Methodenartikel

Toepassing van Design aspecten bij eenassige laden Machine ontwikkeling

DOI:

10.3791/58168

⸱

19 september 2018

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Akron

In dit artikel

Samenvatting

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

Hier presenteren we een protocol te ontwikkelen een pure eenassige loading machine. Kritische ontwerpaspecten werkzaam zijn om ervoor te zorgen nauwkeurige en reproduceerbare testresultaten.

Samenvatting

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

Computers worden uitgevoerd in termen van nauwkeurige en precieze mechanische testen, het continuüm. Overwegende dat commerciële platformen uitstekende nauwkeurigheid bieden, kunnen zij kosten-verbiedend, vaak geprijsd in de $100.000-200.000 dollar prijsklasse. Aan het andere uiterste zijn zelfstandige handmatige apparaten die vaak ontbreken herhaalbaarheid en nauwkeurigheid (bijvoorbeeld, een handmatige crank apparaat). Als een eenmalig gebruik wordt vermeld, is het echter overdreven engineering aan de bouw en de machine iets overdreven uitwerken. Toch zijn er gelegenheden waar machines zijn ontworpen en gebouwd huis om het bereiken van een motie niet haalbaar met de bestaande machines in het laboratorium. Beschreven in detail hier is een dergelijk apparaat. Het is een laadplatform waarmee pure eenassige laden. Standaard laden machines zijn meestal biaxial in dat lineaire laden langs de as vindt en roterende laden om de as. Tijdens het testen met deze machines, wordt een belasting toegepast op één uiteinde van het specimen terwijl het andere einde vast blijft. Deze systemen zijn niet geschikt voor het uitvoeren van de zuivere axiale testen waarin spanning/compressie even aan de uiteinden van het model wordt toegepast. Het platform ontwikkeld in dit document maakt het mogelijk gelijke en tegenovergestelde laden van specimens. Hoewel het kan worden gebruikt voor compressie, is hier de focus op het gebruik ervan in zuivere treksterkte laden. Het apparaat bevat commerciële meetcellen en actuatoren (movers) en, zoals het geval met machines in eigen huis gebouwd, een frame is machinaal te houden van de commerciële delen en de inrichtingen voor het testen.

Inleiding

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

Mechanische testen heeft een interessante geschiedenis die kan worden teruggevoerd tot de testapparatuur die in het begin in de twintigste eeuw ontwikkeld door Stanley Rockwell hardheid. Terwijl technologie is gegroeid in de mate dat standaard, gedocumenteerde procedures alles van de verificatie van prestaties van de machine naar de richtsnoeren begeleiden voor de uitvoering van specifieke tests1,2,3, 4. vandaag, mechanische tests zijn uitgevoerd op alles van bouwmaterialen zoals beton, staal en hout tot voedsel en textiel producten5,6,7,8,9 . Gezien het feit dat het gebied van biomedische technologie en, meer in het bijzonder, biomechanica mechanische testen gebruiken, zijn laden machines gemeengoed in biomechanica labs.

Laden machines uitgevoerd van het bereik van de schaal in biomechanica. Als voorbeeld, kunnen grotere laden machines worden gebruikt voor full-body-effectstudies verrichten of menselijke femorale mechanische eigenschappen, terwijl kleinere laden machines kunnen worden gebruikt om te testen lymfkliertest botten of stimuleren van de cellen10,11, bepalen 12,13,14. Twee soorten laden machines zijn te vinden in het testlaboratorium; degenen die commercieel worden gekocht en degenen die door de gebruiker zijn gebouwd. Laden machines intern ontwikkeld zijn vaak favoriet voor hun personalisatie en aanpassing opties15.

In testen, is een specimen beveiligd in de machine zodat een verplaatsing kan worden toegepast, het genereren van een meetbare werking. Als de belasting wordt gebruikt als de drijvende feedback, is de test belasting-gecontroleerde; Als de verplaatsing wordt gebruikt als de drijvende feedback, is de test verplaatsing bestuurde. Laden machines, in het algemeen zijn gebaseerd op een frame dat een verhuizer op een vaste drager verbindt. Zo omvat testen in het algemeen één uiteinde van het specimen wegvloeien, terwijl het andere einde vast blijft.

