2020/4/19

熱膨脹的簡單計算

機械與電子等元件設計使用上會考慮到熱膨脹主要有以下幾種狀況:

1. 有顯著的溫升。
2. 精密尺寸要求。
3. 利用熱膨脹的元件設計,例如雙金屬材質溫度感測彈片
4. 其他。

要估算熱膨脹的影響需要考慮兩大因素:

熱膨脹係數與尺寸。

機械上常見的材料包括有碳合金鋼、鋁合金、不鏽鋼、工程塑膠等等,
不同材料與微結構(非晶、結晶、晶格型式)都會有不同的熱膨脹係數,
有些材料甚至會有熱"收縮"的狀況,
合金鋼中甚至有一種“不變鋼”,或稱INVAR、因瓦合金、恒範鋼、殷瓦鋼…,
透過適當的鎳比例(36%左右)與晶相控制,可以讓材料在一定溫度範圍內擁有很少的膨脹、收縮變型。

要評估熱膨脹的影響一定要先取得材料的熱膨脹係數,以下為常見材質的熱膨脹係數:


名稱
線膨脹係數
um/m-℃
21~24
杜拉鋁,Duraluminum,A707523
純鐵, Iron12
碳鋼,Steel10.8~12.5
灰口鑄鐵, Cast Iron Gray10.8
SUS30417.3
SUS31014.4
SUS31616
恒範鋼,Invar1.5
英高鎳合金,Inconel11.5~12.6
16~16.7
銅鈹合金17.8
康銅,Constantan15.2~18.8
蒙納合金, Monel13.5
壓克力68~75
尼龍, Nylon50~90
尼龍66,Nylon 6680
PI, Kapton20
Epoxy45~65
GFRP36
天然橡膠,Caoutchouc66~69
橡木,Oak54
花崗岩, Granite7.9~8.4
水泥, Concrete13~14
混凝土9.8
磚, Brick5
石灰岩,Limestone8
鑽石1.1~1.3
Glass9
Glass, Pyrex4
Macor9.3
石墨, Graphite4~8
雲母, Mica3

由表中可以觀察到塑、橡膠類的膨脹係數大於金屬、陶瓷類材料。

通常知道尺寸跟熱膨脹係數後,就可以做簡單的熱膨脹量估算,如下範例:

條件描述:
室溫 25℃製造,長度750 mm長的鋁材,從室溫移到大太陽下升溫到 60℃。

尺寸:750 mm = 0.75 m
溫度差: 35 ℃,
熱膨脹係數: 21 um/m-℃,
熱膨脹量是 0.75*35*21 = 551.25 um = 0.55125 mm,
對一些精密的元件來說,0.55mm = 55 條的變形量已經不是可以輕易忽略的數值。

用 Inventor Nastran 模擬的結果如下圖示:

末端熱變形位移0.5525mm

實務上元件上的溫度分布會有各種因素影響而不是那麼均勻,
因此透過 CAE 軟體算出溫度分布,
再把溫度分布結果拿來算變形量所得到的結果自然會跟簡單使用均溫來計算更貼近真實狀況;
CAE軟體導入應用,可模擬上述的溫度分布,再將溫度分佈拿來模擬結構變形量、應力計算,
這幾年 CAE 軟體所謂的多物理場應用確實幫助很多產品設計上越來越精巧,
成本、良率獲得更佳的改善與控制。

另外有一篇介紹計算加熱功率的簡單說明可以參考:加熱功率需求簡單計算

參考:
1. 熱膨脹係數,Wiki
Linear Thermal Expansion Coefficient of Materials ,Engineering Tool Box
熱膨脹計算湯本電氣
2. 不變鋼,Wiki

2020/4/18

設備問題處理分享

首先,必須要強調一點:
設備問題的處理其實是一個非常需要"經驗"的技術工作,
一台設備裡面有許許多多不同的元件,
不同的元件出問題自然需要不同的處理方法,
碰到問題有處理過,自然會因為有處理經驗可以比較快找出並解決問題。

網路上有很多小故事用來強調這一點,其中一個廣為流傳的就是:

