專利名稱：跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，與顯微成像儀器(如掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM、掃描探針顯微鏡SPM等)配套使用，對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行原位微納米拉伸力學(xué)性能測(cè)試。
背景技術(shù)：
隨著納米技術(shù)的發(fā)展，微納米材料被廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、半導(dǎo)體、 生物醫(yī)學(xué)、MEMS、高分子、太陽能/燃料電池化工、石油、巖石、微電子、微型傳感器、半導(dǎo)體材料、自動(dòng)控制、航空航天、汽車工業(yè)及機(jī)械工具中。材料的微觀力學(xué)性能與宏觀的經(jīng)典力學(xué)性能存在很大的差異。材料的微納米力學(xué)測(cè)試的諸多性能參數(shù)中，彈性模量、硬度、斷裂極限、切變模量等參數(shù)是最主要的測(cè)試對(duì)象，針對(duì)上述的材料性能參數(shù)有多種測(cè)試方法，如拉伸/壓縮法，剪切法、扭轉(zhuǎn)法、彎曲法、納米壓痕法和鼓膜法等，其中原位拉伸/壓縮測(cè)試方法能更加全面的體現(xiàn)材料的力學(xué)性能，可以通過實(shí)時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線比較直觀的分析出材料的斷裂極限、彈性模量等力學(xué)性能。進(jìn)入新世紀(jì)以來，納米材料的研究取得了巨大的進(jìn)步，納米材料也得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)納米材料基礎(chǔ)力學(xué)的研究還處在比較落后的狀態(tài)。由于測(cè)試裝置的制約，至今尚未形成比較公認(rèn)的結(jié)論。對(duì)納米材料力學(xué)性能進(jìn)行的測(cè)試分為原位測(cè)試和非原位測(cè)試。 原位測(cè)試是指通過顯微成像儀器(如掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM、掃描探針顯微鏡SPM等)對(duì)被測(cè)試件在測(cè)試的過程中進(jìn)行在線連續(xù)的觀測(cè)、記錄和分析。非原位測(cè)試又稱移位或異位測(cè)試，是指對(duì)被測(cè)試件在測(cè)試前或測(cè)試后在顯微成像儀器進(jìn)行觀測(cè)，分析材料的力學(xué)性能。由于測(cè)試裝置和顯微成像儀器腔體體積的制約，目前進(jìn)行的納米材料力學(xué)性能測(cè)試絕大多數(shù)為非原位的測(cè)試。非原位測(cè)試材料力學(xué)性能的測(cè)量和微觀形貌的觀測(cè)是兩個(gè)相互獨(dú)立的過程。研究表明如果將兩個(gè)過程進(jìn)行有機(jī)的融合，不僅可以對(duì)被測(cè)試件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，還能夠?qū)Σ牧系臄嗔咽C(jī)理進(jìn)行深入的研究。因此，設(shè)計(jì)一種能夠與顯微成像儀器配套使用的力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)成為了目前亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，解決被測(cè)試件不能在顯微成像儀器的腔體中進(jìn)行原位測(cè)試的問題。進(jìn)而提供一種跨尺度微納米級(jí)原位拉伸載荷力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)。本發(fā)明與電鏡等顯微成像儀器配套使用，可對(duì)宏觀的標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行跨尺度原位拉伸載荷測(cè)試，對(duì)被測(cè)試件在斷裂過程中的裂紋產(chǎn)生、 擴(kuò)展和斷裂進(jìn)行原位觀測(cè)，為更進(jìn)一步的研究測(cè)試材料的力學(xué)性能和裂紋產(chǎn)生斷裂機(jī)理提供了科學(xué)、有效的測(cè)試方法。本發(fā)明跨尺度微納米級(jí)原位拉伸載荷力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)為測(cè)試材料的微觀力學(xué)性能提供了行之有效的途徑，還可以應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的失效與可靠性評(píng)價(jià)、質(zhì)量控制及檢驗(yàn)。具有較高的科研價(jià)值和良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，包括驅(qū)動(dòng)單元、動(dòng)力傳遞及轉(zhuǎn)換單元、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)單元、測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)、基座，所述驅(qū)動(dòng)單元包括直流伺服電機(jī)43及直流伺服電機(jī)支座45，該直流伺服電機(jī)43通過螺栓固定在直流伺服電機(jī)支座45上，直流伺服電機(jī)支座45固定在基座20 ；通過對(duì)直流伺服電機(jī)43輸出的動(dòng)力轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加載速率的控制。