其他材料性質

在Inventor中，可以使用功能表上方的"材料"指令叫出材料的對話視窗，
並且可以新增、修改材料的性質，
在有關應力分析會用到的材料會放在"實體"的頁簽中，如下圖示：

對Inventor應力分析來說，
因為只能作線性結構靜力分析，
在材料設定的實體性質內有的其實都用不到，
所以都可以忽略不管，
線性結構分析會用到：
密度：用來算質量、重量、轉動慣量，
楊氏係數跟Poisson's ratio：用來算變形量，
降伏強度或抗拉強度：用在算安全係數。
其他的熱膨脹係數、熱傳導率、比熱等在Inventor應力分析中都用不到，
剪切係數則可以根據楊氏模數跟蒲松氏比作計算：G = E/ 2(1+ν)，
可參考Help檔說明。

至於其他CAE軟體多半也都不會支援讀入CAD的材質資料來使用，
這些用不到的資料給不給是無所謂的。

不過因為Autodesk畢竟有其他的Nastran In CAD、CFD、Simulation Mechanical等，
有些資料還是有機會被這些同公司的軟體拿來用；
事實上從2013年版的Inventor開始支援Autodesk Material Library，
改變原來的材料設定介面的情況來看，
把自家公司的材質資料庫作整合或許是另外一種特色，
相對其他CAD軟體材質資料庫來說，
Autodesk的材質資料庫其實算是相對豐富量大的。

甚至若包含Moldflow、Simulation Mechanical、Fatigue Wizard、CFD、Helius Composite等其他軟體的材質資料，
其實以CAD、CAE軟體來說，
Autodesk的材質資料庫真的算是第一名。

有關材質資料可以上www.matweb.com查。

工程塑膠材料可以參考：華郁塑膠。

伯努利吸盤的模擬

很久一段時間沒有跟設備用元件廠商接觸，有點跟新技術脫節，
前陣子才注意到有伯努利吸盤，
一開始找到的都是半導體晶圓應用的案例，
伯努利吸盤幾乎都是廠商的特製品，
後來發現Festo跟氣立可(Chelic)也都有模組化銷售的成品，以下各公司圖片取自各公司網頁，不再贅述說明。
Festo：

氣立可：

氣立可有提供比較詳細的原理作用說明圖片：

也有清楚的使用參數圖表可以參考：

我有使用Autodesk Inventor參考氣立可的型錄作了一個跑CFD用的模型：

氣立可的Chuck固定在板子上，
Chuck上方距離0.5mm有一片平板，
外圍包著空氣體積

使用Autodesk CFD設定入口 0.4MPa，70L/min，
空氣體積最外圍氣體可自由進出。
其他幾乎都是預設值。

模擬的結果上下壓力差造成的吸力約 0.32N，
再改用 0.5MP，80L/Min，模擬的吸力值為0.4N，
跟型錄上的數值還蠻接近的，簡直有點不可置信的好，
難道氣立可的數據也是用CFD軟體模擬出來的？
但是我印象中他們裡面有一個顧問很不屑用CFD？！

不過伯努利效應所形成的壓力分布均勻性並不好，
下圖是平板下方的壓力分佈顯示圖：

圖中綠色大面積部分的壓力幾乎都是 0，
很明顯的吸力的效果還是集中在中間的範圍，而且會有小範圍的正壓區，如下圖示：

下圖是水平方向從中心到邊緣的壓力變化：

下圖是在對角線方向，從中間到角落的壓力變化：

從壓力分佈的狀況來看，
氣立可這種設計的結果對軟性或強度不夠的材料在吸附效果上還是有疑慮。

但是對硬的材料來說，不失為一種非接觸式吸附的高CP值解決方案。
光是省掉真空產生器就不少錢。
缺點是吸附過程會一直用掉高壓空氣，(真空產生器也會)。

Inventor應力分析報告產生功能

Inventor應力分析有內建一個報告生成功能，
功能算是簡單陽春，
但是使用上卻算是非常的方便，
可以讓設計工程師跟主管或其他同仁快速地進行模擬狀況的溝通。

這個功能必須在執行過分析才能使用(廢話,,,)，
可以在功能表的右邊找到"報告"：

點選報告後會出現對話視窗如下四個頁簽可以進行設定：

一般性質頁簽，可以設定報告的標題、作者、使用的公司Logo，
產生的照片大小尺寸，
檔案名稱、檔案儲存位置。

可以指定在iPorperties欄位中要在報高中出現的資訊
可以自行指定欄位，
或者是將所有帶有數值的欄位全部輸出

研究頁簽可以設定邀輸出那些研究(模擬)，
包括各個研究項目下的設定與結果項目，
可以方便比較不同設定、材料的模擬結果

格式頁簽可以設定輸出的檔案格式：
網頁-多個檔案是一般傳統的網頁格式，副檔名html
網頁-單一檔案：是將所有影像檔跟文字打包封裝在一起的格式
Rich Text Format：rtf格式是Windows作業系統內建文字編輯程式的檔案格式
建議使用"網頁-單一檔案"格式相容性會比較好，也比較不會掉影像資料

首先要喬好"姿勢"，把需要展示出來的重點位置顯示在畫面上，
在輸出結果項目中所有的欄位，都可以選擇進行輸出圖形，
如果全選，再加上勾選"對向相機視圖"，
產生出來的報告頁數會太多，模糊掉焦點，
要注意不要動不動就勾全選，除非您的主管或老闆喜歡這樣。

報告輸出重要的設定在於"研究"這一個頁簽，
建議指定必要輸出的項目即可，
如果有多項不同設定的研究，
最好要指定"材料"、"負載"、"約束"的輸出，
跟各個不同需求的結果項目：
預設通常會把von Mises應力、位移、安全係數、第一主應力跟第三主應力、反作用力勾選輸出，
不過如果都是延展性材料，其實第一主應力跟第三主應力可以忽略不看，
如果設備元件重點在變形，通常應力不會很大，
可以將安全係數除選，
另外加上需要注意的 XYZ方向位移，
也可以勾選輸出最大結果圖像，清楚看到最大值發生的位置。

