مقالة منهجية

تطبيق جوانب التصميم في تطوير آلة تحميل أونياكسيال

DOI:

10.3791/58168

⸱

سبتمبر 19, 2018

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Akron

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقدم هنا بروتوكولا لتطوير جهاز تحميل أونياكسيال نقية. ويعمل جوانب التصميم الحاسم لضمان نتائج اختبار دقيقة واستنساخه.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

فيما يتعلق بالتجارب الميكانيكية صحيحة ودقيقة، تشغيل آلات التواصل. بينما منصات تجارية توفر دقة ممتازة، يمكن أن تكون باهظة التكلفة، غالباً بأسعار في نطاق السعر مبلغ 100,000-200,000 دولار. من ناحية أخرى هي الأجهزة اليدوية القائمة بذاتها التي غالباً ما عدم التكرار والدقة (مثلاً، جهاز الساعد يدوي). ومع ذلك، إذا كان هو رد على استخدام واحد، أنها الإفراط الهندسية للتصميم وآله شيئا أكثر من اللازم وضع. ومع ذلك، هناك مناسبات حيث تصمم الآلات وبني المنزل لإنجاز اقتراح لا يمكن تحقيقه مع الأجهزة الموجودة في المختبر. ووصف بالتفصيل هنا هو واحد مثل هذا الجهاز. فمن منصة تحميل يمكن تحميل أونياكسيال نقية. آلات التحميل القياسية عادة بياكسيال في أن يحدث تحميل خطي على طول المحور وتحميل دوارة تحدث حول المحور. أثناء اختبار مع هذه الآلات، يتم تطبيق حمولة إلى نهاية واحدة من العينة بينما الطرف الآخر يظل ثابتاً. هذه الأنظمة ليست قادرة على إجراء اختبار المحوري الصرفة التي توتر/ضغط يطبق بالتساوي على طرفي العينة. يتيح منصة وضعت في هذه الورقة بتكافؤ والعكس تحميل العينات. في حين يمكن استخدامه لضغط، هنا التركيز على استخدامها في الصرفة الشد تحميل. الجهاز يتضمن خلايا الحمل التجارية والمحركات (المحرك)، وكما الحال مع الأجهزة بنيت داخل المنظمة، إطار يتم تشكيلة للاحتفاظ بأجزاء تجارية وتركيبات للاختبار.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

اختبار الميكانيكية له تاريخ مثيرة لاهتمام والتي يمكن أن ترجع إلى الصلادة اختبار المعدات التي وضعتها "ستانلي روكويل" في وقت مبكر في القرن الحادي والعشرين. وفي حين نمت التكنولوجيا بقدر ما دليل الممارسات القياسية، وتوثيق كل شيء من تحقق أداء الجهاز للمبادئ التوجيهية للاضطلاع باختبارات محددة1،2،3، 4-واليوم، تجري اختبارات ميكانيكية على كل شيء من مواد البناء مثل الأسمنت والصلب والخشب للمواد الغذائية والمنسوجات المنتجات5،6،،من78،9 . ونظرا لأن الحقول للهندسة الطبية الحيوية، وعلى وجه التحديد، ستتخلص الاستفادة من التجارب الميكانيكية، آلات تحميل شائعة في مختبرات الميكانيكا الحيوية.

تحميل آلات تشغيل نطاق مقياس في الميكانيكا الحيوية. على سبيل مثال، يمكن استخدام أكبر تحميل آلات إجراء دراسات الأثر الكامل للجسم أو تحديد الخواص الميكانيكية فخذي البشرية، أثناء تحميل أصغر آلات يمكن استخدامها لاختبار العظام مورين أو تنشيط الخلايا10،11، 13،،من 1214. تم العثور على نوعين من تحميل الأجهزة في المختبر التجارب؛ تلك التي يتم شراؤها تجارياً وتلك التي تم إنشاؤها بواسطة المستخدم. هي غالباً ما يفضل تحميل آلات تطويره داخليا ل خيارات التخصيص والتخصيص على15.

في الاختبار، وعينه هو المضمون في الجهاز حيث أنه يمكن تطبيقها تشرد، توليد قوة قابلة لقياس. إذا تم استخدام التحميل كردود فعل القيادة، الاختبار تسيطر عليها الحمل؛ إذا تم استخدام التشريد كردود فعل القيادة، الاختبار تسيطر على التشرد. تحميل آلات، وبصفة عامة، تستند إلى إطار الذي يتصل محرك لدعم ثابت. اختبار عموما ينطوي على هذا النحو، نهاية واحد من العينة نقله بينما الطرف الآخر يظل ثابتاً.

