PL228066B1 - Urzadzenie do dwuosiowego rozciagania próbek biologicznych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do dwuosiowego rozciągania próbek biologicznych, badanych metodą mikroskopii świetlnej, w celu oznaczenia właściwości mechanicznych badanego materiału oraz wykrycia zmian zachodzących w jego strukturze, w świetle przechodzącym lub odbitym.

Znane z radzieckiego zgłoszenia patentowego nr SU913138 urządzenie do prób wytrzymałościowych, przez dwuosiowe rozciąganie próbek, zawiera korpus, uchwyty na próbkę, układ napędowy uchwytów, układ doprowadzający napęd, dynamometry, połączone z uchwytami, wyróżniające się przybliżonymi do eksploatacyjnych warunkami testowania materiału. Rozciąganie realizowane jest poprzez siłownik pneumatyczny dzięki dźwigniom, przegubowo przymocowanym do obudowy oraz regulatory deformacji wzorca i regulatory prędkości obciążenia.

Z polskiego patentu PL182309, znane jest urządzenie do rozciągania próbek polimerów, składające się z zespołu do rozciągania próbek połączonego z elektrycznym układem napędowym oraz statywu. Urządzenie zawiera prowadnice bierną i czynną, na których umieszczone są przesuwnie szczęki zakończone zaciskami do mocowania próbki. Prowadnica czynna połączona jest z układem napędowym poprzez reduktor obrotów i przekładnię ślimakową. Prowadnica, bierna i czynna, oraz układ napędowy osadzone są na wspornikach pionowym i poziomym, połączonych z podstawą urządzenia. Statyw ustawiony jest swobodnie na tym samym stole, na którym znajduje się mikroskop.

Przyrząd do badania wytrzymałości w złożonym stanie obciążenia znany z innego polskiego opisu patentowego PL186264, odznacza się tym, że jego korpus podzielony na dwie części linią podziału, przechodzącą przez środek ciężkości przyrządu osadzony jest w prowadnicach i ma na obwodzie wykonane otwory, których ilość i rozstaw zależny jest od wymiarów próbki i dokładności badań.

Urządzenie do dwuosiowego rozciągania znane z chińskiego opisu patentowego nr CN 102507320 charakteryzuje się tym, że jeden silnik poprzez zastosowanie specjalnego przestrzennego mechanizmu napędza szczęki mocujące próbkę w obu wzajemnie prostopadłych kierunkach rozciągania. Urządzenie ma obudowę w kształcie krzyża a ruch szczęk wymuszany jest napędem liniowym, którego przesuw odbywa się wzdłuż osi prostopadłej do płaszczyzny rozciągania.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma cztery układy napędowe szczęk, po dwa w każdej osi rozciągania, połączone z czterema szczękami, których napędy podłączone są do układu sterowania. Każda ze szczęk umocowana jest w sankach osadzonych w układzie napędowym szczęk i swobodnie przesuwana jest w kierunku prostopadłym do ruchu sanek i do odpowiadającej im osi rozciągania. Każdy z układów napędowych szczęk jest niezależny pod względem mechanicznym oraz składa się z prowadnicy o przekroju kołowym, umocowanej w płycie nośnej i osadzonych na niej przesuwnie sanek, napędzanych śrubą pociągową, na których utwierdzona jest prowadnica poprzeczna, na której umocowana jest przesuwnie szczęka chwytająca próbkę, przy czym kierunek ruchu szczęki jest prostopadły względem kierunku ruchu sanek. Korzystnie jedna szczęka dla każdej osi rozciągania połączona jest z prowadnicami poprzecznymi poprzez czujnik siły.

Dla każdej pary szczęk ruch sanek wzdłużny w kierunku rozciągania, wraz ze szczęką chwytającą jest wymuszany toczną śrubą pociągową, współpracującą z nakrętką osadzoną w sankach, przy czym szczęki mają możliwość swobodnego ruchu postępowego w kierunku prostopadłym do odpowiadającej im osi rozciągania. Oba końce śruby pociągowej wymuszającej ruch sań wzdłużnych osadzone są obrotowo w płycie nośnej. Napęd śruby realizowany jest poprzez silnik elektryczny wypos ażony w enkoder, zintegrowany z przekładnią redukcyjną, której wał jest połączony ze śrubą pociągową poprzez przekładnię zębatą. Ruch postępowy szczęki chwytającej w kierunku rozciągania jest wym uszany obrotem śruby pociągowej. Podstawowym zadaniem każdego układu napędowego jest zamiana ruchu obrotowego silnika na ruch prostoliniowy sanek i umocowanych w nich przesuwnie szczęk chwytających próbkę, przemieszczanych w kierunku poprzecznym do odpowiadających im osi rozciągania.

