座必須非常穩固,任何環境的細微騷擾都不會影響到測量的精密度。由於要求極精密,電子線路方面也就必須非常講究,傳遞測試信號給電腦過程不得受雜訊影響,所以這家公司有相當多的電子線路工程師,研發出如何去除雜訊。另外,軟體、韌體的開發都是由國人一手包辦,使得拉力試驗機所得到的力量、變形、位移等等數據的解析及計算都能達到國際化並與國際接軌。 

    我們國家擁有這一類的試驗機製造廠商乃是相當幸運的事,因為各種產業都會使用各種不同的材料,而材料都要經過試驗的,期望在國家的產業持續提升精進中,這一類的試驗機製造廠商繼續為國內產業提供更多的背後支援。

 

李家同

清華大學、靜宜大學、暨南大學榮譽教授 

博幼社會福利基金會董事長

 劃撥帳號:22482053

(300)新竹市光復路清華大學資訊工程系 

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