***承受不同负荷之仿真

摘 要：电子秤常见于超级市场,用于计算价钱,电子公司用来计算零件数量,亦可搭配自动包装机,用于落料系统,本研究针对荷重元（LoadCell）电子秤,对其结构形体承受不同负荷进行仿真分析.分析过程中,由3D软件SolidWorks建构出电子秤机械结构之几何外型,并完成3D组合图,再利用机构动态仿真分析软件ADAMS,进行仿真已确定电子秤机械结构之承重变化,然后施予多项不同负荷,分析秤盘受负荷后的变化.最后将仿真数据与市面上电子秤实际受负荷后之实物量测数据做比对分析,以证实模拟的可靠度.

关 键 词：电子秤、荷重元、ADAMS.

一、电子秤的介绍

1.1电子秤的概述

利用作用于物体上的重力来测量该物体质量（重量）的计量仪器,称为秤；装有电子装置的秤为电子秤.

电子秤是由精密的感测组件和微电脑电路所组成.秤重物品经由装在机构上的重量传感器,将重力转换为电压或电流的类比讯号,经放大及滤波处理后由A/D处理器转换为数位讯号,数位讯号由处理器运算处理,而周边所须要的功能及各种接口电路也和处理器连接应用,最后由显示屏幕以数字方式显示,如图1所示.

1.2电子秤的归类

磅秤依原理分为电子式、机械式、机电结合等等,以下仅就电子式功能分别说明：

（1）电子秤-计数秤：藉由总重除以单重而换算成总数量（计数秤可以藉由取样动作求取单重）,节省人力及时间.主要用于：电子、塑料射出、仓库盘点、电镀、金属加工等方面,如图2所示.

（2）电子秤-计重秤：单纯的读取重量值（有的机型更具有简易计数功能）,主要用于：家庭、仓储、货运、化工、印刷、仓管、纺织、食品加工、油漆业等方面.

（3）电子秤-计价秤：藉由总重乘以单价而换算成总价,商业交易用,一般商店或市场皆可看到.常用于：中药材、市场、摊贩、超市、食品加工.

（4）电子秤-精密天平：需要精确的秤重,通常感量为小数1位～5位（0.1g-0.01mg）,最大秤量不超过60公斤,主要常见于纺织、染整、制药、食品、塑化、理化实验室、珠宝业及精密计数用.

（5）电子秤-吊秤：用悬吊方式秤取重量,一般搭配吊车使用为主,常见使用于金属业、电线电缆、屠宰场等地方.

（6）电子秤-小地磅：大型货品秤重,秤重范围约在500公斤到10吨,主要用于：金属加工、电线电缆、化工、货运等场所.

二、分析

2.1荷重元自由振动分析

三、计算机仿真分析

3.1ADAMS简介

计算机辅助设计与制造已经是在现代化产业中的主流趋势,在设计的初期可快速变更修改其设计的产品,以减少设计者的时间与负担,更可以利用虚拟分析的方式来评估其成品所生产出来的结果,藉此达到优化的产品之设计.在本论文中所使用的ADAMS为一套高阶机构模拟分析软体,且为全世界占有率超过70%的机构软件.主要分为前处理器、后处理器与处理器三个部分所组成,分别用来建构与设定系统组件,呈现分析结果与执行分析运算.这套软件可以直接建构虚拟模型,也可以由其它软件（如ANSYS、IDEAS、SOLIDWORKS等等）中汇入.

并可精确计算出任何复杂的机构运动、动力学等之线性与非线性行为以及具有多样化且齐全的分析功能.另外使用者可以快速、方便地建立完全参数化的机械系统和几何模型.不仅如此,还可以改变已设定之材料特性、相关位置、计算动力装置与承载机构的负荷、优化之工作循环、优化运动轨迹、判定是否会发生干涉或碰撞及确保精确之定位.因此,利用软件仿真电子秤实际受力的情形,来分析电子秤受不同负荷所产生的位移即是本论文之主轴.

为了验证理论分析结果,本研究利用虚拟机构模型建构系统（SolidWorks）来建立仿真分析之三维实体模型,而实体模型与实物之尺寸及材料特性愈接近时,其模拟分析结果会愈正确.最后利用高阶机构动态仿真分析软件内建之汇入功能将扩展名为*.x_t的档案汇入,然后在几何模型上施加外力和运动模式,以提供作动态仿真分析,再做优化的设计,如图7所式为本论文之计算机仿真流程图.

