מאמר שיטה

יישום של עיצוב היבטים בפיתוח מכונות העמסה Uniaxial

DOI:

10.3791/58168

⸱

19 בספטמבר 2018

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Akron

במאמר זה

סיכום

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

כאן אנו מציגים פרוטוקול לפתח מכונה טעינה uniaxial טהור. היבטים קריטיים עיצוב מועסקים כדי להבטיח תוצאות בדיקה לשחזור ומדויקים.

תקציר

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

מבחינת ומדויקים בדיקות מכניות, מכונות להפעיל את הרצף. ואילו פלטפורמות מסחריות מציעות דיוק מעולה, הם יכולים להיות שאבטחה, לעתים קרובות במחיר בטווח מחיר של 100,000 דולר - 200,000$. בקצה השני הם מכשירים ידניים עצמאי הזה לעיתים קרובות חוסר הדיר ודיוק (למשל, קראנק מכשיר ידני). עם זאת, אם שימוש אחד מסומן, זה יתר הנדסה עיצוב, מכונת משהו להרחיב יתר על המידה. למרות זאת, ישנם מקרים בו מכונות מתוכננים ובנויים בתוך הארגון לבצע תנועה לא ניתן להשגה באמצעות המכונות הקיימים במעבדה. מתוארות בפרוטרוט כאן הוא התקן אחד כזה. זוהי פלטפורמה טעינה המאפשרת טעינה uniaxial טהור. מכונות העמסה רגיל בדרך כלל הם biaxial טעינה ליניארי מתרחשת לאורך הציר כולל טעינת רוטרי מתרחשת על הציר. במהלך הבדיקה עם המכונות האלה, עומס מוחל על קצה אחד של הדגימה, בעוד הצד השני נשאר קבוע. מערכות אלו אינם מסוגלים עורכים בדיקות צירית טהור שבו המתח/דחיסה מוחל באופן שווה בקצוות הדגימה. פלטפורמת פיתחה נייר זה מאפשר את השוויון ואת ההיפך טעינה של דגימות. בזמן זה יכול לשמש עבור דחיסה, כאן המוקד על השימוש בו טהור מתיחה בטעינה. המכשיר משלב טען מסחרי תאים ומפעילים אלקטר (הובלות), כפי שקורה עם מכונות בתוך הארגון, מסגרת הוא במכונה כדי להחזיק את החלקים מסחרי ואביזרי לבדיקה.

מבוא

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

בדיקות מכניות יש היסטוריה של מעניין זה יכול להיות נעוצים קשיות בדיקות ציוד שפותחה על ידי סטנלי רוקוול בתחילת המאה ה-20. בעוד הטכנולוגיה גדלה כך נהלים סטנדרטיים, מתועדת מדריך הכל מהאימות של מכונת ביצועים הנחיות ביצוע בדיקות ספציפיות1,2,3, 4. כיום, מכני הבדיקות נערכות על כל דבר, החל חומרי בניין כגון בטון, פלדה ועץ מזון וטקסטיל מוצרי5,6,7,8,9 . בהתחשב בכך בתחומי הנדסה ביו-רפואית, ליתר דיוק, ביומכניקה, משתמשות בדיקות מכניות, מכונות העמסה הם דבר שבשגרה במעבדות ביומכניקה.

טעינת מכונות להפעיל את הטווח של סולם ביומכניקה. לדוגמה, מכונות העמסה גדול יותר ניתן להשתמש כדי לנהל מחקרים בעלי השפעה גוף מלא או לקבוע תכונות מכניות הירך אנושי, בזמן טעינת קטנות יותר המכונות יכול לשמש לבדיקת עצמות מאתר או לעורר תאים10,11, 12,13,14. שני סוגים של טעינת מכונות נמצאים במעבדה הבדיקה; אלה שנרכשו מסחרית ואלה שכבר נבנו על-ידי המשתמש. טעינת מכונות שפותחו הם לעיתים קרובות המועדף שלהם התאמה אישית, התאמה אישית אפשרויות15.

בדיקות, הדגימה מאובטח במכונה כך יכול להיות מיושם לעקירה, יצירת כוח מדיד. אם המטען משמש את המשוב נהיגה, המבחן הוא עומס מבוקר; אם המנוע משמש את המשוב נהיגה, המבחן הוא שבשליטת העקירה. טעינת מכונות, באופן כללי, בנויים על מסגרת המתחברת mover תמיכה קבועה. ככזה, בדיקה בדרך כלל כרוך קצה אחד של הדגימה מועברים בעוד הצד השני נשאר קבוע.

