Artykuł metodologiczny

Zastosowanie aspektów projektowych w rozwoju jednoosiowych maszyn załadowczych

DOI:

10.3791/58168

⸱

19 września 2018

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Akron

W tym artykule

Podsumowanie

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

Tutaj prezentujemy protokół do opracowania czysto jednoosiowej maszyny ładującej. Zastosowano krytyczne aspekty projektowe w celu zapewnienia dokładnych i powtarzalnych wyników testów.

Streszczenie

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

Jeśli chodzi o dokładne i precyzyjne testy mechaniczne, maszyny działają na zasadzie kontinuum. Podczas gdy platformy komercyjne oferują doskonałą dokładność, mogą być zbyt kosztowne, często wyceniane w przedziale cenowym 100 000 - 200 000 USD. Na drugim biegunie znajdują się samodzielne urządzenia ręczne, którym często brakuje powtarzalności i dokładności (np. ręczne urządzenie korbowe). Jeśli jednak wskazane jest pojedyncze zastosowanie, projektowanie i obróbka czegoś zbyt skomplikowanego jest nadmierną inżynierią. Niemniej jednak zdarzają się sytuacje, w których maszyny są projektowane i budowane we własnym zakresie, aby wykonać ruch nieosiągalny przy użyciu istniejących maszyn w laboratorium. Szczegółowo opisane tutaj jest jedno z takich urządzeń. Jest to platforma załadowcza, która umożliwia załadunek czysto jednoosiowy. Standardowe maszyny załadowcze są zazwyczaj dwuosiowe, ponieważ obciążenie liniowe odbywa się wzdłuż osi, a obciążenie obrotowe odbywa się wokół osi. Podczas testowania za pomocą tych maszyn obciążenie jest przykładane do jednego końca próbki, podczas gdy drugi koniec pozostaje nieruchomy. Systemy te nie są w stanie przeprowadzać testów czysto osiowych, w których rozciąganie/ściskanie jest przykładane równomiernie do końców próbki. Platforma opracowana w tym artykule umożliwia równomierne i przeciwne ładowanie próbek. Chociaż może być używany do ściskania, tutaj nacisk kładziony jest na jego zastosowanie w czystym obciążeniu rozciągającym. Urządzenie zawiera komercyjne czujniki wagowe i siłowniki (przeprowadzki) i, podobnie jak w przypadku maszyn zbudowanych we własnym zakresie, obrabiana jest rama do przechowywania komercyjnych części i osprzętu do testów.

Wprowadzenie

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

Testy mechaniczne mają ciekawą historię, która sięga wstecz do sprzętu do testowania twardości opracowanego przez Stanleya Rockwella na początku XX wieku. Podczas gdy technologia rozwinęła się do tego stopnia, że standardowe, udokumentowane praktyki kierują wszystkim, od weryfikacji wydajności maszyny po wytyczne dotyczące przeprowadzania konkretnych testów1,2,3,4. Obecnie testy mechaniczne są przeprowadzane na wszystkim, od materiałów budowlanych, takich jak, stal i drewno, po produkty spożywcze i tekstylne5,6,7,8,9. Biorąc pod uwagę, że dziedziny inżynierii biomedycznej, a dokładniej biomechaniki, wykorzystują testy mechaniczne, maszyny ładujące są powszechne w laboratoriach biomechanicznych.

Maszyny ładujące działają w zakresie skali w biomechanice. Na przykład większe maszyny ładujące mogą być używane do przeprowadzania badań uderzeń całego ciała lub określania właściwości mechanicznych kości udowej człowieka, podczas gdy mniejsze maszyny ładujące mogą być używane do testowania mysich kości lub stymulacji komórek10,11,12,13,14. W laboratorium testowym znajdują się dwa rodzaje maszyn załadowczych; te, które są kupowane komercyjnie i te, które są budowane przez użytkownika. Maszyny załadowcze opracowane przez nas są często preferowane ze względu na ich opcje personalizacji i dostosowywania15.

Podczas testów, próbka jest zabezpieczana w maszynie, dzięki czemu można zastosować przemieszczenie, generując mierzalną siłę. Jeżeli obciążenie jest wykorzystywane jako sprzężenie zwrotne jazdy, badanie jest kontrolowane pod względem obciążenia; Jeżeli przemieszczenie jest wykorzystywane jako sprzężenie zwrotne jazdy, badanie jest kontrolowane pod kątem przemieszczenia. Ogólnie rzecz biorąc, maszyny załadowcze są zbudowane na ramie, która łączy napęd ze stałą podporą. W związku z tym testowanie zazwyczaj polega na przesuwaniu jednego końca próbki, podczas gdy drugi koniec pozostaje nieruchomy.