如果有特別要看接觸面上的壓力分佈狀態，要記得勾選輸出"接觸壓力"，
並且要適當的隱藏部分元件不要遮住接觸面。

如果使用參數研究，輸出的內容項目會在更多一點，另外再介紹。

根據設定自動產出的報告內容其實對有經驗或者是了解設定與結果數值的相關人員來說其實已經很夠用，
可以用來確認設定條件是否正確，
計算結果數值的趨勢與比較是否合理。

在作正式報告前，可以使用這一份自動產出的報告作溝通，
工程師也可以省掉許多時間擷圖、貼報告的動作，
但是要出給客戶或高階主管的報告還是需要另行製作精簡版易說明重點的報告。

蒲松比 Poisson' Ratio

蒲松比 Poisson' Ratio習慣上會以 ν 來表示。

相對楊氏係數可以用大家熟悉的彈簧來作比喻，
即使不是學工程的背景也可以很容易理解，
Poisson's ratio就相對比較不容易瞭解。

Poisson's ratio的定義是測試材料受壓時側向變形膨脹量相對受壓量的比值，
或者是材料受拉伸作用時，側向收縮量相對受拉伸長量的比值。

維基百科上有詳細的說明，可以參考看看。

內容有點多跟複雜，
在一般的結構分析應用上，
大家只要知道一般工程上常用到的均向性(isotropic)的Poisson's ratio的值大概在0.2~0.5之間 :
某些橡膠可以到接近理論上的0.4999
鑄鐵約0.21~0.26
鋼材約0.27~0.3
不鏽鋼約0.3~0.31
鋁合金約0.32
銅跟銅合金約0.33
鈦合金看比例成分，變動較大，約0.265~0.34
黃金約0.43
玻璃看成分 、種類差異較大約0.18~0.3
軟木塞幾乎是0

工程塑膠變動較大，要看成分 、製程，
例如發泡塑膠可以從0.1~0.5。

Poisson's ratio的值對單純拉伸 、壓縮負載跟小變形量的影響不大；
對受剪力負載時的影響比較大。
特殊材料跟大變形時也要特別注意剪切的作用。


幾個相關資料：
楊氏係數
材料的降伏與抗拉強度
材料硬度與降伏強度的關係
脆性材料的破壞與強度測試
其他材料性質
機械設備常用材料
工程塑膠
鋁合金

CAE的個人經驗

第一次接觸CAE軟體是在念大三下學期 (1989)，修了一門"有限元素法"的課程，
那個時代個人電腦才剛開始進入DOS+8086 CPU，
一組個人電腦的價格相當於初階公務員好幾個月的薪水，
第一套接觸到的 CAE 軟體是 ANSYS 2.0，
課程上的作業要用ANSYS作一個軸元件拉伸實驗的 2D 軸對稱模擬，
想當然軟體就是學生功德版...

那時候多數人對電腦的應用與孰悉程度跟現在差很多，
電腦軟體的操作設定方便性也差很多，
所以會用電腦的人並不多，
不過 Macintosh 正要出來，準備開始顛覆個人電腦的使用經驗。

課程上ANSYS在使用上要用文字介面輸入，效率很差；
對很多同學來說根本是一場災難！
不過我學得還蠻有興趣的...
想想也是蠻自虐的。

後來三升四暑假申請專題生，在實驗室中接觸到SGI工作站，
才知道原來還有這種視窗操作、多工等級的電腦。
那個時候只知道一套CAE軟體，就是ANSYS。

後來念碩士班，指導教授實驗室慣用的軟體是Marc + Mentat，
後來又想評估導入 Pro-Mechanica、Ideas。

所以在學生時期，碰過的CAE"相關"軟體有ANSYS、Marc、Pro-Mechanical、Ideas。
但是有用過的是ANSYS跟Marc，可惜用的很淺。

離開學校後，就很少用CAE軟體。

中間有一次用 AutoCAD (正確說應該是 AtuoCAD Mechanical)作鋁擠型斷面 2D 的模擬，不過是作著玩。

還有一次是CAD代理商推薦用MSC的Nastran 4D，其實算好用、有趣，不過公司不想花錢買，所以沒導入，就不了了之，後來這一套軟體也消失了。

再來是 Inventor，Autodesk 跟 ANSYS 買了單一零件模擬分析功能，放在 Inventor 中，但是因為功能有限，坦白說根本像是體驗用軟體，也不考慮導入。

真正再回頭玩CAE軟體是在第三份工作到 CAx 軟體代理商，
負責 Algor (後來改Autodesk Simulation Mechanical，2017不再出新版) 、 Inventor 應力分析跟動力學模擬，
隔年再加上Moldflow，
再隔年再加上Autodesk CFD (原 CFDesign)、PTC Creo Simulate，
再隔三年加上 Autodesk Nastran In CAD (原 NEi Nastran In CAD)，

為了支援這些 CAE 軟體的銷售工作，不得不稍微比較一下各家的 CAE 軟體。

所以就找了一下有關 CAE 軟體的資料，

另外放在 CAE軟體中簡單說明。

也稍微找了一些台灣的同業，瞭解一下同業，
可參考：台灣的CAE公司

光譜量測儀器的概念

從高中開始就對水晶、玻璃可以折射出不同的顏色很感興趣，

後來在工作上因為接觸AOI光學系統的關係，
才深刻體認到不同材質的折射、吸收對光顏色變化的影響很大，
在查其中很多光學鏡頭、濾鏡等元件資料時都有所謂的"穿透率"這個規格，
檢索相機文章也會有很多討論到"紫光"、"色散"等等各式各樣的專有名詞，
尤其是看到這些元件產生各種不同顏色的呈現，非常的有趣。

