单轴加载机器开发中的设计要素应用

摘要

本文介绍了一种纯单轴加载装置的构建方案。通过采用关键的设计要素，确保获得准确且可重复的测试结果。

摘要

在精确的力学测试方面，测试设备种类繁多。商业化的测试平台虽然具有优异的准确性，但价格往往过高，通常在10万至20万美元之间，可能超出预算。而在另一端则是独立的手动装置，这类设备通常缺乏重复性和准确性（例如，手动摇杆装置）。然而，如果仅需单次使用，设计和加工过于复杂的设备则属于过度设计。尽管如此，在某些情况下，仍需在实验室内部自行设计和制造设备，以实现现有设备无法完成的特定运动。本文详细描述了这样一种装置：一种可实现纯单轴加载的加载平台。标准的加载设备通常是双轴的，即沿轴向进行线性加载，同时绕轴进行旋转加载。在使用这些设备进行测试时，载荷施加于试样一端，而另一端保持固定。这类系统无法实现纯轴向测试，即无法在试样两端同时施加大小相等、方向相反的拉伸/压缩载荷。本文所开发的平台能够实现试样两端的等值反向加载。尽管该装置也可用于压缩测试，但本文重点介绍其在纯拉伸加载中的应用。该设备集成了商用的力传感器和执行器（驱动装置），与实验室自制设备类似，还需加工一个机架，用于安装商用部件以及测试所需的夹具。

引言

力学测试具有一个引人入胜的历史，可追溯到20世纪初斯坦利·洛克韦尔（Stanley Rockwell）开发的硬度测试设备。随着技术的发展，已有标准的、成文的操作规范来指导从测试设备性能验证到具体试验实施的各个环节^1,2,3,4。如今，力学测试的应用范围涵盖从混凝土、钢材和木材等建筑材料，到食品和纺织品等多种产品^5,6,7,8,9。鉴于生物医学工程领域，尤其是生物力学，广泛采用力学测试技术，加载设备在生物力学实验室中已十分常见。

加载装置在生物力学研究中具有广泛的尺度应用。例如，大型加载装置可用于开展全身冲击研究或测定人类股骨的力学特性，而小型加载装置则可用于测试小鼠骨骼或刺激细胞^10,11

方案

注意：最终装置如图2所示。该装置可实现对试样在水平位置下的纯单轴测试。

1. 组成部分

1. 准备两个可编程执行器，每个执行器的行程为 30 mm（1.2 in），当编程为同步拉伸/推压时，可实现 60 mm（2.3 in）的总行程。为适应多种潜在应用，应选择具备合理力输出能力［67 N（15 lb）］、峰值推力［58 N（13 lb）］、速度分辨率［0.9302 µm/s（0.00004 in/s）］以及单向定位精度［25 µm（0.001 in）］的执行器。
2. 将执行器串联连接，以实现伸展/回缩动作的同步，确保力的均匀施加。
3. 准备一个 24 V 控制器，用于驱动执行器运动；该系统通过丝杠（即螺杆）的旋转实现精确的线性运动。
4. 准备两个最大量程为 44.5 N（10 lb）的测力传感器。建议选用低剖面或筒式结构的测力传感器，适用于空间受限的应用场景。
5. 准备导轨/滑块系统。准备一条导轨和两个滑块，每个滑块用于固定一个执行器。由于普通钢材易生锈，若设备将用于需要水合环境的材料测试，应选用不锈钢材质；其他用途下，普通钢材可接受。
   注：带导轨/滑块系统的加载平台爆炸图如图3所示，其中导轨/滑块部分以紫色标出。

结果

为验证该系统的使用，进行了执行器速度和性能测试¹⁷。这些测试包括测量执行器的速度和位移，并与输入值进行比较。为验证样品移动距离的准确性，选取了沿轴向254 - 2540 µm（0.01 - 0.10 in）范围内的任意行程距离。设备运行至这些设定距离后，与使用量块和塞尺组合测量的实际距离进行对比。所选距离代表了细胞测试中常用的1% - 10%应变率。距离测试结果显示，测量值与输入值之间的偏差小于< 4%。

为测试驱动器速度，随机选择了覆盖驱动器能力范围的任意速度值。速度范围为 1 - 28,000 µm/s（0.00004 - 1.1 in/s）。通过设定移动距离并计时驱动器运动，将该速度与设备计算速度进行比较。在速度测试中，驱动器完成一次完整的伸展和收缩循环。测试结果显示，驱动器速度与输入值的偏差在 10% 以内。所有测试结果的 r² 值均> 0.99.......

讨论

本研究的目标是设计并制造一种经济高效且可靠的单轴加载装置，用于组织和纤维等小尺寸试样的测试。所构建的装置不仅满足了既定要求，而且在设计上具有足够的灵活性，可根据用户需求的增长定制新的附件。例如，该装置可支持在单轴或固定端配置下对干燥和湿润试样进行测试。

在设计和制造任何加载装置时，关键步骤包括考虑材料、商业组件（维护性）以及系统的性能和灵活性。所有机械加工均在标准铣床上完成。铝材和有机玻璃为框架和夹具提供了必要的刚性。商业组件包括执行器和导轨/滑块系统。拉伸和压缩测试均使用相同的执行器。这些执行器在力学测试平台中表现良好，因为当其处于开启状态但未使用时，电机的电源会被切断，从而防止丝杠产生扭矩并避免执行器过热。此外，导轨/滑块系统提供了良好的对准性并便于维护。该系统采用两个滚珠轴承螺杆滑块，沿宽度为15 mm（0.6 in）的轨道运行。每侧板使用一个滑块，用于将执行器连接至导轨。整套装置具有7800 N（1750 lb）的动态载荷能力，可适应多种类型的试样。滑块内部设有油腔，以维持润滑。夹具用于在测试过程中将试样固定在平台上。除了固定试样外，夹具还与执行器相连，使执行器的伸缩运动能.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电源，24 V 直流输出 2.5 A，输入 100-240 V 交流电，适用于北美插头	Zaber Technologies inc	PS05-24V25
6 针 mini din 公对母 PS/2 延长线缆	Zaber Technologies inc	T-DC06
两相步进电机控制器	Zaber Technologies inc	A-MCA
直线执行器，NEMA 11 规格，行程 30 mm，最大持续推力 58 N	Zaber Technologies inc	NA11B30
耐腐蚀免维护球轴承滑座和导轨	McMaster-Carr	9184T31
6061-T6 铝材	McMaster-Carr	NA
有机玻璃材料	McMaster-Carr	NA
筒式负荷传感器，4.5 N	Honeywell Sensotec	NA
USB 转 6 针 mini-din 接口线	Universal	NA