CN114279848A - 一种加载模块及便携式双轴原位拉伸试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴原位拉伸试验机的加载模块，包括上夹具、下夹具、左夹具、右夹具、左套盒、右套盒、传动机构和单驱动装置；上下夹具用于夹持待测试的试样的上下两端；左右夹具用于夹持试样的左右两端；左右夹具分别与上夹具滑动配合，左右夹具也分别与下夹具滑动配合；左夹具与左套盒内滑动连接，右夹具与右套盒内滑动连接；单驱动装置连接在左套盒或右套盒上，并与传动机构连接，传动机构分别与上下夹具连接，用于在单驱动装置的驱动下带动上下夹具同步在第一方向上运动，进而带动左右夹具同步在在第二方向上运动。本发明的加载模块具有自平衡校准和自对中功能，体积小、便携，具有很强的实用性，可用于多种测试场景中。

Description

一种加载模块及便携式双轴原位拉伸试验机

技术领域

本发明涉及机械设计、工程材料和柔性电子材料的测试领域，特别是一种加载模块及便携式双轴原位拉伸试验机。

背景技术

电子芯片封装和穿戴式电子正在蓬勃发展，方兴未艾。微电子芯片封装和第三代半导体芯片封装涉及多种封装材料和微结构，包括各种高分子材料薄膜、焊锡钎料、天线基板、印刷电路板、填充高分子材料、半导体芯片材料等。柔性电子集成的材料结构包括柔性底板、硅胶基薄膜、纺织材料结构等。先进的传感器涉及微米材料结构和纳米材料结构如石墨烯、纳米线、碳纳米管等。这些微电子和穿戴式电子的材料结构的最小特征尺寸在1毫米以下，常常在微纳米尺度。这些电子材料的力学性能往往与测试试样的尺寸相关，也与变形模式相关，甚至是各向异性。因此，传统的吨级试验机对这些材料的测试是大而笨重的，测试的灵敏度和精度比较低。

另一方面，科学研究希望实现原位加载变形和原位观察，记录这些微小电子材料和器件的力学、电学、和射频性能。传统试验机和一些市场上已经有的小型试验机一般都不能随测试仪器移动或放置于光学平台上。有进口的在电镜腔实现原位单向加载和测试的微小加载装置，不但昂贵，一般测量微小试样，试样空间非常狭小，测量范围也非常小。很多电子材料和高分子材料，如橡胶、薄膜、柔性基底等，在工作状态下往往处于复杂的多轴应力应变状态。为更准确地表征这些材料的力学性能，模拟其在不同应用环境下的服役状态，人们选择使用双轴拉伸取代单轴拉伸进行测试，优化材料结构，从而建立合理的本构模型和准确的模型参数，使之能够模拟柔性材料在实际所处的多轴应力状态，用以表征材料的力学性能。

但是，对于双轴拉伸来说，其结构较复杂，很难保证对待测试样进行自对中校准，也难以保证两个拉伸方向同步且共面。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种加载模块及便携式双轴原位拉伸试验机。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双轴原位拉伸试验机的加载模块，包括上夹具、下夹具、左夹具、右夹具、左套盒、右套盒、传动机构和单驱动装置；所述上夹具和所述下夹具用于夹持待测试的试样的上下两端；所述左夹具和所述右夹具用于夹持待测试的试样的左右两端；所述左夹具和所述右夹具分别与所述上夹具滑动配合，所述左夹具和所述右夹具也分别与所述下夹具滑动配合；所述左夹具与所述左套盒内滑动连接，所述右夹具与所述右套盒内滑动连接；所述单驱动装置连接在所述左套盒或所述右套盒上，并与所述传动机构连接，所述传动机构分别与所述上夹具和所述下夹具连接，用于在所述单驱动装置的驱动下带动所述上夹具和所述下夹具同步在第一方向上运动，进而带动所述左夹具和所述右夹具同步在与所述第一方向垂直的第二方向上运动，以用于对所述试样在相互垂直的两个方向上施加拉力。

优选地，所述上夹具和所述下夹具具有相同的结构，包括圆锥形的第一夹持部以及与所述第一夹持部连接的圆锥形连接部；所述左夹具和所述右夹具具有相同结构，包括平行的上滑轨和下滑轨，以及连接所述上滑轨和所述下滑轨的T型的第二夹持部；所述左夹具的上滑轨的侧面和所述右夹具的上滑轨的侧面分别与所述上夹具的第一夹持部的两个相对侧面滑动配合，所述左夹具的下滑轨的侧面和所述右夹具的下滑轨的侧面分别与所述下夹具的第一夹持部的两个相对侧面滑动配合；所述左夹具的上滑轨的顶面和下滑轨的底面分别与所述左套盒内滑动连接，所述右夹具的上滑轨的顶面和下滑轨的底面分别与所述右套盒内滑动连接；所述传动机构分别与所述上夹具的圆锥形连接部和所述下夹具的圆锥形连接部连接。