هو مبين في الشكل رقم 1 رسم آلة تحميل بسيط مما يدل على عناصرها الأساسية. الحريات الأساسية لجميع آلات التحميل هو قاعدة أو الإطار. في حين الغالبية العظمى من الماركات التجارية الاستفادة من قاعدة ثابتة، يصور الرسم منصة تسمح مستو (س ص) حركة. في هذه الحالة، هو المحرك، القسم العلوي من الذراع الذي يحمل خلية تحميل وتحركها محرك السائر. تعلق على الإطار هي مواعيد المباريات التي عقد العينة وتملي نوع الاختبار الذي يتم تشغيله. يظهر في الرسم تركيبات بيند ثلاث نقاط. المباراة أعلى (جهة واحدة) هي التي شنت في الذراع المتحرك. المباراة أسفل (جهة الاتصال المزدوج) هي التي شنت على قاعدة ثابتة. أثناء الاختبار، محركات السيارات المباراة الأعلى إلى الأسفل بحيث يشارك مركز الاتصال العينة. كما يشارك الاتصال العينة، خلية التحميل يسجل الزيادة في المقاومة أو القوة المفروضة على العينة.

وهناك مناسبات حيث تصمم الآلات وبني المنزل لإنجاز اقتراح لا يمكن تحقيقه مع الأجهزة الموجودة في المختبر. هنا يصف لنا بالتفصيل واحد مثل هذا الجهاز. هو منصة تحميل العينة أونياكسيال نقي يمكن تحميل أو متساوية والعكس الحركة في كلا طرفي. الجهاز يتضمن خلايا الحمل التجارية والمحركات (المحرك)؛ إطار هو تشكيلة للاحتفاظ بأجزاء تجارية وتحميل المباريات لعينات الاختبار. فهم المبادئ الأساسية لاختبار آلة البناء يمكن أن تساعد في تصميم واحد الخاصة بالجهاز. ونحن قد وفرت الملفات الرسومية خلقنا كنقطة انطلاق لمساعدة الباحثين بتطوير الجهاز الخاصة بهم. الفيديو ستركز على الجمعية العامة للجهاز وتطبيق مبادئ التصميم الميكانيكي لضمان الاتساق واختبار موثوق بها.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ملاحظة: يظهر الجهاز الانتهاء في الشكل 2. ويتيح الجهاز نقية أونياكسيال اختبار العينات في وضع أفقي.

1-المكونات

  1. إعداد اثنين من المحركات القابلة للبرمجة مع سفر 30 مم (1.2) كل صمام قادرة على الامتداد 60 مم (2.3) عند برمجة لسحب/دفع معا. لاستيعاب مجموعة متنوعة من الاستخدامات المحتملة، حدد مشغلات بعد فترة زمنية معقولة القوة قدرة [67 N (15 رطل)]، ذروة الاتجاه [58 ن (13 رطل)]، القرار سرعة [مكم 0.9302/s (0.00004 في/s)]، ودقة أحادي الاتجاه [25 ميكرومتر (0.001 في)].
  2. سلسلة الأقحوان المشغلات مزامنتها لتطبيق المساواة من ملحق/سحب.
  3. إعداد وحدة تحكم الخامس 24 تقديم اقتراح القيادة المشغلة؛ تمكين هذه النظم حركة خطية دقيقة دوران المسمار، ليدسكريو.
  4. إعداد خليتين التحميل بأقصى قوة قدرة 44.5 N (10 رطل). تحديد الشخصية منخفضة أو تحميل العلبة الطراز الذي يعتبر مثاليا للأماكن الضيقة.
  5. إعداد نظام الكتل السكك الحديدية/النقل. تعد واحدة من السكك الحديدية وعربات اثنين؛ واحدة لعقد كل صمام. لأنه سيتم الصدأ الصلب، حدد مواد الفولاذ المقاوم للصدأ إذا كانت ستستخدم الجهاز للمواد التي تتطلب الماء؛ لجميع الأغراض الأخرى، الصلب مقبول.
    ملاحظة: يتم توفير نظرة انفجرت منصة التحميل مع كتلة السكك الحديدية/النقل سيظهر في الأرجواني في الشكل 3.

2-الإطار البناء

ملاحظة: لأغراض توضيحية، منهاج العمل المرمزة بالألوان في الرسومات.

