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Engineering

一軸荷重マシン開発のデザイン面のアプリケーション

doi: 10.3791/58168 Published: September 19, 2018

Summary

ここで純粋な一軸荷重マシンを開発するためのプロトコルを提案する.重要な設計の側面は、正確で再現性のあるテスト結果を確保するため用いられます。

Abstract

正確かつ精密機械試験、面では、マシンは、連続を実行します。商用プラットフォームは、優れた精度を提供するのに対し彼らすることができますコストが高くなる、しばしば $100,000-$200,000 の価格範囲内の価格します。他の極端で、しばしば欠如の再現性と精度 (例えば、手動クランク装置) スタンドアロンの手動装置であります。ただし、単一の使用が示される場合、オーバー デザインと何か過度に手の込んだ機械工学です。それにもかかわらず、マシンを設計および実験室で既存のマシンでは得られない運動を達成するために自社で開発された機会があります。詳細はここで説明されている 1 つのようなデバイスです。により、純粋な一軸荷重載荷プラットフォームです。標準的なローディング機械通常、二軸で軸リニア負荷が発生し、軸について回転の読み込みが行われます。これらのマシンのテスト中にもう一方の端が固定されたまま、試験片の一方の端に荷重が適用されます。これらのシステムは、試験片の両端に均等に引張/圧縮が適用されている純粋な軸テストを実施できません。本研究で開発されたプラットフォームにより、同輩および反対の標本の読み込み。それは圧縮を使用できますが、ここでフォーカス引張純粋で使用する方法を読み込んでいます。商業ロードセルとアクチュエータ (引っ越し) を内蔵し、自社で開発されたマシンの場合に、商業部分とテストのための据え付け品を保持するフレームは加工します。

Introduction

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機械試験硬さ試験装置、Stanley ロックウェルによって 20 世紀初頭に開発に戻って辿ることができる興味深い歴史があります。標準的な文書化された慣行の特定のテスト1,2,3,を実施するためのガイドラインをすべて機械性能の検証からガイドする技術が成長している間4. コンクリート、鉄鋼、食品、繊維製品5,6,7,8,9 には、木材などの建材から、すべての力学試験を実施する今日、.医用生体工学より具体的には、バイオメカニクスの分野は、機械試験を活用、そのローディング機械がバイオメカニクス実験室で一般的です。

バイオメカニクスのスケールの範囲を実行マシンを読み込んでいます。例としてより大きいローディング マシンは全身影響の研究を行ったり、マウス骨をテストまたはセル1011を刺激するマシンを使用ことができます。 小さな読み込み中、人間の大腿骨機械的性質を決定する使用できます。 12,13,14。試験所; に積込み機の 2 種類があります。市販されているとユーザーが組み込まれています。ローディング機械の自社開発が多い、パーソナライゼーションとカスタマイゼーション オプション15で好まれています。

テストでは、標本はセキュリティ保護機械の変位を適用できますが、測定可能な力を生成します。負荷を駆動のフィードバックとして使用する場合、テストは負荷制御;変位駆動のフィードバックとして使用する場合は、テストは変位制御されます。積込み機、一般に、固定サポートに発動機を接続するフレームによって成り立っています。など、一般的にテスト標本のもう一方の端が固定されたまま、感動の一方の端が含まれます。

その基本的なコンポーネントを示す単純なロード マシンのスケッチは、図 1に示します。に関するすべてのローディング機械の基礎、ベースまたはフレームです。商業ブランドの大半は、固定ベースを活用に対し図面は平面 (XY) の動きを可能にするプラットフォームを示しています。発動機をこの場合、ロードセルを保持し、ステッピング モーターによって駆動されるアッパー アームです。供試体を保持し、実行するテストの種類を決定する据え付け品は、フレームに接続されています。3 点曲げ治具は、図面に示します。上部治具 (単一の連絡先) が移動の腕にマウントされています。下治具 (二重接触) は、固定ベースにマウントされます。テスト中にセンターにお問い合わせが標本を従事して下方に上治具をモーターします。連絡先は、試料を従事し、ロードセルは、抵抗または試料に力の増加を記録します。

マシンの設計し、研究室では、既存のマシンでは得られない動きを達成するために自社で開発された場所もあります。ここで我々 はこのような 1 つのデバイスの詳細に説明します。両端の読み込みにより純粋な一軸試験片または同輩および反対運動荷台です。デバイスを組み込んだ商業ロードセルとアクチュエータ (発動機);フレームは、商業の部品や試験片の荷重備品を保持するために加工されます。自分のマシンの設計で助けることができるテスト機械構造の基本原則を理解すること。我々 は独自の機械開発研究者を支援するための出発点として作成図面ファイルがあります。ビデオは、デバイスの配置と信頼性の高いテストを確保する機械設計原則のアプリケーション アセンブリに焦点を当てます。