最近工作上的關係開始對光譜儀產生興趣，
究竟光譜儀是如何取得不同波長通過光學元件的穿透率？
首先要先瞭解有關光學元件穿透率的定義：
某一波長未穿過光學元件時抵達感測元件的強度為V0，
穿過光學元件抵達感測元件的強度為V，
穿透率 T=V/V0，
所以穿透率越高，表示光學元件對該波長光線的阻礙最少，
對原始影像的影響應該也越小。
在濾光片產業，有一個T50穿透率的規格定義，意思是指穿透率為50%的波長，例如T50@500nm跟T50@540nm，
也就是高於540nm以上跟低於500nm以下的光會被大量濾掉。
當然若要仔細點看，規格上還包括：
通過波段的平均穿透率Tavg越高越好，
跟在T50的斜率 %/nm，越陡越好。

既然穿透率作為光學元件的主要規格之一，
那在量測上自然就非常的重要。

若要反應光學元件對顏色的表現，
還需要確認在各個不同波長的穿透率都要有適當的表現。

所以應用光譜量測濾光片必須要量不同光波長的穿透率，
光譜儀第一個重點是要分光，
再把分出來的光打在特定的感測器位置，
第二個重點就是感測器如何知道是特定波長跟量測量的準確性與重複精度。

分光的方法有好幾種，用菱鏡分光、用光柵分光、用狹縫干涉分光等等，

圖片來源：Wiki

其中最簡單的一種是透過菱鏡分光到感測器上：

比較複雜的是透過光柵分光：

圖片來源：Wiki

如下圖示為廠商開發的小型光譜儀的CT(Czerny-Turner)架構示意圖：

圖片來源：海洋光學

上圖 1是光纖接頭從這裡將光線導入進入微型光譜儀，
接著經過長方形的狹縫 2 ，狹縫大小可以從 5μm到200μm，調整狹縫的的大小可以改變光波長的解析度，
光線進入後可選擇濾光器(filter) 3，將入射光波長限定在一個範圍內，把其他的波長濾掉，
然後經過反射鏡 4 讓入射光平行反射到光柵 5 上進行分光，
分出來各波長的光經由反射鏡 6，投射在感測器平面 7上。

假設打在長條型感測器上的分光後光波長從400到660nm，
感測器有1024個感測元素，
等於每個感測器元素負責260/1024=0.254nm的波長範圍的光子能量接收並轉為電位訊號輸出。

因此在光路的設計上必需能夠掌握分光後不同波長在感測器上的位置。

光譜儀上需要的元件包括：
感測器，可以說是光譜儀的核心，一般多是矽晶圓為基礎製造的CCD或CMOS元件，
例如Ocean Optics經常應用在低階版本光譜儀的Sony ILX511B
原理是利用感測器上的元件被光照射時，
會將光的能量轉換成電位訊號輸出，
因為不同波長的光在感測器元件轉換成電位訊號的效率不同，

所以必需經過適當的強度校正。

在網路上有找到一篇ibsen的比較文章，
討論市面上常見的Sony ILX511系列(較便宜)，
跟Hamamatsu的S10420 系列(較精準)，
從報告內容看起來在這個領域中，其實Hamamatsu比Sony專業很多，
Hamamatsu還有有提供感測器用的電路板，
只要接USB跟電源就可以，
連評估測試的資料讀取軟體都有，
等於自己再加上光學跟外殼等等就有機會可以DIY光譜儀；
Hamamatsu也有直接提供小型光譜儀。

其他還需要像反射鏡、菱鏡、分光光柵等可以上Edmund Optics找。

當然經費預算方便的話，可以買已經作好的整組，
例如台灣最多人用的Ocean Optics的USB 2000+，
USB2000+有很多子型號，用來處理不同波長範圍與支援不同解析度。

另外還要搭配光纖、光源以及擷取資料的電腦等，

最好是在完全遮避環境光源的情況下才能得到正確的數值。

剛好看到部落格廣告上出現台灣超微光學OtO，網址：https://www.otophotonics.com/

看該公司網頁介紹是從微機電光柵製造跨入光譜儀的研製，特色產品包括光譜儀的微型化產品、遠紅外線(~2700nm)光譜儀。

技術上特色包括：

1. 非球面MEMS光柵提高了解析度跟縮小光譜儀體積

2. 動態溫濕度補償降低在無溫控環境下的誤差

3. 整合ARM處理器與64MB記憶體可儲存光譜資料並直接進行散雜光的補償處理，加入無線傳輸技術，這一點充份發揮台廠的優勢與靈活特色。

可惜現在沒機會接觸，不然蠻想多了解與試試的，

有需要的網友可以試試支持一下台灣廠商，非廣告，我跟這家廠商沒關係^_^。

材料的降伏跟抗拉強度

材料的“降伏”現象其實是根據鋼材的在拉伸實驗中的行為研究描述而來，
主要是鋼材微觀結構上的瑕疵(defect)、差排(dislocation)受力移動的現象，

完美的晶格排列

材料中實際上存在的瑕疵，差排(Dislocation)

這種差排(或瑕疵)的移動是不可復原的，所以會使材料發生永久(塑性)變形，如下圖：

圖片擷取自Youtube LearnCheme

對鋼材進行拉伸實驗可以得到典型的應力應變曲線如下圖示：

圖片來源：Wiki
A是工程應變，B是真實應變
點 2 是降伏強度
點 1 是抗拉強度
點 3 是破裂點

其中數字2就是降伏點(降伏強度)，
數字1就是抗拉強度，
數字3是真正的破壞點。

那多出來的藍色線段是?
在測試的步驟上，要去量測即時的斷面尺寸是有困難的，
尤其是變形搞不好是發生在內部，外觀上根本量不到，
所以工程會選擇以剛開始測試時所量測到的斷面積當作基準計算應力，
也就是紅色的線段所代表的應力值，
但是實際上卻會因為拉伸時材料會產生側向收縮，斷面積會縮小，
若以真實縮小的斷面積去計算應力，
真實應力的值應該會比較大，也就是圖中的藍色線條。