המוצג באיור 1 היא שרטוט של מכונה העמסה פשוטה הממחיש את הרכיבים הבסיסיים שלה. הבסיסית כל מכונות העמסה הוא בסיס או מסגרת. בעוד הרוב המכריע של מותגים מסחריים, משתמשות בסיס קבוע, הציור מתאר פלטפורמה המאפשרת מישורי תנועה (XY). מצביע התזוזה, במקרה זה, הוא הזרוע מחזיקה את תא המטען, הוא מונע על ידי מנוע stepper. מחוברים למסגרת הם גופי אשר להחזיק את הדגימה ולהכתיב את סוג המבחן המופעל. בציור מוצגות גופי בנד 3 נקודות על כל שטח התקליטור. הנורה העליון (הקשר יחיד) מותקן על זרוע נעה; הנורה התחתון (הקשר הכפול) נטענה לבסיס נייח. במהלך הבדיקה, המנוע נוסע הנורה העליון כלפי מטה כדי איפה הקשר מרכז עוסקת הדגימה. הקשר עוסקת הדגימה, תא המטען מקליט העלייה בהתנגדות או הכוח שמונח הדגימה.

ישנם מקרים בו מכונות מתוכננים ובנויים בתוך הארגון לבצע תנועה לא ניתן להשגה באמצעות המכונות הקיימים במעבדה. כאן נתאר בפירוט כזה מכשיר אחד. זה פלטפורמה טעינה הדגימה uniaxial טהור מאפשר, טעינה או שוויון ולא ההפך תנועה בשני קצותיו. המכשיר משלב טען מסחרי תאים ומפעילים אלקטר (הובלות); מסגרת במכונה כדי להחזיק את החלקים מסחרי ואביזרי טעינה עבור הדגימה בדיקות. הבנת העקרונות הבסיסיים של בניית מכונת בדיקות יכול לסייע בתכנון מכונה של כל אחד. סיפקנו קבצי ציור יצרנו כנקודת התחלה כדי לסייע חוקרים עם פיתוח המכונה משלהם. הוידאו יתמקד ההרכבה של ההתקן לבין היישום של עקרונות תכנון מכאני כדי להבטיח יישור ובדיקה אמינה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

הערה: המכשיר המוגמר מוצג באיור2. המכשיר מאפשר בדיקה uniaxial טהור של דגימות במצב אופקי.

1. מרכיבים

  1. להכין שני מפעילים לתכנות עם נסיעה 30 מ מ (1.2 פנימה) לכל למפעיל מסוגל המתפרסות על-פני 60 מ מ (2.3 ב) כאשר מתוכנתת דחיפה/משיכה ביחד. כדי להתאים מגוון רחב של שימושים פוטנציאליים, בחר מפעילים שיש סביר לכפות קיבולת [67 N (15 ליברות)], שיא דחף [58 N (13 ליברות)], מהירות רזולוציה [0.9302 מיקרומטר/s (0.00004 ב / s)], והדיוק של כיווני [25 מיקרומטר (0.001 ב)].
  2. דייזי שרשרת מפעילים לסנכרן אותם עבור יישום שווה של הרחבה/הכחשה.
  3. להכין בקר V 24 כדי לספק את התנועה נהיגה כדי במפעיל; מערכות אלו מאפשרות תנועה ליניארי מדויק על ידי סיבוב בורג, leadscrew.
  4. להכין שני תאים עומס עם קיבולת כוח מרבי של 44.5 N (10 ליברות). בחר פרופיל נמוך או עומס מיכל בסגנון האידיאלי עבור מקומות סגורים.
  5. להכין את המערכת לחסום רכבת/עגלה. הכנת רכבת אחת, שתי עגלות; אחד להחזיק כל למפעיל. כי פלדה מחליד, בחר חומר פלדת אם ההתקן תשתמש עבור חומרים שדורשים הידרציה; למטרות אחרות, מקובל פלדה.
    הערה: תצוגה מורחבת לרציף ההעמסה מחסום רכבת/עגלה שמוצג סגול מסופק באיור3.

2. בניית

הערה: לצורך הסבר, פלטפורמת מסומן בצבע בגרפיקה.

  1. להכין חומר מניות אלומיניום. בחר אלומיניום עבור עלות האפקטיביות שלה קלות עיבוד שבבי. להכין צלחת שני, "L' בצורת זווית מניות.
  2. להכין מלאי חומרי ואביזרי מחשב. בחר פלקסיגלס; . זה חזק בזמן קל משקל

3. מתכת בסיס והרכבה צלחת (מסגרת) בצד

  1. חותכים את צלחת הבסיס מן המלאי אלומיניום, מוודא שזה כ 64 x 15 x 1.3 ס מ (25 x 6 x 0.5). לנקות את הקצוות בתוך הטחנה ולהגיע הבסיס המידות הסופיות שלה.
  2. מכונת לצלחת שטוחה בתוך הטחנה, בהתאם למפרטים הניתנים הקבצים משלימה.
  3. . תודה בזה, המבטיח שהמטוס הוא רמת
  4. מכונת מסלול המשקולת הבסיסית כדי ליישר את הצלחות בצד עם סובלנות של 0.0126 מ מ (0.0005 פנימה).
  5. מכונת הלוחות לצד בהתאם למפרט שנקבע בתוך הקבצים משלימה.
  6. תרגיל והקש על הלוחות בצד על הפנים התחתון שלהם.
  7. הר הלוחות לצד זקופה על המסלול.
  8. הדקו את הצלחות בצד ללוחית התחתונה מ מתחת (איור 4).