Afgebeeld in Figuur 1 is een schets van een eenvoudige loading machine demonstreren de basisonderdelen. Fundamenteel belang voor alle laden machines is een base of frame. Overwegende dat de overgrote meerderheid van commerciële merken een vaste basis gebruiken, toont de tekening een platform waarmee planaire (XY) beweging. In dit geval is de krachtbron, de bovenarm, die houdt van een belasting-cel en wordt aangestuurd door een stappenmotor. Aangesloten op het frame zijn de armaturen die houden van het model en het dicteren van het type test die wordt uitgevoerd. Weergegeven in de tekening zijn drie-punt bocht armaturen. De bovenste armatuur (het één-loket) is gemonteerd aan de bewegende arm; de onderste armatuur (de dubbele contactpersoon) is op de stationaire base gemonteerd. Tijdens het testen rijdt de motor naar beneden de bovenste armatuur naar waar het contact center neemt het model. Als de contactpersoon zich het specimen bezighoudt, registreert de belasting-cel de toename in de weerstand of de kracht die op het model geplaatst.

Er zijn gelegenheden waar de machines zijn ontworpen en gebouwd huis om bereiken een motie niet haalbaar met de bestaande machines in het laboratorium. Hier beschrijven we in detail een dergelijk apparaat. Het is een laadplatform dat maakt pure eenassige specimen laden of gelijke en tegenovergestelde beweging aan beide uiteinden. Het apparaat bevat commerciële meetcellen en actuatoren (movers); een frame is machinaal te houden van de commerciële onderdelen en laden armaturen voor specimen testen. Inzicht in de basisprincipes van testen machinebouw kan helpen bij het ontwerpen van iemands eigen machine. We hebben de tekeningbestanden die we gemaakt als uitgangspunt bij de onderzoekers met de ontwikkeling van hun eigen machine. De video zal zich richten op de vergadering van het apparaat en de toepassing van mechanische ontwerpprincipes om de uitlijning en betrouwbare testen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

Opmerking: Het apparaat klaar is afgebeeld in Figuur 2. Het apparaat maakt pure eenassige testen van modellen in een horizontale positie.

1. de onderdelen

  1. Twee programmeerbare actuators met een 30 mm (1.2 inch) reizen per actuator staat verspreid over 60 mm (2.3 inch) als geprogrammeerd om pull/push samen voor te bereiden. Aangepast aan een verscheidenheid van potentiële toepassingen, selecteer actuatoren met een redelijke dwingen capaciteit [67 N (15 lb)], strekking [58 N (13 lb)], snelheid resolutie piek [0.9302 µm/s (0.00004 in / s)], en een unidirectionele nauwkeurigheid [25 µm (0,001 in)].
  2. Serieschakeling de actuatoren aan sync hen voor een gelijke toepassing van extensie/retractie.
  3. Bereiden van een 24 V-controller om de stuwende beweging om de bedieningssleutel; deze systemen kunnen een nauwkeurige lineaire beweging door de rotatie van een schroef, de leadscrew.
  4. Twee meetcellen met een capaciteit van de maximale kracht van 44,5 N (10 lb) voor te bereiden. Selecteer een laag profiel of busje-stijl laden die ideaal is voor kleine ruimtes.
  5. Het spoor/vervoer bloksysteem voor te bereiden. Bereiden van één spoor en twee rijtuigen; een te houden van elke actuator. Omdat staal roesten zal, selecteer roestvrij staal materiaal als het apparaat zal worden gebruikt voor materialen waarvoor hydratatie; voor alle andere doeleinden is staal aanvaardbaar.
    Opmerking: Vindt u een geëxplodeerde weergave voor het laadplatform met het spoor/vervoer blok in paars weergegeven in Figuur 3.

2. frame konstruktie

Opmerking: Voor verklarende doeleinden is het platform kleurcode in de afbeeldingen.

  1. Aluminium voorraad materiaal voor te bereiden. Selecteer aluminium voor de kosteneffectiviteit en het gemak van machinale bewerking. Bereiden van beide plaat en ' L'-vormige hoek voorraad.
  2. Voorraad materialen aan machine armaturen voor te bereiden. Selecteer plexiglas; het is sterk en lichtgewicht.

