Applicazione degli aspetti di progettazione nello sviluppo della macchina di carico uniassiale

Riepilogo

Qui presentiamo un protocollo per sviluppare una macchina di puro carico uniassiale. Aspetti di progettazione critici sono impiegati per garantire risultati test accurati e riproducibili.

Abstract

In termini di prove meccaniche accurate e precise, le macchine funzionano il continuum. Considerando che le piattaforme commerciali offrono eccellente precisione, possono essere costi proibitivi, spesso un prezzo nella fascia di prezzo $100.000 - $200.000. A altro estremo sono dispositivi stand-alone manuale che spesso mancanza di ripetibilità e precisione (ad esempio, un dispositivo manuale a manovella). Tuttavia, se è indicato un uso singolo, è sovra-ingegneria progettazione e macchina qualcosa di eccessivamente elaborati. Tuttavia, ci sono occasioni dove le macchine sono progettate e costruite internamente per compire un movimento non raggiungibile con le macchine esistenti in laboratorio. Uno di questi dispositivi è descritto in dettaglio qui. È una piattaforma di caricamento che consente di puro carico uniassiale. Macchine di caricamento standard sono in genere biassiale in quanto carico lineare si verifica lungo l'asse e carico rotante attorno all'asse. Durante i test con queste macchine, è applicato un carico a un'estremità del provino mentre l'altra estremità rimane fissa. Questi sistemi non sono in grado di condurre test assiale puro in cui trazione/compressione si applica ugualmente alle estremità dei campioni. La piattaforma sviluppata in questa carta consente l'uguale e contraria caricamento degli esemplari. Mentre può essere utilizzato per la compressione, qui il focus è sul suo uso nella pura trazione carico. Il dispositivo incorpora celle di carico commerciale e attuatori (motori) e, come è il caso con macchine costruite internamente, una cornice è lavorata per tenere le parti commerciali e gli impianti per il test.

Introduzione

Prove meccaniche ha una storia interessante che può essere fatta risalire al apparecchiatura sviluppata da Stanley Rockwell nei primi del Novecento di collaudo di durezza. Mentre la tecnologia è cresciuta al punto che le pratiche standard, documentate tutto guidano dalla verifica delle prestazioni della macchina per le linee guida per lo svolgimento di test specifici^{1,2,3, 4}. oggi, prove meccaniche sono eseguite su tutto, dai materiali da costruzione come cemento, acciaio e legno per alimentari e tessili prodotti^5,6,7,8,9 . Dato che i campi di ingegneria biomedica e, più specificamente, biomeccanica utilizzano prove meccaniche, macchine di caricamento sono all'ordine del giorno nei laboratori di biomeccanica.

Carico macchine esegue l'intervallo di scala in biomeccanica. Ad esempio, macchine di carico più grandi possono essere utilizzati per condurre studi di impatto di tutto il corpo o determinare le proprietà meccaniche femorale umano, durante il caricamento più piccola macchine possono essere utilizzati per testare le ossa murine o stimolare cellule^{10,11, 12,13,14}. Due tipi di macchine di caricamento si trovano nel laboratorio di analisi; quelli che vengono acquistati in commercio e quelli creati dall'utente. Macchine di caricamento sviluppati internamente sono spesso favoriti per loro opzioni per la personalizzazione e la personalizzazione¹⁵.

In fase di test, un campione è fissato nella macchina affinché possa essere applicato uno spostamento, generando una forza misurabile. Se il carico viene utilizzato come il feedback di guida, la prova è a carico controllato; Se lo spostamento viene utilizzato come il feedback di guida, il test è di spostamento-controllato. Macchine di caricamento, in generale, sono costruiti su un telaio che si connette un mover a un supporto fisso. Come tale, test in genere comporta un'estremità del provino viene spostato mentre l'altra estremità rimane fissa.

Illustrato nella Figura 1 è uno schizzo di una macchina di caricamento semplice dimostrando le sue componenti fondamentali. Fondamentale per tutte le macchine di caricamento è una base o un frame. Considerando che la stragrande maggioranza dei marchi commerciali utilizza una base fissa, il disegno rappresenta una piattaforma che permette il movimento di planare (XY). Il mover, in questo caso, è il braccio che tiene una cella di carico ed è azionato da un motore passo-passo. Fissato al telaio sono gli apparecchi che tenere l'esemplare e determinano il tipo di test che viene eseguito. Mostrato nel disegno sono apparecchi di tre punti curva. Il fissaggio superiore (singolo contatto) è montato su braccio mobile; il fissaggio del fondo (il doppio contatto) è montato alla base del ferma. Durante il test, il motore aziona l'apparecchio superiore verso il basso per cui il contatto centrale si impegna l'esemplare. Come il contatto si aggancia l'esemplare, la cella di carico registra l'aumento nella resistenza o la forza imposti l'esemplare.