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Protocol

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注: 完成したデバイスは、図 2に示すです。デバイスは、水平方向の位置に供試体の純粋な単軸試験できます。

1. 部品

  1. プッシュ/プル一緒にするようにプログラムするとき 60 mm (2.3) にまたがることができるアクチュエータ当り 30 の mm (1.2 インチ) 旅行で 2 つのプログラム可能なアクチュエータを準備します。様々 な潜在的用途に合わせて、合理的なこと選択アクチュエータ容量 [67 N (15 ポンド)] を強制的に、推力 [58 N (13 ポンド)] 速度解像度のピーク [0.9302 μ m/s (0.00004 で/s)] と一方向の精度 [25 μ m (0.001 インチ)]。
  2. デイジー チェーン伸縮の等しいアプリケーションにそれらを同期させるアクチュエータ。
  3. アクチュエータを駆動を提供するために 24 V のコント ローラーを準備します。これらのシステムは、ねじ、スクリューの回転によって正確な直線運動を有効にします。
  4. (10 lb) 44.5 N の最大荷重容量を持つ 2 つのロードセルを準備します。低プロファイルまたは限られたスペースに最適なキャニスター スタイル ロードを選択します。
  5. レール/キャリッジ ブロック システムを準備します。1 つのレールと 2 つのキャリッジ; 準備します。各アクチュエータを保持する 1 つ。鋼が錆つくためステンレス鋼の材料を選択場合デバイスは材料; 水和を必要とするために利用します他のすべての目的のため、鋼は許容です。
    注:図 3に紫色で示されているレール/キャリッジ ブロックと荷台の分解ビューが提供されます。

2. 構

注: 説明のために、プラットフォームはグラフィックで色分けされています。

  1. アルミ ストック材料を準備します。その費用対効果と加工の容易さのためのアルミニウムを選択します。両方のプレートを準備し、' L' 字角度株式。
  2. 在庫機械器具材料を準備します。[プレキシ ガラス;それは軽量ながら強いです。

3. 金属ベースと側板 (フレーム) アセンブリ

  1. アルミ ストックからベース プレートを切り取り、それを確かめることが約 64 x 15 x 1.3 cm (25 x 6 x 0.5)。工場内のエッジをクリーンアップし、その最終的な寸法にベース プレートをカットします。
  2. 補足ファイル内の指定に従って、ミルのフラット板を加工します。
  3. 飛行機はレベルの確保、それに直面します。
  4. (0.0005 インチ) 0.0126 mm の許容差で側板を配置するベース プレートにトラックをマシンします。
  5. 補足ファイルの指定に従って側板を加工します。
  6. ドリルとタップ側板の下面。
  7. トラックの直立のサイド プレートをマウントします。
  8. (図 4) 下からベース プレートに側板を固定します。

4. フレームにレール/キャリッジ アセンブリの追加

  1. 図面リンク (図 5) で指定された仕様に従ってレール/キャリッジ アセンブリの実装を有効にする各側板の前面にマシンを追跡します。
  2. 隙間を介してレールの穴を掘削し、各側板 (#10-32 ネジに合わせて) 穴のタップをトラックにレールを固定します。

5. 後部アクチュエータのマウントアタッチメント

  1. マシンの背面マウントの添付ファイルから、' 補足ファイル内の指定に従って L' 字角度株式。
  2. 補足ファイル内の指定に従って側板の表面加工のトラックに乗るし、キー溝として機能するマウントの下部に添付するバーを加工します。マウントの下部にバーをねじ込みます。
  3. アクチュエータのクリアランスのため後部のマウントのベースに貫通穴を開けます。
  4. アクチュエータを介して商業アクチュエータの穴パターンのボディに後部のマウントを取り付けます。
    注: 後部マウントを作る理由の 1 つは繰り返しアクチュエータの手持ちになる小 #2 メートルねじを使用して、フレームに直接アクチュエータを接続する必要性を排除します。マウントは、剥離繰り返し使用可能なアクチュエータの内部スレッドの懸念を排除します。
  5. 後部アクチュエータ マウントをフレームを介して2 つのネジに接続するマウントのベースをスロットします。
  6. ドリルし、タップの一連の穴 (#10-32 ネジに合わせて) 様々 なサイズの標本を収容することが望ましい場合に調整可能なマウントの添付ファイルを許可する側板の正面のトラックが並ぶ。

