Aplicación de aspectos de diseño en el desarrollo de la máquina de carga Uniaxial

Resumen

Aquí presentamos un protocolo para desarrollar una máquina pura de carga uniaxial. Aspectos críticos de diseño se emplean para asegurar resultados exactos y reproducibles de las pruebas.

Resumen

En términos exactos y precisos ensayos mecánicos, máquinas de funcionamiento continuo. Mientras que las plataformas comerciales ofrecen excelente precisión, pueden ser prohibitiva, cotizado a menudo en la gama de precio $100.000 - $200.000. En el otro extremo son dispositivos manuales independientes a menudo falta de repetibilidad y precisión (por ejemplo, un dispositivo de manivela manual). Sin embargo, si se indica un solo uso, es sobre-ingeniería de diseño y elaboración de algo demasiado la máquina. Sin embargo, hay ocasiones donde las máquinas están diseñadas y construidas en casa para lograr un movimiento no alcanzable con las máquinas existentes en el laboratorio. Describe en detalle aquí, es un dispositivo de este tipo. Es una plataforma de carga que permite carga uniaxial puro. Máquinas de carga estándar por lo general son biaxiales que carga lineal ocurre a lo largo del eje y carga rotatoria se produce sobre el eje. Durante la prueba con estas máquinas, se aplica una carga a un extremo de la muestra mientras que el otro extremo permanece fijo. Estos sistemas no son capaces de llevar a cabo pruebas axial pura en que la tensión/compresión se aplica igualmente a los extremos de la muestra. La plataforma desarrollada en este trabajo permite la igual y opuesta carga de muestras. Mientras que puede ser utilizado para la compresión, aquí el enfoque es sobre su uso en pura resistencia de carga. El dispositivo incorpora células de carga comercial y actuadores (motores) y, como es el caso con máquinas construidas en el local, un marco se trabaja a máquina para sostener las piezas comerciales y accesorios para la prueba.

Introducción

Ensayos mecánicos tiene una interesante historia que se remonta a durómetros equipo desarrollado por Stanley Rockwell a principios del siglo XX. Mientras que la tecnología ha crecido en la medida en que las prácticas estándar, documentadas todo guían de verificación de funcionamiento de la máquina a las directrices para llevar a cabo pruebas específicas^{1,2,3, 4}. hoy en día, se realizan ensayos mecánicos sobre todo desde la construcción de materiales como concreto, acero y madera para alimentos y textiles productos^5,6,7,8,9 . Dado que los campos de la ingeniería biomédica y, más concretamente, biomecánica utilizan pruebas mecánicas, carga de máquinas son habituales en los laboratorios de biomecánica.

Carga de máquinas que funcionan la gama de escala en biomecánica. Por ejemplo, máquinas de carga más grandes pueden utilizarse para realizar estudios de impacto de cuerpo completo o determinar propiedades mecánicas femorales humanos, mientras que menor carga máquinas pueden utilizarse para probar los huesos murinos o estimular las células^{10,11, 12,13,14}. Dos tipos de máquinas de carga se encuentran en el laboratorio de ensayos; aquellos que se adquieren comercialmente y las que son construidas por el usuario. Máquinas de carga desarrolladas a menudo están favorecidas por sus opciones de personalización y el arreglo para requisitos particulares¹⁵.

En la prueba, una muestra se fija en la máquina para que puede aplicarse un desplazamiento, genera una fuerza medible. Si la carga se utiliza como la regeneración de la conducción, la prueba es controlado por carga; Si el desplazamiento se utiliza como la regeneración de la conducción, la prueba es controlada por el desplazamiento. En general, carga de máquinas, se construyen sobre un armazón que conecta un motor a un soporte fijo. Como tal, prueba generalmente consiste en un extremo de la probeta se mueve mientras que el otro extremo permanece fijo.

Se muestra en la figura 1 es un esquema de una máquina de carga simple demostrando sus componentes básicos. Fundamental para todas las máquinas de carga es una base o marco. Mientras que la gran mayoría de marcas comerciales utiliza una base fija, el dibujo representa una plataforma que permite el movimiento planar de (XY). El motor, en este caso, es la parte superior del brazo que tiene una célula de carga y es impulsado por un motor paso a paso. Unido a la estructura son los accesorios que sujetan al espécimen y dictan el tipo de prueba que se ejecuta. Se muestra en el dibujo son accesorios de la curva de tres puntos. La unidad superior (el único contacto) está montada sobre el brazo móvil; el accesorio de fondo (doble contacto) está montado a la base fija. Durante la prueba, el motor conduce el accesorio superior hacia abajo a donde el contacto del centro dedica a la muestra. Como el contacto activa a la muestra, la celda de carga registra el aumento en la resistencia o la fuerza sobre la muestra.

