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Engineering

设计方面在单轴加载机开发中的应用

doi: 10.3791/58168 Published: September 19, 2018

Summary

在这里, 我们提出了开发一个纯单轴装载机的协议。关键的设计方面被使用, 以确保准确和可重复的测试结果。

Abstract

在精确和精确的机械测试方面, 机器运行连续。虽然商业平台提供了极好的准确性, 但它们可能成本高昂, 通常价格在10万美元-20万美元的范围内。另一种极端是独立的手动设备, 通常缺乏重复性和准确性 (例如, 手动曲柄装置)。然而, 如果一个单一的用途被表明, 它是过度工程设计和机器的东西过于精细。然而, 有些场合, 机器是设计和建造内部的, 以完成一项不能达到的议案, 与现有的机器在实验室中。这里详细描述了一个这样的设备。这是一个加载平台, 实现纯单轴加载。标准装载机通常是双向的, 因为线性装载发生沿轴和旋转装载发生关于轴。在使用这些机器进行测试的过程中, 负载被应用到试样的一端, 而另一端保持固定。这些系统不能够进行纯轴向测试, 在这种情况下, 张力/压缩同样适用于试样端。本文所开发的平台能够实现试样的相等和相对载荷。而它可以用于压缩, 这里的重点是它的使用在纯拉伸加载。该设备包括商用负载单元和执行器 (搬运工), 并与内部内置的机器一样, 机架被机械加工以存放用于测试的商用部件和夹具。

Introduction

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机械测试有一个有趣的历史, 可以追溯到硬度测试设备开发的斯坦利罗克韦尔在第二十世纪初。尽管技术已经发展到标准的、有记录的做法指导一切, 从验证机器性能到指导执行具体测试1,2,3,4. 今天, 对从建筑材料如混凝土、钢材、木材到食品和纺织产品56789 的一切进行了机械测试..鉴于生物医学工程领域, 更具体地说, 生物力学利用机械测试, 装载机是常见的生物力学实验室。

装载机在生物力学中运行规模范围。例如, 较大的装载机可以用来进行全身撞击研究或确定人的股骨机械性能, 而较小的装载机可以用来测试小鼠骨骼或刺激细胞10,11, 12,13,14。在测试实验室中发现了两种装载机;那些是商业购买的, 那些是由用户构建的。内部开发的装载机通常受其个性化和自定义选项15的青睐。

在测试中, 试样在机器中得到保护, 从而可以应用位移, 产生可测量的力。如果负载被用作驱动反馈, 则测试是负载控制的;如果位移被用作驱动反馈, 则测试是位移控制的。通常, 装载机是建立在一个将移动器连接到固定支撑的框架上的。因此, 测试通常涉及标本的一端被移动, 而另一端保持固定。

图 1所示是一个简单的加载机器的草图, 展示了它的基本组件。基本的所有装载机是基础或框架。虽然绝大多数商业品牌都使用固定底座, 但绘图描绘了一个允许平面 (XY) 运动的平台。在这种情况下, 移动器是承载负载单元并由步进电机驱动的上臂。附着在框架上的是固定试样的夹具, 并规定了运行的测试类型。绘图中显示的是三点折弯夹具。顶部夹具 (单接触) 安装在移动臂上;底部夹具 (双接触) 安装到固定底座上。在测试过程中, 马达将上部夹具向下推至中心触点接触试样的位置。当接触到试样时, 负载单元记录电阻的增加或试样上的力。

有些场合, 机器是设计和建造内部的, 以完成一项不能达到的议案, 与现有的机器在实验室中。在这里, 我们详细描述一个这样的设备。这是一个加载平台, 使纯单轴试样加载或相等和相反的运动两端。该设备包括商用负载单元和驱动器 (搬运工);一个框架被加工, 以举行商业零件和装载夹具为试样测试。了解机器结构测试的基本原理有助于设计自己的机器。我们已经提供了我们创建的绘图文件作为一个出发点, 以帮助研究人员自己的机器开发。该视频将集中于设备的装配和机械设计原理的应用, 以确保对齐和可靠的测试。