通過對(duì)直流伺服電機(jī)43的輸出動(dòng)力轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試的加載和卸載。其中驅(qū)動(dòng)單元和測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別在基座20的兩側(cè)，使得電鏡的有限腔體空間得到最大限度的利用。所述動(dòng)力傳遞及轉(zhuǎn)換單元包括波紋管聯(lián)軸器46、高速蝸輪、蝸桿30、40、低速蝸輪、蝸桿32、31、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)15、靜止載荷平衡梁25及移動(dòng)載荷平衡梁21，該高速蝸桿40 通過波紋管聯(lián)軸器46與直流伺服電機(jī)43的輸出軸連接，該高速蝸桿40通過高速蝸桿支座 39固定在基座20上，高速蝸輪30安裝在低速蝸桿31上，低速蝸桿31安裝在低速蝸桿軸承座I、II 29、35上，低速蝸桿軸承座I、II 29、35固定在基座20上；低速蝸輪32安裝在滾珠絲杠15上，滾珠絲杠15安裝在滾珠絲杠固定端支座38和滾珠絲杠自由端支座14上，滾珠絲杠固定端支座38和滾珠絲杠自由端支座14固定在基座20上；移動(dòng)載荷平衡梁21兩端的安裝孔通過過盈配合裝有直線軸承II >111 7、23，靜止載荷平衡梁25兩端的安裝孔通過過盈配合裝有直線軸承I、IV5、M，靜止載荷平衡梁25的一側(cè)與力傳感器34通過圓柱銷連接；波紋管聯(lián)軸器46的本身的特性可以允許直流伺服電機(jī)43輸出軸與高速蝸桿40有一定的不同軸度，波紋管聯(lián)軸器46將直流伺服電機(jī)43輸出的動(dòng)力傳遞給高速蝸桿40，高速蝸桿40將動(dòng)力傳遞給高速蝸輪30并實(shí)現(xiàn)一級(jí)減速增矩，高速蝸輪30將動(dòng)力傳遞給低速蝸桿 31，低速蝸桿31將動(dòng)力傳遞給低速蝸輪32并實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速增矩，低速蝸輪32將動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠15，滾珠絲杠15與滾珠絲杠螺母配合將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。靜止載荷平衡梁25、移動(dòng)載荷平衡梁21起到載荷傳遞和載荷修正的作用，能夠保證試件6和力傳感器 34承受的載荷為純拉力的作用，使得測(cè)試的精密度和準(zhǔn)確度得到提高。所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括直線軸承I、II、III、IV5、7、23、24、直線導(dǎo)軌I、Π 12、17及直線導(dǎo)軌支座I、II、III、IV 13、16、27、36，直線軸承I、II、III、IV 5、7、23、M分別與直線導(dǎo)軌 I >11 12、17配合，直線導(dǎo)軌12、17 I、II分別安裝在直線導(dǎo)軌支座I、II、III、IV 13、16、27、 36上，直線導(dǎo)軌支座I ,IIJILIV 13、16、27、36固定在基座20上;
所述信號(hào)檢測(cè)單元包括力傳感器34及直流伺服電機(jī)編碼器42，力傳感器34固定在滾珠絲杠固定端支座38上，力傳感器34的另一側(cè)與靜止載荷平衡梁25相連接，直流伺服電機(jī)編碼器42與直流伺服電機(jī)43相連接；
所述測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括靜止夾具支撐1、移動(dòng)夾具支撐11、夾具圓柱銷I、II 22、26、靜止夾具2、移動(dòng)夾具10、夾具壓緊螺母I、II 4、8，該靜止夾具支撐1、移動(dòng)夾具支撐11分別安裝在靜止載荷平衡梁25、移動(dòng)載荷平衡梁21上，靜止夾具2、移動(dòng)夾具10分別通過夾具圓柱銷I、II 22,26安裝在靜止夾具支撐1、移動(dòng)夾具支撐11上，夾具壓緊螺母I、II 4、8 分別安裝在靜止夾具2和移動(dòng)夾具10。所述的靜止載荷平衡梁25、移動(dòng)載荷平衡梁21分別裝有直線軸承I、IV5、M和直線軸承11、1117、23，直線軸承I、II、III、IV5、7、23、24的內(nèi)圓與直線導(dǎo)軌I >11 12、17相配合，這樣靜止載荷平衡梁25和移動(dòng)載荷平衡梁21通過直線軸承I、II JILIV 5,7,23,24安裝在直線導(dǎo)軌I、II 12,17上，使得拉伸過程中的無效摩擦力極小，測(cè)試精度提高。