优选地，所述传动机构包括两个传动螺杆和传动套筒，所述两个传动螺杆的螺纹旋向相反，安装在所述传动套筒内，所述单驱动装置分别与所述两个传动螺杆连接，其中一个传动螺杆与所述上夹具的圆锥形连接部连接，另一个传动螺杆与所述下夹具的圆锥形连接部连接，在所述单驱动装置的驱动下，所述两个传动螺杆在所述传动套筒内进行同步反向运动。

优选地，所述单驱动装置为数控旋转驱动装置或者手动旋转驱动装置。

优选地，所述左夹具和所述右夹具分别与所述上夹具的滑动配合为具有预设配合角度的弧面配合，所述左夹具和所述右夹具分别与所述下夹具的滑动配合也为具有预设配合角度的弧面配合，所述预设配合角度在15度到75度范围内。

优选地，所述上夹具和所述下夹具均为中心剖分结构，剖分的两部分中心对称。试样

优选地，还包括上外壳和下外壳，所述上外壳与所述传动机构的一个传动螺杆连接，所述上外壳罩设在所述上夹具的圆锥形连接部外且所述上外壳与所述上夹具的圆锥形连接部具有圆锥形配合面；所述下外壳与所述传动机构的另一个传动螺杆连接，所述下外壳罩设在所述下夹具的圆锥形连接部外且所述下外壳与所述下夹具的圆锥形连接部具有圆锥形配合面；所述上滑轨和所述下滑轨内还安装有若干滚珠。

一种便携式双轴原位拉伸试验机，包括左支撑基座、右支撑基座和所述的加载模块，所述加载模块的所述左套盒连接在所述左支撑基座上，所述加载模块的所述右套盒连接在所述右支撑基座上。

优选地，还包括两个可旋转机构，所述左套盒通过一个可旋转机构连接在所述左支撑基座上，所述右套盒通过另一个可旋转机构连接在所述右支撑基座上。

优选地，通过所述可旋转机构，所述加载模块能够从垂直方向旋转90度到水平方向。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种小型化、便携式、原位(原位即拉伸中试样的中心不移动，可以进行微观观察等)同步、单驱动和自校准的双轴原位拉伸试验机的加载模块和试验机，本发明的加载模块通过单驱动带动双向原位拉伸，具体来说，左右夹具分别与左右套盒的内部滑动连接，在拉伸时相对于套盒运动，受到套盒的约束可以对试样保持自动平衡和对中，同时，左右夹具和上下夹具滑动配合，在单驱动装置的驱动下，传动机构带动上下夹具同步运动的同时可以进一步带动左右夹具也同步运动，以用于对所述试样在相互垂直的两个方向上施加拉力，由此，本发明的加载模块具有自平衡校准和自对中功能，在拉伸过程中，两个拉伸方向始终垂直且共面。

本发明的加载模块可单独使用，体积小、便携，具有很强的实用性，特别适合用于微电子材料与结构、柔性和可穿戴电子材料和结构、传感材料和结构的机械性能表征，并可以联合电子和射频进行性能测试，例如，可以将本发明的加载模块安装在天线测试暗室的云台上，测试单个天线或相控阵天线的在拉伸变形状态下的射频性能和辐射方向性能，也可以将本发明的加载模块连接在支撑基座上得到便携式双轴原位拉伸试验机而用于多种测试场景中。

附图说明

图1是本发明实施例中的便携式双轴原位拉伸试验机中加载模块在垂直方向的结构示意图；

图2是本发明实施例中的便携式双轴原位拉伸试验机中加载模块在水平方向的结构示意图；

图3是本发明实施例中的便携式双轴原位拉伸试验机的局部分解示意图；

图4是本发明实施例中的便携式双轴原位拉伸试验机的纵向拉伸结构的示意图；

图5是本发明实施例中的四个夹具夹持试样的结构示意图；

图6是本发明实施例中的加载模块的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1-6所示，便携式双轴原位拉伸试验机包括左支撑基座101、右支撑基座102和加载模块，加载模块包括上夹具、下夹具、左夹具、右夹具、左套盒104、右套盒105、传动机构和单驱动装置，上夹具和下夹具用于夹持待测试的试样119(试样一般国家试验标准为十字型试样，但不排除其他形状的试样，只要需要双向拉伸进行测试的试样均可)的上下两端，左夹具和右夹具用于夹持待测试的试样119的左右两端；左夹具和右夹具分别与上夹具滑动配合，左夹具和右夹具也分别与下夹具滑动配合；左夹具与左套盒内滑动连接，右夹具与右套盒内滑动连接；单驱动装置连接在左套盒或右套盒上，并与传动机构连接，传动机构分别与上夹具和下夹具连接，用于在单驱动装置的驱动下带动上夹具和下夹具同步在第一方向上运动，进而带动左夹具和右夹具同步在与第一方向垂直的第二方向上运动，以用于对试样在相互垂直的两个方向上施加拉力。