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Protocol

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注意: 完成的设备如图 2所示。该装置使试样在水平位置进行纯单轴测试。

1. 零部件

  1. 准备两个可编程的执行器, 每个驱动器30毫米 (1.2 英寸) 的行程, 可以跨越60毫米 (2.3 英寸), 当编程拉/推一起。为了适应各种潜在的用途, 选择具有合理力能力的执行器 [67 n (15 磅)], 峰值推力 [58 n (13 磅)], 速度分辨率 [0.9302 µm/秒 (0.00004 in/秒)] 和单向精度 [25 µm (0.001 in)]。
  2. 菊花链的执行器, 以同步他们的延长/撤回平等应用。
  3. 准备一个 24 V 控制器, 为执行器提供驱动运动;这些系统通过旋转螺钉, 丝杠来实现精确的直线运动。
  4. 准备两个负载单元, 最大力为 44.5 N (10 磅)。选择低剖面或罐式负载, 这是理想的密闭空间。
  5. 准备铁路/运输砌块系统。准备一条铁路和两个车厢;一个容纳每个执行器。由于钢将生锈, 选择不锈钢材料, 如果该设备将使用的材料, 需要水化;对于所有其他用途, 钢材是可以接受的。
    注:图 3提供了用紫色显示的导轨/托架块的加载平台的分解视图。

2. 框架结构

注意: 为了解释起见, 该平台在图形中是彩色编码的。

  1. 准备铝材。选择铝的成本效益和易于加工。准备两个板块和 ' L ' 形状的角度股票。
  2. 准备库存材料到机器夹具。选择有机玻璃;它是强大的, 而轻量级。

3. 金属底座和侧板 (框架) 总成

  1. 从铝库存中切下底板, 确保它大约是 64 x 15 x 1.3 厘米 (25 x 6 x 0.5 英寸)。清理磨边, 并将基板切割到其最终尺寸。
  2. 机器在轧机上的平板, 根据补充文件中提供的规格。
  3. 面对它, 确保飞机是水平的。
  4. 将一条轨道放入底板, 使侧板与公差 0.0126 mm (0.0005 英寸) 对齐。
  5. 根据补充文件中提供的规格, 对侧板进行加工。
  6. 钻和轻拍在他们的底部面上的侧板。
  7. 在轨道上直立安装侧板。
  8. 将侧板固定在底板下方 (图 4)。

4. 将导轨/运输组件连接到车架上

  1. 机器轨道进入每侧板的正面, 使轨道/运输组件的安装根据图纸链接中提供的规格 (图 5)。
  2. 通过钻孔和穿孔孔 (以容纳 #10-32 螺丝) 在每侧板上的轨道上通过轨道上的间隙孔将导轨固定在轨道上。

5. 执行器后安装附件

  1. 机器后装附件从 ' L ' 形状的角度股票根据补充文件中提供的规格。
  2. 机器一条连接到安装底部, 作为键槽, 并根据补充文件中提供的规格在侧面板的表面上的加工轨道上行驶。把酒吧拧到坐骑的底部。
  3. 在后座底座上钻一个通孔, 用于执行器间隙。
  4. 通过商业执行器中的孔模式将后置安装到执行器的主体。
    注: 制作后置装置的一个原因是, 使用在执行器上库存的小 #2 公制螺钉, 消除了反复将驱动器直接连接到车架的需要。安装消除了剥离驱动器的内部线程重复使用的关注。
  5. 通过两个螺钉将安装后的驱动器安装到车架的底座上。
  6. 钻和点击一系列孔 (以容纳 #10-32 螺丝) 侧面的轨道上侧板的前端, 以允许可调整的装载附件, 如果它是可取的, 以容纳不同大小的标本。