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所述的夾具圓柱銷I、II 22,26與靜止夾具2、移動(dòng)夾具10、靜止夾具支撐1和移動(dòng)夾具支撐11上的孔的配合均為過盈配合，使得連接更加緊密、可靠。靜止夾具2和移動(dòng)夾具10可以繞夾具圓柱銷I、11 22,26的軸線進(jìn)行周向的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以保證試件6的加載為軸向拉伸，不會(huì)產(chǎn)生衍生載荷。所述的靜止夾具2、移動(dòng)夾具10上分別設(shè)有與被測(cè)試件6相配合的凹槽。當(dāng)夾具壓緊螺母I、114、8沿軸線向被測(cè)試件6移動(dòng)時(shí)，靜止夾具2、移動(dòng)夾具10凹槽的上下表面會(huì)對(duì)被測(cè)試件6產(chǎn)生巨大的壓力，在加載的過程中由于巨大壓力的存在會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的最大靜摩擦力，被測(cè)試件6通過靜摩擦力的作用被牢靠的固定在靜止夾具2、移動(dòng)夾具10上。所述的力傳感器34的形狀與測(cè)試裝置空間相適應(yīng)，其為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)。當(dāng)受到載荷的作用時(shí)，力傳感器34會(huì)產(chǎn)生輕微的變形，這時(shí)力傳感器34上的應(yīng)變片的電阻會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)變片電阻的變化會(huì)引起電壓信號(hào)的變化，通過對(duì)電壓信號(hào)的檢測(cè)可以相應(yīng)的得到力傳感器34所承受的載荷。所述的直線導(dǎo)軌I、II 12、17分別安裝在直線導(dǎo)軌支座I、II、III、IV 13、16、27、36
的安裝孔內(nèi)，通過擰緊內(nèi)六角螺栓18將直線導(dǎo)軌I、II 12、17夾緊在直線導(dǎo)軌支座I、II、 IIKIV 13、16、27、36的安裝孔內(nèi)，可以達(dá)到直線導(dǎo)軌I、II 12,17安裝、拆卸方便，提高定位精度的目的。力傳感器34安裝在滾珠絲杠固定端支座38上，力傳感器34將載荷傳遞給滾珠絲杠固定端支座38，滾珠絲杠固定端支座37還會(huì)受到滾珠絲杠15載荷的作用，兩個(gè)載荷的大小相等方向相反，二者可以相互抵消。滾珠絲杠固定端支座38相當(dāng)于受到一個(gè)純力矩的作用，大小與上述兩個(gè)載荷形成的力矩相等。測(cè)試所產(chǎn)生的載荷不對(duì)基座20產(chǎn)生力的作用， 機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體變形減小，有利于測(cè)試精度的提高。試件6加載平面與提供加載動(dòng)力的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)15所在的平面不是同一平面。因此，加載過程中就會(huì)產(chǎn)生衍生力矩，而衍生力矩的產(chǎn)生對(duì)試件6的拉伸測(cè)試是非常不利的。 通過直線軸承I、II、III、IV5、7、23、24內(nèi)圓與直線導(dǎo)軌I、11 12，17作用可以產(chǎn)生與衍生力矩大小相等方向相反的平衡力矩，與拉伸過程中產(chǎn)生的衍生力矩相互抵消。使得試件6在加載過程中只受到純拉力的作用。本發(fā)明的有益效果在于提供了一種全新的材料原位力學(xué)性能測(cè)試裝置，具有性能可靠，測(cè)試精度高、安裝、拆卸方便，結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，拓展了電鏡等顯微成像儀器的功能。本發(fā)明可以很方便的與電鏡等顯微成像儀器配套使用，可以對(duì)宏觀的標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行跨尺度原位拉伸載荷測(cè)試，對(duì)被測(cè)試件在斷裂過程中的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和斷裂進(jìn)行原位觀測(cè)，為更進(jìn)一步的研究測(cè)試材料的力學(xué)性能和裂紋產(chǎn)生斷裂機(jī)理提供了科學(xué)、有效的測(cè)試方法。本發(fā)明還可以應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的失效與可靠性評(píng)價(jià)、質(zhì)量控制及檢驗(yàn)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明可以被廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)、MEMS、高分子、石油、巖石、微電子、微型傳感器、半導(dǎo)體材料、自動(dòng)控制、航空航天、汽車工業(yè)及機(jī)械工具中，具有較高的科研價(jià)值和良好的商業(yè)化前景。


圖1為本發(fā)明的整體外觀示意圖； 圖2為本發(fā)明的左視示意6圖3為本發(fā)明的主視示意圖； 圖4為本發(fā)明的仰視示意圖； 圖5為本發(fā)明的俯視示意圖。圖中1、靜止夾具支撐；2、靜止夾具；3、內(nèi)六角螺栓； 4、夾具緊固 螺母I ；
5、直線軸承I ；6、試件；7、直線軸承II; 8、夾具緊固螺母
II ；
9、內(nèi)六角螺栓；10、移動(dòng)夾具；11、移動(dòng)夾具支撐； 12、直線導(dǎo)軌
I；
13、直線導(dǎo)軌支座I ； 14、滾珠絲杠支撐端支座；15、滾珠絲杠； 16、直線導(dǎo)軌支座
II；
17、直線導(dǎo)軌II ； 18、直線導(dǎo)軌夾緊螺栓；19、直線導(dǎo)軌支座固定螺栓；20、基座； 21、移動(dòng)載荷平衡梁；22、圓柱銷I ； 23、直線軸承III; 24、直線軸承IV; 25、靜止載荷平衡梁；26、圓柱銷II; 27、直線導(dǎo)軌支座III ； 28、低速蝸桿軸承
I ；
29、低速蝸桿軸承座I ;30、高速蝸輪； 31、低速蝸桿；32、低速蝸輪；