Hay ocasiones donde las máquinas están diseñadas y construidas en casa para lograr un movimiento no alcanzable con las máquinas existentes en el laboratorio. Aquí describimos en detalle un tal dispositivo. Es una plataforma de carga que permite puro uniaxial muestras carga o igual y opuesta de movimiento en ambos extremos. El dispositivo incorpora células de carga comercial y actuadores (motores); un marco se trabaja a máquina para sostener las piezas comerciales y accesorios de carga para el espécimen de prueba. Puede ayudar a entender los principios básicos de la construcción de la máquina pruebas en el diseño de la propia máquina. Hemos proporcionado los archivos de dibujos que hemos creado como punto de partida para ayudar a los investigadores con su propio desarrollo de la máquina. El vídeo se centrará en el conjunto del dispositivo y la aplicación de principios de diseño mecánico para asegurar la alineación y pruebas confiables.

Protocolo

Nota: El aparato terminado se muestra en la figura 2. El dispositivo permite ensayos uniaxiales puro de las muestras en posición horizontal.

1. componentes

1. Preparar dos actuadores programables con un recorrido de 30 mm (1,2 in) por actuador capaz de expansión 60 mm (2,3 pulg) cuando está programado a sacarlos juntos. Para acomodar una variedad de usos potenciales, seleccionarlos actuadores tener una razonable capacidad [67 N (15 lb)] de la fuerza, empuje [58 N (13 lb)], resolución de velocidad de pico [0.9302 μm/s (0.00004 de / s)] y una exactitud unidireccional [25 μm (0,001 pulg)].
2. Cadena de Margarita los actuadores para sincronizar una aplicación igual de la extensión.
3. Preparar un controlador V 24 para proporcionar el movimiento conduce al actuador; Estos sistemas permiten un movimiento lineal preciso por la rotación de un tornillo, el husillo.
4. Preparar dos células de carga con una capacidad máxima de fuerza de 44,5 N (10 lb). Seleccione un perfil bajo o carga de envase-estilo que es ideal para espacios reducidos.
5. Preparar el sistema ferroviario/carro. Preparar un carril y dos carros; uno para cada actuador. Porque se oxida el acero, seleccione el material de acero inoxidable si el dispositivo se utiliza para materiales que requieren hidratación; para todos los otros propósitos, el acero es aceptable.
   Nota: Se proporciona una vista explotada de la plataforma de carga con el bloque del tren/transporte que se muestra en púrpura en la figura 3.

2. construcción del marco

Nota: Para fines explicativos, la plataforma es con códigos de color en los gráficos.

1. Preparar material de stock de aluminio. Seleccione el aluminio por su rentabilidad y facilidad de mecanizado. Preparar placa de ambos y ' valores de ángulo en forma de L'.
2. Preparar el stock de materiales para accesorios de la máquina. Seleccione del plexiglás; es fuerte y ligero.

3. metal Base y el conjunto de la placa (marco) de lado

1. Corte de la placa base de la culata de aluminio, que es aproximadamente 64 x 15 x 1,3 cm (25 x 6 x 0,5 pulgadas). Limpiar los bordes en el molino y corte la placa base a sus dimensiones finales.
2. La placa de piso en el molino, la máquina según las especificaciones indicadas en los archivos suplementarios.
3. Frente, asegurar el plano de nivel.
4. La máquina de pista en la placa base para alinear las placas laterales con una tolerancia de 0,0126 mm (0,0005 pulg).
5. Las placas laterales según especificaciones indicadas en los archivos adicionales de la máquina.
6. Taladro y golpee las placas laterales en su cara inferior.
7. Montar las placas laterales en la pista.
8. Fije las placas laterales a la placa base de debajo (figura 4).

4. fijación del conjunto de tren/transporte a la estructura

1. Máquina de pistas en la cara frontal de cada placa lateral para permitir el montaje de la Asamblea de carril/carro según las especificaciones indicadas en los enlaces de dibujos (figura 5).
2. Fijar el carril de la pista a través de la separación de los agujeros en el carril via perforaron y roscados de agujeros (para dar cabida a tornillos de #10-32) en cada placa lateral.

5. posterior accesorio de montaje de los actuadores

1. Los accesorios de montaje trasero de la máquina el ' stock de ángulo en forma de L' según las especificaciones indicadas en los archivos suplementarios.
2. Una barra para sujetar a la parte inferior de la montura para servir como un chavetero y paseo en la pista mecanizada en la cara de la placa lateral según las especificaciones indicadas en los archivos suplementarios de la máquina. Atornille la barra en la parte inferior de la montura.
3. Perfore un agujero a través de la base de la montura posterior para la separación del actuador.
4. Coloque el montaje posterior en el cuerpo del actuador a través de los agujeros en el actuador comercial.
   Nota: Una de las razones para hacer un montaje posterior es eliminar la necesidad de conectar varias veces el actuador directamente al chasis usando los tornillos de métrica #2 pequeños que ven acción en los actuadores. El Monte elimina la preocupación de pelar los hilos internos del actuador con el uso.
5. Ranura de la base de la montura para sujetar el soporte del actuador trasero al bastidor mediante dos tornillos.
6. Taladro y aprovechar una serie de agujeros (para dar cabida a tornillos de #10-32) que flanquean la pista en la parte frontal de las placas laterales para permitir el accesorio de montaje ajustable si es deseable para dar cabida a muestras de distintos tamaños.

