全興工業股份有限公司的靜態荷重抗壓試驗機

Author(s):
張 弘良 股長 - 全興工業股份有限公司 研發中心研究企劃課

Industry:
Automotive

Products:
Distributed I/O, LabVIEW

The Challenge:
在汽車業界關於人乘座的舒適性標準一直沒有定論，如何將標準經過長 期經驗的累積，使原本模糊的感覺界線，轉換成明確的數據，使設計者與使 用者的感覺能夠更接近，可在產品設計之初將此測試納入，增加設計者在設 計產品時有一個更好的標準依據。

The Solution:
以 LabVIEW 為開發環境，結合 PCI-6023E、SC-2043-SG、4 Axis Step Control、Close Loop PCI-Step-4CX，與 PCI-6503，將外部的荷重元信號搭配 4 軸的步進馬達，取出我們所要測試產品的相關數據，如單點的永久變形量、座椅的軟硬度、座椅多點軟硬分佈、泡綿的物性分析，與鐵件的鋼性分析等等。

於試驗室中測試汽、機車等座椅的軟硬度、變形量，與物性分析時，設計者需提供完整圖面，而座椅試作打樣提供樣品者，須提供相關原料比例及相關製程資料，可使測試者在測試前有足夠的條件來設定機械設備，測試後可依據測試結果作出最合理的分析。

♦ 提供測試前的荷重校正資料，選用不同荷重之荷重元，提供各荷重元相關性數值資料。

♦ 提供鋼性測試：對金屬用來做抗壓或抗拉測試，可設定初荷重、最大荷重及最大變形量等等。

♦ 單點荷重測試：用來對一些軟性產品如膠皮、泡棉、橡膠、機車座椅、汽車座椅、塑膠及枕頭等等，可針對物性來做永久變形量及求出變形體積。

♦ 多點荷重測試：針對整張座椅整個面來做硬度及舒適度評估可得到最好的數據，運用的產品有汽車座墊、機車座墊及表皮泡棉等等。
以上各項均透過荷重元 (Load Cell) 及 A/D 模組來讀取外部相關資料，經 LabVIEW 程式判斷處理後，將所要的動作及相關位置送出至馬達控制模組及外部 I/O 模組，來達到整各流程需求。在結合資訊化的方面，可直接針對某一段圖形加以分析或輸出成 JPEG 圖片模式與試驗管理報告系統相結合，使得報告更具公信力。

應用實作：

此設備導入應用於汽車業界已有相當長的時間，從數據的取得延伸至測試報告的客觀性，都是我們所期待的目標。本文大致上從荷重元 (Load Cell)、步進馬達 (Stepper Motor)、外部 I/O 訊號，進而整合延伸至軟體的撰寫元件應用上，相關特性軟體如何去設定來符合及呈現出最真實的數據。

荷重元校正及應用：

首先就荷重元 (Load Cell) 來說明校正及應用。荷重元 (Load Cell) 根據廠商所提供的資料顯示，特性曲線並非完全的線性比例，理想較接近的僅為荷重承載量的 20％〜80％。在資料的截取上，可將荷重元的荷重範圍切割成 20 區段來各自校正 (切割越多所得到的值更準確)。至於反應時間可設定 A/D 卡或荷重元最快反應時間即可。

每 1 個荷重元 (Load Cell) 特性皆不同，為因應一機多用的政策，在這台測試機上總共有 50㎏、100㎏、200㎏、500㎏、1000㎏，與 2000㎏ 之荷重元可供選擇使用，僅需修改 LabVIEW 程式軟體即可。

I/O 模組應用：

採用 PCI－6503 (PCI－DIO－24) 來對外部的元件作訊息的傳遞，如外部按鈕、位置的前後限、保護的開關等等，來搭配軟體的應用即可。

步進馬達模組 (Stepper Motor Model) 應用：

此套設備因沿用原舊有設備，僅更改電控部份。在考慮原有設備狀況下，判斷 Z 軸需使用半閉迴路外，X 與 Y 軸僅需開迴路即可，於是我們選購 4 Axis StepControl，Close Loop PCI-Step-4CX，即可達到我們所需求。在設備硬體方面，選用合適尺寸之滾珠螺桿搭配步進馬達之齒輪比，將每 Step 數為 0.01㎜ 為原則，可減少某些程度的計算，在此利用機械齒輪比來決定相關尺寸優點有 2 個，一為機械精密度與軟體搭配性高可大幅提高測試精準度，避免累計誤差，二為程式撰寫期間可減少計算的複雜度，降低錯誤機會縮短程式開發時間。

整合應用：

此系統架構選用 3 張 PCI 之 DAQ、I/O，與 4 軸控制器。圖示為系統整體架構圖，此系統選用了 NI 產品中的 A/D 卡 (PCI-6023E)，此 DAQ 卡可達到 200kS/S 之訊號擷取速度，對於目前市面上一般所應用之元件，應用上應措措有餘。選購此 DAQ 卡需再額外搭配排線及端子座，4 軸控制器亦須一外部配線基座，增加一只電控箱可將外部配線及相關基座安裝於此，不僅可增加美觀及相關模組整合上有相當程度的助益，對於日後產品維修人員對於問題點的判斷上亦可確實掌握。

單點荷重及剛性測試差異點，僅在單點荷重需要知道所測試的物品，在某一點受壓或拉力某一程度時變形量有多少。目前因許多汽車廠再要求上比以前更嚴苛，所以我們依據 LabVIEW 可提供整合外部許多搭配軟體相關數據資料，也開發出計算變形體積附加程式，使的測試報告更具說服力。

延伸擴展應用：

LabVIEW 提供了許多功能，如中文的輸入顯示、按鈕文字圖示的改變、程式語言 (C++、組合語言) 結合、外部程式連結、巨集的應用、檔案的轉換，與儀表連結等等。並運用即時的處理達到監控的目的，以一個公司自動化的程度來說系統整合是必要的，當工程師考慮如何將測試生產設備自動化的同時，針對客戶的需求及操作人員的便利性，在成本考量下，如何運用科技產品作出精準度及高信賴度的設備，一直是我們考量的目標。

以目前全興來說各有各的系統，從生產設備到測試設備及相關管理系統都獨立作業，往往造成流程時間的浪費、資料的遺失、報表格式混亂及測試報告的可信度等等。全興運用過許多的 PLC 或者是導入機器人等等，但大部分產品僅要求將自身設備功能完善即可，並沒有去思考如何將各單機作業整合，及使用者更能清楚程式正在做什麼，硬體各部分相關狀態，當初一開始考慮設備狀態及使用軟體的相關問題時，也針對目前市面上一些控制器廠商開發的程式進行評估，每一家僅具有單機功能，必須結合許多工具甚至自己開發軟體程式，再開發的時程上是很浪費時間，如何在設備的精準度及成本的考量上取得一平衡點，努力的空間一直存在，將測試結果轉換成圖檔，結合原先的報告系統，這只是初期的階段，LabVIEW 功能越來越多對於資料庫的支援也越充足，相信在未來自動化的整合會越來越完整，不只是單機的作業，生產及測試的整合才是我們的目標。

 

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張 弘良 股長
全興工業股份有限公司 研發中心研究企劃課
Tel: 04-762-2188 分機671

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