33、低速蝸輪緊固螺母；34、力傳感器； 35、低速蝸桿軸承座II ；36、直線導(dǎo)軌支座
IV ；
37、低速蝸桿軸承座緊固螺栓；38、滾珠絲杠固定端支座；39、高速蝸桿支座； 40、高速蝸桿；41、高速蝸輪緊固螺母；42、直流伺服電機(jī)編碼器；
43、直流伺服電機(jī)；44、電機(jī)支座緊固螺栓；45、直流伺服電機(jī)支座；
46、波紋管聯(lián)軸器；47、低速蝸桿軸承II。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)ー步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。參見圖1至圖5，本發(fā)明的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，包括驅(qū)動(dòng) 単元、動(dòng)カ傳遞及轉(zhuǎn)換單元、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)單元、測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)及基座。所說的驅(qū)動(dòng)單 元由直流伺服電機(jī)43、直流伺服電機(jī)支座45組成，直流伺服電機(jī)43通過螺紋連接固定在直 流伺服電機(jī)支座45上，直流伺服電機(jī)支座45通過內(nèi)六角螺栓44固定在基座20上，直流伺 服電機(jī)支座45可以進(jìn)行小范圍的位置調(diào)整，以來保證直流伺服電機(jī)43輸出軸的軸線與高 速蝸桿40軸線重合。通過對(duì)直流伺服電機(jī)43輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試的 加載和卸載，通過對(duì)直流伺服電機(jī)43轉(zhuǎn)速的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加載或卸載的速率的控制。所說的動(dòng)力傳遞及轉(zhuǎn)換單元由波紋管聯(lián)軸器46、高速蝸輪、蝸桿30、40、低速渦 輪、蝸桿31、32、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)15、靜止載荷平衡梁25、移動(dòng)載荷平衡梁組成21，波紋管聯(lián)軸 器46將直流伺服電機(jī)43輸出的動(dòng)カ傳遞給高速蝸桿40，由于波紋管聯(lián)軸器46有一定的柔 性，即使直流伺服電機(jī)43輸出軸的軸線與高速蝸桿40軸線不能精確地重合，也能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng) 力的精確高效傳遞。高速蝸桿40將動(dòng)カ傳遞給高速蝸輪30并實(shí)現(xiàn)一級(jí)減速增矩，高速蝸 輪30將動(dòng)カ傳遞給低速蝸桿31，低速蝸桿31將動(dòng)カ傳遞給低速蝸輪32并實(shí)現(xiàn)ニ級(jí)減速增 矩，通過兩級(jí)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的減速增矩，可使原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)提供的測(cè)試載荷 變大、測(cè)試位移精度提高。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有自鎖的特性，因此，在拉伸測(cè)試的過程中測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞能夠?qū)崿F(xiàn)反向的自鎖，測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)間歇加載、連續(xù)加載等多種加載模式。低速蝸輪32將動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠15，滾珠絲杠15與滾珠絲杠螺母配合將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。靜止載荷平衡梁25通過內(nèi)六角螺栓3與靜止夾具支撐1連接，通過圓柱銷與力傳感器；34連接，移動(dòng)載荷平衡梁21通過內(nèi)六角螺栓9與移動(dòng)夾具支撐11連接， 滾珠絲杠螺母鑲嵌移動(dòng)載荷平衡梁21的安裝孔內(nèi)，并通過內(nèi)六角螺母進(jìn)行固定，靜止載荷平衡梁25和移動(dòng)載荷平衡梁21起到載荷傳遞的作用。同時(shí)，靜止載荷平衡梁25和移動(dòng)載荷平衡梁21受到的外力不在同一平面上，會(huì)在測(cè)試過程中產(chǎn)生衍生力矩，使靜止載荷平衡梁25和移動(dòng)載荷平衡梁21產(chǎn)生偏斜的趨勢(shì)，這時(shí)靜止載荷平衡梁25和移動(dòng)載荷平衡梁21 通過直線軸承I、II、III、IV5、7、23、M作用于直線圓柱導(dǎo)軌I、11 12、17，產(chǎn)生反向的力矩與衍生力矩相互抵消，因此，靜止載荷平衡梁25和移動(dòng)載荷平衡梁21能夠起到糾偏、導(dǎo)向的作用。同時(shí)還可以使得滾珠絲杠15機(jī)構(gòu)不受到衍生載荷的干擾，滾珠絲杠15機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)更加的流暢，整體機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率提高。