Istotną cechą urządzenia jest swobodny przesuw poprzeczny szczęk względem odpowiadającej im osi rozciągania podczas dwuosiowego rozciągania próbki.

Korzystnie, wszystkie układy napędowe podłączone są do wspólnego sterownika elektronic znego, do którego podłączone są czujniki położenia (enkodery) oraz czujniki siły.

Korzystnie, jedna szczęka chwytająca w każdej z dwóch osi rozciągania jest połączona z sankami poprzez czujnik siły.

Korzystnie, przebieg zmian prędkości sanek jest kształtowany według dowolnej charakterystyki, generowanej w układzie sterowania napędami.

PL 228 066 B1

Urządzenie umożliwia wykonywanie badań strukturalnych próbek tkanek miękkich lub innych materiałów biologicznych, podczas ich rozciągania, metodą mikroskopii optycznej. Zastosowanie śruby tocznej w urządzeniu pozwala na uzyskanie wysokiej dokładności pozycjonowania i powtarzalności ruchu sanek, co ma szczególne znaczenie przy zmianie kierunku obrotów wału silnika.

Zastosowanie czterech silników współpracujących z układem sterowania US daje możliwość pozycjonowania punktu środkowego próbki przed rozpoczęciem rozciągania, jak również pozwala na dowolne kształtowanie prędkości poszczególnych szczęk mocujących próbkę, co jest bardzo istotne przy badaniu materiałów niejednorodnych.

Zaletą urządzenia jest wyeliminowanie wpływu dodatkowych naprężeń stycznych, podczas dwuosiowego rozciągania próbek, cechujących się niejednorodnymi własnościami w różnych obszarach. Dodatkową zaletą jest to, że w urządzeniu możliwe jest niezależne sterowanie ruchem poszczególnych szczęk.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest objaśniony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schematycznie urządzenie do dwuosiowego rozciągania próbek, Fig. 2 - przedstawia próbkę zamocowaną w szczękach i przygotowaną do rozciągania, Fig. 3 - deformację rozciąganej próbki dla jednakowej prędkości szczęk, przy założeniu, że niejednorodność własności występuje tylko przy rozciąganiu w kierunku Y - pionowym, natomiast deformacja próbki na kierunku X jest w pełni symetryczna. Dodatkowo na Fig. 4 - przedstawiono deformację próbki podczas rozciągania przy tych samych założeniach jak na Fig. 3 w urządzeniu należącym do stanu technik i bez przesuwnych szczęk, w celu porównania z działaniem urządzenia według wynalazku.

P r z y k ł a d

Urządzenie do dwuosiowego rozciągania próbek biologicznych, badanych metodą mikroskopii świetlnej, wyposażone jest w cztery układy napędowe szczęk mocujących próbkę osadzone na płycie nośnej 1, łączonej ze stolikiem mikroskopu. Układy napędowe szczęk są rozstawione symetrycznie co 90°. Środkowa część płyty nośnej posiada kwadratowy otwór, przez który próbki zamocowane w szczękach 2a, 2b, 2c i 2d oświetlane są światłem mikroskopu. Szczęka 2a osadzona jest przesunie za pomocą dwóch równoległych łożysk wzdłużnych w prowadnicach poprzecznych 3a osadzonych trwale w sankach 4a, przy czym przesuw szczęki względem prowadnic poprzecznych jest swobodny i odbywa się w kierunku prostopadłym do ruchu sanek 4a. Dla jednej osi rozciągania przesuw sanek 4a i 4b odbywa się wzdłuż przyporządkowanych im prowadnic 5a i 5b osadzonych trwale w płycie nośnej 1 za pomocą odpowiednich elementów mocujących. W sankach 4a znajduje się nakrętka 6a, połączona z toczną śrubą pociągową 7a, która osadzona jest obustronnie obrotowo na płycie nośnej 1. Przy czym jeden koniec śruby 7a jest połączony trwale z wałem przekładni redukcyjnej 8a, a ta z kolei zintegrowana jest z silnikiem elektrycznym 9a, wyposażonym w czujnik położenia kątowego wału enkoder. Analogiczna jest budowa pozostałych trzech układów napędowych dla szczęk 2b, 2c i 2d. Przy czym dla każdej osi rozciągania jedna ze szczęk 2a i 2d jest połączona z odpowiadającymi im sankami 3a i 3b, poprzez czujniki siły 10a i 10d.