3. metalen Base en Side Plate (Frame) Assembly

  1. Snijd de grondplaat uit de voorraad van aluminium, ervoor te zorgen dat het is ongeveer 64 x 15 x 1.3 cm (25 x 6 x 0,5 inch). Opruimen van de randen in de molen en de grondplaat op de uiteindelijke afmetingen gesneden.
  2. Machine de plaat plat in de molen, volgens de specificaties van de aanvullende bestanden.
  3. Eerlijk zijn, om ervoor te zorgen het vliegtuig niveau.
  4. De machine van een track in de grondplaat aan het uitlijnen van de zijplaten met een tolerantie van 0.0126 mm (0.0005 inch).
  5. De machine van de zijplaten volgens specificaties van de aanvullende bestanden.
  6. Boren en tik op de zijplaten op hun onderz─│de.
  7. Monteer de zijplaten rechtop in de track.
  8. Zet vast de zijplaten op de grondplaat van onder (Figuur 4).

4. verbonden de vergadering spoor/vervoer aan het Frame

  1. De sporen van de machine in de voorzijde van elke kant plaat om de montage van de rail/vervoer vergadering volgens de specificaties in de tekening links (Figuur 5).
  2. Zet de rail aan de track via de goedkeuring gaten in het spoor via geboord en tikte gaten (zodat de schroeven van de #10-32) in elke kant plaat vast.

5. achterzijde Mount bevestiging van de actuatoren

  1. Machine van de achterzijde mount bijlagen uit de ' L'-vormige hoek voorraad volgens de specificaties van de aanvullende bestanden.
  2. De machine van een bar om te koppelen aan de onderkant van de berg om te dienen als een gleuf en rijden in de bewerkte track op het gezicht van de zijbekleding volgens de specificaties van de aanvullende bestanden. Schroef de bar in de onderkant van de berg.
  3. Boor een door gat in de base van de achterste berg voor de goedkeuring van de actuator.
  4. Sluit de achterste berg aan het lichaam van de bedieningssleutel via de gatenpatroon in de commerciële bedieningssleutel.
    Opmerking: Een van de redenen voor het maken van een achterste mount is te elimineren de noodzaak herhaaldelijk de bedieningssleutel hechten rechtstreeks aan het frame met behulp van de kleine #2 metrische schroeven die op de aandrijvingen voorraad komen. De mount elimineert de zorg van het strippen van de interne threads van de bedieningssleutel met herhaald gebruik.
  5. De groef van de voet van de berg te hechten de achterste actuator monteren aan de frame via twee schroeven.
  6. Boren en tik op een reeks van gaten (voor #10-32 schroeven) flankeren de track op het voorvlak van de zijplaten te voorzien van een verstelbare mount bijlage als het is wenselijk om exemplaren van verschillende grootte tegemoet te komen.

6. front Mount bevestiging van de actuatoren via connectoren

Opmerking: De front mount is een ' L'-vormige stuk dat de voorzijde van de bedieningssleutel aan het vervoer hecht. De bedieningssleutel is niet fysiek contact met de berg; hij hecht via een reeks van verbindingslijnen die vanaf de actuator-tip.

  1. Machine front mount bijlagen uit de ' L'-vormige hoek voorraad volgens de specificaties van de aanvullende bestanden.
  2. Boor een gat in de onderkant van de front mount voor de taps toelopende connector.
  3. Machine een track in de zijkant van de front mount voor een plaat.
  4. De machine van de plaat met een track aan de armaturen.
  5. Machine een aluminium, cilindrische connector volgens de specificaties in de tekening links. Deze adapter verbindt de belasting-cel met de actuator.
  6. Boren en tik op de connector voor een #2 metrische schroef aan de kant van de bedieningssleutel en een #6 metrische schroef op het einde van de cel belasting ter ondersteuning van de axiale montage en de uitlijning van de cel van de lading en de actuator.
  7. Herhaal deze procedure voor machine twee identieke connectors, één voor elke cel van de belasting.
  8. Machine een aluminium, kegelvormige, cilindrische connector volgens de specificaties in de tekening links. Deze adapter verbindt de belasting-cel met de armatuur en het vervoer.
  9. Boren en tik op de verbindingslijn om de verbinding van de cel schroefdraad belasting aan de ene kant.
  10. Passeren van de cilinder in het gat van de voorste actuator-mount en een stelschroef gebruiken om het einde van de cilinder te verankeren.
  11. Het dubbele van het systeem voor de linker- en actuatoren.
    Opmerking: zoals aangegeven in Figuur 6, zodra geassembleerd, de basis van de bedieningssleutel is strikt gekoppeld aan de zijbekleding. De voorzijde van de bedieningssleutel is gekoppeld aan het vervoer en, zoals de bedieningssleutel is uitgebreid en ingetrokken, het vervoer is geduwd en getrokken. Dit vormt het kader voor de armatuur gehechtheid en model laden.