上夹具和下夹具具有相同的结构，上夹具和下夹具具有自对中特性并可以自动夹紧试样119的上下两端，具体来说上夹具包括圆锥形的第一夹持部115以及与第一夹持部115连接的圆锥形连接部132，下夹具包括圆锥形的第一夹持部116以及与第一夹持部116连接的圆锥形连接部133，上夹具和下夹具都为中心剖分结构，剖分的两部分中心对称，剖分的两部分可以通过螺栓进行连接固定以形成上/下夹具(例如，如图5所示，上夹具的剖分的两部分通过闷头螺栓130进行可拆卸连接，下夹具的剖分的两部分通过闷头螺栓131进行可拆卸连接)。

左夹具和右夹具具有自校准对中功能，左夹具和右夹具具有相同的E型结构，具体来说左夹具包括平行的上滑轨111和下滑轨113、连接上滑轨和下滑轨的T型的第二夹持部117，右夹具包括平行的上滑轨112和下滑轨114、以及连接上滑轨和下滑轨的T型的第二夹持部118，第二夹持部117、118也具有剖分结构，剖分的两部分可以通过螺栓进行拆装(例如，如图5所示，左夹具的第二夹持部117通过螺栓128进行可拆卸连接，右夹具的第二夹持部118通过螺栓129进行可拆卸连接)。左夹具的上滑轨111的侧面134和右夹具的上滑轨112的侧面134’分别与上夹具的第一夹持部115的两个相对侧面滑动配合(两个配合面为弧面配合且具有预设的配合角度，也即左夹具的上滑轨111的侧面134和右夹具的上滑轨112的侧面134’均为内凹的弧面，上夹具的第一夹持部115的两个相对侧面都是外凸的弧面，内凹的弧面与外凸的弧面配合形成滑动配合面)，左夹具的下滑轨113的侧面135和右夹具的下滑轨114的侧面135’分别与下夹具的第一夹持部116的两个相对侧面滑动配合(两个配合面为弧面配合且具有预设的配合角度，也即左夹具的下滑轨113的侧面135和右夹具的下滑轨114的侧面135’均为内凹的弧面，下夹具的第一夹持部116的两个相对侧面都是外凸的弧面，内凹的弧面与外凸的弧面配合形成滑动配合面)；左夹具的上滑轨111的顶面124和下滑轨113的底面126分别与左套盒104内滑动连接，也即，左套盒104内与左夹具的上滑轨111的顶面124和下滑轨113的底面126的接合处为导轨，使得左夹具可以在左套盒104内进行低摩擦滑动，右夹具的上滑轨112的顶面125和下滑轨114的底面127分别与右套盒105内滑动连接，也即，右套盒105内与右夹具的上滑轨112的顶面125和下滑轨114的底面127的接合处为导轨，使得右夹具可以在右套盒105内进行低摩擦滑动。在上滑轨和下滑轨内还可以安装有若干滚珠(未图示)。

拉伸过程中，左夹具和右夹具运动时，左右夹具、上下夹具和套盒相互约束，加载模块可以保持自动平衡校准和对中，以图6为例，当上夹具向上运动，下夹具向下运动时，带动左夹具向左运动，右夹具向右运动，左夹具的上滑轨111的侧面134与上夹具的第一夹持部115的侧面发生相对滑动，左夹具的下滑轨113的侧面135与下夹具的第一夹持部116的侧面发生相对滑动，同时，左夹具的上滑轨111的顶面124和下滑轨113的底面126在左套盒104内滑动，同理，右夹具的上滑轨112的侧面134’与上夹具的第一夹持部115的侧面发生相对滑动，右夹具的下滑轨114的侧面135’与下夹具的第一夹持部116的侧面发生相对滑动，同时，右夹具的上滑轨112的顶面125和下滑轨114的底面127在左套盒104内滑动，这些相互滑动的位置相互形成约束，可以保持自动平衡和对中，从而可以实现加载模块的自平衡校准和自对中功能。