鋼材的降伏情況其實在材料中算是特別的，
當受力超過降伏強度後，材料可承受的力量甚至會變小；
如果施加的力量大小沒變，鋼材甚至還會產生快速的移(滑)動，
也就是所謂的"降伏"現象，如上圖點 2 以後曲線向下凹陷的部分；
直到微觀結構上的滑動現象被晶粒界面等阻止，如下圖示：

圖片來源：PocketDentistry

抵抗變形的力量才會開始再增加，
期間微觀結構上材料的這種現象又稱為應變硬化(Strain Hardening)，
也就是應力應變曲線中點 2 以後曲線上翹的階段。

隨著斷面積慢慢變小，力量增加，直到點 1發生頸縮的現象，
點 1 是因為幾何上斷面積的縮小(頸縮)現象與材料的可承受應力剛好到一個臨界點，
材料會因為斷面積快速縮小而可承受力量快速下降而發生破壞，
雖然工程應力變小，但是從真實應力來看，
應變硬化的現象其實增強了材料抵抗變形的能力，
只是因為幾何變化(斷面積縮小)的關係造成可以承受的力量變小。

但是鋼材以外的材料很少會有降伏現象的發生，
其他延展性材料例如銅 、鋁等合金，應力-應變曲線圖比較多是像以下的圖形 :

其他材料因為沒有像鋼材有明顯的降伏現象，
但是因為設計上的需求，習慣以降伏點作為參考的依據，
所以對其他材料就給了以平行線性彈性線段偏移彈性極限(上圖點1)0.2%與應力-應變的曲線交點為降伏點，也就是上圖的點2。
有的設計會取比較保守的偏移0.1%，
當然也有的設計會取比較大膽的偏移0.5%，
就看設計上對抵抗塑性變形的要求有多高。

至於脆性材料，基本上可以說沒有塑性變形的現象：

圖片來源：Wiki

在應用上，一般的機械用零件材料的應力很少會到發生永久變形的階段，
所以設計上主要考慮的是降伏強度，
而且因為設備通常會動，或者是承受振動作用，負載屬於變動的型式，
經驗上會取降伏強度的一半作為抵抗疲勞破壞的設計考量。

但是如果是純靜態的一般結構或消費性用品，
使用降伏強度作為設計強度的考量會太浪費材料，而且增加產品或結構的重量，
所以設計上會改以抗拉強度為考慮。

在Inventor應力分析中，有關安全係數的計算，
就是以von Mises應力除以降伏強度或抗拉強度作計算，
可以在選擇材料時指定要用來計算安全係數的參考值，如下圖示：

參考資料：
鋼鐵材料與焊接實務，內容有很大篇幅在講材料機械性質的測試，值得對強度測試比較不熟的朋友看看。

Yield stress (YS) is the engineering way to define the onset of plastic deformation in terms of dislocation motion. The tensile strength (UTS) is (almost) the point at which necking initiates, i.e. plastic instability sets in. That means the geometric softening dominates the work-hardening beyond UTS. (You may be knowing for onset of necking; the 'Considere Criterion').

Hence, the difference between UTS and YS (i.e., expressed by their ratio) tells you how much the material work-hardens. If it is large, work-hardening is more and the material is more ductile. Also this gives an indication for the resistance to crack propagation.

Relationship between YS and UTS: The ratio YS/UTS can be related to YS and one can calculate UTS by knowing YS, but it will have lower bound estimated values.

Certainly the yield stress measured by 0.2% offset strain method is "arbitrary" (answered by Prof. Germán Prieto/Prof. Pavel N. Yakushev ). While determining yield stress using tension test,  to avoid dynamic effects, the rate of load application has to be slow (as answered by Prof. Tarik Ömer Oğurtani) such that it is quasi-static . But the rate of loading may vary with different materials. Further, this offset strain of 0.2% for yield stress is by ASTM, whereas in England, 0.1% and 0.5 % is commonly used. Essentially 0.2% offset method of yield stress gives reproducible values though it is an approximate measure (and accepted in engineering sense) of the transition form elastic to onset of plastic deformation. But for metals and alloys (e.g.  mild steel) that display distinct yield point phenomenon (i.e., upper yield stress, lower yield stress and yield point elongation) due to dislocation -solute interactions, generally it is preferred to take the lower yield stress value, as this value is less sensitive to dynamic effects and is also conservative.

設備開發機械工程師的訓練

一台機械在本質上可以說是系統整合工程的成果展現，
其中在硬體的部分，機械工程師就扮演了非常重要的角色，
要考慮產品 、製程條件 、各式機構元件的安裝空間與位置，
原料入料 、成品載出以及人員操作方便性等等各個層面，
還要評估製造零件的成本與元件取得的可行性 、交期成本等等，
如果是多人同步設計展開，還要考慮跟其他設計機構介面的整合，
說真的，即使是聰明的工程師也需要很多時間學習與累積經驗，
而且可以說需要永遠無止境的不斷學習與精進。

所以在設備開發設計這個領域的機械工程師養成
往往需要很長的時間才能夠獨當一面，
有的公司說需要超過十年的訓練才能獨當一面，
有的公司認為一年半就夠，
我想其中的不同有很多原因跟認知上的差異，
可能跟公司的產品類型有關，
可能跟對所謂獨當一面的看法不同，
或者是跟主管本身的經驗與眾不同，都有可能。