6. フロント マウントアタッチメント コネクタ経由でアクチュエータの

注: フロント マウントは、' キャリッジにアクチュエータのフロントを取り付ける L' 形の作品。アクチュエータがマウント; を物理的に接触しません。それ経由で一連のアクチュエータの先端から拡張コネクタをアタッチします。

  1. マシンからフロント マウントのアタッチメント、' L' 字角度補足ファイル内の指定に従って株式。
  2. テーパーのコネクタに合わせてフロント マウントのベースに穴をあけます。
  3. マシン プレートに合わせてフロント マウントの側面のトラック。
  4. 機械器具に合わせてトラックのプレート。
  5. 機でアルミ、図面のリンク内の指定に従って丸型コネクタ。このアダプターは、アクチュエータにロードセルを接続します。
  6. ドリルし、タップの軸取り付けとロードセルとアクチュエータの配置をサポートするアクチュエータ側 #2 メートルねじおよび負荷セル末尾に #6 メートルねじ用コネクタ。
  7. ロード セルごとに 1 つ、2 つの同一コネクタを機にこのプロセスを繰り返します。
  8. 機械アルミ、テーパ、図面のリンク先の仕様によると丸型コネクタ。このアダプターは、据え付け品およびキャリッジにロードセルを接続します。
  9. ドリルし、タップの一端にスレッド負荷セルの接続コネクタ。
  10. フロント アクチュエータ マウントの穴にシリンダーを渡すし、円柱の端を固定するスクリューを使用します。
  11. 右と左のアクチュエータのシステムを重複してください。
    注:図 6で示すように、組み立てた後、アクチュエータのベースはサイド プレートに堅く添付します。アクチュエータの前面がキャリッジに添付され、キャリッジはプッシュやプルのアクチュエータは拡張、収縮。これは、フィクスチャの添付ファイルとロードの検体のフレームワークを提供します。

7. 器具

  1. 補足的なファイル (図 7) に記載される仕様によると器具をマシンします。
  2. 高さに合わせて治具ホルダーの中央、垂直スロットのマシン。
  3. (#10-32 ネジに合わせて) 3 つのドリルとタップ穴で長方形のプレートにアクチュエータ フロント マウント プレートの中央に中段を取り付けます。
  4. 上げるまたは水和テスト食塩浴を使用している場合など、必要に応じてホルダーを下げるし、ネジで固定します。

8. 操作手順。

  1. 16デバイスをリモート制御アクチュエータ ソフトウェアをダウンロードしてください。
  2. 6 ピンミニ din オス-メス PS/2 の延長ケーブル; コンピューターと 24 V コント ローラーの間のリンクを作成します。各アクチュエータ コント ローラーは、2 つの 6 ピンミニ din コネクタ ケーブルのリンクを持ちます。
  3. 標準的なコンピューターにアクチュエータを接続するのに USB ピン 6 ピンのミニ din コンバーターを使用します。コンバーターには、女性 6 ピンミニ din コネクタと USB 接続ポートが含まれています。
  4. デイジー チェーン アクチュエータ単一のコンピューター ケーブル操作の十分なしたりまた、USB アダプターの代わりに HDMI アダプターが使用されるようです。
  5. アクチュエータを 24 V の電源に接続します。
  6. 接続して電源、デバイスを選択し、アクチュエータ性能をカスタマイズします。
  7. また、アクチュエータを制御、手動で各アクチュエータのダイヤルでの設置に便利です。
    注: このソフトウェアは、標準のオペレーティング システムに適用されます。このソフトウェアとアクチュエータ設定距離を問わずにさまざまな速度で移動、設定された距離で同期または一斉に移動を互いに同期します。

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Representative Results

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システムの使用を確認するためには、アクチュエータの速度とパフォーマンスのテストは実施17をだった。これらのテストは、アクチュエータの速度と入力の値と比較して距離を測定するから成っていた。サンプル旅行距離精度を確認するには、254 2540 μ m (0.01 - 0.10 で) の間の軸に沿って任意の移動距離が選ばれました。デバイスは、これらの距離に実行され、ブロック ゲージとの隙間ゲージの組み合わせを用いて実際の距離と比較しています。選択距離セルラー テストで一般に使用される 1%-10% ひずみ速度の代表していた。距離テストの結果は、入力から < 4% の偏差を示した。