所說的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由直線軸承I、II、III、IV5、7、23、24、直線導(dǎo)軌I、Π 12、17、直線導(dǎo)軌支座I、n、III、IV 13、16、27、36組成。直線軸承I、II、III、IV 5、7、23、Μ的與直線導(dǎo)軌 KII 12、17配合，能夠以極小的阻力在直線導(dǎo)軌I、11 12、17上滑動(dòng)，能夠防止在拉伸過程中產(chǎn)生爬行的現(xiàn)象，測(cè)試的載荷、位移精度都能夠得到提高。所說的信號(hào)檢測(cè)單元由力傳感器34、直流伺服電機(jī)編碼器41組成，其中，力傳感器34用來檢測(cè)由使靜止載荷平衡梁25傳遞來的載荷，測(cè)試的載荷為純拉力，大小與被測(cè)試件6受到的載荷相等。直流伺服電機(jī)編碼器42通過檢測(cè)直流伺服電機(jī)43的角位移，根據(jù)蝸輪蝸桿30、40、31、32的減速比、滾珠絲杠15的導(dǎo)程可以檢測(cè)出拉伸測(cè)試的直線位移。所說的測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)由靜止夾具支撐1、移動(dòng)夾具支撐11、夾具圓柱銷I、II 22、 26、靜止夾具2、移動(dòng)夾具10、夾具壓緊螺母I、II 4、8組成，靜止夾具2、移動(dòng)夾具10通過夾具圓柱銷I、II 22,26連接在靜止夾具支撐1和移動(dòng)夾具支撐11上，夾具圓柱銷I、II 22、 26與靜止夾具2、移動(dòng)夾具10、靜止夾具支撐1和移動(dòng)夾具支撐11上的孔的配合均為過盈配合，這樣可以使無效的位移減至最小，測(cè)試的位移精度提高；靜止夾具2和移動(dòng)夾具10可以繞夾具圓柱銷I、II 22,26的軸線進(jìn)行周向的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以保證試件6的加載不會(huì)產(chǎn)生衍生載荷，進(jìn)行的測(cè)試為軸向的拉伸。靜止夾具支撐1、移動(dòng)夾具支撐11分別通過內(nèi)六角螺栓9 安裝在靜止載荷平衡梁25、移動(dòng)載荷平衡梁21上。所述的靜止載荷平衡梁25、移動(dòng)載荷平衡梁21分別安裝有直線軸承I、1乂5、對(duì)和直線軸承II >111 7、23，直線軸承I、IV 5、24和直線軸承II JII 7、23分別安裝在直線導(dǎo)軌I、 II 12、17上，靜止載荷平衡梁25和移動(dòng)載荷平衡梁21通過直線軸承I、IV、II、III 5、24、7、 23安裝在直線導(dǎo)軌I、ΙΙ 12、17上，直線軸承I、IV、II、III5、24、7、23的內(nèi)孔中嵌有成排的鋼珠，直線軸承1、1￥、11、1115、24、7、23與直線導(dǎo)軌1、11 12、17之間為滾動(dòng)摩擦，靜止載荷平衡梁25和移動(dòng)載荷平衡梁21沿直線導(dǎo)軌I、11 12、17運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力極小，這樣就可以使得檢測(cè)到的載荷精度提高。所述的力傳感器34是根據(jù)有限的空間尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)的，力傳感器34能夠與現(xiàn)有的空間尺寸相適應(yīng)，其為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)。當(dāng)受到載荷的作用時(shí)，力傳感器34會(huì)產(chǎn)生輕微的變形，力傳感器34上應(yīng)變片的電阻會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)變片電阻的變化會(huì)引起電壓信號(hào)的變化，通過對(duì)電壓信號(hào)的檢測(cè)可以相應(yīng)的得到力傳感器34所測(cè)試的載荷，由模擬量的電壓信號(hào)得到測(cè)試的載荷值。所述的力傳感器34安裝在滾珠絲杠固定端支座37上，力傳感器34將載荷傳遞給滾珠絲杠固定端支座38，滾珠絲杠固定端支座38還會(huì)受到滾珠絲杠15傳遞來的載荷的作用，兩個(gè)載荷的大小相等方向相反，二者可以相互抵消。滾珠絲杠固定端支座38相當(dāng)于受到一個(gè)純力矩的作用，大小與上述兩個(gè)載荷形成的力矩相等。測(cè)試所產(chǎn)生的載荷不對(duì)基座 20產(chǎn)生直接的作用，機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體變形減小，有利于測(cè)試精度的提高。—種跨尺度微納米級(jí)精度的原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，該裝置由驅(qū)動(dòng)單元、動(dòng)力傳遞及轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)檢測(cè)單元、測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)、基座組成。所說的驅(qū)動(dòng)單元由直流伺服電機(jī)43、直流伺服電機(jī)支座45組成，直流伺服電機(jī)43通過螺栓固定在直流伺服電機(jī)支座 45上，直流伺服電機(jī)支座45通過內(nèi)六角螺栓44固定在基座20上。其中直流伺服電機(jī)43 為外購件，由美國的Maxon公司生產(chǎn)，型號(hào)為EC_max22觀3840。