设计方面在单轴加载机开发中的应用
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
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5、6、7、8、9 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。
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了国立研究所健康 NIDCR [DE022664] 的支持。
Materials
| 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 |
Referenzen
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