Na rysunku 1 pokazany jest szkic prostej maszyny ładującej, demonstrujący jej podstawowe komponenty. Podstawą wszystkich maszyn załadowczych jest podstawa lub rama. Podczas gdy zdecydowana większość marek komercyjnych wykorzystuje stałą podstawę, rysunek przedstawia platformę, która umożliwia ruch planarny (XY). Napęd w tym przypadku to górne ramię, które utrzymuje ogniwo obciążnikowe i jest napędzane silnikiem krokowym. Do ramy przymocowane są uchwyty, które utrzymują próbkę i dyktują rodzaj przeprowadzanego testu. Na rysunku pokazano trzypunktowe mocowania gięcia. Górny uchwyt (pojedynczy styk) jest zamontowany na ruchomym ramieniu; Dolny uchwyt (podwójny styk) jest montowany do nieruchomej podstawy. Podczas testowania silnik napędza górne mocowanie w dół do miejsca, w którym środkowy styk zazębia się z próbką. Gdy kontakt styka się z próbką, ogniwo obciążnikowe rejestruje wzrost oporu lub siły wywieranej na próbkę.

Zdarzają się sytuacje, w których maszyny są projektowane i budowane we własnym zakresie, aby wykonać ruch nieosiągalny za pomocą istniejących maszyn w laboratorium. Tutaj szczegółowo opisujemy jedno z takich urządzeń. Jest to platforma załadowcza, która umożliwia czysto jednoosiowe ładowanie próbek lub równy i przeciwny ruch na obu końcach. Urządzenie zawiera komercyjne czujniki wagowe i siłowniki (przeprowadzki); Rama jest obrabiana maszynowo do przechowywania części komercyjnych i osprzętu załadowczego do testowania próbek. Zrozumienie podstawowych zasad testowania konstrukcji maszyn może pomóc w zaprojektowaniu własnej maszyny. Utworzone przez nas pliki rysunkowe posłużyły nam jako punkt wyjścia, aby pomóc naukowcom w tworzeniu własnych maszyn. Film skupi się na montażu urządzenia i zastosowaniu zasad projektowania mechanicznego w celu zapewnienia wyrównania i wiarygodnego testowania.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

UWAGA: Gotowe urządzenie jest pokazane w Rysunek 2. Urządzenie umożliwia czysto jednoosiowe badanie próbek w pozycji poziomej.

1. Części składowe

  1. Przygotuj dwa programowalne siłowniki o skoku 30 mm (1,2 cala) na siłownik, o rozpiętości 60 mm (2,3 cala), gdy są zaprogramowane do ciągnięcia/dociskania. Aby dostosować się do różnych potencjalnych zastosowań, wybierz siłowniki o rozsądnej sile [67 N (15 funtów)], ciągu szczytowym [58 N (13 funtów)], rozdzielczości prędkości [0,9302 μm/s (0,00004 cala/s)] i jednokierunkowej dokładności [25 μm (0,001 cala)].
  2. Połącz szeregowo siłowniki, aby zsynchronizować je w celu równomiernego wysuwania/chowania.
  3. Przygotuj sterownik 24 V, który zapewni ruch napędowy siłownika; systemy te umożliwiają precyzyjny ruch liniowy poprzez obrót, pociągowej.
  4. Przygotuj dwa czujniki wagowe o maksymalnej sile nacisku 44,5 N (10 funtów). Wybierz obciążenie niskoprofilowe lub kanistrowe, które jest idealne do ograniczonych przestrzeni.
  5. Przygotuj system bloków szynowych/wagonowych. Przygotuj jedną szynę i dwa wagony; po jednym do przytrzymania każdego siłownika. Ponieważ stal rdzewieje, wybierz materiał ze stali nierdzewnej, jeśli urządzenie będzie używane do materiałów wymagających hydratacji; Do wszystkich innych celów dopuszczalna jest stal.
    UWAGA: Widok rozstrzelony platformy ładunkowej z blokiem szyny/wózka pokazanym na fioletowo znajduje się w Rysunek 3.

2. Konstrukcja ramy

UWAGA: Dla celów wyjaśniających, platforma jest oznaczona kolorami na grafice.

  1. Przygotuj aluminiowy materiał magazynowy. Wybierz aluminium ze względu na jego opłacalność i łatwość obróbki. Przygotuj zarówno płytę, jak i kątownik w kształcie litery "L".
  2. Przygotuj materiał wyjściowy do oprzyrządowania maszyny. Wybierz pleksi; Jest mocny, a jednocześnie lekki.

