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^{10,11,12,13,14}。在测试实验室中可发现两类加载装置： commercially 购买的装置和用户自行构建的装置。自行研发的加载装置通常因其可个性化和定制化而更受青睐¹⁵。

在测试过程中，将试样固定在机器上，以便施加位移，从而产生可测量的力。如果以载荷作为驱动反馈，则该测试为载荷控制型；如果以位移作为驱动反馈，则该测试为位移控制型。加载机器通常由一个框架构成，该框架将活动部件连接至固定支座。因此，测试过程通常是一端移动试样，而另一端保持固定。

图1 展示了一台简单加载装置的示意图，用以说明其基本组成部件。所有加载装置的核心部分均为底座或机架。尽管绝大多数商用品牌采用固定式底座，但本图所示为可实现平面（XY方向）移动的平台。该装置的运动部件为上臂，其上安装有载荷传感器，并由步进电机驱动。安装在机架上的夹具用于固定试样，并决定所执行试验的类型。图中所示为三点弯曲夹具。上夹具（单点接触）安装在运动臂上；下夹具（双点接触）则安装在固定底座上。测试过程中，电机驱动上夹具向下运动，使中心接触点与试样接触。当接触点与试样接触后，载荷传感器将记录试样所受阻力或作用力的增加情况。

有时，为了实现现有实验设备无法完成的运动，需要自行设计和制造机器。本文详细描述了这样一个装置：一种加载平台，可实现试样的纯单轴加载，或在试样两端施加大小相等、方向相反的运动。该装置采用商用的力传感器和执行器（驱动器），并通过机械加工的框架来固定这些商用部件以及用于试样测试的加载夹具。理解试验机结构的基本原理，有助于自行设计设备。我们提供了自行设计的图纸文件作为起点，以帮助研究人员开发自己的设备。视频将重点展示该装置的组装过程，以及如何应用机械设计原理来确保对中性和测试的可靠性。

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。

2. 框架构建

注意：出于解释说明的目的，图示中的平台已使用颜色编码。

1. 准备铝制原材料。选择铝材因其成本效益高且易于加工。准备平板和“L”形角材。
2. 准备用于加工夹具的原材料。选择有机玻璃；它强度高且重量轻。

3. 金属底座和侧板（框架）组装

1. 从铝材上切割底板，确保其尺寸约为 64 x 15 x 1.3 cm（25 x 6 x 0.5 英寸）。在铣床上修整边缘，并将底板加工至最终尺寸。
2. 根据补充文件中提供的规格，在铣床上将底板加工平整。
3. 进行端面加工，确保平面水平。
4. 在底板上加工导轨，用于对齐侧板，公差为 0.0126 mm（0.0005 英寸）。
5. 根据补充文件中提供的规格加工侧板。
6. 在侧板的底面进行钻孔和攻丝。
7. 将侧板垂直安装在导轨中。
8. 从下方将侧板固定到底板上（图 4）。

4. 将导轨/滑块组件安装到机架上

1. 通过机加工在每侧侧板的前表面加工出轨道，以便根据图纸链接中提供的规格安装导轨/滑块组件图5).
2. 通过轨道上的通孔将导轨固定到轨道上 通过 在每块侧板上钻孔并攻丝（以容纳 #10-32 螺丝）。

5. 执行器的后部安装固定

1. 根据补充文件中提供的规格，从“L”形角钢上安装机器后部支架附件。
2. 根据补充文件中提供的规格，加工一根条状部件并将其固定在支架底部，用作键条，并使其在侧板表面加工出的轨道内滑动。将该条状部件用螺钉固定在支架底部。
3. 在后部支架底部钻一个通孔，以便为执行器留出间隙。
4. 将后部支架安装到执行器本体上 通过 商用执行器中的孔型图案。
   注意：设计后置安装座的原因之一是避免反复使用执行器自带的M2小螺丝将执行器直接固定到支架上。安装座可消除因反复拆装导致执行器内部螺纹磨损的风险。
5. 将支架底座插入，以将后部执行器支架固定到框架上 通过 两颗螺钉
6. 在侧板前侧面的轨道两侧钻孔并攻丝（以适配#10-32螺钉），以便在需要适应不同尺寸样本时安装可调节的固定装置。

6. 执行器的前部安装固定 通过 连接器

注：前部安装座是一个“L”形部件，用于将驱动器前端连接至滑块。驱动器在物理上不与安装座接触，而是通过连接方式固定 通过 一系列从执行器尖端延伸出的连接件。

1. 根据补充文件中提供的规格，使用“L”形角钢加工机器前端安装部件。
2. 在前端安装座的底部钻孔，以容纳锥形连接器。
3. 在前端安装座的侧面加工一条轨道，用于安装平板。
4. 在平板上加工轨道，以容纳夹具。
5. 根据图纸链接中提供的规格，加工一个铝制圆柱形连接器。该适配器用于连接力传感器与作动器。
6. 在连接器的作动器端钻孔并攻丝以安装#2公制螺钉，在力传感器端钻孔并攻丝以安装#6公制螺钉，以支持力传感器与作动器的轴向安装和对齐。
7. 重复此过程，加工两个相同的连接器，每个力传感器各使用一个。
8. 根据图纸链接中提供的规格，加工一个铝制锥形圆柱连接器。该适配器用于连接力传感器、夹具和滑架。
9. 在连接器一端钻孔并攻丝，以匹配力传感器的螺纹接口。
10. 将圆柱体插入前端作动器安装座的孔中，并使用紧定螺钉固定圆柱端部。
11. 为右侧和左侧作动器复制相同的系统。
    注：如图6所示，组装完成后，作动器的基座牢固地连接在侧板上。作动器前端连接滑架，当作动器伸缩时，滑架随之被推拉。此结构为夹具安装和试样加载提供了基础框架。

7. 装置

1. 根据补充文件中的规格加工夹具（图7）。
2. 在夹具支架上加工一个居中的垂直槽，以适应高度调节。
3. 将执行器前部安装座通过三个钻孔并攻丝的孔（可容纳 #10-32 螺钉）垂直对准并固定在矩形板的中心位置。
4. 根据需要升高或降低支架，例如当使用盐水浴进行水合测试时，并用螺钉固定。

8. 操作步骤：

1. 下载执行器软件以远程控制设备¹⁶。
2. 使用6针mini-din公对母PS/2延长电缆将计算机与24 V控制器连接；每个执行器控制器有两个6针mini-din连接器电缆接口。
3. 使用USB转6针mini-din转换器将执行器连接至标准计算机；该转换器包含一个母型6针mini-din连接端和一个USB连接端口。
4. 将执行器串联连接，以便仅需一根计算机电缆即可运行；或者，可使用HDMI适配器替代USB适配器。
5. 将执行器连接至24 V电源。
6. 连接并通电后，选择设备并自定义执行器性能。
7. 或者，可通过每个执行器上的旋钮手动控制执行器，这在设置过程中非常有用。
   注意：该软件适用于任何标准操作系统。通过该软件，可使执行器以不同速度移动至设定距离，或在设定距离处同步，或相互同步以协调运动。

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