如何測量應變形狀

何謂應變

當對對象物施加拉力或推力等力時，對象物會變形。例如，當拉一個對象物時，會向拉動的方向延伸，而當推動時，會向推動的方向收縮。此時，從原始形狀變形的比例，就被稱為「應變」。應變包括「縱向應變」、「橫向應變」和「截斷應變」，其中每一種都有不同的荷重方向。

縱向和橫向應變

縱向應變是指物體被推動時，在荷重（壓縮）方向上的變形。橫向應變是指施力垂直於物體上時，在荷重方向的變形（膨脹）。
當物體被拉動時也會發生，縱向應變是物體受力（拉力）方向上的變形（伸長）。橫向應變是指施力垂直於物體上時，在荷重方向上的變形（收縮）。縱向應變與橫向應變之比，被稱為「泊鬆比」。

截斷應變

這是對象物受到截斷力時，所發生的應變。想像一下剪刀剪紙的力量，或者把畫掛在牆上的掛鉤，就很容易想像理解了。

關於扭曲

軸扭轉時產生截斷力，同時在軸傾斜45°的兩個方向上產生與截斷力相等的拉力和壓縮力。因此，可以說扭轉應變不是單一的應變，而是截斷應變、縱向應變和橫向應變的組合。

透過應變計測量應變

應變計利用電阻因膨脹和收縮而變化的特性，來測量應變量。貼在應變發生的地方，測量應變前的電阻值和應變時的電阻值，藉以掌握應變過程。此外，原始電阻值、電阻變化量和應變量之間的關係，能透過下式表示。

⊿R／R=K×ε

⊿R

電阻變化 (Ω)

R

原電阻值（Ω）

K

比例常數※

ε

應變量

※K稱為「計量率」，是由應變計所用金屬材料決定的比例常數。

請注意，應變計只能測量對象物的應變量，不能測量對象物的形狀。應變的形狀測定，是透過輪廓測定機、高度計、3D形狀測量儀等進行測量。

傳統應變形狀測量的問題

無論荷重方向如何，都會因複雜變形發生應變。扭曲的物體將呈現3D形狀，並使用輪廓測定機和高度計對其進行測量。然而，在使用輪廓測定機和高度計進行測量時，存在以下問題。

使用輪廓測定機測量應變形狀的問題

輪廓測定機是使用稱為尖筆的觸針，透過描摹出對象物表面，藉以測量並記錄輪廓形狀的裝置。近年來，也有的類型是使用雷射代替觸針，透過非接觸式描摹輪廓來測量複雜形狀。此外， 某些型號能夠測量上下兩面。
當使用輪廓測定機測量立體對象物時，必須調整出水平狀態。

該測量方法存在以下問題。

• 將對象物固定到夾具上，並調整出水平狀態需要時間。此外，具備輪廓測定機相關的知識和技能，對於準確地調整出水平狀態極為重要。
• 輪廓測定機的觸針將繞著觸針針臂上的支點做圓弧上下運動，觸針尖端也會沿著X方向移動，造成X軸資料產生誤差。
• 準確地依照預期穿針非常困難，即使是最輕微的針錯位也會導致測量值發生偏差。
• 由於只能評估線，所以無法可視化整個應變情形。

使用高度計測量應變形狀的問題

高度計搭配針盤量規一起使用，就能測量高度。

• 測量僅限於點，隨著時間的推移必須藉由測量許多點來提升準確性。然而，即使花費大量時間在多個點進行測量，也仍無法掌握整個表面的狀況。
• 對於形狀複雜的零件或微小零件，可能還是難以接觸並測量狹窄部位的極小處。此外，由於人為錯誤和測量裝置本身的誤差，所導致的測量結果發生偏差，因此無法進行穩定的測量。

應變形狀測量中的問題解決方法

傳統所使用的一般測量儀器，存在著需要耗費時間固定目標物的問題，以及必須在點狀或現狀接觸立體目標物、測量位置，才能進行測量的課題。為了解決這些測量問題，KEYENCE開發了一次性3D形狀測量儀「VR系列」。
能以非接觸方式，準確捕捉對象物的3D形狀。此外，可以在短短1秒內對台上的對象物進行3D掃描，以高準確度測量3D形狀。因此，可以在測量結果沒有偏差的情況下，瞬時進行定量測量。以下將介紹其具體上的優點。

優點1：取得整個「面」的形狀。即使細部的應變，也能立即可視化

測量演算法和硬體已完全改版，最快可在1秒內測量最大200mmx100mm的大範圍。此外，可以自由測量部分形狀變形等目標點，並能夠在測量變形的同時，也測量波紋和粗糙度。此外，測量值不會出現個人差異。
「VR系列」以最快1秒的壓倒性速度，實現了N的大幅增加並縮短作業時間。這將提昇測量品質，將檢驗人員的人手調動成生產人員，進而促進增加產量。無論是評估試做品還是出貨前的產品檢查，速度將能改善任何測量任務。

不同於輪廓測定機和高度計，可以輸出放置在台上的對象物特徵，並自動校正位置。過去需要花費大量時間和精力的嚴格位置調整，已變得不再需要。即使是沒有經驗的用戶，也可以在不依賴個人技能的情況下輕鬆、即時地進行測量。
使用「VR系列」，只需將復雜形狀放在載物台上並按下按鈕，即可準確測量其平行度。

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優點2：透過可視化掌握應變變化

例如，應變之間的形狀變化複雜，而難以測量的扭曲應變等因機械應力（例如扭轉應變），可能會在零件中發生意外變形。這樣的對象物即使用線或點來測量，不僅難以取得準確的形狀資料，形狀也很難被掌握。
使用「VR系列」，只需將目標放在載物台上並進行掃描即可。將整個對象物的3D形狀捕捉為一個平面，無需定位。
還能透過不同顏色顯示整個對象物的高度並測量任何位置的輪廓，因此能夠可視化並掌握形狀缺陷的位置及其詳細數值。這使得可以順利地辨識和調整模具，或特定出成型條件等缺陷的原因。
當然，由於可以取得定量測量的形狀資料，因此也能透過數值公差（公差）來管理應變，並將其用於趨勢分析。

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總結：顯著改善和提升難以測量的應變測定效率

使用「VR系列」，高速3D掃描可以在不接觸的情況下，立即測量對象物的準確3D形狀，例如應變。

• 由於捕捉表面，因此可以抓住整個對象物的扭曲部分，並測量任何部分的外形輪廓。
• 只需將對象物放在平台上，並按下按鈕即可完成測量，無需定位。
• 由於可以輕鬆、高速、高準確度地測量3D形狀，因此可以在短時間內測量許多對象物。
• 可輕鬆實現多種測量資料的定量比較分析。

此外，透過設定平面度公差，可以輕鬆確定 OK/NG產品，並使用資料分析NG產品。可以對微小零件和形狀複雜的零件等對象物進行應變測量和可視化，這在過去是不可能的，實現了快速準確的測量工作和無縫的資料分析。

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