有一位工程師在公司工作30年,退休了,他對該公司的機器及產品瞭如指掌。

幾年後,該公司的一套機器故障,全公司的人都沒法找出問題來,絕望中,他們只好把退休的工程師找回來,這位工程師看了一個小時後,從上衣口袋拿出一枝粉筆,用粉筆在一個零件上畫了一個大叉叉,說:「就是這裡出問題。」


公司把零件換了,機器操作正常,公司請工程師開一筆維修費用,接著,公司收到一張十萬元的帳單,是這位退休工程師的收費,公司老闆火大了,認為一個小時不值這麼多錢,就要求送一張明細表。


這位退休工程師的回函是:「用粉筆畫叉叉,一元;知道在哪裡畫叉叉,九萬九千九百九十九元。」


這個故事的來源已經不可考,但是經常被引用,所以我也厚顏薄恥的拿來作為開頭引用一下。

但是過了這麼多年真的還是如此嗎???

身為一個中年大叔,在設備相關產業混了二十幾年的老"菜"鳥,
對這個問題的答案其實應該要說"當然是"來幫自己增加一點行情,
不過在現在這個網路資訊與知識充沛流動無礙的時代,
這種狀況其實已經開始有所改變!

管理制度的改善、資料庫與搜尋引擎的效能提升,
讓以往遙不可及、高成本的專家系統、AI概念有機會落實到設備問題處理上,
加上 AR (擴增實境) 硬體越來越低,
若能有良好的管理能力與工具把經驗與知識內化、整合到系統中,
新人與新進工程師也有機會可以透過系統的幫助,預測與解決發生的問題。

良好的系統可以提供相關問題的資訊,個人經驗可以分為以下步驟產生:
1. 從現象判斷問題的類型與相關的零組件,
2. 排除問題恢復運作所需要的軟硬體材料、維護工具與步驟程序,
3. 根據損壞元件的故障、損壞現象找出問題發生的根本因素,
4. 提出與預防問題的解決方案避免問題再次發生。

以上僅供參考,相信有更多能人可以提出更多更好的。

各種新的"知識"匯流技術已經在逐漸打破以往必須依靠幾十年老經驗的狀況;
所以千萬不可倚老賣老,
如果還想在業界騙吃騙喝,記得要不斷學習與充實。

不過老司機們也不要怨歎時不我與,畢竟年紀的成長價值,
除了經驗、知識的累積以外,
有時候更重要的是在性格上可以作到好的情緒控制、不急躁、有耐心...
如果又可以不用在汲汲於職位上的競爭,
用對的人、工具、方法,正確辨識事情、問題的本質,有效的處理完事情,
相信在看待問題上會有不同於青壯年工程師的想法(視野),
所以年長者還是有其可以發揮自身優勢的空間。

如果能組合自己累積的經驗與知識來解決新的問題,也是一種創新!

又是廢話一堆,年紀大的象徵…


回過頭來看設備問題處理。

設備出狀況要如何處理?

以下分享一個設備發生的處理經驗,
試圖從中整理出一個有邏輯、組織、可以建立標準文件的方法。

這個設備問題的狀況首先描述一下狀況:
一開始從使用者端傳來一個訊息:

鋁擠型輸送機的底部破損,要求入廠處理。

第一次發生這個問題的時候,擔當設備開發設計的主管馬上就派工程師入廠。

判斷設備故障狀況後先提出對策:換掉輸送機給使用者:

問題發生的原因:
負責的設計工程師與主管判斷是鋁擠型製造、組立不良造成...

解決方法:
換掉、更新輸送機損壞零組件後恢復正常功能使用。

處理結果:
產線可以順利運作,
使用者不會抱怨,那就沒事了。

結案!


不幸的是,
三個月後又發生了!!!

更不幸的是換成我接主管要去處理...

進到現場觀察現況,
直接從破損處(鋁擠型輸送機的下方)觀察狀況:

從破損位置看進去內部,
可以看到:"鏈條側翻推擠在一起"

搬送用倍速鍊條,圖片來源:TSUBAKI

從觀察到的破損現場狀況判斷鋁擠型破損原因是:

鏈條側面連接片持續磨擦鋁擠型造成鋁擠型破損!