アクチュエータの速度をテストするのには任意のランダムな速度アクチュエータ機能にまたがることを選ばれました。速度の値は 1 28,000 μ m/s からであった (0.00004 - に 1.1/s)。この速度は、距離とタイミング アクチュエータの動きを設定することによりデバイスの計算速度を比較しました。スピード テストのアクチュエータは拡張および収縮の 1 つ完全なサイクルを完了します。このテストから、入力から偏差 10% 以内にアクチュエータの速度が見つかりました。すべてのテスト結果は、> 0.999 のr2値を持っていた。アクチュエータが過熱したを確認するには、各アクチュエータはその最大速度と距離と一巡しました。温度が 1 時間 5 分ごとを記録したと決して 39.9 ° C を超えることがわかったすべての検証テストを行った少なくとも 3 倍。

その性能をテストするため固定エンド構成で純粋な一軸デバイスは使用され社内18を用意した、当社既存荷台からテスト結果と比較しています。10 の 2-0 縫合糸は、両方のマシンで障害が発生するテストされました。縫合糸がサンプルの真ん中にストレス ライザーを作成し、器具からストレスを流用するために 3 つの結び目で結ばれます。0.61 mm/秒の読み込み速度を 25.4 mm (1.0) のゲージの長さが使用された (で 0.024/s)。同じテストを行った既存のローディング マシンとアクチュエータの速度は、1.22 mm/秒に倍増した (で 0.048/s) 単一のアクチュエータを補うために。すべてのテストは、44.5 N (10 lb) ロードセルを使用して完了されました。さらに、純粋な単軸試験は、相対的な端の間の違いを確認する完了しました。典型的な縫合のプロットは図 8で提供されます。灰色の破線は、既存のデバイスの固定端から黒の点線と比較して純粋な一軸デバイスから結果を表します。

すべてのテストでは、縫合糸は結び目で失敗しました。剛性、最大から成る測定のロード、および障害の変位はp < 0.05 の 2 つのマシン間の有意差を示さなかった。デバイスが統計的に同様の結果を得られたと判断された、さらにテストを実施されました。純粋なと固定端の構成で純粋な一軸デバイスを用いて縫合材料の特性は有意差は17でした。

Figure 1
図 1: 単純な読み込み機 3 点曲げ治具装備。デザインには、X 軸と y 軸、機械の汎用性を追加するに沿って平面運動が組み込まれています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2: 試作したデバイス表示 (上) コンピューター モデル対応 (下).一軸の機械部品は、アルミニウムから製造されています。ソリッド モデルは、デバイスの計画段階で利用されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3: 紫色で示されているレール/キャリッジ ブロックと荷台の分解ビュー 。商業車両とガイド レールを配置し、軸上の動きを確認します。分解ビューでは、マシンのアセンブリのネジの使用を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: 側板はベース プレートのトラック マウントします。サイド プレートは、ベースの底を通ってベース プレートに固定します。図からわかるように、サイド プレートの正面は、レールに対応する加工トラックを持っています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 5
図 5: レールおよびキャリッジ システム紫色で強調表示します。レール/キャリッジ ブロックは滑らかなレールに沿ってグライダーを有効にする 2 つのボール ベアリングのキャリッジから成っています。アセンブリ、機械加工のトラック整列を保証しながらブロックはサイド プレートの前面にマウントします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 6
図 6: アセンブリ読み込みデバイスの図面します。アクチュエータのフロント マウント レールに接続されている、アクチュエータの先端の伸縮は、試料を移動します。レール/キャリッジ ブロックは、紫;「します。アクチュエータ マウント (フロントとリア) は, ピンクの;赤; でコネクタが表示されます。据え付け品は黄色で表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 7
図 7: 垂直、スロット トラックのクランプ, プレキシ ガラス摩擦します。スロット トラックの取り込みは、垂直方向の配置 (図示せず) 環境お風呂で使用。この調整を可能にする、トラックを上下させるセットのネジを使用します。左の画像は前から展開された据え付け品アセンブリを示します右の画像は、後ろから具のアセンブリを示しています。試料をグリップに鋸歯状の歯がクランプに加工されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 8
図 8: 縫合試験の荷重-変位データこのグラフは、テスト失敗を縫合糸の荷重-変位曲線のプロットです。ファイバーは、縫合、エラー曲線の典型的な形を示すためここで。機械を製造する場合、同様の結果のひもや糸を置き換えることが。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

アクチュエータ フロント マウント:このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

アクチュエータをマウント:このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

ベース プレート:このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

下部クランプ:このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

キャリッジ:このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

ロード セル コネクタ:このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

レール:このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

サイド プレート:このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

スライダー アーム:このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

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Discussion

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この作業の目的は、デザインならびに組織や繊維などの小規模な標本とその使用の費用対効果と信頼性の高い一軸ローダーだった。デバイスは、新しい添付ファイル、ユーザーの成長ニーズを作製することを可能にするため設計の柔軟性、さらに定める要件を満たす建設されました。たとえば、デバイスは乾燥および湿潤状態における一軸または固定端の構成でのテストになります。