6. delantero accesorio de montaje de los actuadores por medio de conectores

Nota: El soporte delantero es una ' pieza en forma de L' que conecta la parte delantera del actuador al carro. El actuador no físicamente en contacto con el soporte; se conecta a través de una serie de conectores que se extienden desde la punta del actuador.

1. Los accesorios de montaje delantero de la máquina el ' stock de ángulo en forma de L' según las especificaciones indicadas en los archivos suplementarios.
2. Perfore un agujero en la base de la montura frontal para alojar el conector cónico.
3. Una pista en la ladera del Monte frente a una placa de la máquina.
4. La placa con una pista para dar cabida a los accesorios de la máquina.
5. Un aluminio, conector cilíndrico de acuerdo a las especificaciones indicadas en los enlaces de dibujos de la máquina. Este adaptador conecta a la celda de carga al actuador.
6. Taladro y toque el conector para un tornillo métrico de #2 en el extremo de actuador y un tornillo métrico de #6 en el extremo de la célula de carga para apoyar el montaje axial y alineación de la celda de carga y el actuador.
7. Repita este proceso para dos conectores idénticos, uno para cada celda de carga de la máquina.
8. Un aluminio, cónico, cilíndrico conector según las especificaciones indicadas en los enlaces de dibujos de la máquina. Este adaptador conecta a la celda de carga para el aparato y el carro.
9. Taladro y toque el conector para la conexión de la célula de carga roscado en un extremo.
10. Pasar el cilindro en el agujero de montaje del actuador frente y use un tornillo para anclar el extremo del cilindro.
11. Duplicar el sistema de los actuadores de derecho e izquierdos.
    Nota: como se muestra en la figura 6, una vez montado, la base del actuador está conectada rígidamente a la placa lateral. La parte delantera del actuador se une al carro y, como el actuador es extendido y retraído, el carro es empujado y tirado. Esto proporciona el marco para el accesorio accesorio y la muestra del cargamento.

7. accesorios

1. La máquina de los accesorios según las especificaciones indicadas en los archivos adicionales (figura 7).
2. Una ranura central, vertical en el soporte de la lámpara para dar cabida a la altura de la máquina.
3. Fije el actuador delantero monturas la placa rectangular con tres agujeros perforados y roscados (para dar cabida a tornillos de #10-32) alineadas verticalmente en el centro de la placa.
4. Levantar o bajar el soporte según sea necesario, por ejemplo, si se utiliza un baño de solución salino para prueba hidratada y fijarlo con tornillos.

8. procedimiento de funcionamiento:

1. Descargar el software del actuador para controlar remotamente el dispositivo¹⁶.
2. Crear un vínculo entre el equipo y el controlador de 24 V con un cable de extensión mini-din 6 pines macho a hembra PS/2; cada controlador de actuador tiene dos enlaces de cable de conector mini-din 6 pines.
3. Use un convertidor de USB-a-6-pin mini-din para conectar los actuadores a una computadora estándar; el convertidor contiene un extremo del conector hembra mini-din de 6 pines y un puerto de conexión USB.
4. Cadena de Margarita los actuadores para que un cable de la computadora solo es suficiente para la operación, o como alternativa, utilice un adaptador HDMI en lugar del adaptador USB.
5. Conectar los actuadores a la fuente de alimentación de 24 V.
6. Una vez conectado y alimentado, seleccione los dispositivos y personalizar el funcionamiento del actuador.
7. Como alternativa, controlar los actuadores manualmente el dial en cada actuador, que es útil para la puesta a punto.
   Nota: Este software es aplicable a cualquier sistema operativo estándar. Con este software, los actuadores se trasladó a velocidades variables para cualquier distancia fija, sincronizados a una distancia fija o sincronizan entre sí para moverse al unísono.

Resultados

Con el fin de verificar el uso del sistema, pruebas de velocidad y el rendimiento del actuador fueron realizados¹⁷. Estas pruebas consisten en medir la velocidad del actuador y distancia en comparación con los valores de entrada. Para verificar la exactitud de distancia de viaje de muestra, se seleccionaron arbitrario recorrido distancias a lo largo del eje entre 2540 254 μm (0.01 - en 0,10). El dispositivo fue hasta estas distancias y Comparado con la distancia ...

Discusión

El objetivo de este trabajo fue diseñar y fabricar un cargador uniaxial rentable y confiable para su uso con pequeñas muestras como tejidos y fibras. Un dispositivo fue construido que cumplían con los requisitos establecidos al mismo tiempo suficientemente flexible en el diseño para permitir nuevos aditamentos ser fabricado como aumenten las necesidades del usuario. Por ejemplo, el dispositivo permitirá la prueba de especímenes secos y mojados en una configuración monoeje o final fijo.

...

Materiales

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