Методическая статья

Применение дизайн аспектов в развитии одноосные загрузки машины

DOI:

10.3791/58168

⸱

19 сентября 2018 г.

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Akron

В этой статье

Краткое содержание

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

Здесь мы представляем протокол развивать чисто одноосные загрузки машины. Критические аспекты используются для обеспечения точные и воспроизводимые результаты тестирования.

Аннотация

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

С точки зрения точной и точные механические испытания, машины работают континуум. В то время как коммерческие платформы предлагают отличную точность, они могут быть непомерно, часто по цене в ценовом диапазоне $100000 - $200000. Другой крайностью являются автономных устройств ручной что часто отсутствие повторяемости и точности (например, устройство вручную кривошипного). Однако если указано одноразового использования, это чрезмерно инженерного проектирования и машина, что-то слишком разработать. Тем не менее есть случаи, где машины спроектированы и построены собственными силами для достижения движения не достижимы с существующих машин в лаборатории. Подробно описано здесь является одним из таких устройств. Это грузовая платформа, которая позволяет чистой одноосные загрузки. Стандартные машины обычно являются биаксиальные оплетки линейной нагрузки вдоль оси и вращающиеся загрузки происходит вокруг оси. Во время тестирования с этими машинами, нагрузка применяется к одному концу образца, в то время как другой конец остается фиксированным. Эти системы не способны проводить чисто осевой тестирования, в котором напряжение/сжатие применяется одинаково к концам образца. Платформа, разработанная в настоящем документе обеспечивает равный и противоположный загрузке образцов. Хотя она может использоваться для сжатия, здесь акцент на его использование в чистом растяжение загрузки. Устройство включает в себя коммерческие Тензодатчики и приводы (двигатели), и, как в случае с машинами, построенных собственными силами, кадр точностью провести коммерческих частей и приспособлений для тестирования.

Введение

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

Механические испытания имеет интересную историю, которая может быть восходит к твердости оборудование, разработанный Стэнли Rockwell в начале XX века. Хотя технология выросла в той степени, в какой стандарт, документально практики руководства все от проверки производительности машины к руководящим принципам для проведения конкретных тестов1,2,3, 4. сегодня, механические испытания проводятся на все строительные материалы как бетон, сталь и дерево для пищевой и текстильной продукции5,6,,78,9 . Учитывая, что области биомедицинской инженерии и, более конкретно, биомеханика использовать механические испытания, погрузочные машины являются обычным явлением в лаборатории биомеханики.

Загрузка машины, запустить спектр масштаба в области биомеханики. В качестве примера большие загрузки машины могут использоваться для проведения исследований воздействия всего тела или определить человека бедренной механических свойств, то время как меньшие нагрузки, машины могут быть использованы для тестирования мышиных кости или стимулировать клетки10,11, 12,,1314. Два типа загрузки машины находятся в испытательной лаборатории; те, которые приобрели коммерчески и те, которые создаются пользователем. Машины мешкопогрузочные собственной разработки часто выступает за их Персонализация и настройки параметров15.

В тестировании, образец обеспечивается в машину так, что смещение может быть применен, создания измеримых силы. Если нагрузка используется как движущей обратной связи, тест нагрузки контроль; Если перемещение используется в качестве движущей обратной связи, тест управляется перемещением. Погрузка машин, в общем, строятся на кадр, который соединяет движенца к фиксированной опорой. Таким образом тестирование обычно включает один конец образца перемещается в то время как другой конец остается фиксированным.

Показано на рисунке 1 является эскиз простой загрузки машины, демонстрируя ее основные компоненты. Основополагающее значение для всех погрузочные машины является базовым классом или кадра. В то время как подавляющее большинство коммерческих брендов используют постоянной базы, рисунок изображает платформу, которая позволяет Вселенский (XY) движения. Двигателем, в данном случае, это верхняя рука, которая держит нагрузки ячейки и управляется шаговым двигателем. Крепится к раме это светильники, которые хранят образца и диктовать тип теста, который выполняется. Показано на рисунке, являются три point сгиба арматуры. Топ арматуре (один контакт) крепится к движущейся руки; на дно арматуре (двойной контакт) монтируется на базе стационарных. Во время тестирования, мотор диски верхний светильник вниз где контакт центр привлекает образца. Как контакт привлекает образца, динамометр записывает увеличение сопротивления или силы, предъявляемые образца.

Бывают случаи, где машины спроектированы и построены собственными силами для достижения движения не достижимы с существующих машин в лаборатории. Здесь мы подробно описывают одно такое устройство. Это грузовая платформа, которая позволяет чистой одноосные образец загрузки или равное и противоположное движение на обоих концах. Устройство включает в себя коммерческие Тензодатчики и приводы (грузчиков); кадр точностью провести коммерческой части и загрузки Светильники для тестирования образца. Понимание основных принципов тестирования конструкции машины может помочь в разработке собственной машины. Мы предоставили файлов чертежей мы создали как отправной точки для оказания помощи исследователям с их собственного развития машина. Видео будет сосредоточена на Ассамблее устройства и применение принципов механического проектирования для обеспечения выравнивания и надежное тестирование.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

Примечание: Готовые устройства показано на рисунке 2. Устройство позволяет чистой Одноосные испытания образцов в горизонтальном положении.