鍊條組成示意圖,圖片來源:TSUBAKI

連接片是不銹鋼材質,硬(強)度比鋁高,
硬度高的連接片持續將與鋁擠型接觸部位的鋁刮下成為粉末,
最後當磨穿到鋁擠型外表面時,
形成使用者看到的鋁擠型底部破損!

當然解決方法將輸送機鋁擠型結構與鏈條換條恢復正常使用是一種方案。

但是這是結果,到底是什麼原因造成鏈條會側翻?!

這是不應該發生的情況。
真正必須要解決的問題是鏈條為什麼會側翻?
鋁擠型破損破裂是問題的表象而不是問題發生的原因!
如果不把問題的原因找出來,並提出改善對策處理好,三個月後可能再來一次!

所以鏈條側翻的原因是?

使用不當?
維護保養不當
安裝問題?
製造組裝的瑕疵?
鏈條品質不良?
還是設計單位最不願意面對的設計“錯誤”



鍊條側翻的原因從現象觀察是鏈條在回流段推擠後側翻,
回流段如上圖 Return Side
圖片來源:TSUBAKI
為什麼會推擠?

因為鏈條在回流段太長、太鬆!

為什麼鏈條在回流段會太長、太鬆?

製造、組裝、設計那個階段發生錯誤?

設計上有確認鏈條張力強度、節數與加入鏈條拉緊裝置。

元件入廠規格符合要求,
組裝時確認鏈條安裝與排列,
實務上也很難故意將鏈條留太長並故意側翻進行安裝,
出廠前測試一切正常,
因此看來不是製造、組裝的問題!


回頭思考:兩次問題的發生都是在使用一段時間之後。

所以鏈條變長、變鬆、產生推擠側翻是在使用過程中漸漸發生的!

那為什麼使用時會逐漸變長?

回頭查鏈條型錄:
鏈條因為製造時是在沒有負荷的狀態,加上負荷後會伸長,
視負載大小,鍊條會因為材料中的微細結構影響,產生一點永久變形而拉長,
每一個單元伸長 0.01%,40米長的鏈條就會伸長 4mm,0.1%就會伸長 40mm,0.2%就是 80mm,
這些伸長量必須藉由調整鍊條拉緊裝置補償,以維持鏈條足夠的張力,
避免回流段鬆弛、推擠、鍊條側翻。

這種現象在各種金屬鍊條、纜繩等都會發生。
所以初次使用一段時間後必須調整鏈條張力,隨後每隔一陣子要檢查與調整張力,以避免發生回流段(鬆邊)的鏈條側翻。

詢問現場使用者完全沒有進行鍊條張力的檢查與調整保養,
因此在使用 3個月後,鍊條伸長量就會大到足以造成在回流段側翻的現象,
還好在使用說明書中有寫輸送機鍊條需定期保養與調整,
所以責任歸屬不是在設計、製造端,回歸到使用者端的未實施定期保養檢查!!!

但是畢竟是同公司,所以最終是將鍊條拉緊裝置從手動調整改成氣缸自動拉緊加感測器檢知拉長極限,
只要伸長量到觸發氣缸上的感測器就強制停機保養(剪掉一節),累積剪斷一定節數後須整段鍊條進行更換),
後來相關問題就沒有再發生過。

像這一類因為磨損、疲勞、潛變造成的失效、故障問題的發生過程是經年累月的,無法短時間觀察到,
在判斷原因上會比短時間發生的過負載、精度等問題困難。

所以設備問題的判斷與處理其實有時候還蠻複雜的,
如果從上面的例子過程來看,
問題的發生與處理過程大致上可以歸納為以下步驟:

1. 蒐集問題資訊:包括基本的有關人、事、時、地、物的描述,照片、影片等。
2. 快速地恢復設備為可運作狀態:更換損壞故障的零部件。
3. 找出問題的根本原因,提出改善措施防止再度發生:包括設計變更、定期點檢保養維護更換標準作業程序。
4. 改善措施實施與確認。