我個人的看法是，
對客製化設備、研發設備來說，
年資深、經驗豐富，因為看得多，
會比相對年輕的工程師考慮的更為周到些，
有機會找出適合的方案，失敗機會較低。

如果公司主要產品形式比較固定，
不太需要從零開始發想進行設計的話，
在短時間內好好學好設備產品的相關知識是絕對有可能的。

所以該如何訓練機械工程師其實要看公司屬性與策略決定，
不一定多 、詳細完整才是好的，
有時在特定領域深入會更符合需求。

以下從一般基礎需要瞭解的項目開始介紹，
細節內容不會在文章中作介紹(也不可能)。

首先訓練課程我認為可以分成四大部分：
機構設計與元件選用
零件設計材料、表面處理選用與加工方法
設計工具
產品與製程
PS. 2018/9/30更新調整，
"元件"改為"機構設計與元件選用"，
"機構與零件"改為零件設計材料、表面處理選用與加工方法"

除了以上四個領域以外，一般的公司行政作業相關訓練另外算；
所以新進員工的教育訓練成本真的很高，
尤其是專業領域的訓練，根本是深不可見，
所以一堆公司都喜歡撿現成的，
反正只要多出個伍仟塊薪水應該就有機會挖得動人跳槽。

小型公司更是糟糕，幾乎都不想用新人，
有時也是真的沒有能力可以訓練新人，
挖角有經驗的人自然成為唯一的選擇，
如果又只願意拿香蕉請猴子來上班，
技術要好也很難，也自然形成了公司發展上的限制，
薪資上的差異造就了學歷好 、能力強的新鮮人傾向進大公司作單一 、專精領域分工、薪資較高的工作，而不太願意進中小型公司，
但是有時中小型公司的形式對於訓練整合型人才會比較適合，
當然這也要看公司的管理能力是否能作出妥善的安排。

對岸的大公司在這一方面反而看得很有遠見，
在人才招募與培訓比台灣公司更大手筆，
台灣與這幾年兩岸的公司發展消長真得是令人唏噓，
中小企業的發展緩慢加上薪資偏低，
使得年輕人態度上有了消極、被動的藉口，
已經陷入一種惡性循環，
越來越多年輕人跑到國外念書、就業，真是可惜又無奈…

言歸正傳，就上述四個技術領域究竟要學什麼?

設計工具

通常新鮮人一開始要學設計工具，
主要就是AutoCAd 、Solidworks 、Inventor、SolidEdge等，
就看公司慣用那一套，
對資淺的工程師或學生來說，
常常會把機械工程師該學的重點放錯在這裡，
糟糕的是有的主管也是...
這個部分是基礎很重要沒錯，
但是CAD畢竟只是設計製圖工具，
關鍵還是在用CAD的人。

尤其是CAD工具在機械設備應用上用的功能其實很有限，
就過去幾年教學輔導的經驗來看，一套CAD軟體被用到的功能可能不及20%。
CAD有一個重點是在應用上的流程 、樣板 、屬性資料定義與共用資料庫要先好作好規劃 ;
功能學習上簡單的就是2D草圖 、3D草圖，特徵擠出/切割 、迴轉 、鑽孔 、陣列 、鏡射 、組合約束 、料表 、工程圖製作與標示等等。
流程上就是要明確知道使用上的順序 、該用那些樣板 、常用的元件在那裡可以拿來活用等等。
進階再學作機構動作動畫 、爆炸圖 、參數化設計 、運動模擬 、變形量與強度模擬等等，
再進階學熱變形 、流場設計與模擬 、振動模擬等等，
當然這個部分也是幾乎可以說是學不完，所以要挑重點跟需要的，
而且別忘記CAD只是設計工具不是最終的成品結果，
不然就會變成玩設計工具而不是在作機械設計。

機構設計與關鍵元件選用

第二個要學習的領域是機構設計與關鍵元件選用，
通常機構的作動有直線或旋轉或凸輪或連桿等等不同的動作，因此先根據產品需求選擇適當的機構，
直線與旋轉運動在機構設計上是最容易的，
複雜的例如以連桿為基礎的延伸跟凸輪等等，
Youtube上有一位越南的高手Tang010146，
使用Inventor作出上千種運動機構，有興趣的可以參考看看。

隨後開始計算與選擇適當的元件與進行連結、支撐零件的設計。

其中元件的選用每家公司的產品會慣用某些功能與廠牌的市購零組件，
空壓件慣用SMC、氣立可 、Festo、小金井、金器...
甚至混合著用，例如電磁閥用SMC，一般氣缸用金器，滑台氣缸用氣立可，快速接頭用Pisco或Nitta moore等等。
線性軌道或滑軌慣用THK、Rexroth(Star)、上銀 、PMI...，線性軸承用TBI、NB...，螺桿用NSK、THK、TBI...，
伺服馬達用三菱 、Panasonic、台達，步進用東方，連軸器用Miki Pulley，皮帶、皮帶輪用日本三星等等，
感測器用Keyence、Omron、Panasonic(Sunx)等等。
除了以上的基礎傳驅動 、感測元件以外當然還有很多其他類型的元件，
所以光是搞清楚這些機構的特性與相關元件的用法 、特性差異、品質差異跟功能成本效益等等就可以花上好幾年的時間，
而且還要有強大的記憶力能夠記住，在必要時想到拿出來用，
所以也要從年輕開始訓練會比較好。

零件設計材料、表面處理選用與加工方法

第三個要一起學的是零件設計材料、表面處理選用與加工方法，
選擇元件之後就要作固定，
所以就需要用到很多的零件來輔助，
設備因為製造數量有限，所以相對的零件製作數量就有限，
所以適合的加工方法也就受到很多限制，可參考另一篇文章 ;

產品與製程

第四個領域是跟產品及其製造有關的知識領域，
這個部分會放在最後是因為通常是在以前面三個為基礎實施的過程中不斷的累積，
例如食品與醫藥工業，元件材料的選用非常重要，絕對不可以汙染到食品或醫藥，
這個部分通常是已經到了資深工程師或專案經理的等級必需的，
才能在應對客戶時處理好各種不同的問題與需求。
通常待在某一家公司，大概就是處理相關的幾種產品領域，
例如作木工機械的跟半導體設備的所需要的產品知識領域就完全不同，
待在相關領域夠久各種”行話”就越清楚，越有經驗可以處理。