单驱动装置通过施加旋转和扭矩来驱动传动机构，实现单驱动双向拉伸的功能，本例中，单驱动装置为数控旋转驱动装置，如图3-4所示，单驱动装置包括电机122和与电机122连接的固定支撑部123，固定支撑部123连接在右套盒105上；传动机构包括两个传动螺杆和传动套筒110，两个传动螺杆的螺纹旋向相反，也即一个是具有正螺纹的螺杆120，一个是具有反螺纹的螺杆121，两个螺杆的一端都安装在传动套筒110内，具有正螺纹的螺杆120的另一端与上夹具的圆锥形连接部132连接，具有反螺纹的螺杆121的另一端与下夹具的圆锥形连接部133连接，在本示例中，加载模块还包括上外壳108和下外壳109，上外壳108罩设在上夹具的圆锥形连接部132外，下外壳109罩设在下夹具的圆锥形连接部133外，正螺纹的螺杆120的另一端与上夹具的圆锥形连接部132通过上外壳108连接且上外壳108与上夹具的圆锥形连接部132具有圆锥形配合面，具有反螺纹的螺杆121的另一端与下夹具的圆锥形连接部133通过下外壳109连接且下外壳109与下夹具的圆锥形连接部133具有圆锥形配合面，也即，结合参考图4的纵向拉伸结构图，上外壳108连接正螺纹的螺杆120的另一端，上夹具的圆锥形连接部132设置在上外壳108内，下外壳109连接反螺纹的螺杆121的另一端，下夹具的圆锥形连接部133设置在下外壳109内，纵向拉伸时，通过圆锥形配合面以及夹具之间的弧面配合结合更有助于实现试样和夹具自动校准对中的功能。较优的是，上外壳108和下外壳109是透明的，也可以是双剖分结构，便于上下外壳和上下夹具的拆装，例如可以通过螺栓连接件将剖分的两部分结构进行连接。电机122分别与两个传动螺杆120、121连接，在电机122的驱动下，两个传动螺杆120、121在传动套筒110内进行同步反向运动，带动上夹具和下夹具在第一方向上同步(即上夹具和下夹具运动的位移是相等的)反向运动，即从图1看，上夹具在纵向(Y轴)上向上运动，下夹具在纵向上向下运动，进而带动左夹具和右夹具在第二方向上同步(即左夹具和右夹具运动的位移是相等的)反向运动，即从图1看，左夹具在横向(X轴)上向左运动，右夹具在横向上向右运动，以对试样119在相互垂直的两个方向上施加拉力，在拉伸过程中，两个拉伸方向始终垂直且共面，在其他示例中，单驱动装置还可以是手动旋转驱动装置，通过手动方式使得两个传动螺杆120、121在传动套筒110内进行同步反向运动。

左右夹具和上下夹具之间的配合面的配合角度在15度到75度范围内，根据角度的不同，可以实现等比例或可变比例的同步双轴原位拉伸。本例中，配合角度为45度，可以实现两个方向上1:1等比例发生位移(即，上下夹具运动的位移等于左右夹具运动的位移)，从而可以实现试样119的等比例、原位、同步双轴拉伸，在其他示例中，配合角度还可以是1度到89度范围内，优选15度到75度范围内的其他角度，从而可以实现试样119的可变比例、原位、同步双轴拉伸。

加载模块的左套盒104连接在左支撑基座101上，加载模块的右套盒105连接在右支撑基座102上，本示例中，左支撑基座101和右支撑基座102都为T型，但并不限于该形状，在其他示例中，还可以是别的形状，其足以支撑加载模块即可。

根据实际需要，可以将加载模块以需要的角度安装在左右支撑基座上，当然，在一些优选的示例中，如图1-2所示，也可以设置两个可旋转机构103，例如可以是可旋转的轴承或齿轮等机构，左套盒104通过一个可旋转机构103连接在左支撑基座101上，右套盒105通过另一个可旋转机构103(图中未示意)连接在右支撑基座102上，通过可旋转机构103，可以360°旋转用以改变加载模块的方向，以满足多种测试要求。较为优选的是，通过可旋转机构，加载模块可以在垂直方向(如图1)和水平方向(如图2)之间变换，以适应不同的场景需求，在很多测试场景中，试样119的水平测试是优选的测试方向，例如，带液体环境的生物材料样品，便于电子链接和射频馈电的电子材料样品等。

