面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机及方法

技术领域

本发明属于离体皮肤组织力学性能实验技术领域，具体涉及一种面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机及方法。

背景技术

由于皮肤组织是非均匀材料，其性能具有多样、各向异性、非线性和黏弹性的特点，影响皮肤力学性能的因素是众多的，例如年龄、性别、在人体上的位置、水化作用、PH值、相对湿度以及一天中的不同时间段，以及不同个体之间皮肤性能的适应性和可变性，使得皮肤表现出非常复杂的力学行为。因此，仅仅采用传统的单向拉伸试验方法所获取的材料性能进行皮肤变形行为的相关研究远远不够，而挖掘皮肤双向加载力学性能，并进而确立精确的材料模型迫在眉睫。

采用十字形试件进行双向拉伸试验是近几年发展起来的研究各向异性板料变形行为的实验方法，该方法通过控制两轴的载荷或位移大小，使中心区处于不同的应力应变状态，从而得到不同加载路径下双拉区的任意屈服点，目前成为该领域的研究热点。

现有的双向拉压试验机，主要是基于液压控制的双向拉压试验机，具有拉伸试验精确控制难、装置的复杂程度较高、试验机现场卫生条件差等诸多问题。

另外，温度是影响皮肤性能的重要影响因素，如何将被拉伸离体皮肤置于一个密闭环境箱，且可根据实验要求灵活调节环境箱内温度的问题备受关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机及方法，以解决上述技术问题。

本发明提供了一种面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机，包括环境箱、底座、x正向拉伸机构、x负向拉伸机构、y正向拉伸机构、y负向拉伸机构；所述x正向拉伸机构、x负向拉伸机构、y正向拉伸机构、y负向拉伸机构的结构相同；

所述x正向拉伸机构、x负向拉伸机构、y正向拉伸机构及y负向拉伸机构呈十字形排列固定在底座上；

所述底座包括中心床身、x正向周边床身、x负向周边床身、y正向周边床身、y负向周边床身；所述x正向拉伸机构固定在所述x正向床身的上面；所述x负向拉伸机构固定在所述x负向上床身的上面；所述y正向拉伸机构固定在所述y正向床身的上面；所述y负向拉伸机构固定在y负向床身的上面；

所述中心床身包括中心底座盖板及中心底座，所述中心底座盖板设于所述中心底座之上；所述x正向周边床身、x负向周边床身、y正向周边床身、y负向周边床身结构相同，由周边床身底座构成；

所述环境箱包括环境箱箱体及环境箱密封门；所述环境箱箱体固定在所述中心底座盖板上；所述环境箱箱体内设有环境箱控制系统、冷风管及热风管；

所述x正向拉伸机构包括x正向拉伸模组，所述x正向拉伸模组包括拉伸筒；所述环境箱箱体四面开有圆孔，所述圆孔允许所述拉伸筒在所述环境箱内沿所在轴水平运动，保证环境箱相对密闭。

进一步地，所述中心底座及周边床身底座设有用于调整所述中心底座及周边床身底座水平度的水平调节地脚。

进一步地，所述x正向拉伸机构还包括x正向丝杠模组、x正向线性滑轨副、拉伸座、拉力传感器、拉拉力传感器安装座、丝母座连接板；

所述x正向丝杠模组包括伺服电机A、电机A安装座、伺服弹性联轴器、第一丝杆支撑座、伺服电机B、丝母座、电机B安装座、同步带、上同步带轮、下同步带轮、拖链、滚珠丝杠、第二丝杆支撑座；

所述x正向拉伸模组还包括夹具连接板、夹具；

所述x正向线性滑轨副包括导轨、滑块；

所述伺服电机A通过螺栓与所述伺服弹性联轴器的一端相连；所述伺服弹性联轴器的另一端通过键与所述滚珠丝杠相连接；所述伺服电机B通过键与所述下同步带轮相连接，以带动同步带使上同步带轮实现转动，随之带动丝母使滚珠丝杠转动，实现动力的传输；所述第一丝杆支撑座固定在丝杠安装板下面；所述第二丝杆支撑座固定在底板上，所述滚珠丝杠的端面装配到第二丝杆支撑座上，通过所述第二丝杆支撑座支撑所述滚珠丝杠；锁紧螺母将滚珠丝杠游动端与第二丝杆支撑座固定；所述第一丝杆支撑座装配到所述滚珠丝杠上，并通过丝杠安装板与所述x正向线性滑轨副相连；