3. Zespół metalowej podstawy i płyty bocznej (ramy)

  1. Wytnij płytę podstawy z aluminiowej kolby, upewniając się, że ma wymiary około 64 x 15 x 1.3 cm (25 x 6 x 0.5 cala). Oczyść krawędzie w młynie i przytnij płytę podstawy do ostatecznych wymiarów.
  2. Obrobić blachę płasko we frezarce, zgodnie ze specyfikacjami podanymi w plikach dodatkowych.
  3. Zmierz się z tym, upewniając się, że płaszczyzna jest wypoziomowana.
  4. Obrobić maszynowo szynę w płycie podstawy, aby wyrównać płyty boczne z tolerancją 0,0126 mm (0,0005 cala).
  5. Płyty boczne należy obrabiać zgodnie ze specyfikacjami podanymi w plikach uzupełniających.
  6. Wywierć i postukaj w blachy boczne na ich dolnej powierzchni.
  7. Zamontuj płyty boczne pionowo w szynie.
  8. Przymocuj płyty boczne do płyty podstawy od spodu (Rysunek 4).

4. Mocowanie zespołu szyny/wózka do ramy

  1. Maszynowo wbij szyny w przednią powierzchnię każdej płyty bocznej, aby umożliwić montaż zespołu szyny/wózka zgodnie ze specyfikacjami podanymi w linkach rysunkowych (Rysunek 5).
  2. Przymocuj szynę do toru przez otwory przelotowe w szynie za pomocą wywierconych i nagwintowanych otworów (aby pomieścić #10-32) w każdej płycie bocznej.

5. Mocowanie siłowników z tyłu

  1. Obrabiać mocowania tylne z kolby kątowej w kształcie litery "L" zgodnie ze specyfikacją podaną w plikach uzupełniających.
  2. Obrobić maszynowo pręt do przymocowania do dolnej części uchwytu, aby służył jako rowek wpustowy i jeździć nim po obrabianym torze na powierzchni płyty bocznej zgodnie ze specyfikacjami podanymi w plikach dodatkowych. Przykręć pręt do dolnej części uchwytu.
  3. Wywierć otwór przelotowy w podstawie tylnego mocowania, aby uzyskać odstęp między siłownikami.
  4. Przymocuj tylne mocowanie do korpusu siłownika za pomocą układu otworów w siłowniku komercyjnym.
    UWAGA: Jednym z powodów wykonania montażu tylnego jest wyeliminowanie konieczności wielokrotnego mocowania siłownika bezpośrednio do ramy za pomocą małych metrycznych #2, które są dołączone do siłowników. Mocowanie eliminuje problem zrywania gwintów wewnętrznych siłownika przy wielokrotnym użyciu.
  5. Wsuń podstawę uchwytu, aby przymocować tylne mocowanie siłownika do ramy za pomocą dwóch.
  6. Wywierć i nagwintuj szereg otworów (aby pomieścić #10-32) po bokach szyny na przedniej powierzchni płyt bocznych, aby umożliwić regulowane mocowanie, jeśli pożądane jest umieszczenie próbek o różnych rozmiarach.

6. Mocowanie siłowników z przodu za pomocą złączy

UWAGA: Przedni uchwyt to element w kształcie litery 'L', który mocuje przód siłownika do karetki. Siłownik nie styka się fizycznie z uchwytem; Mocuje się go za pomocą szeregu złączy, które wystają z końcówki siłownika.

  1. Osprzęt do montażu przedniego maszyny z kolby kątowej w kształcie litery "L" zgodnie ze specyfikacją podaną w plikach uzupełniających.
  2. Wywierć otwór w podstawie przedniego mocowania, aby umieścić złącze stożkowe.
  3. Obrobić maszynowo szynę z boku przedniego mocowania, aby pomieścić płytę.
  4. Obrobić maszynowo płytę z torem, aby pomieścić osprzęt.
  5. Obrobić aluminiowe, cylindryczne złącze zgodnie ze specyfikacjami podanymi w linkach rysunkowych. Ten adapter łączy ogniwo obciążnikowe z siłownikiem.
  6. Wywierć i nagwintuj złącze pod metryczną #2 na końcu siłownika i metryczną #6 na końcu ogniwa obciążnikowego, aby wspomóc osiowy montaż i wyrównanie ogniwa obciążnikowego i siłownika.
  7. Powtórz ten proces, aby obrobić dwa identyczne złącza, po jednym dla każdego ogniwa obciążnikowego.
  8. Obrobić aluminiowe, stożkowe, cylindryczne złącze zgodnie ze specyfikacjami podanymi w linkach rysunkowych. Ten adapter łączy ogniwo obciążnikowe z osprzętem i wózkiem.
  9. Wywierć i nagwintuj złącze do gwintowanego połączenia ogniwa obciążnikowego na jednym końcu.
  10. Przełóż cylinder do otworu w przednim mocowaniu siłownika i użyj dociskowej, aby zakotwiczyć koniec cylindra.
  11. Zduplikuj system dla prawego i lewego siłownika.
    UWAGA: Jak pokazano na Rysunek 6, po zmontowaniu, podstawa siłownika jest sztywno przymocowana do płyty bocznej. Przód siłownika jest przymocowany do wózka, a gdy siłownik jest wysuwany i chowany, wózek jest pchany i ciągnięty. Zapewnia to ramy dla mocowania osprzętu i ładowania próbki.