6.通过连接器的前置驱动器附件

注意: 前置是一个 ' L ' 形状的件, 它将执行器的前面连接到马车上。执行器不物理接触安装;它通过从执行器尖端延伸的一系列连接器附加。

  1. 机器前装附件从 ' L ' 形状的角度股票根据提供的规格在补充文件。
  2. 在前面安装底座上钻一个孔, 以容纳锥形连接器。
  3. 在前面安装的一侧的轨道, 以容纳一个板块。
  4. 用一条轨道把盘子装上, 以适应固定装置。
  5. 根据图纸链接中提供的规格, 加工铝、圆柱连接器。此适配器将负载单元格连接到执行器。
  6. 在执行器端上钻取 #2 公制螺钉的接头, 并在负载单元端上 #6 公制螺钉, 以支持负载单元和执行器的轴向安装和对齐。
  7. 重复此过程以机器两个相同的连接器, 一个用于每个负载单元格。
  8. 根据图纸链接中提供的规格, 加工铝、锥形、圆柱形连接器。该适配器将负载单元连接到夹具和托架。
  9. 在一端钻取连接线并将其轻拍到螺纹负载单元连接。
  10. 将气缸通过到前执行器安装孔中, 并使用固定螺钉固定气缸端。
  11. 为左右驱动器复制系统。
    注: 如图 6所示, 一旦组装, 执行器的底座刚性地附着在侧板上。传动器的前部附着在托架上, 当执行器被延长和缩回时, 车厢被推拉。这为夹具附件和试样加载提供了框架。

7. 夹具

  1. 根据补充文件中提供的规范来加工夹具 (图 7)。
  2. 机器在夹具支架的中央, 垂直槽容纳高度。
  3. 将执行器前置安装到矩形板上, 三钻孔和穿孔孔 (可容纳 #10-32 螺钉), 垂直对准板的中心。
  4. 如有必要, 请抬高或降低支架, 例如, 如果使用盐水浴进行水合试验, 并将其固定在螺丝上。

8. 操作程序:

  1. 下载执行器软件, 远程控制设备16
  2. 在计算机和 24 V 控制器之间创建一个链路, 其中有一个6针迷你 din 男-女 PS/2 扩展电缆;每个执行器控制器有两个6针迷你 din 连接器电缆链接。
  3. 使用 USB-to-6-pin 迷你 din 转换器将驱动器连接到标准计算机;该转换器包含一个女性6针迷你 din 连接器端和一个 USB 连接端口。
  4. 菊花链的执行器, 使一个单一的计算机电缆是足够的操作, 或或者, 使用 HDMI 适配器代替 USB 适配器。
  5. 将驱动器连接至 24 V 电源。
  6. 一旦连接并通电, 请选择设备并自定义执行器性能。
  7. 或者, 在每个执行器上手动控制驱动器, 这对安装非常有用。
    注: 本软件适用于任何标准操作系统。使用该软件, 执行机构可以在不同的速度移动到任何设定的距离, 同步在一个设定的距离或同步, 以协调移动。

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Representative Results

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为了验证系统的使用情况, 对执行器的速度和性能测试进行了17。这些测试包括测量执行器的速度和距离与输入值的比较。为了验证样品的行程距离精度, 选择了沿轴 254-2540 µm (0.01-0.10) 之间的任意行程距离。该装置运行到这些距离, 并与实际距离测量使用的标尺块和千分计的组合。所选择的距离代表了 1%-10% 应变率, 通常用于细胞测试。距离测试的结果显示 < 4% 偏差从输入。

为了测试执行器的速度, 选择了跨越执行器能力的随机任意速度。速度值从 1-2.8万µm (0.00004-1.1 in/秒) 不等。然后, 通过设置距离和定时执行器运动, 将此速度与设备的计算速度进行比较。对于速度测试, 执行器将完成一个完整的循环扩展和收缩。从这个测试, 执行器的速度被发现是在10% 偏差的输入。所有测试结果都有r2值 > 0.999。为了验证驱动器没有过热, 每个执行器都以其最大速度和距离循环。温度然后每5分钟记录1小时, 并且被发现从未超过39.9 °c。所有验证测试都至少执行了3x。