  1. إعداد مواد المخزون الألومنيوم. حدد الألومنيوم للفعالية من حيث التكلفة وسهولة تصنيع الآلات. إعداد لوحة على حد سواء و 'ل' على شكل زاوية الأسهم.
  2. إعداد المخزون المادي لتركيبات الجهاز. حدد شبكي؛ أنها قوية وخفيفة الوزن.

3-المعادن قاعدة والجانب الجمعية لوحة (إطار)

  1. قطع الصفيحة القاعدية من المخزون الألومنيوم، مع التأكد من أنها حوالي 64 × 15 × 1.3 سم (25 × 6 × 0.5 في). تنظيف الحواف في الطاحونة وقطع الصفيحة القاعدية لإبعاده نهائياً.
  2. آلة لوحة مسطحة في الطاحونة، وفقا للمواصفات الواردة في الملفات الإضافية.
  3. مواجهة ذلك، ضمان الطائرة هو المستوى.
  4. وآله على مسار في لوحة قاعدة لمحاذاة لوحات جانبية مع تسامح في 0.0126 مم (0.0005).
  5. آلة لوحات جانبية وفقا للمواصفات الواردة في الملفات الإضافية.
  6. حفر والاستفادة من لوحات جانبية على وجوههم السفلي.
  7. جبل لوحات جانبية منتصبة في المسار الصحيح.
  8. ربط لوحات جانبية للصفيحة القاعدية من تحتها (الشكل 4).

4-ربط الجمعية السكك الحديدية/النقل إلى الإطار

  1. آلة المسارات في الوجه الأمامي لكل لوحة جانبية لتمكين المتصاعدة للجمعية السكك الحديدية/النقل وفقا للمواصفات المنصوص عليها في الروابط الرسم (الشكل 5).
  2. ربط السكك الحديدية إلى المسار الصحيح من خلال الموافقة على حفر ثقوب في السكك الحديدية عبر واستغلالها ثقوب (لاستيعاب مسامير #10-32) في كل لوحة جانبية.

5-الخلفية جبل مرفق من المحركات

  1. آلة المرفقات جبل الخلفي من 'ل' على شكل زاوية الأسهم وفقا للمواصفات الواردة في الملفات الإضافية.
  2. آلة بار تعلق على الجزء السفلي من جبل بمثابة مجرى الخابور وركوب في المسار تشكيلة على وجه لوحة الجانب وفقا للمواصفات الواردة في الملفات الإضافية. اللعنة على شريط في أسفل الجبل.
  3. حفر من خلال ثقب في قاعدة جبل الخلفي لإزالة صمام.
  4. إرفاق جبل الخلفي للجسم من المحرك عن طريق نمط ثقب في صمام التجارية.
    ملاحظة: هو أحد الأسباب لجعل جبل خلفي للقضاء على الحاجة إلى مرارا وتكرارا إرفاق صمام مباشرة إلى الإطار باستخدام مسامير متري #2 الصغيرة التي تأتي الأسهم على المشغلات. الجبل يزيل القلق من تجريد المواضيع الداخلية من المحرك مع الاستخدام المتكرر.
  5. فتحه قاعدة جبل لنعلق على جبل المحرك الخلفي للإطار عن طريق اثنين المسامير.
  6. حفر والاستفادة من سلسلة من الثقوب (لاستيعاب مسامير #10-32) المرافقة على المسار على الوجه الأمامي من لوحات جانبية للسماح لمرفق جبل قابل لتعديل إذا كان من المستصوب لاستيعاب عينات ذات أحجام مختلفة.

6-الجبهة مرفق جبل من المحركات عن طريق الروابط

ملاحظة: جبل الجبهة 'ل' على شكل قطعة أن تولي جبهة صمام للنقل. صمام لا الاتصال فعلياً على جبل؛ وهو يعلق عبر سلسلة من الموصلات التي تمتد من طرف المشغل.