以上這些領域都需要專心 、專注 、長時間的投入學習與記憶，
加上一台機械設備從成案到完成短從三個月，長到數年才能完成，
五年的年資其實能夠經手處理的案子數量其實很有限，
所以在機械設備這個領域，經驗與年資其實是一種資產，
當然也要看用心努力的程度，
像Tang在Youtube上可以產出如此多種的機構動畫，
絕對是需要很長時間累積才能完成的成就。

機械工程師在這四大領域的知識學習起來是非常耗時的過程，
偏偏學校教育以基礎概念為主，
加上學校教授很多又缺乏實作經驗，
時間也有限必需專注在特定領域，
所以學校的教育跟業界之間始終存在有不少的落差，
即使到了職訓中心，講師的業界經驗也不是每個都適合，
年輕的經歷不夠多，年紀大的不缺錢不用來上課兼差賺錢，
再加上每家公司的專業領域不同，
只靠想別人幫忙訓練人才根本是緣木求魚，
因此主管就必須思考在內部如何利用資源進行相關的教育訓練。

以前同仁最多時有8個直屬工程師，
我會將元件分類交給不同工程師進行瞭解，
並定期會議報告應用、選用計算說明，新產品，廠牌比較等等，
同仁透過專精一項元件深入相關知識，
透過定期會議分享與練習整理報告，
另外也利用協力廠商資源幫忙辦作教育訓練增加廣度與深度，
每件專案也會進行定期報告分享設計概念與產品知識，
透過集體學習與分享來加速學習效率。

有些公司甚至會要求工程師一年一定要累積多少時數的教育訓練，
這對員工、公司發展上是很正面的思考跟作法。

ptgray2.高解析影像

以下係根據 PointGray 網站有關說明高解度影像的網頁 "High-Resolution Imaging"的內容整理說明。

從早期的30萬像素工業相機應用在AOI或輔助人工進行檢查開始，
工業相機的價值在多個產業中被證明對產品生產監控上的確有很大的幫助，
隨著製造技術與精密度的提高，
尤其是半導體元件微型化延伸至印刷電路板的微細化，
純人工目視檢查在現代的電子產業幾乎已經完全不可行，
取而代之的是AOI系統檢查能力不斷的提升，
其中一個很重要的指標就是“解析度”。

有些AOI系統的高手號稱不需要很高的解析度，
就可以辨識出需求上的細節，
這是非常令人讚佩的技術能力，
例如用5MP解析度的相機，
在80*80左右的範圍一次照相檢測出15微米的瑕疵，
坦白說是很不可思議的能力，
如果能真正實現就太厲害了。

5MP相機100%顯示

20MP相機100%顯示

5MP相機局部

20MP相機局部
以上圖片來源 : FLIR網站

就以上的圖片比較，20MP相機有機會取得更多細節。
所以如果現代已經有高解析度 、價格又不貴的20MP工業相機可以用，
為什麼要用5MP的工業相機?

另外一種情況是需要處理的視野範圍較大，
必需使用多支相機或進行多次取像才能得到所需的影像，
使用高解析度的相機可以使用較低倍率的鏡頭一次或以較少次數取得影像，
可以加快AOI設備的速度，增加產能，提高效益。

早期高解析度相機受陷於尺寸與製造工藝成本上的限制，
在像素尺寸與價格上一定會受到某種程度的限制，
常常被詬病的一點就是像素太小，
背景雜訊跟動態範圍表現差，
在要求長時間運作跟穩定性的工業應用上一直不被看好，
但是因應高性能手機的發展，
小尺寸像素高解析度的影像感測器製造技術發展的很快，
同樣的技術當然也可以沿用到工業相機的製造上，
所以這一兩年可以看到許多高解析度的工業相機面市，
而且價格成本也漸驅合理。

像近年來Sony推出的影像感測器就非常令人驚艷，
一開始看到的是IMX253/304，12MP像素，3.45um的像素尺寸，1.1”左右的大小，而且使用Global Shutter，可以在移動中進行取像，
只要計算好所需的解析度 、夠快的電子快門 、夠亮的光源搭配閃頻控制，
對一定移動速度以下的機構不需要停止就可以進行取像，
避免走停的慣性作用對機台的影響，
而且1.1”的感測器大小，
剛好在數量最多且相對便宜與容易取得的常用C mount鏡頭可以對應的尺寸上限。
3.45um的像素尺寸的動態範圍與熱雜訊也還不錯，
說實在是一個不錯的選擇。

後來又找到一支IMX183，20MP像素，2.4um的像素尺寸，1”左右的大小，可惜的是使用Rolling shutter，不能在移動中取像比較可惜，但是價格很有吸引力，FLIR官網上的價格只要USD695，等於只要2萬多臺幣，只要IMX304感測器1/2~1/3左右的價格，對不需要在移動中機構進行取像的應用，其實算是非常超值的選擇。

另外高解析相機可以透過BIN的設定調降解析度，增加感光度，
在應用上保留了比低解析度相機更大的彈性，
反之低解析度相機卻沒辦法透過設定提高解析度，
在半導體製程技術與成本控制能力與時俱進的時代，
相信高解析度相機的市場會越來越大，應用也越來越多。

ptgray.1.擷取一致的顏色

以下係根據 PointGray 網站 "Capturing Consistent Color"文章整理有關影像感測器對光顏色處理的說明。

不管是人眼或者是相機，
對所謂顏色 、色彩的辨識 、解釋其實都有細微的差異，
甚至同一個人的左右眼看到的顏色都會有差異。

這並不是什麼靈異事件，
細究基本原理後就會發現這是很容易發生的正常情況，。

原因是光轉換成電子訊號的過程中，有許多的變數，
這些變數會使得同一束光轉換成電位訊號時會有微小的差異，
只是這種差異對人眼來說，很多時候無法清楚的察覺到。

但是應用到工業用自動化視覺檢測系統上時情況就不同了，
用AOI的目的就是要降低人工判斷的不確定性，
如果顏色辨識不一致那還得了?!