所述拉伸筒过螺钉与所述夹具连接板相连；所述拉伸筒通过螺钉与所述拉伸座相连，用于通过所述拉伸座带动所述拉伸筒在x方向运动；

所述x正向线性滑轨副通过滑块紧定块与所述拉伸座、拉力传感器安装座相连；所述拉力传感器安装座通过螺钉与所述丝母座连接板相连，用于通过所述滚珠丝杠带动所述拉力传感器安装座在所述x正向线性滑轨副上沿x方向运动。

进一步地，所述x正向拉伸机构还包括接近开关，所述接近开关通过螺钉安装在所述x正向线性滑轨副的侧边，用于控制滑块的安全位置。

进一步地，所述x正向拉伸机构还包括用于测量夹具位移的行程槽。

本发明还提供了应用权利所述的双向拉伸试验机的双向拉伸方法，包括以下步骤：

步骤S1，x正向拉伸机构的夹具、x负向拉伸机构的夹具、y正向拉伸机构的夹具、y负向拉伸机构的夹具分别夹紧被试验试件的四个夹持边；

步骤S2，上位机的输入端分别与各个拉伸机构的拉力传感器、行程开关以及环境箱控制系统；上位机的输出端分别与各个拉伸机构的伺服电机连接；

步骤S3，在上位机界面设置初始参数，包括：载荷、各个拉伸机构的伺服电机转速、环境箱温度；

步骤S4，上位机按初始参数，控制环境箱温度变化，并驱动各个拉伸机构的伺服电机动作，在伺服电机的驱动下，对试件进行双向拉伸，即：同时向x正向、x负向、y正向、y负向拉伸试件；并且，在对试件进行双向拉伸的过程中，各个拉伸机构的拉力传感器实时检测到试件所受拉力的变化信息，并实时将试件所受拉力的变化信息上传到上位机，由上位机进行保存；另外，在对试件进行双向拉伸的过程中，两个接近开关实时检测滑块是否达到最短行程和最长行程，进而控制各个拉伸机构的运动范围，保证试验安全性；

上位机通过关联分析试件所受拉力的变化信息以及滑台的位置变化信息，得到被测试件的双向拉伸性能。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1)4组拉伸机构围绕中心座呈“十”字形排列。底座均为焊接形式，强度高、刚度大。

2)整机为独立四轴结构，各轴均由独立的伺服电机驱动。不仅可实现十字试件的双轴同步等比例拉伸，也可实现十字试件的双轴变比例拉伸以及单拉试件的原位同步拉伸。

3)各轴均采用导轨布置，保证了试验过程整机的高刚度高精度。

4)拉伸筒为方形，刚度高并利于密封。

5)夹头拆卸方便灵活，可根据试件材质、形状的不同而进行更换。

6)配有高低温环境箱，可根据试验要求灵活调节环境箱内温度，温度的升降速度灵活可调。环境箱配有除霜系统，可保证低温环境下，箱体壁面不结霜。

7)各轴均有零点、正限位，试验结束时夹头自动回复原位。

8)采用高精度拉力传感器(数据采集精度可达0.03％)，保证拉力的测量精度。

9)使用接近开关来限制拉伸机构的行程以及起点的位置。

10)可实现力、位移数据的采集处理及显示与存储功能。

11)可实现力、位移两种控制方式。

附图说明

图1是本发明面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机的立体结构示意图；

图2是本发明面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机的整体俯视图；

图3是本发明面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机底座主视图；

图4是本发明拉伸机构主视图；

图5是本发明丝杠模组俯视图；

图6是本发明拉伸机构左视图一；

图7是本发明拉伸机构左视图二。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本实施例提供的面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机，能够完成在配备加热装置的条件下，基于交流伺服电机的高精度控制进行正交双轴的变比例/变应变率双向拉伸试验，也可进行单向拉伸、压缩试验。