  1. آلة المرفقات جبل الجبهة من 'ل' على شكل زاوية الأسهم وفقا للمواصفات الواردة في الملفات الإضافية.
  2. حفر ثقب في قاعدة جبل الجبهة لاستيعاب الموصل مدبب.
  3. آلة مساراً في الجانب من جبل الجبهة لاستيعاب لوحة.
  4. آلة لوحة مساراً لاستيعاب المباريات.
  5. وآله الألمنيوم، موصل أسطواني وفقا للمواصفات المنصوص عليها في الروابط الرسم. يتصل هذا المحول خلية التحميل صمام.
  6. حفر والاستفادة من الموصل للولب متري #2 في نهاية المشغل والمسمار #6 متري في نهاية الخلية تحميل دعم تركيب محوري والمحاذاة لخلية التحميل والمحرك.
  7. كرر هذه العملية آلة موصلان متطابقة، واحدة لكل خلية التحميل.
  8. آلة ألومنيوم، مدبب، موصل أسطواني وفقا للمواصفات المنصوص عليها في الروابط الرسم. يتصل هذا المحول خلية التحميل لاعبا أساسيا والنقل.
  9. حفر واضغط على الرابط للاتصال الخلية تحميل الخيوط في نهاية واحدة.
  10. تمرير الاسطوانة في حفرة جبل المحرك لاستقبال واستخدام مجموعة المسمار للربط في نهاية الاسطوانة.
  11. تكرار النظام للمشغلات اليمين واليسار.
    ملاحظة: كما هو موضح في الشكل 6، بعد تجميعها، أرفقت قاعدة صمام جامد للوحة جانبية. الجزء الأمامي صمام متصل بالنقل، وهو صمام الموسعة وسحبه، النقل دفعت وانسحبت. وهذا يوفر الإطار لمرفق لاعبا أساسيا وعينه تحميل.

7-التجهيزات

  1. آلة المباريات وفقا للمواصفات الواردة في الملفات الإضافية (الشكل 7).
  2. آلة فتحه مركزية، عمودي في حامل لاعبا أساسيا لاستيعاب الارتفاع.
  3. إرفاق الجبهة المحرك يتصاعد إلى لوحة مستطيلة مع ثلاثة ثقوب حفر والاستفادة منها (لاستيعاب مسامير #10-32) محاذاتها عمودياً في وسط اللوحة.
  4. رفع أو خفض الحامل حسب الضرورة، على سبيل المثال، إذا كان يستخدم حمام مالحة لاختبار رطب، وتأمينه بمسامير.

8-التشغيل الداخلي:

  1. تحميل البرنامج المشغل للتحكم عن بعد بجهاز16.
  2. إنشاء ارتباط بين الكمبيوتر ووحدة التحكم الخامس 24 باستخدام كبل ملحق PS/2 الذكور والإناث 6-دبوس din صغير؛ لدى كل وحدة تحكم المحرك اثنين من وصلات الكابلات موصل din صغير 6 دبوس.
  3. استخدام محول USB-إلى-6-طرف din صغير للاتصال المشغلات بكمبيوتر قياسية؛ يحتوي المحول على نهاية موصل din صغير 6 دبوس أنثى واحدة ومنفذ اتصال USB.
  4. سلسلة الأقحوان المحركات حيث أن كابل كمبيوتر واحد يكفي للتشغيل، أو بدلاً من ذلك، استخدم محول HDMI بدلاً من محول الناقل التسلسلي العام.
  5. قم بتوصيل المشغلات إمدادات الطاقة الخامس 24.
  6. مرة واحدة متصلة وتعمل بالطاقة، حدد الأجهزة وتخصيص أداء المحرك.
  7. بدلاً من ذلك، التحكم المحركات يدوياً بالاتصال الهاتفي على كل صمام، التي مفيدة للإنشاء.
    ملاحظة: هذا البرنامج الواجب التطبيق على أي نظام التشغيل القياسية. مع هذا البرنامج، يمكن نقل سرعات متفاوتة لأي تعيين المسافة المحركات، مزامن على مسافة محددة أو التي تمت مزامنتها مع بعضها البعض للتحرك في انسجام.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

للتحقق من استخدام النظام، كانت اختبارات السرعة وأداء المحرك أجرى17. وتألفت هذه الاختبارات لقياس سرعة المحرك والمسافة بالمقارنة مع قيم الإدخال. للتحقق من دقة مسافة السفر عينة، اختيرت مسافات السفر التعسفي على طول الرمح بين 254-2540 ميكرومتر (0.01-في 0.10). الجهاز تشغيل لهذه المسافات ومقارنة بالمسافة الفعلية التي تقاس باستخدام تركيبات من قياس كتل ومقاييس المحسس. المسافات التي اختيرت ممثلة لمعدل الضغط 1%-10% التي تستخدم عادة في الفحص الخلوي. وأظهرت نتائج الاختبار عن بع...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وكان الهدف من هذا العمل لتصميم واختلاق محمل أونياكسيال فعالة من حيث التكلفة وموثوق بها للاستخدام مع عينات صغيرة الحجم مثل الأنسجة والألياف. وقد شيد جهاز التي تفي بالشروط المنصوص عليها في حين يجري أيضا ما يكفي من المرونة في التصميم للسماح لمرفقات جديدة تكون ملفقة كما يحتاج المستخدم تنمو. على سبيل المثال، سيتيح الجهاز لاختبار العينات الجافة والرطبة في تكوين أونياكسيال أو نهاية ثابتة.