除了工業產品以外，
水果蔬菜農產品分類 、分級也需要用到正確的顏色，
更不用說一些衣服 、鞋子等產品也都有辨識顏色的一致性需求，
所以在工業用AOI上，如何擷取具有一致性的顏色辨識能力就很重要。

光學系統上跟顏色關係最密切的就是相機跟光源：

上圖左側是相機感測器對不同波長光線轉換成電位的效率，Quantum Efficiency
右側是不同型式光源的光譜強度分佈狀態

從上面兩個圖可以觀察到相機對不同光波長能量轉換成電位訊號的不同，

以及每一種不同光源發射的光譜也不同，

所以發射不同加上接受轉換成電位不同，
就可以知道要取得同樣的顏色其實還蠻難的；
再加上顯示器光源的光譜 、彩色濾光片等等元件的組合作用，
想用不同相機 、不同光源 、不同顯示器看到同樣的顏色，
說真的難度還蠻高的。

一般的相機為了解決不同光源光譜影響這個問題，
通常是在相機功能中加了一個"白平衡"的功能，
讓使用者可以根據拍攝環境選擇對應的光源，
例如像 Canon PowerShot G9X Mark II就支援有以下的白平衡選項：
"自動、日光(5000K)、陰影(8000K)、陰天、燈泡(2800K)、螢光燈管(4000K)、閃光燈、自訂模式、色溫"
等於相機內建了一個色彩轉換表用來對應不同的光源；

通常大多數的人都是選擇"自動"一路拍到底，
所以最常看到的情況就是拍出偏黃、偏藍的照片，
如果有搭配現場環境光源選擇正確的白平衡設定，
照片的顏色就會比較正確。

左邊跟中間沒有開白平衡，右邊有開白平衡

如果碰上現場有多種光源時，可以使用自訂白平衡，
使用上的步驟是要先準備一張"白紙"，
在現場拍一張白紙充滿整個畫面的照片，焦距不對沒有關係，
然後在自訂白平衡模式中選擇白紙的照片，
相機的微處理器就會自動轉換匹配相機感測器的色彩轉換表，
後面拍的照片顏色就會比較正常。

工業用相機應用在顏色辨識上，其實比一般照相來得單純，
主要原因是照明用光源跟環境光源的控制上相對一般相機使用環境來得穩定很多。

工業用機械手臂分享

最早期應用在工業上的機械手臂應該是在汽車生產作業上，
原因很簡單，因為這個行業：
第一有錢，
第二需要省力裝置協助，
第三有些作業人工不適合，
初期導入機械手臂應該不是為了省人力，
因為汽車業開始快速發展蓬勃的時間，剛好是全球先進國家處於人口紅利的時代，
那個時期年輕的勞動人口供應不餘匱乏，
加上女權運動、公共交通等等因素增加了許多女性工作者，
相信車廠導入機械手臂應該純粹是為了有些工作可以做得比人好、穩定，
例如搬運重物到定位、連續的焊接、噴漆、塗膠等等。

新的汽車自動化生產線上，人工比例越來越少
圖片來源：Stockfeel

到了電子、消費性產品等工業，以及服務業、金融業快速發展時期，
勞動人口就真的陷入嚴重不足，
所以機械手臂的發展就更加有必要與快速進行。

尤其有些工作根本是人無法進行的，也不得不使用機械手臂，
例如半導體晶圓、大型TFT LCD基板、輻射、真空、高溫、高壓等等，
尤其是勞工安全法規上的限制，有些人工作業根本就被禁止不可行，
因此機械手臂就成為不得不用的裝置。

工業上使用的機械手臂型式有很多種，
從一些市場調查報告上，可以看到分成 6 種：
Articulated 、SCARA、Cartesian、Parallel、Others、Collaborative。

Articulated型式，圖片來源：Fanuc 網站

Scara型式，圖片來源：Epson 網站

Scara型式，晶圓搬送用，圖片來源：三和技研

Cartesian型式，圖片來源：東佑達

Parallel型式

Others型式範例：達文西機械手臂，圖片來源：高醫大附設醫院

Collaborative型式，圖片來源：ABB網站

首先最早、最簡單的型式應該是Cartesian型式，
由線性單軸滑台或旋轉軸所組成，
單軸滑台的組成包括底座與軌道(或線性軸承)、傳動元件、馬達跟固定零組件、感測器等。
便宜、低精度的就是由馬達驅動、皮帶輪傳動，搭配線性軸承所組成。

北海道新千歲機場巧克力示範產線，用XYZ軸機械手臂進行巧克力的注入

精度要比較好就改用步進馬達、螺桿傳動、線性軌道組成。

可以由將單個到多個單軸滑台組成的多軸運動的機械手臂。

類似單軸運動，若精密度要求更高，
就會使用步進/伺服馬達驅動、研磨級有預壓滾珠螺桿傳動、有預壓高精密線性滑軌，再加上光學尺輔助回饋位置資訊。

再更精密就要使用空氣軸承、壓電陶瓷馬達等等，
但是通常到要求高精密等級時，
反而不會稱為機械手臂，而會稱為精密滑台，

這個界限大概在0.05mm，精度高於0.05mm的通常會說精密滑台。

多支單軸滑台組成的多軸滑台在應用上有一些動作上的限制，
以線性運動跟旋轉運動為主，或者加上軸間的補間同步，
另外一個問題是線性運動時往復慣性造成的暫態振動。

有聰明的工程師想出了以多個馬達旋轉驅動的機構，
既可以作線性運動又可以作旋轉運動，
使得機械手臂的動作更加靈活，接近人工的動作，
因此可以成為一種標準的模組產品導入生產線使用。