1. Комплектующие

  1. Подготовьте два программируемых приводы с 30 мм (1,2 в) поездки за привод, способный охватывающих 60 мм (2,3 дюйма) при программировании для извлечения/нажима вместе. Для размещения различных потенциальных видов использования, выберите приводы, имея разумные силы потенциала [67 N (15 фунтов)], пик тяги [58 N (13 фунтов)], скорость резолюции [0.9302 мкм/s (0.00004 в / s)] и однонаправленная точность [25 мкм (0,001 дюйма)].
  2. Цепочке приводы для синхронизации их за равное применение расширения/опровержения.
  3. Подготовка 24 V контроллер для обеспечения движения вождения для привода; Эти системы позволяют точное линейное движение путем вращения винта, ШВП.
  4. Подготовьте две нагрузки ячейки с максимальной силы мощностью 44.5 N (10 фунтов). Выберите низкий профиль или нагрузки канистру стиле, который идеально подходит для ограниченного пространства.
  5. Подготовьте систему блок железнодорожных/перевозки. Подготовка одной железнодорожной и два вагона; один для хранения каждого привода. Потому что стали будет ржавчины, выберите из нержавеющей стали материал, если устройство будет использоваться для материалов, требующих увлажнения; для всех других целей сталь является приемлемым.
    Примечание: Сборочному загрузки платформы с железнодорожной/перевозки блока показано фиолетовым приводится на рисунке 3.

2. каркасное строительство

Примечание: Для целей пояснения, платформа является цветом в графике.

  1. Подготовьте алюминиевой заготовки. Выберите алюминия для ее экономическую эффективность и простота механической обработки. Подготовьте обе пластины и ' L'-образная угол складе.
  2. Подготовьте фондового материала к светильникам машины. Выберите оргстекла; Она сильна во время легкий.

3. металлические базы и боковой пластины (кадр) Ассамблея

  1. Вырезать на пластине из запасов алюминия, убедившись, что он является приблизительно 64 x 15 x 1,3 см (25 x 6 x 0.5 дюймов). Очистить вверх по краям в мельнице и вырезать основание для его конечный размер.
  2. Машина пластины плоские в стане, согласно спецификации, содержащиеся в дополнительных файлах.
  3. Лицо его, обеспечивая плоскость является уровень.
  4. Машина трек в основание для выравнивания боковые пластины с допуском 0.0126 мм (0,0005 дюйма).
  5. Машина сторону плиты согласно спецификации, содержащиеся в дополнительных файлах.
  6. Дрель и нажмите боковые пластины на их нижней грани.
  7. Прикрепите боковые пластины вертикально в треке.
  8. Закрепите боковые пластины с подложкой из под (рис. 4).

4. Присоединение железнодорожных/перевозки Ассамблеи к раме

  1. Машина треки в передней торцевой части каждой стороне пластины для монтажа Ассамблеи железнодорожных/перевозки согласно спецификаций, предоставленных в связи чертежа (рис. 5).
  2. Закрепите железнодорожных трек через зазор отверстия в железнодорожных через пробурено и постучал отверстия (для размещения шурупов #10-32) в каждой стороне пластины.

5. задняя горе крепления приводов

  1. Машины Заднее крепление насадки от ' L'-образная угол складе согласно спецификации, содержащиеся в дополнительных файлах.
  2. Машина в бар, чтобы прикрепить к нижней части горы служить шпоночный паз и ездить на нем в смоделированной трек на лицевой стороне пластины согласно спецификации, содержащиеся в дополнительных файлах. Винт панели в нижней части горы.
  3. Просверлите через отверстие в основании задний кронштейн для привода распродажа.
  4. Прикрепите сзади крепление к корпусу привода через отверстий в коммерческих привода.
    Примечание: Одна из причин для изготовления задних гора является устранить необходимость повторно прикрепить привода непосредственно к раме с помощью небольших #2 метрических винтов, которые приходят акций на приводы. Гора устраняет озабоченность зачистки внутренних потоков привода с многократного использования.
  5. Вставьте основание горы придавать кадра через два винта крепления заднего привода.
  6. Сверла и коснитесь ряд отверстий (для размещения шурупов #10-32) фланговые трек на лицевой стороне пластины позволяют для вложения поворотного кронштейна, если желательно, чтобы вместить образцов различных размеров.

6. Передняя горе вложение приводами через разъемы

Примечание: Фронт горе является ' L'-образная кусок, который придает передней части привода для перевозки. Привод не физически связаться горе; Он придает через серию соединителей, которые простираются от кончика головки.

