Name: application of design aspects in uniaxial loading machine development
Uploaded: 2018-09-19T14:00:00
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这项工作得到了国立研究所健康 NIDCR [DE022664] 的支持。

注意: 完成的设备如图 2所示。该装置使试样在水平位置进行纯单轴测试。
1. 零部件
<ol><li>准备两个可编程的执行器, 每个驱动器30毫米 (1.2 英寸) 的行程, 可以跨越60毫米 (2.3 英寸), 当编程拉/推一起。为了适应各种潜在的用途, 选择具有合理力能力的执行器 [67 n (15 磅)], 峰值推力 [58 n (13 磅)], 速度分辨率 [0.9302 µm/秒 (0.00004 in/秒)] 和单向精度 [25 µm (0.001 i...

<ol>
	<li>. ASTM E4-16. Standard practices for force verification of testing machines Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2016)</li><li>. ASTM E2309/E2309M-16. Standard practices for verification of displacement measuring systems and devices used in materials testing machines Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2016)</li><li>. ASTM E2428-15a. Standard practice for calibration and verification of torque transducers Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2015)</li><li>. ASTM E2624-17. Standard practice for torque calibration of testing machines Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2017)</li><li>. ASTM C39 &#8211; Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2018)</li><li>. ASTM A370-17a. Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2017)</li><li>. ASTM D4761-13. 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H., Zalzal, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+biomechanics+of+human+femurs+in+axial+and+torsional+loading:+comparison+of+finite+element+analysis,+human+cadaveric+femurs,+and+synthetic+femurs.">The biomechanics of human femurs in axial and torsional loading: comparison of finite element analysis, human cadaveric femurs, and synthetic femurs.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 129 (1), 12-19 (2007).</li><li>Poulet, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intermittent+applied+mechanical+loading+induces+subchondral+bone+thickening+that+may+be+intensified+locally+by+contiguous+articular+cartilage+lesions.">Intermittent applied mechanical loading induces subchondral bone thickening that may be intensified locally by contiguous articular cartilage lesions.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 23 (6), 940-948 (2015).</li><li>Li, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Osteoblasts+subjected+to+mechanical+strain+inhibit+osteoclastic+differentiation+and+bone+resorption+in+a+co-culture+system.">Osteoblasts subjected to mechanical strain inhibit osteoclastic differentiation and bone resorption in a co-culture system.</a> Annals of Biomedical Engineering. 41 (10), 2056-2066 (2013).</li><li>Huang, A. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+use+of+a+novel+bioreactor+for+regeneration+of+biaxially+stretched+tissue-engineered+vessels.">Design and use of a novel bioreactor for regeneration of biaxially stretched tissue-engineered vessels.</a> Tissue Engineering. Part C, Methods. 21 (8), 841-851 (2015).</li><li>Keyes, J. T., Haskett, D. G., Utzinger, U., Azhar, M., Van de Geest, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptation+of+a+planar+microbiaxial+optomechanical+device+for+the+tubular+biaxial+microstructural+and+macroscopic+characterization+of+small+vascular+tissues.">Adaptation of a planar microbiaxial optomechanical device for the tubular biaxial microstructural and macroscopic characterization of small vascular tissues.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 133 (7), 075001 (2011).</li><li>Brown, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Techniques+for+mechanical+stimulation+of+cells+in+vitro:+A+review.">Techniques for mechanical stimulation of cells in vitro: A review.</a> Journal of Biomechanics. 33 (1), 3-14 (2000).</li><li>. Zaber Console software download Available from: <a target="_blank" href="https://www.zaber.com/zaber-software">https://www.zaber.com/zaber-software</a> (2018)</li><li>King, J. D., York, S. L., Saunders, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design,+fabrication+and+characterization+of+a+pure+uniaxial+microloading+system+for+biologic+testing.">Design, fabrication and characterization of a pure uniaxial microloading system for biologic testing.</a> Medical Engineering and Physics. 38 (4), 411-416 (2016).</li><li>Saunders, M. M., Donahue, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+cost-effective+loading+machine+for+biomechanical+evaluation+of+mouse+transgenic+models.">Development of a cost-effective loading machine for biomechanical evaluation of mouse transgenic models.</a> Medical Engineering and Physics. 26 (7), 595-603 (2004).</li></ol>

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...

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。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="590">
	<tbody>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Power supply, 24 V DC 2.5 A out, 100-240 V AC in, plug for North America&#160;</td>
			<td style="width:88px;">Zaber Technologies inc</td>
			<td style="width:119px;">PS05-24V25</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">6 pin mini din-male to female PS/2 extension cable</td>
			<td style="width:88px;">Zaber Technologies inc</td>
			<td style="width:119px;">T-DC06</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="65">
			<td height="65" style="height:65px;width:216px;">Stepper motor controller, 2 phase</td>
			<td style="width:88px;">Zaber Technologies inc</td>
			<td style="width:119px;">A-MCA</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="60">
			<td height="60" style="height:60px;width:216px;">Linear actuator, NEMA size 11, 30 mm travel, 58 N maximum continuous thrust</td>
			<td style="width:88px;">Zaber Technologies inc</td>
			<td>NA11B30</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Corrosion resistant maintenance-Free Ball Bearing Carriages and Guide Rails</td>
			<td style="width:88px;">McMaster-Carr</td>
			<td>9184T31</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">6061-t6 Aluminum Stock</td>
			<td style="width:88px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Plexiglas Stock</td>
			<td style="width:88px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Canister load cell, 4.5N</td>
			<td style="width:88px;">Honeywell Sensotec</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">USB to 6 pin mini-din</td>
			<td style="width:88px;">Universal&#160;</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

application of design aspects in uniaxial loading machine development

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。

为了验证系统的使用情况, 对执行器的速度和性能测试进行了17。这些测试包括测量执行器的速度和距离与输入值的比较。为了验证样品的行程距离精度, 选择了沿轴 254-2540 µm (0.01-0.10) 之间的任意行程距离。该装置运行到这些距离, 并与实际距离测量使用的标尺块和千分计的组合。所选择的距离代表了 1%-10% 应变率, 通常用于细胞测试。距离测试的结果显?...

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Application of Design Aspects in Uniaxial Loading Machine Development

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。

设计方面在单轴加载机开发中的应用

In terms of accurate and precise mechanical testing, machines run the continuum. Whereas commercial platforms offer excellent accuracy, they can be ...

本视频中的信息旨在解释开发机械装载平台的一些更重要的方面。这些信息适用于可能有兴趣开发自己的平台但不熟悉所涉及的一些基本原则的研究人员。本视频旨在演示开发可靠测试平台所涉及的两个关键功能，特别是可重复的组装和拆卸以及准确的校准。展示平台的组装将是罗比·托纳先生。罗比·托纳最近在阿克伦大学获得了他的本科学位，来自生物力学领域的生物医学工程系。目标是组装测试设备。下面是一个组装设备的示例，该设备有两个执行器、称重传感器和一个框架来支持它们。收集部件以构造设备。使用两个可编程执行器，每个执行器行程为 30 毫米，协同工作时为 60 毫米。菊花链执行器，以同步它们，实现相等的延伸和缩回。接下来，准备两个适合狭小空间的称重单元。为了支撑执行器，请为每个执行器准备一个滑车以及一个导轨。使用铝材创建底座。切一块到适当的尺寸，并使用磨机根据规格对板材进行加工。根据规格加工两个侧板。两者应相互镜像，并且应各有一个槽和钻孔来容纳导轨。钻头并敲击侧板的底部面。将侧板安装在底座上的履带中。确保导轨的安装点彼此靠近。将侧板从下方固定到底板。接下来，使用其间隙孔和每个侧板的钻孔将导轨固定到轨道。完成后，导轨连接两个侧板，滑到导轨上。继续使用执行器的支座。使用 L 形库存加工后安装附件和杆连接到安装底部。这将创建一个用于在轨道中对齐的键。将杆拧入安装座底部。此时，获取实验的选定执行器。使用执行器中的孔型板将后支座连接到执行器的主体。侧板上的孔系列允许调整安装位置。将底座的底座插入机架以连接后执行器。使用两个螺钉固定它。复制步骤以在每个侧板上安装执行器。获取用于支撑执行器前部的部件。其中一部分是 L 形件，带锥形连接器的孔。其侧面是一个轨道，以适应一个板。此履带的板还具有用于适应夹具并确保对齐的轨道。加工铝圆柱形零件以连接称重传感器和执行器。加工铝锥形圆柱形零件，将称重电池连接到夹具和滑车。将气缸穿过前执行器支座的孔，并使用固定螺钉固定气缸端。现在，使用前支座的夹具。对于垂直调整，机器在夹具架中设置中央垂直槽。将执行器前部支座连接到矩形侧板，其中心有垂直对齐的孔。下面是一侧前支座的已完成组件。复制安装设备左侧和右侧执行器的步骤。这些是具有代表性的数据集，从负载测试打结 25.4 毫米 2-0 缝合，直到失败。灰色破折号曲线表示此协议中描述的设备的结果，使用 0.61 毫米/秒的加载速率。黑色曲线表示使用双加载速率或 1.22 毫米/秒的固定端设备的结果。在所有测试中，故障发生在结，测量显示设备之间没有统计差异。在设计装载机时，设计时始终牢记对齐。专注于对齐将确保您的结果是可重复和准确的，并且您正在适当地测试您的样本。在此视频中，我们尝试演示了设计装载机的一些更重要的方面。如果您了解其中一些基本原则，可以将它们应用于开发平台，以满足您自己的测试需求。

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