Application des Aspects de la conception dans le développement de Machine uniaxiale

Résumé

Nous présentons ici un protocole visant à développer une machine de pure uniaxiale. Aspects de conception critiques sont employées pour s’assurer des résultats de tests précis et reproductibles.

Résumé

En ce qui concerne les essais mécaniques exactes et précises, les machines fonctionnent le continuum. Alors que les plates-formes commerciales offrent excellente précision, ils peuvent être coûteux, souvent au prix dans la fourchette de prix de $ 100 000 - $ 200 000. A l’autre extrême sont des appareils manuels autonomes qui souvent manque de répétabilité et précision (par exemple, un dispositif manuel de manivelle). Toutefois, si une seule utilisation est indiquée, c’est trop technique à la conception et de la machine, quelque chose de trop d’élaborer. Néanmoins, il y a des occasions où les machines sont conçus et construits en interne pour accomplir une requête non réalisable avec les machines existantes dans le laboratoire. Décrit en détail ici, est un tel dispositif. C’est une plate-forme de chargement qui permet uniaxiale pure. Machines de chargement standard sont généralement biaxiales car chargement linéaire se produit le long de l’axe et rotatif chargement se produit autour de l’axe. Au cours des essais avec ces machines, une charge est appliquée à une extrémité de l’échantillon tandis que l’autre extrémité reste fixe. Ces systèmes ne sont pas capables de mener des essais axiale pure dans laquelle de traction/compression est appliquée également jusqu’aux extrémités de l’échantillon. La plate-forme développée dans cet article permet l’égale et opposée de chargement d’échantillons. Alors qu’il peut être utilisé pour la compression, ici l’accent sur son utilisation en pure traction charge. Le dispositif incorpore commercial capteurs et actionneurs (déménageurs) et, comme c’est le cas avec les machines réalisées en interne, un cadre est usiné pour tenir les pièces commerciales et les montages d’essai.

Introduction

Essais mécaniques a une histoire intéressante qui remonte à l’équipement développé par Stanley Rockwell au début du XXe siècle d’essai de dureté. Alors que la technologie a augmenté dans la mesure où des pratiques standards et documentés tout guident de la vérification des performances de la machine aux lignes directrices pour la réalisation de tests spécifiques^{1,2,3, 4}. aujourd'hui, les essais mécaniques sont effectuées sur tout, des matériaux comme le béton, l’acier et bois, alimentaire et textile produits^{5,6,7,8,9 de construction} . Étant donné que les domaines du génie biomédical et, plus précisément, la biomécanique utilisent les essais mécaniques, machines de chargement sont monnaie courante dans les laboratoires de la biomécanique.

Chargement des machines à exécuter la gamme de balance en biomécanique. À titre d’exemple, les grandes machines de chargement peuvent être utilisés pour mener des études d’impact sur tout le corps ou déterminer les propriétés mécaniques humaines fémorales, pendant le chargement de petite machines peuvent être utilisées pour tester les os murins ou stimuler les cellules^{10,11, 12,13,14}. Deux types de chargement des machines sont trouvent dans le laboratoire d’essais ; ceux qui sont achetés dans le commerce et ceux qui sont générés par l’utilisateur. Chargement de machines développées en interne sont souvent favorisés pour leurs options de personnalisation et personnalisation¹⁵.

Dans les essais, un spécimen est attaché dans la machine permettant un déplacement peut être appliqué, générant une force mesurable. Si la charge est utilisée comme les réactions motrices, le test est charge contrôlée ; Si le déplacement est utilisé comme le feedback de conduite, le test est contrôlée par déplacement. Chargement des machines, en général, sont construits sur un châssis qui relie un déménageur à un support fixe. Ainsi, généralement, le test consiste à une extrémité de l’échantillon étant déplacé tandis que l’autre extrémité reste fixe.

Illustré à la Figure 1 est un croquis d’une machine de chargement simple démontrant ses composantes essentielles. Fondamentale pour toutes les machines de chargement est une base ou un cadre. Alors que la grande majorité des marques commerciales utilise une base fixe, le dessin représente une plate-forme qui permet un mouvement planaire (XY). Le mover, dans ce cas, est le bras qui tient un peson et est entraîné par un moteur pas à pas. Fixé au châssis sont les luminaires qui détiennent le spécimen et dictent le type de test est exécuté. Indiqué sur le dessin sont trois points de coude. L’armature supérieure (le contact unique) est monté sur le bras de mouvement ; le montage du bas (le double contact) est monté à la base stationnaire. Au cours des essais, le moteur actionne l’armature supérieure vers le bas à où le centre de contact s’engage le spécimen. Lorsque le contact s’engage le spécimen, le peson enregistre l’augmentation dans la résistance ou la force placée sur le spécimen.