参图1、图3所示，该面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机包括环境箱、底座、x正向拉伸机构3-1、x负向拉伸机构3-2、y正向拉伸机构3-3、y负向拉伸机构3-4；4个拉伸机构由底座固定，且成十字形圆周排列。环境箱包括箱体1-1及环境箱密封门1-2。该试验机可以进行正交双轴的变比例/变应变率双向拉伸试验，也可进行单向拉伸、压缩试验；配备加热装置，可实现高温环境下离体皮肤组织的双拉试验；具有载荷控制、位移控制以及应变控制等功能。

下面分别对底座和拉伸机构进行详细介绍：

(一)底座与环境箱

结合图1、图2，为本发明提供的面向离体皮肤组织力学性能测试的双向拉伸试验机的立体结构示意图，底座包括中心床身、x正向周边床身、x负向周边床身、y正向周边床身、y负向周边床身；环境箱箱体1-1固定在中心床身上。

中心床身包括中心底座盖板2-1与中心底座2-2；

结合图3，中心底座2-2及周边床身底座2-3设有水平调节地脚2-4；水平调节地脚2-4分别安装在x正向周边床身、x负向周边床身、y正向周边床身、y负向周边床身，用于调整底座的水平度。

(二)拉伸机构

结合图1，x正向拉伸机构3-1、x负向拉伸机构3-2、y正向拉伸机构3-3和y负向拉伸机构3-4呈十字形排列固定在底座上。

x正向拉伸机构3-1固定在x正向床身的上面；x负向拉伸机构3-2固定在x负向上床身的上面；y正向拉伸机构3-3固定在y正向床身的上面；y负向拉伸机构3-4固定在y负向床身的上面。

x正向拉伸机构3-1、x负向拉伸机构3-2、y正向拉伸机构3-3、y负向拉伸机构3-4的结构相同。下面仅以x正向拉伸机构为例进行介绍：

结合图4至图7，为本发明拉伸机构主视图，包括x正向丝杠模组、x正向拉伸模组、x正向线性滑轨、前拉伸座3-1-1、拉力传感器3-1-2、拉力传感器安装座3-1-3、丝母座连接板3-1-4。

对于所述x正向丝杠模组，包括：伺服电机A 3-1-5、电机A安装座3-1-6、伺服弹性联轴器3-1-7、第一丝杆支撑座3-1-8、伺服电机B 3-1-9、丝母座3-1-10、电机B安装座3-1-11、同步带3-1-12、上同步带轮3-1-20、下同步带轮3-1-21、拖链3-1-13、滚珠丝杠3-1-14、第二丝杆支撑座3-1-15；对于所述x正向拉伸模组，包括：拉伸筒3-1-16、夹具连接板3-1-17、夹具3-1-18、锁紧螺母3-1-19；对于所述x正向线性滑轨副，包括：导轨3-1-22、滑块3-1-23。

对于所述x正向丝杠模组，伺服电机A 3-1-5通过螺栓与伺服弹性联轴器3-1-7的一端相连；伺服弹性联轴器3-1-7的另一端通过键与滚珠丝杠3-1-14相连接；同时，伺服电机B 3-1-9通过键与下带轮3-1-21相连接，以带动同步带轮3-1-12使上带轮3-1-20实现转动，随之带动丝母使滚珠丝杠3-1-14转动，实现动力的传输；第一丝杆支撑座3-1-8固定在丝杠安装板3-1-24下；第二丝杆支撑座3-1-15固定在底板上，滚珠丝杠3-1-14的端面装配到第二丝杆支撑座3-1-15上，锁紧螺母3-1-19将滚珠丝杠3-1-14游动端与第二丝杆支撑座3-1-15固定；通过第二丝杆支撑座3-1-15支撑滚珠丝杠3-1-14；第一丝杆支撑座3-1-8装配到滚珠丝杠3-1-14上，并通过丝杠安装板3-1-24与线性滑轨副相连。

拉伸筒3-1-16通过螺钉与夹具安装座3-1-17相连，拉伸筒3-1-16通过螺钉与前拉伸座3-1-1相连，通过前拉伸座3-1-1带动拉伸筒3-1-16在x方向运动。