7. Terminarz

  1. Obrabiać osprzęt zgodnie ze specyfikacjami podanymi w plikach uzupełniających (Rysunek 7).
  2. Obrobić centralną, pionową szczelinę w uchwycie oprawy, aby dostosować ją do wysokości.
  3. Przymocuj przednie mocowania siłownika do prostokątnej płyty z trzema wywierconymi i nagwintowanymi otworami (aby pomieścić #10-32) ustawionymi pionowo na środku płyty.
  4. W razie potrzeby podnieś lub opuść uchwyt, npample, jeśli używana jest kąpiel soli fizjologicznej do badania uwodnionego, i zabezpiecz go.

8. Procedura operacyjna:

  1. Pobierz oprogramowanie siłownika, aby zdalnie sterować urządzeniem16.
  2. Utwórz połączenie między komputerem a sterownikiem 24 V za pomocą 6-pinowego przedłużacza PS/2 męsko-żeńskiego mini-din; każdy sterownik siłownika ma dwa 6-pinowe złącze mini-din.
  3. Użyj konwertera USB-na-6-pin mini-din, aby podłączyć siłowniki do standardowego komputera; konwerter zawiera jedną żeńską 6-pinową końcówkę złącza mini-din i port USB.
  4. Połącz szeregowo siłowniki tak, aby do operacji wystarczył pojedynczy komputerowy, lub alternatywnie użyj adaptera HDMI zamiast adaptera USB.
  5. Podłącz siłowniki do zasilania 24 V.
  6. Po podłączeniu i zasileniu wybierz urządzenia i dostosuj wydajność siłownika.
  7. Alternatywnie, można sterować siłownikami ręcznie za pomocą pokrętła na każdym siłowniku, co jest przydatne podczas konfiguracji.
    UWAGA: To oprogramowanie ma zastosowanie do każdego standardowego systemu operacyjnego. Dzięki temu oprogramowaniu siłowniki mogą być przesuwane z różnymi prędkościami na dowolną ustaloną odległość, synchronizowane w określonej odległości lub synchronizowane ze sobą, aby poruszać się zgodnie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

W celu sprawdzenia wykorzystania systemu, przeprowadzono testy prędkości i wydajności siłownika17. Testy te polegały na pomiarze prędkości i odległości siłownika w porównaniu z wartościami wejściowymi. Aby zweryfikować dokładność odległości przesuwu próbki, wybrano dowolne odległości przesuwu wzdłuż wału w zakresie 254 - 2540 μm (0,01 - 0,10 cala). Urządzenie zostało uruchomione na te odległości i porównane z rzeczywistą odległością zmierzoną za pomocą kombinacji b...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Celem tych prac było zaprojektowanie i wyprodukowanie ekonomicznej i niezawodnej ładowarki jednoosiowej do stosowania z próbkami na małą skalę, takimi jak tkanki i włókna. Skonstruowano urządzenie, które spełniało określone wymagania, a jednocześnie było na tyle elastyczne w konstrukcji, że pozwalało na wytwarzanie nowych osprzętu w miarę rosnących potrzeb użytkownika. Na przykład urządzenie pozwoli na testowanie próbek suchych i mokrych w konfiguracji jednoosiowej lub stałej.

Krytyczne etapy ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była wspierana przez National Institutes Health NIDCR [DE022664].

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Zasilanie, wyjście 24 V DC 2,5 A, wejście 100-240 V AC, wtyczka dla Ameryki Północnej Zaber Technologies incPS05-24V25
6-pinowy mini przedłużacz męski na żeński PS/2Zaber Technologies incT-DC06
Sterownik silnika krokowego, 2-fazowyZaber Technologies incA-MCA
Siłownik liniowy, rozmiar NEMA 11, skok 30 mm, maksymalny ciąg ciągły 58 NZaber Technologies incNA11B30
Odporne na korozję bezobsługowe wózki z łożyskami kulkowymi i szyny prowadząceMcMaster-Carr9184T31
6061-t6 Aluminiowa kolbaMcMaster-CarrNA
Kanister Ogniwo obciążnikowe, 4,5 NHoneywell SensotecNA
USB na 6 pin mini-dinUniversal nie
Plexiglas McMaster-Carr NA

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Badania mechanicznesynchronizacja si ownik wintegracja przetwornika si yobr bka ramypowtarzalny montaprecyzyjne wyr wnanieobci enie rozci gaj cekomponenty komercyjneopracowanie wewn trzne

Powiązane artykuły