用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具制造技术

本实用新型专利技术涉及一种用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，属于材料原位力学性能测试领域。包括软骨夹持单元、X轴直线运动单元、Y轴直线运动单元、Z轴旋转运动单元和Y轴旋转运动单元，软骨夹持单元在最上方，其下是Z轴旋转运动单元，两个单元之间通过法兰结构实现连接；Z轴旋转运动单元与其下方的Y轴旋转运动单元连接；Y轴旋转运动单元与其下方的X轴直线运动单元连接；X轴直线运动单元与Y轴直线运动单元连接，实现了X轴直线运动单元和其下方的Y轴直线运动单元之间的连接。优点在于：可以实现对关节软骨全范围的测试。避免了传统压痕实验制备样品的的过程中对关节软骨表面和结构的破坏。

【技术实现步骤摘要】
用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具
本技术涉及材料原位力学性能测试领域，特别涉及一种用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具。
技术介绍
关节软骨属于一种透明软骨，由软骨细胞和细胞外基质组成。细胞外基质中的胶原纤维构成了拱形的框架，其根部紧紧附着在软骨下骨上，使得软骨层与软骨下骨能够紧密结合。关节软骨在关节的运动中发挥着缓冲应力、吸收震动、减少磨损等重要作用。正常软骨能够有几十年的寿命，而由于运动不当、交通事故、骨关节炎疾病等因素会造成软骨损伤。软骨出现损伤和退化后，很难自我修复，有时甚至需要通过人工关节置换手术植入人造关节软骨。而软骨生理结构十分复杂，其复杂的生理结构使得软骨具有多相性、非线性、粘弹性、各向异性等特点。而传统实验和设计中，往往对软骨进行简化，这种简化虽然降低了设计和实验难度，但往往会造成实验结果与预期不符、服役时间短于设计寿命等情况。为了更好的预防和治疗骨关节疾病、更好的设计人造关节植入物，需要对软骨的力学性能进行更加细致而深入的研究。传统力学实验设备及其配套夹具无法满足对软骨的复杂结构和力学参数测试的需要。通过创新设计新型的测试设备及其夹具，以实现对软骨结构和力学性能的细致、精确研究。纳米压痕技术非常适合用于关节软骨力学性能的测量。纳米压痕测试是一种微纳米力学测试，因其具有高测试分辨率的特点，逐渐发展成为材料微小尺度力学性能测试的主流技术。纳米压痕技术可以在测试待测样品的几乎不破坏其结构，且精度和灵敏度远高于传统力学性能测试方式。纳米压痕测试技术可以深入的揭示材料的微观力学行为、损伤机理及其与载荷作用和材料性能之间的相关规律。关节软骨组织的宏观力学性能是由其微观层级结构和纳观层级结构所决定的。因此，纳米压痕技术逐步发展成为生物材料力学性能测试和对其微观结构进行评估的一种重要手段。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，解决了现有技术存在的上述问题。本技术通过对四自由度平台的集成，使得对关节软骨不同位置进行力学性能测试成为了可能。能够提供关节软骨全向的力学性能参数。为评价软骨材料力学性能提供了更多手段，也为医学上对软骨的评价和修复提供了参考手段。本技术的上述目的通过以下技术方案实现：用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，该夹具包括五个单元，分别为：软骨夹持单元、X轴直线运动单元、Y轴直线运动单元、Z轴旋转运动单元和Y轴旋转运动单元；所述软骨夹持单元在最上方，其下是Z轴旋转运动单元，两个单元的连接是通过试样夹持底座3与Z轴旋转盘4之间的法兰结构实现；所述Z轴旋转运动单元中的Z轴旋转装置底板22与其下方的Y轴旋转运动单元中的内、外侧Y轴旋转运动转动轴上固定块20、8连接，以此实现两个单元之间的连接；所述Y轴旋转运动单元与其下方的X轴直线运动单元之间的连接则是通过Y轴旋转装置底板10与X轴直线运动滑块11连接实现；所述X轴直线运动单元中的X轴直线运动装置底板14与Y轴直线运动单元的Y轴直线运动滑块连接，实现了X轴直线运动单元和其下方的Y轴直线运动单元之间的连接。