所說的動(dòng)力傳遞及轉(zhuǎn)換單元由波紋管聯(lián)軸器46、高速蝸輪、蝸桿30、40、低速蝸輪、蝸桿31、32、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)15、靜止載荷平衡梁25、移動(dòng)載荷平衡梁組成21。波紋管聯(lián)軸器46將直流伺服電機(jī)43的輸出軸與高速蝸桿40連接起來，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。高速蝸桿40通過高速蝸桿支座39固定在基座20上，高速蝸桿40將動(dòng)力傳遞給高速蝸輪30，同時(shí)起到動(dòng)力傳遞和一級(jí)減速增矩的作用。高速蝸輪30通過平鍵和高速蝸輪緊固螺母41安裝在低速蝸桿31上。低速蝸桿31通過低速蝸桿軸承I、II 28、47安裝在低速蝸桿軸承座I、II 29、 35上，低速蝸桿軸承座I、II 29、35通過內(nèi)六角螺栓37固定在基座20上。低速蝸桿31將動(dòng)力傳遞給低速蝸輪32，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞和二級(jí)減速增矩。低速蝸輪32通過平鍵和低速蝸輪緊固螺母33安裝在滾珠絲杠15上，滾珠絲杠15安裝在滾珠絲杠固定端支座38和滾珠絲杠自由端支座14上，滾珠絲杠固定端支座38和滾珠絲杠自由端支座14通過內(nèi)六角螺栓固定在基座20上。滾珠絲杠螺母內(nèi)圓與滾珠絲杠15相配合，滾珠絲杠螺母的外圓與移動(dòng)載荷平衡梁21的安裝孔配合，滾珠絲杠螺母法蘭通過內(nèi)六角螺栓固定在移動(dòng)載荷平衡梁 21上。移動(dòng)載荷平衡梁21兩端的安裝孔通過過盈配合安裝有直線軸承II JII 7、23，靜止載荷平衡梁25兩端的安裝孔通過過盈配合裝有直線軸承I、IV5、M，靜止載荷平衡梁25的一側(cè)與力傳感器34通過圓柱銷連接。高速蝸輪、蝸桿機(jī)構(gòu)30、40、低速蝸輪、蝸桿機(jī)構(gòu)31、32 不僅實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，還起到減速增矩的作用，使動(dòng)力以低速、大載荷輸出。其中高速蝸桿支座38、高速蝸輪、蝸桿30、40、低速蝸輪、蝸桿31、32、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)15、滾珠絲杠固定端支座38、滾珠絲杠自由端支座14、低速蝸桿軸承I、II 28,47為外購件。高速蝸桿支座38由日本的SI株式會(huì)社提供，型號(hào)為EK5。高速蝸輪、蝸桿30、40、低速蝸輪、蝸桿31、32由日本的KHK公司生產(chǎn)，高速蝸輪30和低速蝸輪32的型號(hào)為AGO. 5-40R1，高速蝸桿40、低速蝸桿31的型號(hào)為KWGO. 5-R1。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)15、滾珠絲杠固定端支座38和滾珠絲杠自由端支座14由臺(tái)灣的TBI公司生產(chǎn)，滾珠絲杠15機(jī)構(gòu)型號(hào)為SKF1002。滾珠絲杠固定端支座 38型號(hào)為EK6，滾珠絲杠自由端支座14型號(hào)為EF6。低速蝸桿軸承I、II 28,47由日本EO 公司生產(chǎn)，型號(hào)分別為623ZZ和MR10MZ。所說的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由直線軸承I、II、III、IV5、7、23、24、直線導(dǎo)軌I、Π 12、17、直線導(dǎo)軌支座I、n、III、IV 13、16、27、36組成。直線軸承I、II、III、IV 5、7、23、Μ的與直線導(dǎo)軌 KII 12、17配合，能夠以極小的阻力在直線導(dǎo)軌I、11 12、17上滑動(dòng)，能夠防止在拉伸過程中產(chǎn)生爬行的現(xiàn)象，測(cè)試的載荷、位移精度都能夠得到提高。直線導(dǎo)軌Ι、ΙΙ 12、17安裝在直線導(dǎo)軌支座I、II、III、IV 13、16、27、36上，通過內(nèi)六角螺栓18來實(shí)現(xiàn)直線導(dǎo)軌I、11 12、 17的定位。直線導(dǎo)軌支座I、II、III、IV 13、16、27、36上通過內(nèi)六角螺栓19固定在基座20 上。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不僅能夠起到導(dǎo)向的作用，還能夠產(chǎn)生反作用力矩，與拉伸過程中產(chǎn)生的衍生力矩相抵消，使得被測(cè)試件6只受到純拉力的作用，測(cè)試的精度得到提高。直線軸承I、11、 III、IV5、7、23、24、直線導(dǎo)軌I、II 12,17由韓國三益(SAMICK)公司生產(chǎn)，直線軸承I、11、 IILIV 5、7、23、24型號(hào)為LMH8UU,直線導(dǎo)軌I、II 12、17為外徑為8mm的光軸。所說的信號(hào)檢測(cè)單元由力傳感器34、直流伺服電機(jī)編碼器42組成。力傳感器34 通過內(nèi)六角螺栓固定在滾珠絲杠固定端支座38上，力傳感器34的另一側(cè)通過圓柱銷與靜止載荷平衡梁25相連接，對(duì)試件6所施加的載荷通過靜止載荷平衡梁25傳遞給力傳感器 34，力傳感器34產(chǎn)生模擬量電壓信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)相應(yīng)的載荷值。