參考資料:
1. 自動化取代人類員工的問題,導入AR可以解決,Digitimes。

2020/4/17

CAE工程師的工作與發展機會分享

CAE工程師的工作比機構、機械、外觀等產品直接相關的設計工作需要更多的基礎學科理論知識,
同時也要瞭解相對模擬方案對應的實驗方法,
因此 CAE 工程師需要很強烈的興趣去支撐與研究 CAE 軟體的使用來進行工作。

純 CAE 工程師的職業就我有限經驗,
大概有以下幾條出路:

1. 在有一定規模的公司、產業技術研發法人團體擔任專職模擬分析工作
2. 在CAE 公司擔任技術支援,轉業務、管理職
3. 成立公司賣 CAE 軟體或工作室接 CAE 專案
4. 繼續深造進入學校教書

坦白說在製造業這些以實體產品銷售為主的公司,
例如包括各式車輛廠商,從自行車、機車、汽車、軌道車輛、飛機、船舶都有CAE工程師的編制,
電子業的ACER、ASUS,零組件的INTEL,代工的TSMC、Foxconn等 都有 CAE 工程師職缺,
要注意的是 CAE 工程師的工作通常屬於支援產品開發的性質,
在以產品開發設計製造為主要業務的公司內部很難成為主角;
作好模擬跟實際結果相近是應該的,
會當主角通常是實際結果比模擬差,造成損失被炮。

產品開發時程越來越短,
作模擬分析的時間也等同被大幅壓縮,
以前還可以怪硬體差速度慢,
現在硬體性能越來越好,不管是單機或多機平行處理的方案都有,
若是想要再用電腦速度不夠怪來爭取時間越來越難。
不過這幾年 CAE 受重視的程度有大幅的改善,
主管職等也有逐漸提高,
對 CAE 工程師來說是好事,
可惜的是能夠設置專業 CAE 工程師甚至團隊都還是大型公司才養得起,
因此在好的工作機會上數量會比較有限,
而且隨著 CAE 軟體的進步,
產品研發設計工程師自己就可以作一些簡單的模擬案例,
純 CAE 工程師相對就必須轉型作一些難的,所以就更辛苦了。

進入 CAE 公司擔任技術支援工作,說實在話是學的最多,
原因很簡單,待在一家公司內,產品的屬性就是那些測試模擬項目,
例如電子設備公司 CFD 怎麼作就是電子設備散熱,
絕對不會有機會作壓縮流、燃燒、動態流場等特殊需求,
但是在 CAE 公司,怎可能限制軟體只能賣電子公司?
所以在 CAE 公司會碰到比較廣泛的模擬項目需求必須要去支援處理,
自然學新東西的機會就會多,
但是相對的壓力也大,只要業務夠努力,就會一直有新的狀況發生,有新的東西要學要處理,
個人之前在軟體代理商,就必須接觸多種類型的客戶,有機會看跟學到很多,說真的算是很難得的經驗。

但是,軟體銷售行業的技術支援工程師薪資行情不是很理想,
技術支援工程師轉到客戶端、跳槽甚至自行創業開公司或接專案都有。

有極少數的例子是拿博士學位進學校教書。

我個人是原本從設備開發的機械工程師,
離開 CAx 軟體行業後,再回到原有製造業,
在 CAx 行業累積的經驗與知識對工作上會比一般機械工程師在工具應用上多一點點優勢。

坦白說除非有非常強烈的興趣,
CAE 工程師其實不算是好差事,
如果對 CAE 有興趣,先去軟體公司再轉客戶、法人或學界,甚至自行創業接專案都是選擇。




2020/4/2

業餘運動級別打羽球的裝備分享

新北市公立場館因為疫情關係關閉1個月,沒羽球可打,
來寫寫有關打羽球所需要的裝備。

打羽球其實是很有趣的運動,
相對類似的網球,跑動範圍比較小,手臂負擔較小,但是往返頻率比較高,
相對桌球,跑動範圍較大,球移動速度降低的比較快,
羽球運動對瞬間移動能力、手腕控制、動態視力、全身協調性要求很高,
擊球瞬間辨識對手位置與擊球動作、方向、力道控制變化也很講究,
近幾年世界女單球后台灣的戴資穎在球場上的跑動能力跟擊球假動作常常讓對手望球興嘆,