Ci sono occasioni dove le macchine sono progettate e costruite internamente per compire un movimento non raggiungibile con le macchine esistenti in laboratorio. Qui descriviamo in dettaglio uno di questi dispositivi. È una piattaforma di carico che consente puro monoassiale caricamento del provino o uguale e contraria del movimento ad entrambe le estremità. Il dispositivo incorpora celle di carico commerciale e attuatori (motori); un frame è lavorato per tenere le parti commerciali e gli impianti di caricamento per campione test. Comprendere i principi fondamentali della costruzione di macchine test possono aiutare nella progettazione della propria macchina. Abbiamo fornito i file di disegno che abbiamo creato come punto di partenza per assistere i ricercatori con il loro proprio sviluppo della macchina. Il video si concentrerà sull'Assemblea del dispositivo e l'applicazione dei principi di progettazione meccanica per garantire l'allineamento e prove affidabili.

Protocollo

Nota: Il dispositivo finito è illustrato nella Figura 2. Il dispositivo consente il test uniassiale puro degli esemplari in posizione orizzontale.

1. componenti

1. Preparare due attuatori programmabili con una corsa di 30 mm (1,2 in) ogni attuatore capace di spanning 60 mm (2,3 pollici) quando programmato per tirare/spingere insieme. Per accomodare una varietà di usi potenziali, selezionati attuatori avendo una ragionevole capacità [67 N (15 libbre)] di forza, Spinta [58 N (13 lb)], risoluzione e velocità di picco [µm/s 0.9302 (0,00004 in / s)] e una precisione unidirezionale [25 µm (0,001 pollici)].
2. Margherita gli attuatori per sincronizzarli per un'applicazione uguale di estensione/retrazione.
3. Preparare un controller 24 V per fornire il guida movimento dell'attuatore; questi sistemi consentono un movimento lineare preciso tramite la rotazione di una vite, la vite madre.
4. Preparare due celle di carico con una capacità di forza massima di 44.5 N (10 lb). Selezionare un profilo basso o carico di contenitore in stile che è l'ideale per spazi ristretti.
5. Preparare il sistema di blocco ferroviario/trasporto. Preparare una rotaia e due carrozze; uno per tenere ogni attuatore. Perché acciaio si arrugginisce, selezionare materiale acciaio se il dispositivo sarà utilizzato per i materiali che necessitano di idratazione; per tutti gli altri scopi, l'acciaio è accettabile.
   Nota: Una vista esplosa del pianale con il blocco ferroviario/trasporto visualizzato in viola è fornita nella Figura 3.

2. costruzione del telaio

Nota: Per scopi esplicativi, la piattaforma è con codifica a colori nella grafica.

1. Preparare materiale di scorta in alluminio. Selezionare in alluminio per la sua economicità e facilità di lavorazione. Preparare entrambi piastra e ' stock a forma di L' angolo.
2. Preparare il brodo di materiale per apparecchi di macchina. Selezionare in plexiglass; è forte mentre leggero.

3. metallo Base e Assembly Side Plate (Frame)

1. Tagliare la piastra di base da stock di alluminio, assicurandosi che sia circa 64 x 15 x 1,3 cm (25 x 6 x 0,5 a). Ripulire i bordi nel mulino e tagliare la piastra di base per le sue dimensioni finali.
2. Macchina la piastra piatta nel mulino, secondo le specifiche fornite nel file supplementari.
3. Ammettilo, assicurando che l'aereo è livello.
4. Una traccia nella piastra di base per allineare le piastre laterali con una tolleranza di 0,0126 mm (0.0005 in) della macchina.
5. Le piastre laterali in base alle specifiche fornite nel file supplementari della macchina.
6. Forare e toccare le piastre laterali sulla loro faccia inferiore.
7. Montare le piastre laterali in posizione verticale in pista.
8. Fissare le piastre laterali alla piastra di base da sotto (Figura 4).

4. fissaggio gruppo Rail/carrello al telaio

1. Tracce di macchina nella faccia anteriore di ogni piastra laterale per consentire il montaggio del gruppo ferroviario/carrello secondo le specifiche fornite nei collegamenti disegno (Figura 5).
2. Fissare la rotaia alla traccia attraverso la clearance fori in treno via forato e sfruttato fori (per accogliere viti #10-32) in ogni piastra laterale.

5. rear Mount allegato degli attuatori

1. Macchina di montaggio posteriore allegati dalla ' stock a forma di L' angolo secondo le specifiche fornite nel file supplementari.
2. Un bar a fissare alla parte inferiore del Monte per servire come cava per chiavetta e guidarla in pista lavorata sul volto la piastra laterale secondo le specifiche fornite nel file supplementari della macchina. Avvitare la barra nella parte inferiore del Monte.
3. Praticare un foro passante nella base del supporto posteriore per la liquidazione di attuatore.
4. Fissare il supporto posteriore al corpo dell'attuatore tramite i fori nell'attuatore commerciale.
   Nota: Uno dei motivi per fare un montaggio posteriore è di eliminare la necessità di attaccare ripetutamente l'attuatore direttamente al telaio mediante viti metriche #2 piccole che vengono azione sugli attuatori. Il Monte Elimina la preoccupazione di spanare le filettature interne dell'attuatore con l'uso ripetuto.
5. Inserire la base del supporto per fissare il supporto posteriore attuatore per il telaio tramite due viti.
6. Forare e toccare una serie di fori (per accogliere viti #10-32) che fiancheggiano la pista sulla faccia anteriore delle piastre laterali per consentire un montaggio regolabile allegato se è auspicabile per ospitare gli esemplari di varie dimensioni.