也就是現在經常看到的Articulated型式機械手臂，
在台灣習慣稱為六軸機械手臂或垂直關節型機械手臂。

北海道新千歲機場巧克力示範產線，用Yaskawa無塵室垂直關節型機械手臂取放巧克力棍放進模具

後來因應塗膠、晶圓搬送，不需要這麼多軸數跟活動範圍，
但是可能需要較高精度，
出現一種軸數(3~5軸)較少的Scara型式的機械手臂，
在台灣又稱為水平關節型，
晶圓搬送機械手臂通常是其中一種型式。

以上兩種都有慣性作用問題，
對於在有限範圍內進行高速度的運動不太適合，
廠商推出一種Parallel型式的機械手臂，
又稱為Delta型機械手臂或蜘蛛型機械手臂，
慣性比較小，更適合作高速運動，

北海道新千歲機場巧克力示範產線，用Parallel型機械手臂取放已包裝巧克力產品

有一段時間在太陽能晶圓排放應用上非常的流行，

近期來則是常常看到被應用在3D列印設備上。

其他型的機械手臂其實就各憑想像，
有時是前述四種機械手臂的組合跟延伸應用，
或者是特殊領域的醫療應用上等等。

協作型的機械手臂是考慮到有些作業還是需要人工，
因此當機械手臂與人工在同一個工作空間中進行作業時，
機械手臂必須能夠有感知人體碰撞的能力，
當可能與人體接觸時必須能夠緊急停止甚至放鬆部分馬達避免造成人體傷害。

在台灣泛用型的Articulated、Scara、Parallel型式 常見的廠商有Fanuc、Kuka、Abb、Epson、Yaskawa等等，據統計台灣2016年安裝數量有超過7000組。

至於Cartesian型式的使用與供應廠商就更多，
元件估應商包括日本的IAI、東方馬達，台灣的東佑達、Maxtec等等，
另外有很多是使用者自己設計的XYZR滑台，

北海道新千歲機場巧克力示範產線，用特殊訂製機械手臂抓巧克力模具旋轉，讓液態巧克力凝固在模具上

這些都是廣義上的機械手臂，若再加上去數量就是好幾十倍以上。

而且因應人工缺乏的趨勢，
工業用機械手臂在未來幾年應該都還有很大的成長空間。

參考資料：
1. Markets and Markets，工業機械手臂市場調查報告
2. JARA，Japan Robot Association

振動量測在設備上的應用

先前有提過使用手機量測振動的應用，跟使用Excel作 FFT的方法，
接下來要分享一下如何應用在設備上。

先說一下跟我有關"振動"的故事，
第一次接觸到"振動"相關知識是在碩班，
因為固力組必修"振動學"，所以就上了一學期的課程，
但是為研究方向不是在相關領域，
上課內容上很多東西早就忘的差不多了，
對老師上課過程中，印象最深的就剩下兩件事：
1. 傅立葉轉換將時域量測到的資料轉換成頻率域，找出振動頻率。
2. 潛水艇的振動頻譜就是每一艘潛水挺的身分證，包括船也是。

某柴油潛艇的頻譜，圖片來源：ReachGate

後來看了一些軍事小說、網路資料，
某大國會在各大洋、重點航道、港口都會嘗試佈設水下聽音系統，
美其名是作海洋調查，其實真正目的是要記錄每一艘船隻的振動頻譜。

潛水艇在水中的"眼睛"就是"聲納"，
透過聲納擷取海水傳遞的聲音就像人的眼睛看東西一樣，
可以獲得很多資訊，
每艘船因為設計、製造、組裝、運轉時間長短的關係，
結構上會有一定的共振頻譜跟運轉機械產生的振動頻譜，
共振頻譜必須透過激振才能誘發出來進行量測，
運轉中的機械剛好就是一種激振源，
使結構產生不同的響應，
這些響應就會透過結構介面傳遞到潛艇的外殼，
使得外殼產生微小的週期性變形，
再傳遞到海水中往四面八方擴散開，
因此如果能夠擷取到這些訊號，
就像眼睛看到一樣，
有機會可以辨識出船的身分跟其位置，
再據以鎖定...

所以"振動"這個領域的研究，
基本上在潛艇工業上是一個非常重要的項目。

還有在航太載具，包括太空船、飛機、衛星等，
路上跑的汽車、機車、軌道車輛等等各種工業上也都非常的重要。

但是振動在這些領域上的重要性主要在於防止破壞與提高乘客的舒適性，
原因是振動本質上就是結構材料的彈性與受變動力變形的關係，
變動力會造成結構承受反覆的拉壓作用，
這種反覆作用會使材料有發生疲勞破壞的可能性，
實務上疲勞破壞在一些承受動態負載變化的設備上，
可以說是最主要的結構破壞原因，
尤其像飛機，機翼的振動 、反覆起降都對結構造成很大的振動，
必須小心估算其使用壽命實施檢測以確保安全。

同樣的道理，在機器設備上，
對振動的量測，可以視為對設備運作狀態的偵測。

當材料微細結構上的劣化、變性，導致承受力量的截面積產生變化，
這個微細的變化，會改變結構的剛性(彈性係數)，
使得頻譜發生細微的改變，
所以如果能夠偵測到機器在正常運轉下的頻譜，
就取得一個基本的參考值，
當頻譜發生變動時，就可以作為發生異常前的警示。

當然也可以延伸用聲音偵測來預測，也是同樣的道理。

最明顯的例子就是軸承磨損後噪音變大。

市場上有些公司就是靠振動量測服務，
協助廠商進行設備健康狀況的監測，
尤其是一些重要的廠務設備或精密設備。