羽球的球速其實很快,經過訓練的運動選手殺球球速隨便都可以高達300km/hr以上,
例如 Youtube 上有一支女網 Top 10速度:

最高速度366 km/h

男子e世界紀錄更是高達 493km /hr(擊球瞬間),
比棒球投手投出的速球 170km/hr、網球的 250KM/hr、桌球的 170/hr 還要高 *1。




還好羽球輕,擊出後衰減的速度也快,打到身上雖然會有點痛,
除非打到眼睛,一般來說不至於造成傷害,
不過因為速度快還是令人很難以反應,
動態視力差一點的,殺過來的球幾乎根本看不見,
就算看得到也來不及移動或舉拍回擊,
男子雙打比賽的速度與節奏最快,例如:



這類中間有網子的球類運動,相對籃球、棒球、橄欖球等會有身體接觸、衝撞的運動來得安全些,
主要的運動傷害來自於自身揮拍動作與快速移位、跨步所造成的肌肉拉傷,
對業餘運動來說,通常只要經過一段時間的休養就可以復原,
所以羽球場經常可以看到50來歲(例如我…)的球員樂此不疲的在球場上運動。

也可以打 4 對 4 的歡樂羽球,閤家歡樂:



所以羽球其實算是不錯的合家歡運動。

打羽球的缺點就是好場地跟耗材球的費用略高。
在北部一般公立場館的行情離峰時間 290/小時,尖峰時間 590/小時起跳,
如果周末下午、平日晚上,兩個人去打個兩小時(一場電影的時間)要1180,說實在不便宜,
敢跟女朋友說約會去打羽球的說真的還蠻不划算,比看電影貴,還會被念...

至於在裝備上,打羽球的裝備費用就還好。

打羽球的人身裝備就是:
1. 羽球拍
2. 低踝部運動鞋,如慢跑鞋,但是專用的羽球鞋更好,抓地力會好很多
3. 排汗衣、褲

相對我另外一項自行車運動來說,羽球的人身裝備實在算是很便宜的。

其中比較講究的就是羽球拍!

每個人在不同階段、單、雙打適合的球拍都不同,
羽球拍的規格有一定的長、寬限制,
重量標準以 100G 為參考基準,再加上以U表示重量規格,
每加 1個 U ,球拍重量減 5公克,
想像中球拍越輕會越貴,其實不然,
球拍的規格除了重量以外,最主要的是剛性,
包括:
揮拍方向的剛性,中管的剖面係數(抗彎矩),
跟拍面扭轉方向的剛性,中管的扭轉係數,
其他還有拍面尺寸、平衡點跟握把尺寸,
講究一點的還有風阻,當然還有拍線跟綁線的磅數。

以重量跟剛性來說,
職業選手通常會比較傾向於高剛性的重拍,
越重的拍揮擊羽球的力量越大,會有比較強的攻擊力道,
但是手臂負擔的力量也大。

所以業餘、臂力小跟初學人者適合輕的、有彈性、磅數低的拍子。

單雙打也不同,雙打講究快速反應,羽球拍就會比單打輕一些,
前排選手會握比較短,靠近平衡點。

另外還有拍的重心位置(平衡點)也會有影響,頭重的拍殺球強,頭輕的拍適合靈巧的控制。

一般來說,主攻後排殺球的,球拍可以稍重一些,重心偏頭部,
主攻前排放網前球、挑後場等,球拍要輕,重心離頭部稍遠一點。
當然也有所謂的平衡拍,試圖兼顧前後場的不同需求。

所以有時會看到球友一個人帶多隻拍子,除了怕斷線備用以外,
會視情況選擇不同重量、重心,還有球拍拉線磅數的拍子來用。

說一些球場上借拍的趣事,
像我會帶四隻拍子,袋子裡的這四隻拍子總價要1萬多,入門或初階同事球友常常會借去打,但其實不知道這一袋拍子就要1萬多^_^
剛開始打球的球友碰上場上有大方的球友可以不用準備拍子,多半借一下,小心點,其實大部份熟人球友是OK的,但是若不熟或是常打最好還是要準備至少一隻自己的拍子;
有些剛開始打球的朋友會停留在一隻拍子了不起7、8百的印象,每次碰上借人拍子卻亂揮敲框、砸在地上的狀況時會很心疼,但又不方便說什麼;不過年紀漸長以後就看開了,拍子沒壞怎麼跟老婆說要買新的拍子^_^!
也有些個性謹慎的新同事球友不太敢跟我借拍子,感覺上我這種老球皮用的拍子應該很貴,其實我手邊最貴的也不過4千多^_^