Zasadniczym zadaniem urządzenia jest wygenerowanie dla każdej osi żądanego przebiegu w ydłużenia rozciąganej próbki w czasie. Wymaga to rozsunięcia każdej pary szczęk, które jest wymuszane ruchem obrotowym silników. Prędkość kątowa każdego z silników ω₁, ω₂, ω₃ i ω₄, a co za tym idzie również prędkość każdej szczęki v₁, v₂, v₃, v₄ zadawana jest w układzie sterowania US. Pomiar położenia szczęk wzdłuż każdej osi rozciągania obliczany jest w układzie sterowania US na podstawie sygnałów położenia wałów silników φ₁, φ₂, φ₃, i φ₄ odczytywanych z enkoderów oraz skoku śruby tocznej. Na podstawie tych informacji określana jest zmiana długości próbki w każdej z osi rozciągania. Informacja o wartości siły rozciągającej dla każdej osi rozciągania w danej chwili uzyskiwana jest z czujnika siły, który przekazuje odpowiednie sygnały do układu sterowania US.

W celu porównania spektrum działania urządzenia według wynalazku z urządzeniem należącym do stanu techniki, na Fig. 3 uwidoczniono deformację rozciąganej próbki dla jednakowej prędk ości szczęk, przy założeniu, że niejednorodność własności występuje tylko przy rozciąganiu w kierunku Y - pionowym, natomiast deformacja próbki na kierunku X jest w pełni symetryczna. Założenia te przyjęto na potrzeby wyjaśnienia istoty działania urządzenia według wynalazku. Fig. 4 uwidacznia deformację próbki, przy tych samych założeniach jak na Fig. 3 w urządzeniu bez przesuwnych szczęk, dla przypadku wystąpienia niejednorodności własności próbki tylko w kierunku Y, w urządzeniu w którym szczęki przemieszczające się w kierunku X zdolne są do wygenerowania sił rozciągania próbki, które nie są prostopadłe do osi rozciągania Y. Dzięki zastosowaniu szczęk o swobodnym przesuwie poprzecznym względem osi rozciągania X, uwidocznionym na Fig. 3, wygenerowana siła z

PL 228 066 B1 jaką próbka jest rozciągana przez szczęki przemieszczające się w kierunku X, nie posiada składowej wzdłuż osi Y.

Wykaz oznaczeń na rysunku:

- płyta nośna

2a, 2b, 2c i 2d - szczęki chwytne

3a, 3b, 3c i 3d - prowadnice poprzeczne

4a, 4b, 4c i 4d - sanki

5a, 5b, 5c i 5d - prowadnice wzdłużne

6a, 6b, 6c i 6d - nakrętki w sankach

7a, 7b, 7c i 7d - toczne śruby pociągowe

8a, 8b, 8c i 8d - przekładnie redukcyjne

9a, 9b, 9c i 9d - silniki elektryczne

10a i 10b - czujniki siły

Claims (4)

1. Urządzenie do dwuosiowego rozciągania próbek biologicznych, zawierające szczęki do mocowania próbek i układ napędowy, znamienne tym, że wyposażone jest w podłączone do układu sterowania (US), cztery układy napędowe szczęk, po dwa w każdej osi rozciągania, połączone z czterema szczękami (2a, 2b, 2c i 2d), z których każda umocowana jest w odpowiadających jej sankach (4a, 4b, 4c i 4d) osadzonych w układzie napędowym szczęk i ma możliwość swobodnego przesuwu w kierunku prostopadłym do ruchu sanek i do osi rozciągania, przy czym każdy z układów napędowych szczęk jest niezależny pod względem m echanicznym oraz składa się z prowadnicy wzdłużnej (5a, 5b, 5c i 5d) o przekroju kołowym, umocowanej w płycie nośnej (1) i osadzonych na niej przesuwnie sanek, napędzanych śrubą pociągową (7a, 7b, 7c i 7d), na których utwierdzona jest prostopadle do ich ruchu prowadnica poprzeczna (3a, 3b, 3d i 3d), na której umocowana jest przesuwnie szczęka (2a, 2b, 2c i 2d) chwytająca próbkę.

2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że jedna ze szczęk (2a i 2d) dla każdej osi rozciągania połączona jest z prowadnicami poprzecznymi (3a i 3d) poprzez czujniki siły (10a i 10b).

3. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że przesuw każdej z czterech szczęk (2a, 2b, 2c i 2d) jest zadawany niezależnie i generowany w układzie sterowania (US).

4. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że w płycie (1) w części środkowej wykonany jest otwór, korzystnie kwadratowy.