4. הצמדת את מכלול רכבת/עגלה למסגרת

  1. מכונת שירים לתוך הפנים הקדמי של כל צלחת בצד כדי לאפשר את ההרכבה של ההרכבה רכבת/עגלה בהתאם למפרטים הניתנים הקישורים הציור (איור 5).
  2. הדקו את המעקה למסלול דרך האישור חורים המסילה דרך קדח וטפח על חורים (כדי להכיל את הברגים #10-32) כל צלחת בצד.

5. אחורי מצורף הר של מפעילים

  1. מכונה הר האחורי מצורפים מ ' L' בצורת זווית מניות בהתאם למפרטים הניתנים הקבצים משלימה.
  2. מכונת בר לצרף לתחתית ההר כדי לשמש keyway וסעו במסלול במכונה על פני הלוח בצד בהתאם למפרטים הניתנים הקבצים משלימה. בורג הבר לתוך החלק התחתון של ההר.
  3. לקדוח חור עד למרגלות ההר אחורי לעמילות למפעיל.
  4. לצרף את הר האחורי מהגוף למפעיל באמצעות הדפוס חור במפעיל מסחרי.
    הערה: אחת הסיבות להכנת הר האחורי היא כדי לבטל את הצורך לצרף שוב ושוב במפעיל ישירות על המסגרת באמצעות #2 קטנים מטרי הברגים שמגיעים בבורסת מפעילים. ההר מבטלת את הדאגה של החשפנות את חוטי פנימי במפעיל עם שימוש חוזר.
  5. חריץ למרגלות ההר כדי לצרף את ההר למפעיל אחורי מסגרת באמצעות שני הברגים.
  6. תרגיל והקש על סדרה של חורים (כדי להכיל את הברגים #10-32) איגוף המסלול על פאת החזית של הלוחות בצד כדי לאפשר מצורף הר מתכווננת אם רצוי כדי להכיל את דגימות בגדלים שונים.

6. קבלה מצורף הר של המחברים באמצעות מפעילים

הערה: ההר הקבלה היא ' החתיכה L' בצורת מייחסת את החזית במפעיל לכרכרה. במפעיל פיזית לא פנה ההר; זה צירוף באמצעות סדרה של מחברים המרחיבים מהקצה למפעיל.

  1. מכונת קבצים מצורפים קבלה הר מ ' L' בצורת זווית מניות בהתאם למפרטים הניתנים הקבצים משלימה.
  2. קודחים חור בתוך הבסיס של ההר קבלה כדי להכיל את המחבר מחודדות.
  3. מכונת מסלול בצד של ההר קבלה כדי להכיל את צלחת.
  4. מכונת לצלחת עם רצועה כדי להכיל את גופי.
  5. מכונת של אלומיניום, מחבר גלילי בהתאם למפרטים הניתנים הקישורים הציור. מתאם זה מתחבר לתא המטען במפעיל.
  6. תרגיל והקש על המחבר בורג מטרי #2 בקצה למפעיל, בורג מטרי #6 בקצה תא המטען כדי לתמוך צירית הרכבה יישור של תא המטען, למפעיל.
  7. חזור על תהליך זה לייצר שני מחברים זהים, אחד עבור כל תא המטען.
  8. מכונת אלומיניום, צמצום, מחבר גלילי בהתאם למפרט שנקבע הקישורים הציור. מתאם זה מתחבר לתא המטען הנורה ואת הכרכרה.
  9. תרגיל והקש על המחבר החיבור תא עומס משורשרות בקצה אחד.
  10. להעביר את הצילינדר לתוך החור של ההר למפעיל קבלה ולהשתמש בורג ההידוק לעגן סוף צילינדר.
  11. לשכפל את המערכת עבור מפעילים ימין ועל שמאל.
    הערה: כפי שמוצג באיור 6, פעם התאספו, הבסיס של מפעיל נוקשה מחובר לצלחת בצד. החזית במפעיל מחובר לעגלה, כמו במפעיל מורחב מההצעה, הכרכרה הוא דחף ומשך. זה מספק המסגרת קבועה מצורף של הדגימה טעינה.