Il y a des occasions où les machines sont conçus et construits en interne pour accomplir une requête non réalisable avec les machines existantes dans le laboratoire. Ici, nous décrivons en détail un tel dispositif. C’est une plate-forme de chargement qui permet pur spécimen uniaxiale chargement ou égale et opposée de mouvement aux deux extrémités. Le dispositif incorpore commercial capteurs et actionneurs (déménageurs) ; un cadre est usiné pour tenir les pièces commerciales et des accessoires de chargement pour échantillon test. Comprendre les principes fondamentaux de la construction de machine test peut aider à la conception de sa propre machine. Nous avons fourni les fichiers de dessin, nous avons créé comme point de départ pour aider les chercheurs à leur propre développement de la machine. La vidéo se concentrera sur l’ensemble du dispositif et l’application des principes de conception mécanique pour assurer l’alignement et des tests fiables.

Protocole

Remarque : Le dispositif fini est montré dans la Figure 2. Le dispositif permet des essais uniaxiaux pure de spécimens en position horizontale.

1. les composants

1. Préparer deux actionneurs programmables avec un voyage de 30 mm (1,2 po) par vérin capable de s’étendant sur 60 mm (2,3 po) lorsque programmée pour tirer/pousser ensemble. Pour accommoder une variété d’utilisations potentielles, certains vérins ayant une raisonnable force capacité [67 N (15 lb)], Poussée [58 N (13 lb)], la résolution de la vitesse de pointe [0.9302 µm/s (0,00004 in / s)] et d’une précision unidirectionnelle [25 µm (0,001 po)].
2. Chaîner les actionneurs pour les synchroniser pour une application égale d’extension/rétraction.
3. Préparer un contrôleur de 24 V pour fournir la motion conduite à l’actionneur ; ces systèmes permettent un mouvement linéaire précis par la rotation de la vis, la patronne.
4. Préparer deux cellules de pesage d’une capacité de force maximale de 44,5 N (10 lb). Sélectionnez un profil bas ou charge de boîte métallique de style qui est idéale pour les espaces confinés.
5. Préparer le système de bloc/transport par voie ferrée. Préparer un rail et deux chariots ; une pour tenir chaque actionneur. Parce que l’acier se rouillera, sélectionnez inox matériau si l’appareil sera utilisé pour les matériaux nécessitant une hydratation ; pour toutes autres fins, l’acier est acceptable.
   Remarque : Une vue éclatée de la plate-forme de chargement avec le bloc de transport par voie ferrée/montré en violet est fournie à la Figure 3.

2. charpente

Remarque : À des fins explicatives, la plateforme est un codage par couleur dans les graphiques.

1. Préparer le matériel roulant en aluminium. Sélectionnez en aluminium pour son rapport coût/efficacité et facilité d’usinage. Préparer deux plaques et ' stock en forme de L' angle.
2. Préparer le stock matière aux lampadaires de la machine. Sélectionnez plexiglass ; Il est fort tout en légèreté.

3. métal de Base et côté plaque (cadre)

1. Couper la plaque de base de la crosse en aluminium, en s’assurant que c’est environ 64 x 15 x 1,3 cm (25 x 6 x 0,5 po). Nettoyer les bords dans le moulin et couper la plaque de base à ses dimensions finales.
2. La plaque plane dans le moulin, la machine selon les spécifications fournies dans les fichiers supplémentaires.
3. Avouons-le, assurant que le plan est de niveau.
4. La machine une piste dans la plaque de base pour aligner les plaques latérales avec une tolérance de 0,0126 mm (0,0005 po).
5. Les plaques latérales selon les spécifications fournies dans les fichiers supplémentaires à la machine.
6. Percer et tarauder les flasques sur leur face inférieure.
7. Montez les plaques latérales verticalement dans la piste.
8. Fixer les plaques latérales à la semelle du dessous (Figure 4).

4. fixer le Rail/chariot au châssis

1. Pistes de machine dans la face avant de la plaque de chaque côté pour permettre le montage de l’assemblage/transport ferroviaire conformément aux spécifications indiquées dans les liens de dessin (Figure 5).
2. Fixez le rail à la piste par le biais de l’apurement des trous dans le rail via percés et taraudés trous (pour accueillir les vis #10-32) dans chaque assiette de côté.

5. arrière de la monture des actionneurs

1. Accessoires de fixation arrière de la machine le ' stock en forme de L' angle selon les spécifications fournies dans les fichiers supplémentaires.
2. Un bar à fixer au bas de la monture pour servir de logement de clavette et de le monter dans le rail usiné sur le visage de la plaque latérale selon les spécifications fournies dans les fichiers supplémentaires à la machine. Visser la barre dans le bas de la monture.
3. Percer un trou dans la base de la monture arrière pour le dédouanement de l’actionneur.
4. Fixer le support arrière sur le corps de l’actionneur via le modèle de trou dans l’actionneur commerciale.
   Remarque : Une raison pour faire un montage arrière est d’éliminer la nécessité de joindre à plusieurs reprises l’actionneur directement sur le cadre avec les petites vis métriques #2 qui viennent des actions sur les actionneurs. Le Mont élimine le souci de dépouiller les filets internes de l’actionneur avec une utilisation répétée.
5. Fente à la base de la monture pour fixer le montage de l’actionneur arrière sur les châssis par deux vis.
6. Percer et tarauder une série de trous (pour accueillir les vis #10-32) bordant la piste sur la face avant des plaques latérales pour permettre une monture réglable si il est souhaitable d’accueillir les spécimens de tailles variables.