素材、商用コンポーネント (メンテナンス)、およびパフォーマンスの検討とシステムの柔軟性、設計と読み込みデバイスの製作で重要な手順が含まれます。すべての加工は、標準的な工場に完成しました。アルミニウムとプレキシ ガラス フレームおよび据え付け品のために必要な剛性を提供します。商用のコンポーネントは、アクチュエータとレール/キャリッジ ブロック システムで構成されます。同じアクチュエータは、張力と圧縮の両方に使用されます。これらのアクチュエータは、そのことを考慮しているが、ない使用では、モータに電源を停止する、ねじはトルクを生成しないため、アクチュエータが過熱しない機械的テスト プラットフォームでうまく動作します。さらに、鉄道運送ブロック システムは、配置と容易なメンテナンスを提供します。システムが同乗し、15 の mm (0.6 インチ) 2 つのボール ベアリングねじキャリッジを使用して-全体のトラック。1 つのキャリッジ、サイド プレートごとレールにアクチュエータを接続する使用されます。アセンブリに 7800 N (1750 ポンド) の動的負荷能力、幅広い試料に対応することができます。馬車には、潤滑を維持するために内部のオイル貯蔵所が含まれています。治具は、テスト中にプラットフォームに試料を保持します。試料保持に加え、据え付け品は、アクチュエータの伸縮は、供試体に荷重を適用してアクチュエータに接続します。さまざまな環境を必要とする標本の広い範囲を満たすためには、垂直方向に調整可能なデザインにより低下テスト水/メディア浴にする器具です。セレーションのプレキシ ガラスのダブル アングル カッター (90 °) を使用してカットを作成 '歯' 増加クランプとテスト中に供試体の強度を保持できるようにします。ホルダーの基部にはプレートの幅に沿って実行している水平スロットです。鋸歯状のクランプはスロットにスライドし、ネジで行われています。スロット トレランス [+ 0.0127 mm (0.0005 インチ)] のため 1 つのネジはフィクスチャを押しながらスロットねじれから保持し、平面のアライメントを維持するのに十分です。

デザインの力学の基本原理に従っている場合、マシンは堅牢とトラブルシューティングは最小限。デバイスを設計した後、それを加工する前に、商業のすべてのコンポーネントを購入する必要があります。意思決定支援の手に商業部分を持つと寸法とここで指定したものと異なる場合がありますスレッドの物理的な測定が可能になります。デバイスは、標準的なテストに使用されるが、デバイスは器具高さの調整機能を排除するなど、その設計で柔軟性の多くを排除することによって簡略化することができ、トラックの長さ。

このシステムは、コスト効果の高い方法で我々 の研究室で現在利用可能なテストを提供します。また、このデバイスは、既存の技術を不必要に重複していないので、純粋の一軸マシンは広く市販ではありません。しかし、シンプルなデザイン技術を用いているし、純粋な一軸荷重; を達成するためにいくつかの方法があります。1 つだけ、ここで表されます。平面 2 軸載荷、商業上のデバイスがありますが、これらはコストが一軸荷重用。

純粋な一軸荷重機械は、総コスト約 $4,000 に来た。この価格は、商用コンポーネント (アクチュエータ、コント ローラー、およびロードセル) の結果だった。無償で社内完成した金属加工と材料費 $100 の下にあった。本質的に価格を倍増、加工当時 $75/h についての代表的な加工速度を約 60 時間を見積もった。しかし、三次元 (3 D) プラスチックから印刷することがなく、金属機械デバイスことが重要です。フレームは、読み込みをサポートする十分な硬さに。フレームは約 1.25 cm (0.5 インチ) 厚く、フレームは簡単に標本 2 倍 - 3 倍強く、将来の利用を追加することをサポートします。比較では、商業ローディング機械は $100,000 を簡単に超えることができます。ただし、これらの商用機が負荷制御または変位制御のテストを有効にフィードバックを組み込むことに注意してくださいすることが重要です。このプラットフォームは、変位制御 (アクチュエータの動き) を利用し、過度に複雑ではありません。機械試験を必要とする研究者は、少しの努力で彼らが彼ら自身の読み込みプラットフォームを開発できること、でしょう。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

この作品は、国立機関健康 NIDCR [DE022664] によって支えられました。

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

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  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).
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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

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).

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