臺灣博碩士論文加值系統

本論文說明薄膜摩擦係數測試機之研製，主要應用於薄膜、塑料薄膜靜摩擦係數和動摩擦係數之量測。此類儀器國外廠牌價位高，對於中小企業而言，建置成本較高，故通常使用手持式推拉力計測試，但以此方法所測量之數據，因人而異，缺乏可信度。本研究主要之目的為降低產業界建購成本，於設計及測試上符合ASTM D1894法規規定。測力系統經校正程序，使所測量之數據具有相當可靠度。本論文重點之介紹為摩擦係數測試機之測試平台機構設計、荷重元放大器電路設計、頻率轉換器電路設計及軟體設計。本測試機架構及操作簡單，為全自動測試，測試完成後自動計算靜摩擦係數、動摩擦係數、平均靜摩擦係數、平均動摩擦係數及標準偏差值。軟體主要功能包含可輸入測試參數、摩擦力即時顯示與資料收集之繪圖能力。本實驗經測試5組厚度為0.18 mm的PVC薄膜，測試結果顯示靜、動摩擦係數標準偏差值很低，分別為0.034與0.004，代表本測試系統具有相當可靠性，可以應用於產業界之需求，整體硬體花費成本約為國外品牌的1/6，大大降低廠商建置成本。

This thesis explains the implementation of Plastic-Film Friction-Coefficient Tester to be applied in the static and kinetic coefficients of plastic film and sheet. Since the instrument, imported from foreign makers, is expensive, the manufacturing or purchasing cost is high for small and medium enterprises. Handheld force gauges are often used instead. However, the measurement data by handheld force gauges are unstable and lack of credibility. To reduce the manufacturing or purchasing cost in industry circles, the major purpose of this research is to ensure the reliability of each measurement by well design and tests conforming to ASTM D1894 and calibrated measuring systems. The key introduction of this thesis emphasizes on the design of the friction test platform mechanism, circuit of load cell amplifier and frequency transducer, and the software. This tester can be easily operated with fully automatic measurement. Values will be calculated automatically after test completion, including coefficient and average coefficient of static friction and kinetic frication, and standard deviation. Main features of the software contain test parameter inputs, real-time friction display, and graphics capability of data recording. The experiment tested 5 groups of PVC film with thickness of 0.18 mm, and the test result shows the standard deviation of both static and kinetic friction coefficient is very low, which is 0.034 and 0.004 respectively. It represents a considerable reliability of this test system, which can be applied to the needs of industries. The whole hardware expenditure is only a sixth of a foreign brand, which greatly reducing enterprises’ manufacturing or purchasing costs.

目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
謝誌 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1研究背景與動機 2
1.2論文架構 4
第二章 文獻探討 6
2.1摩擦力之定義 6
2.2荷重元之原理探討 9
2.3步進馬達與微步進驅動器之原理 16
2.4薄膜摩擦係數測試之國際法規探討 20
第三章 薄膜摩擦係數測試機之設計 24
3.1薄膜摩擦係數測試機之系統架構設計 24
3.2薄膜摩擦係數測試機之機構系統設計 26
3.3電氣系統之荷重元選用及放大器電路設計 35
3.4電氣系統之頻率轉換器電路設計 43
3.5電氣系統之步進馬達及驅動器選用 49
3.6電氣系統之資料擷取器選用及軟體功能需求與設計 52
第四章 實驗結果與討論 62
4.1系統測試行程距離測試與調整 62
4.2電氣系統整體測試與校正 66
4.3薄膜摩擦係數實測之方式與步驟 70
第五章 結論與未來研究方向 78
5.1結論 78
5.2未來研究方向 78
參考文獻 80
 