وتشمل الخطوات الأساسية في تصميم وتصنيع أي جهاز تحميل النظر في المواد والمكونات التجارية (الصيانة)، وأداء ومرونة ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأيد هذا العمل NIDCR الصحة معاهد وطنية [DE022664].

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
مزود الطاقة ، 24 فولت تيار مستمر 2.5 أمبير ، 100-240 فولت تيار متردد ، قابس لأمريكا الشمالية   ؛Zaber Technologies incPS05-24V25
6 دبوس مصغرة din-male إلى أنثى PS / 2 كابل تمديدZaber Technologies incT-DC06
Stepper Motor Controller ، 2 phaseZaber Technologies incA-MCA
Linear Actuator ، حجم NEMA 11 ، 30 مم للسفر ، 58 نيوتن كحد أقصى للدفعZaber Technologies incNA11B30
عربات كروية خالية من الصيانة وقضبان توجيه مقاومة للتآكلMcMaster-Carr9184T31
6061-t6 مخزون الألومنيومMcMaster-CarrNA
Plexiglas StockMcMaster-CarrNA
خلية تحميل علبة ، 4.5NHoneywell SensotecNA
USB إلى 6 دبوس ميني دينيونيفرسال & nbsp ؛غير أ
المستمر

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. ASTM E4-16. Standard practices for force verification of testing machines. , Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2016).
  2. ASTM E2309/E2309M-16. Standard practices for verification of displacement measuring systems and devices used in materials testing machines. , Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2016).
  3. ASTM E2428-15a. Standard practice for calibration and verification of torque transducers. , Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2015).
  4. ASTM E2624-17. Standard practice for torque calibration of testing machines. , Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2017).
  5. ASTM C39 – Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens. , Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2018).
  6. ASTM A370-17a. Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products. , Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2017).
  7. ASTM D4761-13. Standard test methods for mechanical properties of lumber and wood-base structural material. , Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2013).
  8. Green, M. L., et al. Mechanical properties of cheese, cheese analogues and protein gels in relation to composition and microstructure. Food Structure. 5 (1), 169-192 (1986).
  9. ASTM D76/D76M-11. Standard specification for tensile testing machines for textiles. , Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2011).
  10. Papini, M., Zdero, R., Schemitsch, E. H., Zalzal, P. The biomechanics of human femurs in axial and torsional loading: comparison of finite element analysis, human cadaveric femurs, and synthetic femurs. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (1), 12-19 (2007).
  11. Poulet, B., et al. Intermittent applied mechanical loading induces subchondral bone thickening that may be intensified locally by contiguous articular cartilage lesions. Osteoarthritis and Cartilage. 23 (6), 940-948 (2015).
  12. Li, J., et al. Osteoblasts subjected to mechanical strain inhibit osteoclastic differentiation and bone resorption in a co-culture system. Annals of Biomedical Engineering. 41 (10), 2056-2066 (2013).
  13. Huang, A. H., et al. Design and use of a novel bioreactor for regeneration of biaxially stretched tissue-engineered vessels. Tissue Engineering. Part C, Methods. 21 (8), 841-851 (2015).
  14. Keyes, J. T., Haskett, D. G., Utzinger, U., Azhar, M., Van de Geest, J. P. Adaptation of a planar microbiaxial optomechanical device for the tubular biaxial microstructural and macroscopic characterization of small vascular tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 133 (7), 075001(2011).
  15. Brown, T. D. Techniques for mechanical stimulation of cells in vitro: A review. Journal of Biomechanics. 33 (1), 3-14 (2000).
  16. Zaber Technologies. Zaber Console software download. , Available from: https://www.zaber.com/zaber-software (2018).
  17. King, J. D., York, S. L., Saunders, M. M. Design, fabrication and characterization of a pure uniaxial microloading system for biologic testing. Medical Engineering and Physics. 38 (4), 411-416 (2016).
  18. Saunders, M. M., Donahue, H. J. Development of a cost-effective loading machine for biomechanical evaluation of mouse transgenic models. Medical Engineering and Physics. 26 (7), 595-603 (2004).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة