CN103308408A

CN103308408A - 生物医用植入材料摩擦磨损测试装置

Info

Publication number: CN103308408A
Application number: CN2013101844489A
Authority: CN
Inventors: 华子恺; 范永威
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: CN103308408B

Abstract

本发明涉及一种生物医用植入材料摩擦磨损测试装置，包括机台框架模块、连接块、运动模块、X挡板、Y挡板、加载模块、轮辐式传感器和销导向模块，机台框架模块通过连接块与运动模块相连，加载模块固定于机台框架模块上，加载模块施加载荷作用于机台框架模块的平衡梁上，销导向模块上端固定轮辐式传感器，轮辐式传感器与平衡梁通过螺纹连接固定；X挡板一端固定于平衡梁上，另一端与销导向模块的X方向相连；Y挡板一端固定于加载模块上，另一端与销导向模块的Y方向相连。本发明的测试装置能够针对生物医用外科植入材料摩擦磨损性能进行测试与评定，支持多样品同时测量，具有测试效率高、制造成本低，且易于操作等特点。

Description

生物医用植入材料摩擦磨损测试装置

技术领域

本发明涉及一种分析测试平台，特别是一种生物医用植入材料摩擦磨损测试装置。

背景技术

生物医用植入材料主要用于修复或替换人体组织及器官的重要材料，是人工关节、骨科修复、种植牙等医用外科植入器械的制造原材料，对于人类健康工程具有重要意义且潜在市场价值巨大。

植入人体的外科植入器械基本存在非生物体与非生物体、非生物体与生物体等形式的摩擦界面，而由于摩擦所产生的磨损、磨粒等问题直接影响植入器械的实际使用寿命，摩擦磨损性能因此成为生物医用植入材料的一个关键指标。所以在生物医用材料的研发与生产中，应对其摩擦学性能进行前道测试与评定，在材料层面对其摩擦磨损性能进行分析，有利于完善制造过程中的质量控制体系。

现有材料摩擦磨损测试装置，例如销/球盘测试，因其操作便捷、试验干扰因素少，已被广泛使用于摩擦学基础研究之中，相关操作也已标准化。但是，对于矫形外科等生物医用材料而言，传统销盘测试结果与临床实际情况差异较大，以生物医用塑料材料为例，传统销盘测试中由于单一运动会导致材料分子定向堆积，直接导致测试磨损率远低于实际临床使用，无法得到合理的磨损性能预判。因此，现有摩擦磨损测试装置尚不能满足对于测试条件有特殊要求的生物医用材料的摩擦磨损性能的评定要求，且大部分装置只针对单个样品测试，技术方案不够理想。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种生物医用植入材料摩擦磨损测试装置，该装置具有多运动合成、不同运动轨迹拟合的功能，从而在摩擦界面间形成复合运动；同时提供变载荷加载；支持多样品组同时测试；能够在线测试摩擦力等信号；具有操作便捷干扰因素少等特点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物医用植入材料摩擦磨损测试装置，包括机台框架模块、连接块、运动模块、X挡板、Y挡板、加载模块、轮辐式传感器和销导向模块，所述机台框架模块通过连接块与运动模块相连，所述加载模块固定于机台框架模块上，加载模块施加载荷作用于机台框架模块的平衡梁上，所述销导向模块上端固定轮辐式传感器，轮辐式传感器与平衡梁通过螺纹连接固定；X挡板一端固定于平衡梁上，另一端与销导向模块的X方向相连；Y挡板一端固定于加载模块上，另一端与销导向模块的Y方向相连。

所述机台框架模块包括底座，两个滚珠丝杠，两个步进电机，螺纹平板，两个立柱，中型直线导轨和插槽块和平衡梁，所述两个滚珠丝杠垂直叠放固定在所述底座上，每个滚珠丝杠的一端连接一个步进电机，上部滚珠丝杠的上端连接螺纹平板，螺纹平板的上端连接连接块，两个立柱分别固定于底座上，两个中型直线导轨分别固定在两个立柱一侧，中型直线导轨上固定有插槽块，插槽块与平衡梁相连。

所述运动模块包括运动托盘，防尘罩，偏卡箍，套杯，主卡箍和测试用盘；运动托盘的下端连接连接块，所述主卡箍通过螺纹连接固定在运动托盘上，主卡箍两边与偏卡箍通过螺纹连接，六个套杯通过主卡箍和偏卡箍夹紧，套杯的底部是测试用盘，二者紧配合，套杯用来盛放润滑液，防尘罩固定在运动托盘的外围，防止灰尘进入运动模块内部，并作为挡板存放一定量的水，保持运动模块处于一定的温度。

所述销导向模块包括测试用销，销夹具，平板，上微型导轨，下滑块，上滑块，连接平板，薄板，力传感器，下微型导轨，所述轮辐式压力传感器下端与连接平板相连，连接平板的另一面上安装有两个平行放置的上微型导轨，上微型导轨与上滑块组配形成滑动副；上滑块一端与薄板连接，薄板另一面上安装有两个平行放置的下滑块，下滑块的安装方向与上滑块垂直，并通过下微型导轨与平板相连，平板下端螺纹固定六个销夹具，测试用销垂直紧固于销夹具之上，平板两侧分别连接一个力传感器，两个力传感器另一端通过分通过X挡块、Y挡板与机台框架模块和加载模块相连。

所述加载模块包括端盖，缸体，悬臂梁，螺栓，滑块，第二步进电机，丝杠系统，压缩弹簧和推杆，所述悬臂梁通过螺栓连接缸体，缸体内放置一个压缩弹簧，压缩弹簧的一端抵住缸体，另一端抵住推杆，推杆滑动安装于缸体内，缸体由端盖封闭，悬臂梁右端通过滑块连接在丝杠系统上，丝杠系统由第二步进电机驱动。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

该装置能在不同润滑条件下，适用于不同材料，能够实现摩擦副（销/球盘）之间相对运动方向实时改变，且具备摩擦力直接采集的摩擦学试验装置，可以方便的调节所施加力的大小，可以同时夹持6个销，从而使得出的结果具有统计学意义。

附图说明

图1是本发明的测试装置结构3D装配图。

图2是本发明的机台框架模块结构图。

图3是运动模块结构图。

图4是销导向模块结构图。

图5是加载模块结构图。

具体实施方案

现将参照附图更充分地描述本发明，附图中表示了本发明的一个优选实施例。

如图1所示，一种生物医用植入材料摩擦磨损测试装置，包括机台框架模块1、连接块2、运动模块3、X挡板4、Y挡板5、加载模块6、轮辐式传感器8和销导向模块9，其特征在于，所述机台框架模块1通过连接块2与运动模块3相连，所述加载模块6固定于机台框架模块1上，加载模块6施加载荷作用于机台框架模块1的平衡梁7上，所述销导向模块9上端固定轮辐式传感器8，轮辐式传感器8与平衡梁7通过螺纹连接固定；X挡板4一端固定于平衡梁7上，另一端与销导向模块9的X方向相连；Y挡板5一端固定于加载模块6上，另一端与销导向模块9的Y方向相连。

如图2所示，所述机台框架模块1包括底座16，两个滚珠丝杠15，两个步进电机10，螺纹平板11，两个立柱12，中型直线导轨13和插槽块14和平衡梁7，所述两个滚珠丝杠15垂直叠放固定在所述底座16上，每个滚珠丝杠15的一端连接一个步进电机10，上部滚珠丝杠15的上端连接螺纹平板11，螺纹平板11的上端连接连接块2，两个立柱12分别固定于底座16上，两个中型直线导轨13分别固定在两个立柱12一侧，中型直线导轨13上固定有插槽块14，插槽块14与平衡梁7相连。

如图3所示，所述运动模块3包括运动托盘17，防尘罩18，偏卡箍19，套杯20，主卡箍21和测试用盘22；运动托盘17的下端连接连接块2，所述主卡箍21通过螺纹连接固定在运动托盘17上，主卡箍21两边与偏卡箍19通过螺纹连接，六个套杯20通过主卡箍21和偏卡箍19夹紧，套杯20的底部是测试用盘22，二者紧配合，套杯20用来盛放润滑液，防尘罩18固定在运动托盘17的外围，防止灰尘进入运动模块3内部，并作为挡板存放一定量的水，保持运动模块3处于一定的温度。

如图4所示，所述销导向模块9包括测试用销23，销夹具24，平板25，上微型导轨26，下滑块27，上滑块28，连接平板29，薄板30，力传感器31，下微型导轨32，所述轮辐式压力传感器8下端与连接平板29相连，连接平板29的另一面上安装有两个平行放置的上微型导轨26，上微型导轨26与上滑块28组配形成滑动副；上滑块28一端与薄板30连接，薄板30另一面上安装有两个平行放置的下滑块27，下滑块27的安装方向与上滑块28垂直，并通过下微型导轨32与平板25相连，平板25下端螺纹固定六个销夹具24，测试用销23垂直紧固于销夹具24之上，平板25两侧分别连接一个力传感器31，两个力传感器31另一端分别通过X挡块4、Y挡板5与机台框架模块1和加载模块6相连。

如图5所示，所述加载模块6包括端盖33，缸体34，悬臂梁35，螺栓36，滑块37，第二步进电机38，丝杠系统39，压缩弹簧40和推杆41，所述悬臂梁35通过螺栓36连接缸体34，缸体34内放置一个压缩弹簧40，压缩弹簧40的一端抵住缸体34，另一端抵住推杆41，推杆41滑动安装于缸体34内，缸体34由端盖33封闭，悬臂梁35右端通过滑块37连接在丝杠系统39上，丝杠系统39由第二步进电机38驱动。

本发明的工作原理如下：通过数控系统输入信号给步进电机10，步进电机10带动两个滚珠丝杠15以及其上面的螺纹平板11一起运动，运动托盘17也通过连接块2相应的随之在X、Y平面运动，测试用盘22被套杯20固定，与运动托盘17一起运动。加载时，第二步进电机38驱动丝杠系统39，丝杠系统39通过滑块37带动悬臂梁35运动，压缩弹簧40的下端是推杆41，压缩弹簧40推动推杆41向下运动，通过改变压缩弹簧40的压缩量来改变施加载荷的大小，推杆41下端与平衡梁7接触，从而将载荷作用在平衡梁7上，使平衡梁7沿着中型直线导轨13向下运动，位于平衡梁7下端的轮辐式压力传感器8随其一起运动，向下运动的距离与加载模块6所施加的载荷对压缩弹簧40造成的形变有关。轮辐式压力传感器8所连接的销导向模块9中的测试用销23在受到轴向载荷的同时测试用盘22里做相对运动。测试用销23的相对运动产生摩擦力，与平板的X、Y方向相连的力传感器31因摩擦力产生拉压变形。

Claims

1.一种生物医用植入材料摩擦磨损测试装置，包括机台框架模块（1）、连接块（2）、运动模块（3）、X挡板（4）、Y挡板（5）、加载模块（6）、轮辐式传感器（8）和销导向模块（9），其特征在于，所述机台框架模块（1）通过连接块（2）与运动模块（3）相连，所述加载模块（6）固定于机台框架模块（1）上，加载模块（6）施加载荷作用于机台框架模块（1）的平衡梁（7）上，所述销导向模块（9）上端固定轮辐式传感器（8），轮辐式传感器（8）与平衡梁（7）通过螺纹连接固定；X挡板（4）一端固定于平衡梁（7）上，另一端与销导向模块（9）的X方向相连；Y挡板（5）一端固定于加载模块（6）上，另一端与销导向模块（9）的Y方向相连。

2.根据权利要求1所述的生物医用植入材料摩擦磨损测试装置，其特征在于，所述机台框架模块（1）包括底座（16），两个滚珠丝杠（15），两个步进电机（10），螺纹平板（11），两个立柱（12），中型直线导轨（13）和插槽块（14）和平衡梁（7），所述两个滚珠丝杠（15）垂直叠放固定在所述底座（16）上，每个滚珠丝杠（15）的一端连接一个步进电机（10），上部滚珠丝杠（15）的上端连接螺纹平板（11），螺纹平板（11）的上端连接连接块（2），两个立柱（12）分别固定于底座（16）上，两个中型直线导轨（13）分别固定在两个立柱（12）一侧，中型直线导轨（13）上固定有插槽块（14），插槽块（14）与平衡梁（7）相连。

3.根据权利要求1所述的生物医用植入材料摩擦磨损测试装置，其特征在于，所述运动模块（3）包括运动托盘（17），防尘罩（18），偏卡箍（19），套杯（20），主卡箍（21）和测试用盘（22）；运动托盘（17）的下端连接连接块（2），所述主卡箍（21）通过螺纹连接固定在运动托盘（17）上，主卡箍（21）两边与偏卡箍（19）通过螺纹连接，六个套杯（20）通过主卡箍（21）和偏卡箍（19）夹紧，套杯（20）的底部是测试用盘（22），二者紧配合，套杯（20）用来盛放润滑液，防尘罩（18）固定在运动托盘（17）的外围，防止灰尘进入运动模块（3）内部，并作为挡板存放一定量的水，保持运动模块（3）处于一定的温度。

4.根据权利要求1所述的生物医用植入材料摩擦磨损测试装置，其特征在于，所述销导向模块（9）包括测试用销（23），销夹具（24），平板（25），上微型导轨（26），下滑块（27），上滑块（28），连接平板（29），薄板（30），力传感器（31），下微型导轨（32），所述轮辐式压力传感器（8）下端与连接平板（29）相连，连接平板（29）的另一面上安装有两个平行放置的上微型导轨（26），上微型导轨（26）与上滑块（28）组配形成滑动副；上滑块（28）一端与薄板（30）连接，薄板（30）另一面上安装有两个平行放置的下滑块（27），下滑块（27）的安装方向与上滑块（28）垂直，并通过下微型导轨（32）与平板（25）相连，平板（25）下端螺纹固定六个销夹具（24），测试用销（23）垂直紧固于销夹具（24）之上，平板（25）两侧分别连接一个力传感器（31），两个力传感器（31）另一端通过分通过X挡块（4）、Y挡板（5）与机台框架模块（1）和加载模块（6）相连。

5.根据权利要求1所述的生物医用植入材料摩擦磨损测试装置，其特征在于，所述加载模块（6）包括端盖（33），缸体（34），悬臂梁（35），螺栓（36），滑块（37），第二步进电机（38），丝杠系统（39），压缩弹簧（40）和推杆（41），所述悬臂梁（35）通过螺栓（36）连接缸体（34），缸体（34）内放置一个压缩弹簧（40），压缩弹簧（40）的一端抵住缸体（34），另一端抵住推杆（41），推杆（41）滑动安装于缸体（34）内，缸体（34）由端盖（33）封闭，悬臂梁（35）右端通过滑块（37）连接在丝杠系统（39）上，丝杠系统（39）由第二步进电机（38）驱动。