通过滑块紧定块与前拉伸座3-1-1、拉力传感器安装座3-1-3相连；拉力传感器安装座3-1-3通过螺钉与丝母座连接板3-1-4相连，故可通过滚珠丝杠3-1-14带动拉力传感器安装座3-1-3在x正向线性滑轨上沿x方向运动。

x正向拉伸机构还包括接近开关，接近开关通过螺钉安装在x正向线性滑轨副的侧边，用于控制滑块3-1-15的安全位置。

接近开关的设置数量为三个，分别安装于滑块运动的起点位置和两个终点位置。接近开关，用于限制滑块的行程，以免超出行程，损坏设备，发生撞车。

x正向拉伸机构还包括行程槽，可用于测量夹具3-1-18的位移。

应用该双向拉伸试验机的双向拉伸方法，包括以下步骤：

步骤S1，x正向拉伸机构的夹具、x负向拉伸机构的夹具、y正向拉伸机构的夹具、y负向拉伸机构的夹具分别夹紧被试验试件的四个夹持边；

步骤S2，上位机的输入端分别与各个拉伸机构的拉力传感器、行程开关以及环境箱控制系统；上位机的输出端分别与各个拉伸机构的伺服电机连接；

步骤S3，在上位机界面设置初始参数，包括：载荷、各个拉伸机构的伺服电机转速、环境箱温度；

步骤S4，上位机按初始参数，控制环境箱温度变化，并驱动各个拉伸机构的伺服电机动作，伺服电机与伺服弹性联轴器相连，丝杠与伺服弹性联轴器连接完成动力传输带动丝杠运动，x正向线性滑轨通过丝母座连接板与丝杠丝母相连，拉伸座与拉力传感器均与x正向线性滑轨相连，实现拉伸筒的运动；通过以上操作可对试件进行双向同步等比列拉伸，即：同时向x正向、x负向、y正向、y负向拉伸试件，除此之外还可实现试件的双轴变比例拉伸以及单拉试件的原位同步拉伸；并且，在对试件进行双向拉伸的过程中，各个拉伸机构的拉力传感器实时检测到试件所受拉力的变化信息，并实时将试件所受拉力的变化信息上传到上位机，由上位机进行保存；另外，在对试件进行双向拉伸的过程中，两个接近开关实时检测滑台是否达到最短行程和最长行程，进而控制各个拉伸机构的运动范围，进而控制各个拉伸机构的运动范围为，保证试验安全性。

上位机通过关联分析试件所受拉力的变化信息以及滑台的位置变化信息，得到被测试件的双向拉伸性能。

该双向拉伸试验机应具备的功能及设计参数如下：

(1)可实现不同温度、湿度下的皮肤组织的拉伸试验；

(2)具备单向和正交双向拉伸功能，可实现方形试样的二维拉伸、弛豫和蠕变试验；

(3)可实现交变载荷、变比例载荷的正交双向拉升试验；

(4)试验箱环境温度范围条件达到：-10℃～60℃；

(5)试验速度(mm/s)：0～100

(6)具备负荷、位移极限位置保护；

(7)具备力、位移两种控制方式，以及力、位移数据采集处理与存储功能；

(8)试验自动调零、传感器自动识别、以太网和USB双接口

(9)试验数据可导入EXCEL进行保存及处理。

该拉伸机构的特点如下：

(1)基于伺服运动控制系统完成两个方向上的四轴协同运动。载荷、位移、应变闭环控制，响应速度快，控制精度高。

(2)采用丝杠与线性滑轨结构，重复定位精度高、刚度好，实验人员工作环境安静、清洁。

(3)四轴相对独立，不仅可以进行双向拉伸试验、单向拉伸试验，还可以进行单向压缩试验，即加卸载试验，为研究材料回弹提供基础，一机多用。

(4)设有拉力传感器，目的在于测试十字形试件所受拉力的实时变化，其结构紧凑，测量精度高，抗偏载能力强。

(5)丝杠安装板的两侧具有行程槽，用来控制拉伸机构的运动位置，即保证滑块不会超出量程。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。