7. armaturen

  1. De machine van de armaturen volgens de specificaties van de aanvullende bestanden (Figuur 7).
  2. Een centrale, verticale sleuf in de armatuur houder voor de hoogte van de machine.
  3. Bevestig de actuator front mounts aan de rechthoekige plaat met drie geboord en tikte gaatjes (geschikt voor #10-32 schroeven) verticaal uitgelijnd in het midden van de plaat.
  4. Verhogen of verlagen van de houder als dit nodig is, bijvoorbeeld als een zout bad om gehydrateerd te testen wordt gebruikt, en veilig met schroeven.

8. werkwijze:

  1. Download de software van de bedieningssleutel om de apparaat-16op afstand te beheren.
  2. Maak een koppeling tussen de computer en de 24 V-controller met een 6-pins mini-DIN man-naar-vrouw PS/2 verlengkabel; elke actuator-controller heeft twee 6-pins mini-DIN connector kabel koppelingen.
  3. Gebruik een USB-naar-6-pins mini-DIN-converter de actuatoren verbinden met een standaard computer; het conversieprogramma bevat één vrouwelijke 6-pins mini-DIN connector uiteinde en een USB-poort.
  4. Serieschakeling de actuatoren zodat een kabel van één computer volstaat voor de werking, of als alternatief, gebruik een HDMI-adapter in plaats van de USB-adapter.
  5. Sluit de actuatoren aan op de 24 V-voeding.
  6. Zodra aangesloten en aangedreven, selecteer de apparaten en aanpassen van de prestaties van de actuator.
  7. Anderzijds bepalen de actuatoren handmatig door de dial op elke stelaandrijving, die is handig voor de set-up.
    Opmerking: Deze software is van toepassing op elke standaard besturingssysteem. Met deze software kunnen de actuatoren worden verhuisde op verschillende snelheden naar een bepaalde afstand, gesynchroniseerd op een bepaalde afstand of gesynchroniseerd met elkaar om te gaan in unison.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Om te verifiëren of het gebruik van het systeem, werden actuator snelheid en prestaties tests uitgevoerd17. Deze tests bestond uit het meten van de bedieningssleutel snelheid en afstand ten opzichte van de invoerwaarden. Om te controleren of de steekproef reizen afstand nauwkeurigheid, werden de afstanden van de willekeurige reizen langs de schacht tussen 254-2540 µm (0,01 - 0.10 in) geselecteerd. Het apparaat was aan deze afstanden lopen en vergeleken met de werke...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Het doel van dit werk was voor het ontwerpen en fabriceren van een rendabele en betrouwbare eenassige loader voor het gebruik ervan met kleinschalige exemplaren zoals weefsels en vezels. Een apparaat werd dat voldoet aan de eisen en tegelijkertijd flexibel genoeg in ontwerp te maken voor nieuwe bijlagen worden vervaardigd als de gebruiker moet groeien uiteengezet gebouwd. Het apparaat kan bijvoorbeeld voor het testen van droge en natte specimens in een eenassige of vaste-end configuratie.

Krit...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd gesteund door de nationale instituten gezondheid NIDCR [DE022664].

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Voeding, 24 V DC 2.5 A uit, 100-240 V AC in, stekker voor Noord-Amerika Zaber Technologies incPS05-24V25
6 pins mini din-mannelijk naar vrouwelijk PS/2 verlengkabelZaber Technologies incT-DC06
Stepper motor controller, 2 faseZaber Technologies incA-MCA
Lineaire actuator, NEMA maat 11, 30 mm reis, 58 N maximale continue stuwkrachtZaber Technologies incNA11B30
Corrosiebestendige onderhoudsvrije kogellagers en geleidingsrailsMcMaster-Carr9184T31
6061-t6 aluminium staafMcMaster-CarrNA
Plexiglas staafMcMaster-CarrNA
Kanisterbelastingcel, 4.5NHoneywell SensotecNA
USB naar 6 pins mini-dinUniverseel NA

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Mechanische beproevingsynchronisatie van actuatorenintegratie van krachtopvattersverspaning van het framereproduceerbare assemblagenauwkeurige uitlijningtrekbelastingcommerci le componenteninterne ontwikkeling

Gerelateerde artikelen