圖目錄
圖1.1 廠牌 LLOYD型號FT1立式機種 2
圖1.2 廠牌THWING-ALBERT'S型號FP-2255臥式機種 3
圖2.1 摩擦力F和水平作用力P的關係圖 7
圖2.2 摩擦力F與水平作用力P之趨勢圖 8
圖2.3 伸張應力之作用圖 9
圖2.4 應變規之構造圖 11
圖2.5 應變規量測電路圖 11
圖2.6 基本惠斯登電橋放大電路 14
圖2.7 步進馬達驅動方塊圖 16
圖2.8 傳統步進馬達和微步進馬達驅動波形之比較圖 19
圖2.9 ASTM D1894法規建議之架構圖 23
圖3.1 薄膜摩擦係數測試機之系統架構圖 25
圖3.2 聯軸器實體圖 27
圖3.3 薄膜摩擦係數測試機側視圖 28
圖3.4 薄膜摩擦係數測試機頂視圖 28
圖3.5 薄膜摩擦係數測試機正視圖 29
圖3.6 薄膜摩擦係數測試機構立體圖 30
圖3.7 薄膜摩擦係數測試機立體圖 30
圖3.8 薄膜摩擦係數測試機構3D內視圖 31
圖3.9 薄膜摩擦係數測試機構3D圖 31
圖3.10 薄膜摩擦係數測試機構實體圖 32
圖3.11 測試滑塊外型實體圖 33
圖3.12 使用200 g標準砝碼校正磅秤圖 33
圖3.13 測試滑塊實際重量圖 34
圖3.14 TCA1KG荷重元實體圖 35
圖3.15 TCA1KG荷重元外型尺寸圖 36
圖3.16 荷重元放大器之方塊圖 36
圖3.17 荷重元放大器校正接線圖 39
圖3.18 荷重元放大器電路圖 41
圖3.19 荷重元放大器電路實體圖 42
圖3.20 荷重元放大器電路零件配置圖 42
圖3.21 頻率轉換器方塊圖 44
圖3.22 頻率轉換器校正接線圖 46
圖3.23 頻率轉換器電路圖 47
圖3.24 頻率轉換器電路實體圖 48
圖3.25 頻率轉換器電路零件配置圖 48
圖3.26 CD-PG40C信號產生器實體圖 49
圖3.27 CD-2D44M二相微步進驅動器實體圖 50
圖3.28 信號產生器及二相微步進驅動器配線圖 51
圖3.29 研華USB-4704資料擷取器實體圖 55
圖3.30 研華USB-4704資料擷取器接線圖 55
圖3.31 軟體流程圖 57
圖3.32 軟體視窗功能畫面 58
圖3.33 軟體視窗畫面之各區塊功能圖 60
圖3.34 軟體參數設定功能畫面圖 61
圖3.35 軟體曲線顯示範圍設定畫面圖 61
圖4.1 薄膜摩擦係數測試機系統完成實體圖 62
圖4.2 電氣系統各組件配置實體圖 63
圖4.3 調整測試行程終點位置圖 64
圖4.4 調整測試行程130 mm位置實體圖 64
圖4.5 調整測試行程原點位置圖 65
圖4.6 荷重元實際荷重校正圖 66
圖4.7 橫河YOKOGAWA DL750波形記錄器實體圖 67
圖4.8 步進馬達驅動脈波信號波形圖 68
圖4.9 步進馬達行進時間波形圖 69
圖4.10 步進馬達行進速度波形圖 69
圖4.11 PVC薄膜樣本測試方式 70
圖4.12 摩擦力與速度記錄曲線圖 71
圖4.13 輸入測試參數 72
圖4.14 第1組PVC薄膜樣本摩擦力測試圖 73
圖4.15 第2組PVC薄膜樣本摩擦力測試圖 73
圖4.16 第3組PVC薄膜樣本摩擦力測試圖 74
圖4.17 第4組PVC薄膜樣本摩擦力測試圖 74
圖4.18 第5組PVC薄膜樣本摩擦力測試圖 75
圖4.19 各組S、k、平均及標準偏差值計算結果圖 76






表目錄
表2.1 電橋配置表 12
表2.2 各電橋配置和輸出電壓之關係表 13
表2.3 ASTM D1894和ISO8295法規之主要差異表 20
表3.1 荷重元放大器校正數據表 40
表3.2 為頻率轉換器校正數據表 46
表3.3 研華USB-4704資料擷取器硬體規格表 54
表4.1 荷重元實際荷重校正數據表 67
表4.2 成本分析表 76
表4.3 本文研究和T品牌F機種之功能差異表 77

[1] R. C. Hibbeler, Engineering Mechanics Statics, Prentice -Hall International Limited,
pp. 355-378, 1995.
[2] 陳宏謀，工程力學觀念分析靜力篇，詹氏書局，1992年。
[3] http://elearning.stut.edu.tw/mechanical/statics/newpage43.htmfm3， 2013 年6月8日，取自教育部高職教師進修教學網站。
[4] 陳瑞和，感測器，全華科技圖書，1989年。
[5] 王志華，“應變計式金屬薄膜壓力感測器之製作”，量測資訊第35期，1994年。
[6] J.W. Dally and W.F. Riley, Experiment Stress Analysis, McGraw-Hill Inc., 1989.
[7] D.K. Alexander, Transducers and Their Element, PTR Prentice Hall, 1994.
[8] 鄭振東，感測器電路設計手冊，全華科技圖書，1990年。
[9] M. F. Rahman and C. Grantham, “Design approaches for microstepping stepmotor controllers,” 1991 Fourth International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drives, pp. 253-257, 1991.
[10] A. Astarloa, U. Bidarte, A. Zuloaga, and I.M. de Alegria, “Reconfigurable Microstepping Control of Stepper Motors Using FPGA Embedded RAM,” IEEE IECON, Annual Conference of the Industrial Electronics Society, vol.3, pp. 221-226, Nov. 2003.
[11] W. D. Greason, Z. Kucerovsky, and A.W.K. Wu,“Frequency Domain Study of the Relative Effect of Micro Stepping on the Vibration Spectra of Stepping Motors,” Conference Record of the 1989 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, vol. 1, pp. 295-300, Oct. 1989.
[12] 辰白，步進馬達技術活用手冊，建興出版社，1993年。
[13] 陳熹棣，步進馬達應用技術，全華科技圖書公司，1986年。
[14] 許溢适，步進馬達原理與應用，全華科技圖書公司，1984年。
[15] 白中和，步進馬達控制電路設計，建興出版社，2010年。
[16] Standard Test Method for Static and Kinetic Coefficients of Friction of Plastic Film and Sheeting, ASTM D1894 Standard, American Society for Testing Material, 2001.
[17] Plastics Film and Sheeting Determination of the Coefficients of Friction, BS EN ISO 8295 Standard, International Organization for Standardization,
2004.
[18] 塑料薄膜和薄片摩擦係數測定方法，GB 10006-88，中華人民共和國 輕工業部，1988年。