7. פרזול

  1. מכונת גופי בהתאם למפרטים הניתנים הקבצים משלימה (איור 7).
  2. מכונת חריץ מרכזי, אנכי ב בעל מקבע כדי להתאים את הגובה.
  3. צרף למפעיל קבלה שנותן לצלחת מלבני עם שלושה חורים מסועף, מצותתים (כדי להכיל את הברגים #10-32) מיושר אנכית במרכז הצלחת.
  4. להעלות או להוריד המחזיק במקרה הצורך, לדוגמה, אם אמבט מלוחים לבדיקת רטוב משמשת ואבטח אותו עם ברגים.

8. הליך הפעלה:

  1. הורד את התוכנה למפעיל לשלוט מרחוק בהתקן ה-16.
  2. יצירת קישור בין המחשב לבין בקר V 24 עם שישה פינים mini-din זכר לנקבה PS/2 בכבל מאריך; לכל בקר למפעיל יש שני קישורים כבל מחבר mini-din 6 פינים.
  3. השתמש ממיר USB-ל-6 פינים mini-din להתחבר מפעילים את מחשב רגיל; הממיר מכיל קצה אחד של המחבר 6 פינים הנשי mini-din, חיבור usb.
  4. דייזי שרשרת מפעילים כך כבל מחשב יחיד מספיקה עבור הפעולה, או לחלופין, להשתמש מתאם HDMI במקום מתאם ה-USB.
  5. להתחבר מפעילים את הזרם V 24 שעות ביממה.
  6. ברגע מחובר ומופעל, בחר את ההתקנים ולהתאים את הביצועים למפעיל.
  7. לחלופין, לשלוט מפעילים את באופן ידני על-ידי החיוג על כל מפעיל, אשר שימושית הסידור.
    הערה: תוכנה זו ישימה לכל מערכת הפעלה סטנדרטית. בעזרת תוכנה זו, מפעילים להעביר במהירויות משתנות לכל מרחק קבועים, המסונכרן ממרחק קבוע או מסונכרנות אחד לשני כדי להזיז שבסיר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

על מנת לוודא את השימוש במערכת, בדיקות מהירות וביצועים למפעיל היו מתקיימות17. בדיקות אלה כללה מדידת מרחק לעומת ערכי הקלט ומהירות למפעיל. כדי לוודא דיוק מרחק הנסיעה לדוגמה, נבחרו שרירותיים מרחקים לאורך הפיר בין 254-2540 מיקרומטר (0.01 - 0.10 in). המכשיר היה לרוץ מרחקים אלה, לעומת המרחק בפועל נמדדו באמצעות שילובים של בלוקים מד ומדידים מוחש. המרחקים שנבחרו היו נציג של קצב זן 1%-10% המשמש בדרך כלל בבדיקת הסלולר. התוצאות עבור מרחק הבדיקה הראו סטייה < 4% מן הקלט.

<...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

מטרת עבודה זו היתה לעצב לפברק טוען uniaxial חסכוני ואמין, לשימוש עם דגימות בקנה מידה קטן כגון רקמות וסיבים. התקן נבנה פגשתי את הדרישות שנקבעו גם בעת היותו גמיש מספיק בעיצוב כדי לאפשר החדש מצורפים כדי להיות מפוברק כפי שהמשתמש צריך לגדול. לדוגמה, המכשיר יאפשר לבדיקה של דגימות רטובה ויבשה בתצורת uniaxial או קבוע-end.

שלבים קריטיים בעיצוב, ייצור של כל מכשיר הטעינה כוללים השיקול של החומר, הרכיבים מסחרי (תחזוקה), הביצועים והגמישות של המערכת. כל עיבוד שבבי הושלמה על מפעל סטנדרטי. אלומיניום פלקסיגלס מ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

המחברים אין לחשוף.

תודות

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

עבודה זו נתמכה על ידי נבחרת מוסדות בריאות NIDCR [DE022664].

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
ספק כוח, 24 וולט DC 2.5 אציאת A, 100-240 וולט AC כניסה, תקע לצפון אמריקה Zaber Technologies incPS05-24V25
כבל מאריך מיני דין-זכר לנקבה PS/2 6 פיניםZaber Technologies incT-DC06
בקר מנוע צעד, 2 פאזיZaber Technologies incA-MCA
מפעיל ליניארי, NEMA גודל 11, מהלך 30 מ"מ, דחף רציף מקסימלי 58 NZaber Technologies incNA11B30
עמיד בפני קורוזיה ללא תחזוקה עגלות מיסבים כדוריים ומסילות מנחהMcMaster-Carr9184T31
6061-t6 מלאי אלומיניוםMcMaster-CarrNA
פרספקס מלאיMcMaster-CarrNA
עומס מיכל, 4.5NHoneywell SensotecNA
USB ל-6 פינים מיני-דיןאוניברסלי נה
תא

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים