Aplicação de aspectos do Design no desenvolvimento de máquina de carregamento Uniaxial

Resumo

Aqui nós apresentamos um protocolo para desenvolver uma máquina de carregamento uniaxial puro. Aspectos de concepção crítica são empregados para garantir resultados de testes precisos e reprodutíveis.

Resumo

Em termos exatos e precisos testes mecânicos, máquinas executar o continuum. Considerando que as plataformas comerciais oferecem excelente precisão, podem ser financeiramente inviável, muitas vezes um preço na faixa de preço de US $100.000 - $200.000. No outro extremo são dispositivos autônomos manuais que muitas vezes falta de repetibilidade e precisão (por exemplo, um dispositivo manual de manivela). No entanto, se uma única utilização é indicada, é excesso engenharia para projeto e máquina algo excessivamente elaborado. Todavia, há ocasiões onde as máquinas são projetadas e construídas internamente para realizar um movimento não atingível com as máquinas existentes no laboratório. Descrito em detalhes aqui, é um tal dispositivo. É uma plataforma de carregamento que permite o carregamento uniaxial puro. Máquinas de carregamento padrão normalmente são biaxial carregamento linear ao longo do eixo e o carregamento giratório ocorre sobre o eixo. Durante o teste com estas máquinas, uma carga é aplicada a uma extremidade da amostra, enquanto a outra extremidade permanece fixa. Estes sistemas não são capazes de conduzir testes axial pura em que tensão/compressão é aplicada igualmente para as extremidades do espécime. A plataforma desenvolvida neste artigo permite que o igual e oposta a carregar de espécimes. Enquanto ele pode ser usado para compressão, aqui o foco é sobre a sua utilização em pura elasticidade a carregar. O dispositivo inclui células de carga comercial e atuadores (motores) e, como é o caso com máquinas construídas internamente, um frame é usinado para segurar as peças comerciais e dispositivos elétricos para testes.

Introdução

Teste mecânico tem uma história interessante que pode ser rastreada até Equipamento desenvolvido por Stanley Rockwell no início do século XX de ensaio de dureza. Enquanto a tecnologia tem crescido na medida em que práticas padrão, documentadas tudo guia de verificação do desempenho da máquina para as orientações para a realização de testes específicos^{1,2,3, 4}. hoje, os ensaios mecânicos são conduzidos em tudo, desde materiais como concreto, aço e madeira, alimentos e têxtil produtos^5,6,7,8,9 . Dado que os campos da engenharia biomédica e, mais especificamente, biomecânica utilizam testes mecânicos, máquinas de carregamento são comuns em laboratórios de biomecânica.

Carregamento de máquinas executadas o intervalo de escala em biomecânica. Por exemplo, máquinas de carregamento maiores podem ser usadas para realizar estudos de impacto de corpo inteiro ou determinar propriedades mecânicas femorais humanas, enquanto a menor carga de máquinas podem ser usadas para testar murino ossos ou estimular células^{10,11, 12,13,14}. Dois tipos de máquinas de carregamento são encontrados no laboratório de testes; aqueles que são adquiridos comercialmente e aqueles que são criados pelo usuário. Máquinas de carregamento desenvolvidas em casa muitas vezes são favorecidas por suas opções de personalização e customização¹⁵.

Em testes, um espécime é garantido na máquina para que um deslocamento pode ser aplicado, gerando uma força mensurável. Se a carga for usada como o feedback de condução, o teste é controlado por carga; Se o deslocamento for usado como o feedback de condução, o teste é controlado por deslocamento. Máquinas de carregamento, em geral, são construídas sobre um quadro que se conecta a um motor a um suporte fixo. Como tal, testes geralmente envolve uma extremidade da amostra sendo movida enquanto do outro lado permanece fixo.

Mostrado na Figura 1 é um esboço de uma máquina de carregamento simples demonstrando seus componentes básicos. Fundamental para todas as máquinas de carregamento é uma base ou quadro. Considerando que a grande maioria das marcas comerciais utiliza uma base fixa, o desenho retrata uma plataforma que permite planar movimento (XY). O motor, neste caso, é a parte superior do braço que contém uma célula de carga e é impulsionado por um motor de passo. Anexado ao quadro são os dispositivos elétricos que detém o espécime e ditam o tipo de teste que é executado. Na figura são dispositivos elétricos de curva de três pontos. A fixação superior (o único contato) é montada com o braço em movimento; a fixação do fundo (o contato duplo) é montada na base estacionária. Durante os testes, o motor conduz a fixação superior para baixo, para onde o contact center contrata o espécime. Como o contato se envolve o espécime, célula de carga registra o aumento na resistência ou a força colocada sobre o espécime.

Há ocasiões onde as máquinas são projetadas e construídas internamente para realizar um movimento não atingível com as máquinas existentes no laboratório. Aqui descrevemos detalhadamente um tal dispositivo. É uma plataforma de carregamento que permite puro espécime uniaxial carregando ou igual e oposta de movimento em ambas as extremidades. O dispositivo inclui células de carga comercial e atuadores (motores); um frame é usinado para segurar as peças comerciais e dispositivos elétricos de carregamento para a amostra de teste. Compreender os princípios básicos da construção de máquina testes pode auxiliar na concepção da própria máquina. Temos desde os arquivos de desenho que criamos como ponto de partida para ajudar os investigadores com seu próprio desenvolvimento de máquina. O vídeo irá focar a montagem do dispositivo e a aplicação dos princípios de projeto mecânico para garantir o alinhamento e teste de confiança.

Protocolo

Nota: O dispositivo acabado é mostrado na Figura 2. O dispositivo permite testes uniaxial puro de espécimes na posição horizontal.

1. componentes

1. Prepare dois atuadores programáveis com uma viagem de 30 mm (1,2 pol) por atuador capaz de 60 mm (2,3 pol) de abrangência quando programado para puxar/empurrar juntos. Para acomodar uma variedade de usos potenciais, selecionados atuadores tendo uma razoável força capacidade [67 N (15 lb)], impulso [58 N (13 lb)], resolução de velocidade de pico [µm/s 0.9302 (0.00004 no / s)] e uma precisão unidirecional [25 µm (0,001 pol)].
2. Cascata os atuadores para sincronizá-los para um aplicativo igual de extensão/retração.
3. Preparar um controlador V 24 para fornecer o movimento de condução para o atuador; Estes sistemas permitem um movimento linear preciso pela rotação de um parafuso, o leadscrew.
4. Prepare duas células de carga com capacidade máxima de força de 44,5 N (10 lb). Selecione um perfil baixo ou carga de cilindro-estilo que é ideal para espaços confinados.
5. Prepare o sistema de bloco ferroviário/transporte. Preparar um trilho e duas carruagens; um para segurar cada atuador. Porque aço oxidará, selecionar material de aço inoxidável, se o dispositivo será utilizado para materiais que necessitam de hidratação; para todos os outros efeitos, o aço é aceitável.
   Nota: Uma vista explodida da plataforma de carregamento com o bloco ferroviário/transporte mostrado em roxo é fornecida na Figura 3.

2. construção do quadro

Nota: Para fins de exposição, a plataforma é Color-coded em gráficos.

1. Prepare material de estoque de alumínio. Selecione o alumínio por sua relação custo-eficácia e facilidade de usinagem. Preparar a placa de ambos e ' estoque de ângulo em forma de L'.
2. Prepare o estoque de material para dispositivos elétricos da máquina. Selecione o plexiglass; é forte, ao mesmo tempo leve.

3. metal Base e o lado de montagem de placa (Frame)

1. Cortar a placa de base do estoque de alumínio, certificando-se que é cerca de 64 x 15 x 1,3 cm (25 x 6 x 0,5 polegadas). Limpar as bordas no moinho e cortar a placa de base para suas dimensões finais.
2. Máquina a placa plana no moinho, de acordo com as especificações fornecidas nos arquivos suplementares.
3. Enfrentá-lo, garantindo que o avião é de nível.
4. Uma trilha na placa de base para alinhar as placas laterais, com uma tolerância de 0,0126 mm (0,0005 polegadas) da máquina.
5. As placas laterais de acordo com especificações fornecidas nos arquivos suplementares da máquina.
6. Perfurar e explorar as placas laterais na sua face inferior.
7. Monte as placas de lado verticais na pista.
8. Fixe as placas laterais na base de baixo (Figura 4).

4. anexar o trilho/transporte da Assembleia para o quadro

1. Trilhas de máquina na face frontal de cada placa lateral para permitir a montagem do conjunto do trilho/transporte de acordo com as especificações fornecidas nos links desenho (Figura 5).
2. Fixe o trilho para a pista com o afastamento de buracos no trilho através de perfuraram e bateu furos (para acomodar os parafusos #10-32) em cada placa lateral.

5. acessório de montagem traseira os accionadores

1. Máquina de montagem traseira anexos do ' estoque em forma de L' ângulo de acordo com as especificações fornecidas nos arquivos suplementares.
2. Um bar para anexar a parte inferior do monte para servir como um rasgo de chaveta e montá-lo na faixa usinada na face a placa de acordo com as especificações fornecidas nos arquivos suplementares da máquina. Aparafuse a barra na parte inferior do monte.
3. Fazer um furo na base do Monte traseira para o apuramento do atuador.
4. Anexe a montagem traseira ao corpo do atuador através o teste padrão de furo no atuador comercial.
   Nota: Um motivo para fazer uma montagem traseira é eliminar a necessidade de anexar repetidamente o atuador diretamente ao frame usando os pequeno #2 parafusos métricos que vêm estoque sobre os atuadores. A montagem elimina a preocupação de descascar os fios internos do atuador com uso repetido.
5. Ranhura na base do monte para anexar o suporte traseiro do atuador para os quadro através de dois parafusos.
6. Perfurar e explorar uma série de buracos (para acomodar os parafusos #10-32) flanqueando a faixa na face frontal das placas de lado para permitir um acessório de montagem ajustável se é desejável para acomodar amostras de tamanhos variados.

6. front Mount fixação dos atuadores através de conectores

Nota: A montagem frontal é uma ' peça em forma de L' que atribui a frente do atuador para o transporte. O atuador não contacta fisicamente a montagem; que atribui através de uma série de conectores que se estendem da ponta do atuador.

1. Máquina de montagem frontal anexos do ' estoque em forma de L' ângulo de acordo com as especificações fornecidas nos arquivos suplementares.
2. Faça um furo na base do Monte da frente para acomodar o conector cônico.
3. Uma faixa no lado do monte para acomodar uma placa dianteiro da máquina.
4. A placa com uma faixa para acomodar os dispositivos elétricos da máquina.
5. Um alumínio, conector cilíndrico de acordo com as especificações fornecidas nos links desenho da máquina. Este adaptador se conecta a célula de carga para o atuador.
6. Perfurar e toque o conector para um parafuso métrico #2 na extremidade do atuador e um parafuso métrico #6 na extremidade de célula de carga para suportar a montagem axial e o alinhamento da célula de carga e atuador.
7. Repita este processo para dois conectores idênticos, um para cada célula de carga da máquina.
8. Máquina de alumínio, afilado, conector cilíndrico de acordo com especificações fornecidas no desenho links. Este adaptador se conecta a célula de carga para a instalação e o transporte.
9. Perfurar e toque o conector para a conexão de célula de carga rosca em uma extremidade.
10. Passe o cilindro no orifício de montagem da frente do atuador e usar um conjunto de parafusos para fixar a extremidade do cilindro.
11. Duplica o sistema para os atuadores de direito e esquerdos.
    Nota: como mostrado na Figura 6, uma vez montada, a base do atuador rigidamente consta a placa. A frente do atuador é anexada ao transporte e, como o atuador é estendido e retraído, o transporte é empurrado e puxado. Isto fornece o quadro para o acessório de fixação e amostra de carregamento.

7. dispositivos elétricos

1. Os dispositivos elétricos de acordo com as especificações fornecidas nos arquivos suplementares (Figura 7) da máquina.
2. Uma slot vertical central no suporte de fixação para acomodar a altura da máquina.
3. Anexe montagens frente à placa retangular com três furos perfurados e roscados (para acomodar os parafusos #10-32) o atuador alinhadas verticalmente no centro da placa.
4. Levantar ou abaixar o titular, se necessário, por exemplo, se um banho de solução salina para testes hidratado está sendo usado e fixar com parafusos.

8. procedimento de operação:

1. Baixe o software do atuador para controlar remotamente o dispositivo de¹⁶.
2. Criar uma ligação entre o computador e o controlador de 24 V com um cabo de extensão de PS/2 do mini-DIN de 6 pinos macho-fêmea; cada controlador de atuador tem dois links de cabo de conector mini-DIN de 6 pinos.
3. Usar um conversor de mini-din USB-para-6-pinos para conectar os atuadores para um computador padrão; o conversor contém uma extremidade do conector fêmea mini-DIN de 6 pinos e uma porta de conexão USB.
4. Cascata os atuadores para que um cabo único computador é suficiente para a operação, ou alternativamente, usar um adaptador HDMI no lugar do adaptador USB.
5. Conecte os atuadores para fonte de alimentação de 24 V.
6. Uma vez conectado e alimentado, selecione os dispositivos e personalizar o desempenho do atuador.
7. Como alternativa, controle os atuadores manualmente através do mostrador em cada atuador, que é útil para a afinação.
   Nota: Este software é aplicável para qualquer sistema operacional padrão. Com este software, os atuadores podem ser mudou-se em velocidades diferentes para qualquer distância definida, sincronizados a uma distância definida ou sincronizados um com o outro para mover-se em uníssono.

Resultados

A fim de verificar a utilização do sistema, testes de velocidade e desempenho do atuador foram realizados¹⁷. Estes testes consistiam em medir a velocidade do atuador e a distância em comparação com os valores de entrada. Para verificar a precisão de distância de viagem de amostra, distâncias de viagens arbitrário ao longo do eixo entre 2540-254 µm (0,01 - 0,10 pol) foram selecionadas. O dispositivo foi executado para estas distâncias e em comparação co...

Discussão

O objetivo deste trabalho foi projetar e fabricar um carregador uniaxial econômico e confiável para seu uso com amostras em pequena escala, tais como tecidos e fibras. Um dispositivo foi construído que atendidos os requisitos estabelecidos, apesar de também ser flexível o suficiente no projeto para permitir novos anexos para ser fabricado como o usuário precisa crescer. Por exemplo, o dispositivo permitirá para o teste de espécimes de secos e molhados em uma configuração uniaxial ou fixo-final.

Materiais

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