本发明的加载模块的设计尺寸可以根据测试试样的需要，进行比例放大或缩小，用以测试小试样到微型试样。另一方面，对测试弹性介质基底上或柔性电子电路板上集成的天线结构或相控阵天线阵列，本发明的加载模块可以安装在天线测试暗室的云台上，测试单个天线或相控阵天线的在拉伸变形状态下的射频性能和辐射方向性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双轴原位拉伸试验机的加载模块，其特征在于，包括上夹具、下夹具、左夹具、右夹具、左套盒、右套盒、传动机构和单驱动装置；

所述上夹具和所述下夹具用于夹持待测试的试样的上下两端，所述左夹具和所述右夹具用于夹持待测试的试样的左右两端；

所述左夹具和所述右夹具分别与所述上夹具滑动配合，所述左夹具和所述右夹具也分别与所述下夹具滑动配合；

所述左夹具与所述左套盒内滑动连接，所述右夹具与所述右套盒内滑动连接；

所述单驱动装置连接在所述左套盒或所述右套盒上，并与所述传动机构连接，所述传动机构分别与所述上夹具和所述下夹具连接，用于在所述单驱动装置的驱动下带动所述上夹具和所述下夹具同步在第一方向上运动，进而带动所述左夹具和所述右夹具同步在与所述第一方向垂直的第二方向上运动，以用于对所述试样在相互垂直的两个方向上施加拉力。

2.如权利要求1所述的加载模块，其特征在于：

所述上夹具和所述下夹具具有相同的结构，包括圆锥形的第一夹持部以及与所述第一夹持部连接的圆锥形连接部；

所述左夹具和所述右夹具具有相同结构，包括平行的上滑轨和下滑轨，以及连接所述上滑轨和所述下滑轨的T型的第二夹持部；

所述左夹具的上滑轨的侧面和所述右夹具的上滑轨的侧面分别与所述上夹具的第一夹持部的两个相对侧面滑动配合，所述左夹具的下滑轨的侧面和所述右夹具的下滑轨的侧面分别与所述下夹具的第一夹持部的两个相对侧面滑动配合；

所述左夹具的上滑轨的顶面和下滑轨的底面分别与所述左套盒内滑动连接，所述右夹具的上滑轨的顶面和下滑轨的底面分别与所述右套盒内滑动连接；

所述传动机构分别与所述上夹具的圆锥形连接部和所述下夹具的圆锥形连接部连接。

3.如权利要求2所述的加载模块，其特征在于，所述传动机构包括两个传动螺杆和传动套筒，所述两个传动螺杆的螺纹旋向相反，安装在所述传动套筒内，所述单驱动装置分别与所述两个传动螺杆连接，其中一个传动螺杆与所述上夹具的圆锥形连接部连接，另一个传动螺杆与所述下夹具的圆锥形连接部连接，在所述单驱动装置的驱动下，所述两个传动螺杆在所述传动套筒内进行同步反向运动。

4.如权利要求1或2所述的加载模块，其特征在于，所述单驱动装置为数控旋转驱动装置或者手动旋转驱动装置。

5.如权利要求2所述的加载模块，其特征在于，所述左夹具和所述右夹具分别与所述上夹具的滑动配合为具有预设配合角度的弧面配合，所述左夹具和所述右夹具分别与所述下夹具的滑动配合也为具有预设配合角度的弧面配合，所述预设配合角度在15度到75度范围内。

6.如权利要求2所述的加载模块，其特征在于，所述上夹具和所述下夹具均为中心剖分结构，剖分的两部分中心对称。

7.如权利要求2所述的加载模块，其特征在于，还包括上外壳和下外壳，所述上外壳与所述传动机构的一个传动螺杆连接，所述上外壳罩设在所述上夹具的圆锥形连接部外且所述上外壳与所述上夹具的圆锥形连接部具有圆锥形配合面；所述下外壳与所述传动机构的另一个传动螺杆连接，所述下外壳罩设在所述下夹具的圆锥形连接部外且所述下外壳与所述下夹具的圆锥形连接部具有圆锥形配合面；所述上滑轨和所述下滑轨内还安装有若干滚珠。

8.一种便携式双轴原位拉伸试验机，其特征在于，包括左支撑基座、右支撑基座和权利要求1-7任意一项所述的加载模块，所述加载模块的所述左套盒连接在所述左支撑基座上，所述加载模块的所述右套盒连接在所述右支撑基座上。

9.如权利要求8所述的便携式双轴原位拉伸试验机，其特征在于，还包括两个可旋转机构，所述左套盒通过一个可旋转机构连接在所述左支撑基座上，所述右套盒通过另一个可旋转机构连接在所述右支撑基座上。

10.如权利要求9所述的便携式双轴原位拉伸试验机，其特征在于，通过所述可旋转机构，所述加载模块能够从垂直方向旋转90度到水平方向。

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