所述的软骨夹持单元是：试样1通过两液混合硬化胶2进行固定和夹紧，且两液混合硬化胶2粘在试样夹持底座3上。所述的Z轴旋转运动单元是：试样夹持底座3通过法兰结构与Z轴旋转盘4相连接，Z轴旋转盘4通过联轴器与Z轴旋转运动伺服电机7连接，Z轴旋转运动伺服电机7通过两个螺栓固定在Z轴旋转电机固定板5上；Z轴旋转电机固定板5与两块Z轴固定板支撑6构成龙门结构，Z轴旋转电机固定板5与Z轴固定板支撑6之间通过螺钉螺母连接；Z轴旋转装置底板22与Z轴固定板支撑6之间通过螺钉螺母连接。所述的Y轴旋转运动单元是：内侧Y轴旋转运动转动轴上固定块20和外侧Y轴旋转运动转动轴上固定块8均通过两个螺栓与Z轴旋转装置底板22连接，以承受Z轴旋转运动单元带来的的载荷；内侧Y轴旋转运动转动轴上固定块20通过轴与内侧Y轴旋转运动转动轴下固定块19连接；与之相同的是，外侧Y轴旋转运动转动轴上固定块8通过轴与外侧Y轴旋转运动转动轴下固定块9连接；Y轴旋转运动伺服电机23通过销与Y轴旋转运动传动轴固定块21连接，Y轴旋转运动伺服电机固定在Y轴旋转装置底板10上，Y轴旋转运动传动轴固定块21通过两组螺栓螺母固定在Z轴旋转装置底板22上；内侧Y轴旋转运动转动轴下固定块19和外侧Y轴旋转运动转动轴下固定块9均通过两个螺栓与Y轴旋转装置底板10连接。所述的X轴直线运动单元是：Y轴旋转装置底板10通过四个螺钉与X轴直线运动滑块11连接，X轴直线运动滑块11与丝母相连接；X轴直线运动伺服电机24通过联轴器与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠与丝母配合；X轴直线运动装置外壳13通过四个X轴外壳固定块15固定在X轴直线运动装置底板14上。所述的Y轴直线运动单元是：Y轴直线运动装置外壳18通过四个Y轴外壳固定块17固定在Y轴直线运动装置底板16上；X轴直线运动装置底板14与Y轴直线运动滑块连接；Y轴直线运动伺服电机12通过联轴器与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠转动时带动与之配合的丝母在Y轴直线方向上运动，丝母与Y轴直线运动滑块连接。本技术的有益效果在于：1、本技术可以实现对关节软骨全范围的测试。设计的四自由度平台可以调整待测关节软骨试样的位置和姿态，使得纳米压痕仪的压头可以对待实验关节软骨每一个位置进行测试。2、本技术避免了传统压痕实验制备样品的的过程中对关节软骨表面和结构的破坏。传统的纳米压痕仪进行测试时需要进行取样操作，一般是将样品制备为立方体，而实际软骨形状多为近似半球体的不规则形状，以往纳米压痕测试制备样品时，必须对待实验关节软骨进行切割，这个过程可能会破坏软骨的表面和内部的纤维结构。3、本技术两液混合硬化胶将软骨材料固定在软骨的夹持装置中，避免了传统机械夹具因在夹持过程中挤压关节软骨表面，使得被夹持区域有关节软骨所含的液体渗出，影响测试精度和实验数据可靠性。附图说明此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本技术的示意性实例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。图1为本技术的整体外观结构示意图；图2为本技术的软骨夹持单元示意图；图3为本技术的直线运动单元结构示意图。