6. avant de monture des actionneurs via connecteurs

Remarque : L’attelage frontal est une « pièce en forme de L' qui s’attache à l’avant de l’actionneur au transport. L’actionneur ne contacte pas physiquement la monture ; Il fixe via une série de connecteurs qui s’étendent de la pointe de l’actionneur.

1. Accessoires de montage avant de la machine le ' stock en forme de L' angle selon les spécifications fournies dans les fichiers supplémentaires.
2. Percer un trou dans la base de la monture avant d’accueillir le raccord conique.
3. Une piste du côté de la monture avant d’accueillir une plaque de la machine.
4. Machine la plaque avec une piste pour accueillir les appareils.
5. La machine un aluminium, connecteur cylindrique conformément aux spécifications indiquées dans les dessin de liens. Cet adaptateur connecte le capteur à l’actionneur.
6. Percer et tarauder le connecteur pour une vis métrique #2 sur la fin de l’actionneur et une vis métrique #6 sur la fin de cellule de charge pour prendre en charge le montage axial et l’alignement de la cellule de pesage et l’actionneur.
7. Répétez cette procédure pour deux connecteurs identiques, une pour chaque cellule de charge de la machine.
8. Machine d’aluminium, conique, cylindrique connecteur selon les spécifications indiquées dans les dessin de liens. Cet adaptateur connecte à la cellule de pesage pour le montage et le transport.
9. Percer et tarauder le connecteur à la connexion de cellule de charge fileté à une extrémité.
10. Passez le cylindre dans le trou de la monture avant actionneur et une vis de réglage permet d’ancrer les extrémités du cylindre.
11. Dupliquer le système pour les actionneurs des droite et à gauche.
    Remarque : comme le montre la Figure 6, une fois assemblé, la base de l’actionneur est fixée de façon rigide à la plaque latérale. Le front de l’actionneur est attaché à la distribution et, comme l’actionneur est étendu et rétractée, le chariot est poussé et tiré. Cela fournit un cadre pour la fixation du luminaire et le spécimen de chargement.

7. accessoires

1. La machine les appareils selon les spécifications fournies dans les fichiers complémentaires (Figure 7).
2. Un emplacement central, vertical dans le support de fixation pour tenir compte de la hauteur de la machine.
3. Fixez les supports avant de vérin à la plaque rectangulaire avec trois trous percés et taraudés (pour accueillir les vis #10-32) alignés verticalement dans le centre de la plaque.
4. Soulever ou abaisser le support tant que de besoin, par exemple, si un bain de solution saline pour les essais hydraté est utilisé et fixer avec les vis.

8. mode opératoire :

1. Télécharger le logiciel d’actionneur pour contrôler à distance l' appareil¹⁶.
2. Créer un lien entre l’ordinateur et le contrôleur de 24 V avec un câble d’extension PS/2 mini-din 6 broches mâle-femelle ; chaque contrôleur actionneur a deux liens de câble de connecteur mini-din 6 broches.
3. Utilisez un convertisseur de USB-à 6 broches mini-din pour connecter les actionneurs à un ordinateur standard ; le convertisseur contient une extrémité du connecteur femelle mini-din à 6 broches et un port de connexion USB.
4. Chaîner les vérins afin qu’un câble d’ordinateur unique est suffisant pour l’exploitation, ou vous pouvez également utiliser un adaptateur HDMI à la place de l’adaptateur USB.
5. Connecter les actionneurs au bloc d’alimentation 24 V.
6. Une fois branché et sous tension, sélectionnez les périphériques et personnaliser les performances de l’actionneur.
7. Vous pouvez également contrôler les actionneurs manuellement par le cadran sur chaque déclencheur, qui est utile pour la mise en place.
   Remarque : Ce logiciel s’applique à n’importe quel système d’exploitation standard. Avec ce logiciel, les actionneurs peuvent être déplacés à vitesses variables à une distance définie, synchronisés à une distance définie ou synchronisés entre eux pour se déplacer à l’unisson.

Résultats

Afin de vérifier l’utilisation du système, actionneur des tests de vitesse et les performances ont été réalisées¹⁷. Ces essais ont consisté à mesurer la vitesse de l’actionneur et la distance en comparaison avec les valeurs d’entrée. Pour vérifier l’exactitude de distance de voyage échantillon, distances à parcourir arbitraire le long de l’axe entre 254-2540 µm (0,01 - 0,10 po) ont été sélectionnés. L’appareil a été exécuté à ces d...

Discussion

L’objectif de ce travail a été de concevoir et fabriquer un chargeur uniaxial rentable et fiable pour son utilisation avec petits échantillons tels que les tissus et fibres. Un dispositif a été construit qui satisfait aux exigences énoncées tout en étant suffisamment souples dans la conception permettant de nouvelles pièces jointes à être fabriqué comme l’utilisateur a besoin de grandir. Par exemple, le dispositif permettra l’analyse des échantillons secs et humides dans une configuration uniaxiale ou ...

matériels

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