直流伺服電機(jī)編碼器42安裝在直流伺服電機(jī)43上。直流伺服電機(jī)編碼器42可以檢測(cè)到直流伺服電機(jī)43的角位移，根據(jù)直流伺服電機(jī)43的角位移、高速蝸輪、蝸桿30、40、低速蝸輪、蝸桿31、32的減速比、滾珠絲杠15導(dǎo)程可以得到測(cè)試過程中試件6的變形量。所說的測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)由靜止夾具支撐1、移動(dòng)夾具支撐11、夾具圓柱銷I、II 22、 26、靜止夾具2、移動(dòng)夾具10、夾具壓緊螺母I、II 4、8組成。靜止夾具支撐1通過內(nèi)六角螺栓3安裝在靜止載荷平衡梁25上，移動(dòng)夾具支撐11通過內(nèi)六角螺栓9安裝在移動(dòng)載荷平衡梁21上，靜止夾具2通過夾具圓柱銷II 26連接在靜止夾具支撐1上，移動(dòng)夾具10通過夾具圓柱銷I 22連接在移動(dòng)夾具支撐11上，夾具壓緊螺母I、II 4、8分別安裝在靜止夾具2和移動(dòng)夾具10上，試件6的兩端裝夾在靜止夾具2和移動(dòng)夾具10上。靜止夾具2、移動(dòng)夾具10可以分別繞夾具圓柱銷II、I 26,22的軸線進(jìn)行一定范圍的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以保證試件6在測(cè)試的過程中進(jìn)行的是軸向的拉伸，測(cè)試的精度、準(zhǔn)確度得到提高。夾具壓緊螺母I、II 4、8與靜止夾具2和移動(dòng)夾具10上的螺紋配合，當(dāng)夾具壓緊螺母I、II 4、8擰緊時(shí)，靜止夾具2和移動(dòng)夾具10與試件6接觸的平面會(huì)形成楔形效應(yīng)，對(duì)試件6產(chǎn)生巨大的壓力。由于壓力的存在，進(jìn)行測(cè)試時(shí)試件6與靜止夾具2和移動(dòng)夾具10產(chǎn)生靜摩擦力，最大靜摩擦力與壓力和靜摩擦因數(shù)成正比關(guān)系。參見圖1至圖5說明本發(fā)明的工作原理試件6被裝夾在靜止夾具2和移動(dòng)夾具 10上，啟動(dòng)直流伺服電機(jī)43，直流伺服電機(jī)43通過波紋管聯(lián)軸器46驅(qū)動(dòng)高速蝸桿40，高速蝸桿40帶動(dòng)高速蝸輪30轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)減速增矩，高速蝸輪30通過平鍵連接帶動(dòng)低速蝸桿31，低速蝸桿31驅(qū)動(dòng)低速蝸輪32，并實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速增矩，低速蝸輪32通過平鍵連接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠15，通過滾珠絲杠螺母將滾珠絲杠15的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為移動(dòng)載荷平衡梁21的直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過夾具支撐和夾具實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試件6的拉伸，通過力傳感器34可以得到載荷的大小，利用直流伺服電機(jī)編碼器42可以得到直線位移。根據(jù)載荷和位移可以計(jì)算出材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、屈服強(qiáng)度、破壞強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于包括驅(qū)動(dòng)單元、動(dòng)力傳遞及轉(zhuǎn)換單元、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)單元、測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)、基座，所述驅(qū)動(dòng)單元包括直流伺服電機(jī)(43)及直流伺服電機(jī)支座(45)，該直流伺服電機(jī)(43)通過螺栓固定在直流伺服電機(jī)支座(45 )上，直流伺服電機(jī)支座(45 )固定在基座(20 )上；所述動(dòng)力傳遞及轉(zhuǎn)換單元包括波紋管聯(lián)軸器(46)、高速蝸輪、蝸桿(30、40)、低速蝸輪、蝸桿(32、31)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)(15 )、靜止載荷平衡梁(25 )及移動(dòng)載荷平衡梁(21)，該高速蝸桿(40)通過波紋管聯(lián)軸器(46)與直流伺服電機(jī)(43)的輸出軸連接，該高速蝸桿(40 )通過高速蝸桿支座(39 )固定在基座(20 )上，高速蝸輪(30 )安裝在低速蝸桿(31) 上，低速蝸桿(31)安裝在低速蝸桿軸承座I、II (四、35)上，低速蝸桿軸承座I , 11 (29,35) 固定在基座(20)上；低速蝸輪(32)安裝在滾珠絲杠(15)上，滾珠絲杠(15)安裝在滾珠絲杠固定端支座(38)和滾珠絲杠自由端支座(14)上，滾珠絲杠固定端支座(38)和滾珠絲杠自由端支座(14)固定在基座(20)上；移動(dòng)載荷平衡梁(21)兩端的安裝孔通過過盈配合裝有直線軸承II、111(7、23)，靜止載荷平衡梁(25)兩端的安裝孔通過過盈配合裝有直線軸承 