为了测试其性能, 使用了固定端配置中的纯单轴设备, 并与现有的加载平台上的测试结果进行了比较, 这也是18内部开发的。在两台机器上测试了十2-0 缝合线的故障。缝合缝与三节, 以创建一个压力 riser 在样品中间和转移压力从固定装置。测量长度为25.4 毫米 (1.0 英寸), 其加载速率为0.61 毫米/秒 (0.024 英寸/秒)。同样的测试, 然后执行与现有的装载机, 其中执行器的速度加倍到1.22 毫米/秒 (0.048 英寸/秒), 以补偿单一的执行器。所有测试都是使用 44.5 N (10 磅) 的负载单元完成的。此外, 还完成了纯单轴测试, 以验证相对端之间没有差异。图 8提供了一个典型的缝合图。灰色虚线表示纯单轴设备与现有固定端设备上的黑色虚线相比较的结果。

在所有测试中, 缝合线在结上失败。由刚度、最大载荷和故障位移组成的测量结果表明, 两台机器在p < 0.05 之间没有统计学差异。一旦确定了设备产生了统计学上相似的结果, 进行了进一步的测试。在纯和固定端构型中, 使用纯单轴装置获得的缝合材料性能在统计学上不同于17

Figure 1
图 1: 装有三点弯曲夹具的简单装载机.该设计结合了平面运动沿 X 和 Y 轴, 增加了机器的通用性。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 用计算机模型对应 (底部) 显示的装配设备 (顶部).单轴机械零件是由铝制成的。在设备的规划阶段使用实体模型。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 以紫色显示的导轨/托架块的加载平台的分解视图.商用车厢和导轨确保了对准和轴向运动。分解视图说明了螺钉在机器装配中的使用情况。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 在基板轨道上安装的侧板.侧板通过底部固定在基板上。如图所示, 侧面板的正面面有一个可容纳导轨的加工轨道。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5: 用紫色突出显示的铁路和车厢系统.该轨道/车厢块由两个滚珠轴承车厢组成, 它可以沿导轨平稳滑动。在装配中, 块安装到侧面板的前面, 而加工轨道确保对齐。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6: 加载装置的装配图.执行器的前端安装连接到导轨上, 并且执行器尖端的延伸/回缩移动试样。导轨/车厢块以紫色显示;执行器支架 (前面和后面) 以粉红色显示;连接器以红色显示;这些固定装置以黄色显示。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 7
图 7: 有机玻璃摩擦夹具的垂直, 开槽轨道.开槽轨道的结合允许垂直对准和使用与环境浴 (没有显示)。为了允许这种调整, 设置螺钉用于提高和降低轨道。左侧图像显示从前面的爆炸夹具总成;右图显示夹具总成的背面。为了抓住标本, 锯齿形的牙齿被加工成夹子。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 8
图 8: 从缝合测试中加载位移数据.该图是一条被测试为失败的缝合线的荷载位移曲线的图。缝合是一种纤维, 用于演示故障曲线的典型形状。如果制造机器, 缠绕或纱线可以替代类似的结果。请单击此处查看此图的较大版本.

执行器前端安装: 请单击此处下载此文件.

驱动器安装: 请单击此处下载此文件.

底板: 请单击此处下载此文件.

底钳: 请单击此处下载此文件.

马车: 请单击此处下载此文件.

加载单元格连接器: 请单击此处下载此文件.

路轨: 请单击此处下载此文件.

侧板: 请单击此处下载此文件.

滑块臂: 请单击此处下载此文件.

顶钳: 请单击此处下载此文件.

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Discussion

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这项工作的目的是设计和制造一个成本效益和可靠的单轴装载机, 用于小规模标本, 如组织和纤维。构建的设备满足了所提出的要求, 同时在设计中也具有足够的灵活性, 可以在用户需要增长的情况下制作新的附件。例如, 该设备将允许在单轴或固定端配置中测试干和湿试样。