球拍拉線有不同磅數跟球線直徑、材質、編織方式等差異,
對擊球的球感也會有所不同,
簡單來說可分拉高磅數跟低磅數,
磅數低,拍面的彈性好,擊球可以利用拍面的彈性力量打比較遠,
磅數高,拍面擊球反應快而直接,球飛的距離比較相對短,但是位置、方向會比較好控制。

職業選手力量大、技巧好,一般都會拉高磅數,線徑不會太小(強度高,避免打斷線),
像我這種有年紀的業餘選手,25~27磅左右已經是極限了,
磅數再高上去,後場、反手拍的球根本打不遠,
有時如果狀況不好,我甚至會拿 21 磅的拍子,這樣打遠球會比較省力一些。

所以球拍不是買貴的就一定比較好,要適合自己,甚至要準備兩隻拍,
像我跳不高、殺不動,主要選平衡拍,高低磅數配合當天身體體能狀況使用,
大概 1200~4500的拍子 就很夠我用了,
比起自行車器材,隨便一台入門公路車 3、4萬起跳以及裝備、耗材便宜多了,
我曾經買過碼表加心跳計要8千多,都不敢讓老婆知道^_^

大一買了一隻 Kawasaki的拍子,還在,傷痕累累,線沒換過,還能打著玩。
2012 買了一隻好市多的 Yonex Nanospeed 500(24磅) 約1500,
2013買了一隻網路上買的 Fleet Profession 3800 (26磅)約2000,
比較常用 Fleet,挑打對方後場位置可以控的比較準,
兩隻拍子其實都還很好用。

2020/5 買了一隻 Hallson Vortex 4000 4U(81g、296mm、25磅),2021/10 這一隻敲框幾次後在揮拍擊球時框垮掉,第一次打到球拍壞掉!

跟一隻 Hallson Vortex 1000 5U(78g、296mm、21磅,主要是給老婆用),

都是 G5握把,還在適應大握把,經常拍面轉過頭,把球打出界外。

2021/10 Hallson拍斷了後再買了一隻勝利的Jet Speed 12 II F,

圖片來源:勝利羽球官網

這一隻定價7000,是到目前買過最貴的羽球拍,不過這隻拍的人工材質握把在擊球後的振動確實較小,比較舒服,是最常用的拍之一,後來老婆覺得這一隻比較好打,就變成給老婆用。

2022球友推薦買了一隻YY Nano Flare 800,球友優惠價4200,但是4U太輕、剛性不夠打不慣。
現在反而最常用的還是Fleet那一隻,所以貴不一定好,適合最重要。

球拍說真得還蠻難選的,如果有球友可以借試打一下再決定應該會更好;
像我之前常用的 Fleet,女同事借去就嫌打不動,打不遠,不好打,
反而 Yonex NS 500掉磅數到22磅覺得比較好打,
Kawasaki舊拍子磅數掉到20不到,打得很開心(比較容易打遠)。


若經常在室內場地打球,建議準備一雙羽球鞋,大約 1000~2000其實就很夠用,
羽球鞋跟一般運動鞋主要差異是在鞋底材質跟紋路設計的抓地性很好,
比較不會在瞬間移位時打滑,
這對羽球跟桌球運動都很重要;
另外是在大拇指鞋面有特別加厚保護鞋子最好,
因為打前排的球經常會有大跨步動作,後腳大拇指位置鞋面很容易跟地板摩擦,
我之前有兩雙鞋都是從這個位置開始破,
鞋子其他位置狀況其實都還好好的。

至於褲子、衣服,我覺得只要是輕薄容易拉伸好排汗就可以。

Ref.
1. 世界球類運動速度排名,最快可達近500KM/H 原文網址:https://kknews.cc/sports/yazvmzg.html