I、IV(5、24)，靜止載荷平衡梁(25)的一側(cè)與力傳感器(34)通過圓柱銷連接；所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括直線軸承I、11、111、1乂(5、7、23、對(duì))、直線導(dǎo)軌1、II (12、17)及直線導(dǎo)軌支座 I、n、III、IV(13、16、27、36)，直線軸承 I、II、ΙΙΙ、IV(5、7、23、24)分別與直線導(dǎo)軌I、II (12、17)配合，直線導(dǎo)軌I、II (12、17)分別安裝在直線導(dǎo)軌支座I、II、III、IV (13、16、27、36)上，直線導(dǎo)軌支座 I、II、III、IV (13、16、27、36)固定在基座(20)上；所述信號(hào)檢測(cè)單元包括力傳感器(34)及直流伺服電機(jī)編碼器(42)，力傳感器(34)固定在滾珠絲杠固定端支座(38 )上，力傳感器(34 )的另一側(cè)與靜止載荷平衡梁(25 )相連接， 直流伺服電機(jī)編碼器(42)與直流伺服電機(jī)(43)相連接；所述測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括靜止夾具支撐(1)、移動(dòng)夾具支撐(11)、夾具圓柱銷I、11(22、 26)、靜止夾具(2)、移動(dòng)夾具(10)、夾具壓緊螺母I、11(4、8)，該靜止夾具支撐(1)、移動(dòng)夾具支撐(11)分別安裝在靜止載荷平衡梁(25)、移動(dòng)載荷平衡梁(21)上，靜止夾具(2)、移動(dòng)夾具(10)分別通過夾具圓柱銷I、II (22,26)安裝在靜止夾具支撐(1)、移動(dòng)夾具支撐 (11)上，夾具壓緊螺母I、II (4,8)分別安裝在靜止夾具(2)和移動(dòng)夾具(10)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于 所述的靜止載荷平衡梁(25)、移動(dòng)載荷平衡梁(21)分別裝有直線軸承I、IV(5、24)和直線軸承11、111(7、23)，直線軸承I、II、III、IV(5、7、23、M)的內(nèi)圓與直線導(dǎo)軌I、11 (12、17)相配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于 所述的夾具圓柱銷I、11(22、26)與靜止夾具(2)、移動(dòng)夾具(10)、靜止夾具支撐(1)和移動(dòng)夾具支撐(11)上的孔的配合均為過盈配合，靜止夾具(2 )和移動(dòng)夾具(10 )分別可以繞夾具圓柱銷I、II (22,26)的軸線周向轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述的靜止夾具(2)、移動(dòng)夾具(10)上分別設(shè)有與被測(cè)試件(6)相配合的凹槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于 所述的力傳感器(34)的形狀與測(cè)試裝置空間相適應(yīng)，其為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述的直線導(dǎo)軌I、II (12,17)分別安裝在直線導(dǎo)軌支座I、II、III、IV(13、16、27、36)的安裝孔內(nèi)，通過擰緊內(nèi)六角螺栓(18)將直線導(dǎo)軌I、11(12、17)夾緊在直線導(dǎo)軌支座I、11、 III、IV(13、16、27、36)的安裝孔內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種跨尺度微納米級(jí)原位拉伸力學(xué)性能測(cè)試裝置，結(jié)構(gòu)包括由直流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)支座組成的驅(qū)動(dòng)單元；由聯(lián)軸器、高速蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、低速蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)等組成的動(dòng)力傳遞及轉(zhuǎn)換單元；由直線軸承、直線導(dǎo)軌組成的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；由力傳感器、直流伺服電機(jī)、編碼器組成的信號(hào)檢測(cè)單元；由靜止夾具支撐、移動(dòng)夾具支撐等組成的測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本發(fā)明與電鏡等顯微成像儀器配套使用，可以對(duì)宏觀的標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行跨尺度原位拉伸載荷測(cè)試，對(duì)被測(cè)試件斷裂過程中的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和斷裂進(jìn)行原位觀測(cè)，為更進(jìn)一步的研究材料的力學(xué)性能和裂紋產(chǎn)生斷裂機(jī)理提供了科學(xué)、有效的測(cè)試裝置。
文檔編號(hào)G01N3/08GK102353591SQ201110259918
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者張霖, 曲涵, 李建平, 李澤君, 李秦超, 王開廳, 胡曉利, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)