在设计和制造任何装载设备的关键步骤包括考虑材料, 商业部件 (维护), 以及系统的性能和灵活性。所有加工都在标准轧机上完成。铝和有机玻璃为车架和夹具提供必要的刚性。商用部件由执行器和轨/车厢块系统组成。同样的执行器用于张力和压缩。这些执行器在机械测试平台上很好地工作, 因为当它们在使用中但没有被利用时, 电机的功率就停止了, 这样丝杠就不会产生扭矩, 并且驱动器不会过热。此外, 铁路/车厢砌块系统提供对齐和易于维护。该系统使用两个滚珠丝杠, 乘坐沿15毫米 (0.6 英寸) 宽轨道。每侧板使用一节车厢将执行器连接到导轨上。该组件具有 7800 N (1750 磅) 的动态负载容量, 可容纳多种试样。车厢内含有内部油藏以维持润滑。在测试过程中, 夹具将试样固定在平台上。除了持有标本, 夹具附加到执行器, 使执行器的延长/撤回应用负载的标本。为了适应各种需要不同环境的标本, 可垂直调节的设计使固定装置能够被降低到水/介质浴中进行测试。锯齿用双角刀 (90°) 切割成有机玻璃, 制造 ' 牙齿 ', 使试样在测试过程中的夹紧和保持强度增加。在底座的持有人是一个水平槽沿宽度的板块。锯齿钳滑入槽内, 并用螺钉固定到位。由于插槽公差 [+ 0.0127 毫米 (0.0005 英寸)], 单螺杆足以容纳夹具, 而插槽保持它的扭曲和维护平面对准。

如果遵循设计的基本机械原理, 机器是健壮的, 故障排除是极小的。所有商业部件都应在设计完设备后购买, 但在制造之前。手头上的商业部分将有助于决策, 并允许物理测量的尺寸和线程可能会有所不同, 在这里指定的。如果该设备用于标准测试, 则可以通过消除设计中的许多灵活性, 例如消除夹具高度和履带长度的可调性来简化设备。

本系统提供的测试目前在我们的实验室没有成本效益的方式。此外, 纯单轴机在商业上没有得到广泛的应用, 因此这一设备不必要地重复现有的技术。但是, 采用了简单的设计技术, 实现纯单轴加载有多种方法;这里只有一个代表。商用设备确实存在于平面双轴加载, 但这些都是成本高昂的单轴加载目的。

纯单轴装载机的总成本约为4000美元。此价格是商用部件 (驱动器、控制器和负载单元) 的结果。金属加工已在内部完成, 材料成本为100美元。我们估计, 加工时间约为60小时, 典型的加工速率约为 75/小时, 实质上是双倍的价格。但是, 这是重要的金属机器的设备, 而不是三维 (3 D) 打印它从塑料。该框架必须足够僵硬, 以支持加载。鉴于该框架约为1.25 厘米 (0.5 英寸) 厚, 该框架将很容易地支持 2x-3x 的标本强大, 增加其未来的使用。相比之下, 商用装载机可轻易超过10万元。然而, 重要的是要注意, 这些商用机器包含反馈, 使负荷控制或位移控制测试。该平台采用位移控制 (执行器运动), 不过于复杂。需要机械测试的研究人员会发现, 只要付出一点努力, 他们就能开发出自己的加载平台。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了国立研究所健康 NIDCR [DE022664] 的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Power supply, 24 V DC 2.5 A out, 100-240 V AC in, plug for North America  Zaber Technologies inc PS05-24V25
6 pin mini din-male to female PS/2 extension cable Zaber Technologies inc T-DC06
Stepper motor controller, 2 phase Zaber Technologies inc A-MCA
Linear actuator, NEMA size 11, 30 mm travel, 58 N maximum continuous thrust Zaber Technologies inc NA11B30
Corrosion resistant maintenance-Free Ball Bearing Carriages and Guide Rails McMaster-Carr 9184T31
6061-t6 Aluminum Stock McMaster-Carr NA
Plexiglas Stock McMaster-Carr NA
Canister load cell, 4.5N Honeywell Sensotec NA
USB to 6 pin mini-din Universal  NA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).
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  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).
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Thoerner, R. P., King, J. D., Saunders, M. M. Application of Design Aspects in Uniaxial Loading Machine Development. J. Vis. Exp. (139), e58168, doi:10.3791/58168 (2018).More

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