图中：1、试样；2、两液混合硬化胶；3、试样夹持底座；4、Z轴旋转盘；5、Z轴旋转电机固定板；6、Z轴固定板支撑；7、Z轴旋转运动伺服电机；8、外侧Y轴旋转运动转动轴上固定块；9、外侧Y轴旋转运动转动轴下固定块；10、Y轴旋转装置底板；11、X轴直线运动滑块；12、Y轴直线运动伺服电机；13、X轴直线运动装置外壳；14、X轴直线运动装置底板；15、X轴外壳固定块；16、Y轴直线运动装置底板；17、Y轴外壳固定块；18、Y轴直线运动装置外壳；19、内侧Y轴旋转运动转动轴下固定块；20、内侧Y轴旋转运动转动轴上固定块；21、Y轴旋转运动传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，其特征在于：该夹具包括五个单元，分别为：软骨夹持单元、X轴直线运动单元、Y轴直线运动单元、Z轴旋转运动单元和Y轴旋转运动单元；/n所述软骨夹持单元在最上方，其下是Z轴旋转运动单元，两个单元的连接是通过试样夹持底座（3）与Z轴旋转盘（4）之间的法兰结构实现；/n所述Z轴旋转运动单元中的Z轴旋转装置底板（22）与其下方的Y轴旋转运动单元中的内、外侧Y轴旋转运动转动轴上固定块（20、8）连接，以此实现两个单元之间的连接；/n所述Y轴旋转运动单元与其下方的X轴直线运动单元之间的连接则是通过Y轴旋转装置底板（10）与X轴直线运动滑块（11）连接实现；/n所述X轴直线运动单元中的X轴直线运动装置底板（14）与Y轴直线运动单元的Y轴直线运动滑块连接，实现了X轴直线运动单元和其下方的Y轴直线运动单元之间的连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，其特征在于：该夹具包括五个单元，分别为：软骨夹持单元、X轴直线运动单元、Y轴直线运动单元、Z轴旋转运动单元和Y轴旋转运动单元；
所述软骨夹持单元在最上方，其下是Z轴旋转运动单元，两个单元的连接是通过试样夹持底座（3）与Z轴旋转盘（4）之间的法兰结构实现；
所述Z轴旋转运动单元中的Z轴旋转装置底板（22）与其下方的Y轴旋转运动单元中的内、外侧Y轴旋转运动转动轴上固定块（20、8）连接，以此实现两个单元之间的连接；
所述Y轴旋转运动单元与其下方的X轴直线运动单元之间的连接则是通过Y轴旋转装置底板（10）与X轴直线运动滑块（11）连接实现；
所述X轴直线运动单元中的X轴直线运动装置底板（14）与Y轴直线运动单元的Y轴直线运动滑块连接，实现了X轴直线运动单元和其下方的Y轴直线运动单元之间的连接。


2.根据权利要求1所述的用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，其特征在于：所述的软骨夹持单元是：试样（1）通过两液混合硬化胶（2）进行固定和夹紧，且两液混合硬化胶（2）粘在试样夹持底座（3）上。


3.根据权利要求1所述的用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，其特征在于：所述的Z轴旋转运动单元是：试样夹持底座（3）通过法兰结构与Z轴旋转盘（4）相连接，Z轴旋转盘（4）通过联轴器与Z轴旋转运动伺服电机（7）连接，Z轴旋转运动伺服电机（7）通过两个螺栓固定在Z轴旋转电机固定板（5）上；Z轴旋转电机固定板（5）与两块Z轴固定板支撑（6）构成龙门结构，Z轴旋转电机固定板（5）与Z轴固定板支撑（6）之间通过螺钉螺母连接；Z轴旋转装置底板（22）与Z轴固定板支撑（6）之间通过螺钉螺母连接。


4.根据权利要求1所述的用于软骨...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志超，卢坊州，张微，强振峰，赵宏伟，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林;22