6. Monte sternale di attuatori tramite connettori

Nota: L'attacco frontale è un ' pezzo a forma di L' che collega la parte anteriore dell'attuatore per il trasporto. L'attuatore non fisicamente in contatto il Monte; si aggancia tramite una serie di connettori che si estendono dalla punta dell'attuatore.

1. Macchina di montaggio frontale allegati dalla ' stock a forma di L' angolo secondo le specifiche fornite nel file supplementari.
2. Praticare un foro nella base del montaggio frontale per ospitare il connettore conico.
3. Macchina una traccia sul lato del Monte anteriore per accogliere un piatto.
4. Macchina la piastra con una pista per ospitare gli infissi.
5. Un alluminio, connettore cilindrico secondo le specifiche fornite nei collegamenti disegno della macchina. Questo adattatore si collega la cella di carico all'attuatore.
6. Forare e toccare il connettore per una vite metrica #2 sul lato attuatore e una vite metrica #6 sul lato di cella di carico per supportare il montaggio assiale e l'allineamento della cella di carico e attuatore.
7. Ripetere questo processo per due connettori identici, uno per ogni cella di carico della macchina.
8. Macchina in alluminio, conico, connettore cilindrico secondo specifiche fornite nei collegamenti disegno. Questo adattatore si collega la cella di carico per il materiale di fissaggio ed il trasporto.
9. Forare e toccare il connettore per il collegamento di cella di carico filettati su un'estremità.
10. Passare il cilindro nel foro del supporto attuatore anteriore e utilizza una vite per ancorare l'estremità del cilindro.
11. Duplicare il sistema per gli attuatori di destro e di sinistro.
    Nota: come indicato nella Figura 6, una volta assemblati, la base dell'attuatore è fissato rigidamente alla piastra laterale. La parte anteriore dell'attuatore è collegata al carrello e, come l'attuatore è esteso e retratto, il trasporto è spinto e tirato. Questo fornisce il quadro per l'apparecchio accessorio e caricamento del provino.

7. infissi

1. Macchina gli infissi secondo le specifiche fornite nel file supplementari (Figura 7).
2. Una fessura centrale, verticale nel titolare del dispositivo per contenere l'altezza della macchina.
3. Fissare i supporti anteriori attuatore alla piastra rettangolare con tre fori maschiati (per accogliere viti #10-32) allineati verticalmente al centro del piatto.
4. Alzare o abbassare il fermo come necessario, ad esempio, se viene utilizzato un bagno salino per test idratata e fissarlo con le viti.

8. procedura operativa:

1. Scarica il software di attuatore per controllare in remoto il dispositivo¹⁶.
2. Creare un collegamento tra il computer e il controller 24 V con un cavo di prolunga di PS/2 maschio--femmina 6-pin mini-din; ogni controller attuatore ha due collegamenti di cavo connettore 6-pin mini-din.
3. Utilizzare un convertitore di USB-a-6-pin mini-din per collegare gli attuatori a un computer standard; il convertitore contiene un'estremità di connettore femmina 6-pin mini-din e una porta di connessione USB.
4. Margherita gli attuatori affinché un cavo singolo computer è sufficiente per l'operazione, o in alternativa, utilizzare un adattatore HDMI al posto dell'adattatore USB.
5. Collegare gli attuatori per l'alimentazione a 24 V.
6. Una volta collegato e alimentato, selezionare i dispositivi e personalizzare le prestazioni dell'attuatore.
7. In alternativa, controllare gli attuatori manualmente tramite il selettore su ogni attuatore, che è utile per il set-up.
   Nota: Questo software è applicabile a qualsiasi sistema operativo standard. Con questo software, gli attuatori possono essere spostati a varie velocità a qualsiasi distanza impostata, sincronizzati ad una certa distanza o sincronizzati con a vicenda per muoversi all'unisono.

Risultati

Al fine di verificare l'utilizzo del sistema, prove di velocità e le prestazioni dell'azionatore sono stati condotti¹⁷. Questi test hanno consistito di misurare la velocità dell'azionatore e distanza rispetto ai valori di input. Per verificare l'esattezza di distanza di viaggio del campione, sono stati selezionati arbitrario percorrere distanze lungo l'asta tra 254-2540 µm (0,01 - 0,10 in). Il dispositivo è stato eseguito per queste distanze e rispetto alla dis...

Discussione

L'obiettivo di questo lavoro era di progettare e fabbricare un caricatore monoassiale affidabile e conveniente per l'uso con campioni su piccola scala come tessuto e fibre. Un dispositivo è stato costruito che soddisfaceva i requisiti stabiliti mentre anche essere abbastanza flessibile nella progettazione per consentire nuovi allegati da fabbricati come l'utente ha bisogno di crescere. Ad esempio, il dispositivo vi permetterà per la prova dei campioni di asciutti e bagnati in una configurazione monoassiale o fisso-fine...

Materiali

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