3.2ADAMS模块简介

透过ADAMS/Exchanger模块,利用IGES、STEP、STL、DWG/DXF等,资料交换库的标准文件格式完成与其他CAD/CAM/CAE软件之间资料库的双向传输.当用户将在CAD/CAM/CAE软件中建立的模型汇入时,自动将图形文件转换成一组包含外形、标志和曲线的图形要件,通过控制传输实的精度,可得到较精确的几何形.依前处理器、处理器、后处理器可对应到三个基本模块,分述如下：

3.2.1图形接口模块（ADAMS/View）

主要提供模型建构、函数建构器、客户化接口设计、动画控制及输出、实验设计及优化设计.更提供了下列功能：

（1）几何图形库：采用（Parasolid）作为实体建模的核心,给使用者提供了丰富的零件.

（2）函数编辑器：支持布林运算、FORTRAN/77、FORTRAN/90中所有函数及独有的240余种各类函数.

（3）基本接口：采用大众所熟悉的基本接口包含（UNIX系统）和Windows接口（NT系统）,提供了相对任意参考坐标系方便定位的功能,方便建模分析.

（4）资料库：提供了犹如使用EXCEL一样方便地编辑模型资料,可将模型参数化方便我们进行灵敏度分析和优化设计.

3.2.2求解程序模块ADAMS/Solver：

是核心模块之一,内含机械系统模型的动力学方程式,提供静力学、运动学和动力学的计算结果且能对刚体和弹性体组成的柔性机械系统进行各种仿真分析.除了要求软件输出位移、速度、加速度和约束反力外,还可要求它输出自己定义的资料,并支持C++、Fortran语言展现其强大的客制化功能.3.2.3后处理模块ADAMS/PostProcessor

用来展示及处理求解程序在分析完成后得到的基本系统模型运动及动力行为反应数据.展现各数据关系图表、进阶计算、统计分析、

频域分析并可以动画显示真实感,此模块亦可与其他控制或有限元素分析软件进行资料交换,以整合后续回受控制或应力应变分析.

3.3组件模型建立

为了让电子秤动态仿真分析结果越接近实际,本研究利用计算机辅助设计软件来建立仿真分析时之三维实体模型,而实体模型与实务之尺寸及材料特性愈接近时,其模拟分析结果会愈正确.

其机械绘图上功能相当齐全,可以建立与实体相当接近的模型,因此在软件中依照实物尺寸建立秤盘、上支架、下支架及荷重元实体模型.并依电子秤机械结构分解,汇入高阶机构动态仿真分析软件中之完成模型图.在图形接口模块中,以【File-Import】指令将在计算机辅助设计软体中建好的秤盘、上支架、下支架及荷重元原型另存为*.x_t档汇入后,并设定各个组件之材料特性与参数,依序建立下支架固定于地面,再以【Bushing】来仿真电子秤衬垫的弹性系数与阻尼系数,并作为上支架与下支架间的连接,然后秤盘固定于上支架之上,最后藉由标准化坐标施予外力与运动方式于秤盘上,即可进行模拟的运动情形,求得电子秤机械结构位移量之数据,并与相关实际数据比较讨论,为电子秤机构仿真设定图.

3.4模拟结果分析

四、结论与展望

4.1结论

由SoldWorks与ADAMS软件建立且仿真电子秤受不同负荷之动态情形,最后将理论值与模拟值做分析比较,并可归纳成下列几点：

1.系统面如果有阻尼项（c值）的存在,遇到外力的时候将会受力自由振动,直到新的平衡产生,其中受力自由振动的情况是不希望被产生的,于是阻尼项便担任"吸能"的任务,负责将外力给予系统的能量尽量的吸收在最短的时间内达到新的平衡（也就是不再振动）.

2.系统面如果有弹簧系数项（k值）的存在,外力对弹簧所作的功即是弹力位能的变化量,故外力对弹簧所作的功,会增加或减少弹簧的弹力位能.

3.傅立叶级数的基本观念即是以弦波函数来组成信号空间,每个周期函数都可利用弦波函数来组成.任一周期函数可以分解成许多不同振幅,不同频率的正弦谐波与余弦谐波的合成.

4.2展望

本研究之仿真,模型建立系依市面上常见之桌上型电子秤,其模拟电子秤受不同负荷后之位移,与实际电子秤受不同负荷后之位移结果相当接近.

且其电子秤制造时,负荷元必须依照不同的负荷范围选用不同的规格,因此其量测范围仅局限在一定范围,故必需对荷重元施以过载保护,以免损坏荷重元,因此借由建立分析之虚拟模型,观查其电子秤受力位移,由此可量测出电子秤过载保护数据,且电子秤种类繁多,尤其台秤最大负荷量到达数百公斤,要得知过载保护数据,相当耗费时间及人力,因此善用ADAMS软件仿真分析,将相关材料参数输入完整后其误差范围应可更小,所归纳的建议有助于决定机构的设计参数,提升电子秤的生产开发速度与质量.