  1. Машины фронт горе вложения от ' L'-образная угол складе согласно спецификации, содержащиеся в дополнительных файлах.
  2. Просверлите отверстие в основании передней гору, чтобы вместить конические соединитель.
  3. Машина трек в сторону передней крепление для размещения тарелку.
  4. Машина пластины с трек для размещения светильников.
  5. Машина, алюминий, цилиндрический соединитель согласно спецификаций, предоставленных в рисунок ссылки. Этот адаптер подключается датчик нагрузки к приводу.
  6. Дрель и коснитесь соединитель для #2 метрических винтов на конце привода и #6 метрических винтов на конце ячейки нагрузки для поддержки осевой монтаж и выравнивание нагрузки ячейки и привода.
  7. Повторите этот процесс для обработки двух одинаковых соединителей, один для каждой нагрузки ячейки.
  8. Машина для алюминия, конические, цилиндрические коннектор согласно спецификации в рисунок ссылки. Этот адаптер подключается датчик нагрузки к арматуре и перевозки.
  9. Дрель и коснитесь соединитель для резьбовых нагрузки сотовой связи на одном конце.
  10. Передайте цилиндр в отверстие на горе передние привода и использовать установочный винт для закрепления конца цилиндра.
  11. Дублировать системы для приводов правого и левого.
    Примечание: как показано на рисунке 6собранном, база привода жестко прикрепленных к стороне пластины. Передний привод подключен к перевозке и, как привод расширена и убирается, перевозки толкнул и потянул. Это предоставляет основу для крепления приборов и загрузки образца.

7. Светильники

  1. Машина светильники согласно спецификации, содержащиеся в дополнительных файлах (рис. 7).
  2. Машина Центральный, вертикальный слот в держателе приспособление для размещения на высоту.
  3. Прикрепите передние крепления привода для прямоугольной пластины с тремя отверстиями пробурено и постучал (для размещения шурупов #10-32) выравнивается вертикально в центре пластины.
  4. Поднять или Опустите держатель в случае необходимости, например, если используется соляная ванна для гидратной тестирования и закрепите ее винтами.

8. Порядок работы:

  1. Скачайте привода программное обеспечение для удаленного управления устройством16.
  2. Создайте связь между компьютером и контроллером 24 V с удлинитель PS/2 6-контактный разъем мини-din мужчин и женщин; Каждый контроллер привода имеет две 6-контактный разъем мини-din разъем кабеля связи.
  3. Используйте преобразователь USB-к-6-контактный мини-din для подключения приводов к стандартным компьютером; конвертер содержит один конец женщин 6-контактный разъем мини-din разъем и порт подключения USB.
  4. Дейзи Цепь привода таким образом, чтобы один компьютер кабель достаточно для работы, или в качестве альтернативы использовать HDMI-адаптер вместо USB-адаптер.
  5. Подключите приводы для питания 24 V.
  6. После подключения и питание, выберите устройства и настройки производительности привода.
  7. Кроме того управлять приводы вручную набрать на каждого привода, которая полезна для настройки.
    Примечание: Это программное обеспечение является применимым к любой стандартной операционной системы. С этим программным обеспечением приводы могут переехал на различных скоростях в любое заданное расстояние, синхронизируются на заданное расстояние или синхронизируются друг с другом, чтобы двигаться в унисон.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Для проверки использования системы, привода скорости и производительности тесты были проведены17. Эти испытания состояли из измерения скорости привода и расстояние по сравнению с входных значений. Чтобы проверить точность выборки путешествия расстояние, были отобраны произвольных расстояния вдоль вала между 254-2540 мкм (0.01 - 0.10 дюймов). Устройство было запустить эти расстояния и по сравнению с фактическим расстояние, измеряемое с помощью комбинации калибровочн...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Целью этой работы было разработать и изготовить экономически эффективной и надежной одноосные загрузчик для его использования с небольших образцов ткани и волокна. Устройство было построено, отвечающее требованиям, изложенным в то же время достаточно гибкими, в дизайн для новых вложений быть изготовлены как пользователь должен расти. Например устройство позволит для тестирования образцов сухих и влажных в конфигурацию одноосные или фиксированный конец.

Важнейшие шаги в проектирование и изготов...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана национальными институтами здоровья NIDCR [DE022664].

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Источник питания, 24 В постоянного тока, 2,5 А выход, 100-240 В переменного тока, вилка для Северной Америки Zaber Technologies incPS05-24V25
6-контактный мини-дин-вилка на гнездо удлинительный кабель PS/2Zaber Technologies incT-DC06
Контроллер шагового двигателя, 2-фазныйлинейный привод Zaber Technologies incA-MCA
, размер NEMA 11, ход 30 мм, максимальная непрерывная тяга 58 НZaber Technologies incNA11B30
Коррозионностойкие необслуживаемые шарикоподшипниковые каретки и направляющиеMcMaster-Carr9184T31
6061-t6 Алюминиевый прикладMcMaster-CarrNA
Plexiglas StockMcMaster-CarrNA
Канистра тензодатчик, 4,5NHoneywell SensotecNA
USB to 6 pin mini-dinUniversal NA

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи