便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台，属于精密科学显微观测仪器。包括原位观测头组件、精密微调组件、机械臂组件及精密辅助回转组件。原位观测头可以在多种载荷工况下对试件表面形貌变化或试件内部缺陷进行原位观测；精密微调组件可精密微调原位观测头与工件的距离；机械臂组件可快速粗调原位观测头到指定位置的距离并实现跟随实时监测；精密辅助回转组件通过自身精密回转，辅助机械臂组件实现原位观测头在空间内的自由移动。优点在于：携带方便，安装简单，体积精巧，空间内灵活性高，可精密调焦，适合于材料微观力学性能的原位监测。
【专利说明】便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及精密科学显微观测仪器，便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台。通过集成原位观测组件，在对材料进行纳米尺度力学性能测试中对载荷作用下材料微观变形损伤进行全程、全方位的实时监测，深入的揭示各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其在载荷作用下和材料力学性能间的相关性规律。
【背景技术】
[0002]现代材料科学在很大程度上依赖于对材料性能及显微组织关系的理解，因此对材料的力学性能测试和显微观测就显得尤其重要。在多种载荷作用下，材料的硬度、强度、延伸率、疲劳极限等性能参数的变化特性对不断发展的微电子技术、计算机技术、控制技术有
着重要推动、完善作用。
[0003]而对材料的变形、损伤过程进行全程的动态监测的力学测试方法逐渐为人们所重视。这种通过光学显微镜、电子显微镜以及原子力显微镜等仪器对各种载荷作用下材料及其制品发生的微观变形、损伤进行全程动态在线监测的一种力学测试手段就是原位力学测试方法。
[0004]目前，原位观测仪器大都行程较短、安装要求较高，而且由于显微镜的腔体空间十分有限，对观测仪器平台的体积又会有限制。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台，解决了目前原位观测仪器领域存在的灵活性不高、观测行程小、空间有限、集成难度大等问题。本实用新型的机械臂通过与精密辅助回转组件的组合动作，可实现观测头X方向的移动、转动和Y方向的移动、转动；整体机身采用球坐标机构，通过机械臂的俯仰动作和回转动作，可快速的定位到行程内任意一点的坐标；精密微调组件可以对观测头与被测试件的距离进行微纳米级的调整，使之能够在一个更为精确的焦距范围内清晰成像；原位观测头组件可根据原位测试的观测需要更换成超景深成像组件、金相显微镜组件、超声波探伤仪组件等原位监测组件。经过超景深显微的三维成像可以更加直观的监测到试件表面形貌的变化，通过超声波探伤仪的超声检测可以更加详细的了解材料性能和结构变化，对材料微观力学性能的研究都有着极其重要的意义。本实用新型提供了一种便携式的观测平台，结构简单，易于携带，安装位置要求不高，可在材料的各种微观力学性能测试过程中进行原位观测。
[0006]本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现:
[0007]便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台，包括原位观测头组件、精密微调组件、机械臂组件及精密辅助回转组件，所述原位观测头组件和精密微调组件包括:原位观测头1、原位观测头固定块2、原位观测头连接轴1、II 4、22、紧固螺钉1、II 3、5、压电陶瓷23及角铁固定板24，所述原位观测头I固定于原位观测头固定块2的孔中，原位观测头连接轴I 4通过紧固螺钉1、11 3、5与原位观测头固定块2相连接，压电陶瓷23的一端与原位观测头连接轴I 4的盲孔相轴孔连接，另一端与原位观测头连接轴II 22的盲孔进行轴孔过盈连接，原位观测头连接轴II 22盲孔的另一端通过螺钉固定在角铁固定板24上；
[0008]所述机械臂组件和精密辅助回转组件包括舵机转动轴1、II JILIV 21、27、9、11、舵机 1、I1、II1、IV、V 6、20、25、26、14、多功能连接板 1、I1、111 7、19、18、机械臂 1、11 8、10、舵机固定板17、精密辅助回转盘12、精密辅助回转底座16及固定底板13。
[0009]所述的机械臂组件是:舵机IV 26与多功能连接板III 18通过螺钉连接后固定在舵机固定板17上，舵机转动轴IV 11铰接在机械臂II 10上，机械臂II 10前后摆动，通过控制舵机转动轴IV 11的转向来完成手臂动作，由舵机IV 26提供动力；机械臂II 10的另一端与舵机III 25输出的舵机转动轴III 9相铰接，机械臂I 8的上下摆动动作由舵机III 25提供动力。从而完成本观测平台的第二、第三个自由度的集成。
[0010]所述的精密辅助回转组件是:固定底板13通过八个长螺栓15固定，起到防止观测平台发生倾覆的作用；八个长螺栓15的顶端固定着精密辅助回转底座16，精密辅助回转盘12与精密辅助回转底座16之间设置一圈高精度滚珠，可以保证组件的高精密回转；舵机
V14固定在精密辅助回转底座16上，舵机V 14上的舵盘通过焊接的方式固定在精密辅助回转盘12上，从而通过控制舵机V 14来实现精密辅助回转组件的精密回转动作；舵机固定板17固定在精密辅助回转盘12上，使固定在其上面的机械臂组件能够实时地随精密辅助回转盘12进行绕Z向的精密回转，完成本观测平台的第一个基本自由度集成。
[0011]所述的舵机II 20输出的舵机转动轴27与机械臂I 8相铰接，多功能连接板I 7和多功能连接板II 19之间用连接螺钉固定，分别与多功能连接板I 7、多功能连接板II 19相固定的舵机I 6、舵机II 20以此也相互固定成为一体，通过舵机II 20提供的驱动动力，舵机1、11 6、20产生上下摆动动作。因此完成本观测平台的第四、第五个自由度的集成。
[0012]所述的原位观测头I与原位观测头固定块2通过轴孔固定连接，原位观测头连接轴I 4与原位观测头固定块2通过轴孔过盈连接，再通过紧固螺钉1、II 3、5对原位观测头连接轴I 4进行紧固；压电陶瓷23的一端与原位观测头连接轴I 4的盲孔进行轴孔连接，另一端与原位观测头连接轴II 22的盲孔进行轴孔连接，原位观测头连接轴II 22盲孔的另一端通过五个螺钉固定在角铁固定板24上；舵机转动轴I 21上的舵盘焊接在角铁固定板24上，保证舵机转动轴I 21转动时角铁固定板24会同步转动，从而使原位观测头有一个摆动的自由度。
[0013]所述的原位观测头组件可根据原位测试的观测需要更换成超景深成像组件、金相显微镜组件、超声波探伤仪组件等原位监测组件，为原位观测提供一个多样化的选择空间。原位观测头可以在多种载荷工况下对试件表面形貌变化或试件内部缺陷进行原位观测。
[0014]本实用新型的有益效果在于:与传统的观测平台相比本实用新型具有结构简单、集成性高、易于便携、精密调焦、携带方便、安装简单、可靠性高等优点。具有较高的灵活性，通过平台自身的灵活的球坐标机构及精密微调组件可以实现对材料及其制品在载荷作用下的微观变形进行快速响应，大行程、全方位精密驱动观测，揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤断裂机制，实用性强。本观测平台采用的球坐标机构，包括回转机构和俯仰机构，使得原位观测头可以快速地定位到其移动范围内的任意位置。【专利附图】
【附图说明】
[0015]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
[0016]图1为本实用新型的主体结构示意图；
[0017]图2为本实用新型的精密微调组件的结构示意图；
[0018]图3为本实用新型的主体仰视结构示意图；
[0019]图4为本实用新型的另一个主体结构示意图；
[0020]图5为本实用新型装配在工具箱内的主体结构示意图。
[0021]图中:1、原位观测头；2、原位观测头固定块；3、紧固螺钉I ;4、原位观测头连接轴；5、紧固螺钉II ;6、舵机I ;7、多功能连接板I ;8、机械臂I ;9、舵机转动轴111;10、机械臂II ;11、舵机转动轴IV ;12、精密辅助回转盘；13、固定底板；14、舵机V ;15、长螺栓；16、精密回转盘底座；17、舵机固定板；18、多功能连接板III ;19、多功能连接板II ； 20、舵机II ；21、舵机转动轴I ;22、原位观测头连接轴II ;23、压电陶瓷；24、角铁固定板；25、舵机III ；26、舵机IV ; 27、舵机转动轴II。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0023]参见图1至图5所示，本实用新型的便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台，包括原位观测头组件、精密微调组件、机械臂组件及精密辅助回转组件。
[0024]所述原位观测头组件和精密微调组件包括:原位观测头1、原位观测头固定块2、原位观测头连接轴1、II 4、22、紧固螺钉1、II 3、5、压电陶瓷23及角铁固定板24，所述原位观测头I固定于原位观测头固定块2的孔中，原位观测头连接轴I 4通过紧固螺钉1、II 3、5与原位观测头固定块2相连接，压电陶瓷23的一端与原位观测头连接轴I 4的盲孔相轴孔连接，另一端与原位观测头连接轴II 22的盲孔进行轴孔过盈连接，原位观测头连接轴II 22盲孔的另一端通过螺钉固定在角铁固定板24上。
[0025]参见图2所示，所述的精密微调组件是:舵机II 2输出的舵机转动轴27与机械臂
I8相铰接，多功能连接板I 7和多功能连接板II 19之间用连接螺钉固定，分别与多功能连接板I 7、多功能连接板II 19相固定的舵机I 6、舵机II 20以此也相互固定成为一体，通过舵机II 20提供的驱动动力，舵机1、11 6、20会产生上下摆动动作。因此完成本观测平台的第四、第五个自由度的集成。
[0026]所述的原位观测头组件是:原位观测头I与原位观测头固定块2通过轴孔固定连接，原位观测头连接轴14与原位观测头固定块2通过轴孔过盈连接，再通过紧固螺钉1、
II3、5对原位观测头连接轴14进行紧固；压电陶瓷23的一端与原位观测头连接轴14的盲孔进行轴孔连接，另一端与原位观测头连接轴II 22的盲孔进行轴孔连接，利用压电陶瓷23的压电效应，通入电流后压电陶瓷会产生微小位移，即对原位观测头连接轴14进行精密驱动；原位观测头连接轴II 22盲孔的另一端通过五个螺钉固定在角铁固定板24上。舵机转动轴I 21上的舵盘焊接在角铁固定板24上，保证舵机转动轴I 21转动时角铁固定板24会同步转动，从而使原位观测头有一个摆动的自由度。[0027]所述机械臂组件和精密辅助回转组件包括舵机转动轴1、II JILIV 21、27、9、11、舵机 1、I1、II1、IV、V 6、20、25、26、14、多功能连接板 1、I1、111 7、19、18、机械臂 1、11 8、10、
舵机固定板17、精密辅助回转盘12、精密辅助回转底座16及固定底板13。
[0028]所述的机械臂组件是:舵机IV 26与多功能连接板III 18通过螺钉连接后固定在舵机固定板17上，舵机转动轴IV 11铰接在机械臂II 10上，机械臂II 10前后摆动，通过控制舵机转动轴IV 11的转向来完成手臂动作，由舵机IV 26提供动力；机械臂II 10的另一端与舵机III 25输出的舵机转动轴III 9相铰接，机械臂I 8的上下摆动动作由舵机III 25提供动力。从而完成本观测平台的第二、第三个自由度的集成。
[0029]所述的精密辅助回转组件是:固定底板13通过八个长螺栓15固定，起到防止观测平台发生倾覆的作用；八个长螺栓15的顶端固定着精密辅助回转底座16，精密辅助回转盘12与精密辅助回转底座16之间设置一圈高精度滚珠，可以保证组件的高精密回转；舵机
V14固定在精密辅助回转底座16上，舵机V 14上的舵盘通过焊接的方式固定在精密辅助回转盘12上，从而通过控制舵机V 14来实现精密辅助回转组件的精密回转动作；舵机固定板17固定在精密辅助回转盘12上，使固定在其上面的机械臂组件能够实时地随精密辅助回转盘12进行绕Z向的精密回转，完成本观测平台的第一个基本自由度集成。
[0030]所述的舵机II 20输出的舵机转动轴27与机械臂I 8相铰接，多功能连接板I 7和多功能连接板II 19之间用连接螺钉固定，分别与多功能连接板I 7、多功能连接板II 19相固定的舵机I 6、舵机II 20以此也相互固定成为一体，通过舵机II 20提供的驱动动力，舵机1、11 6、20产生上下摆动动作。因此完成本观测平台的第四、第五个自由度的集成。
[0031]所述的原位观测头I与原位观测头固定块2通过轴孔固定连接，原位观测头连接轴I 4与原位观测头固定块2通过轴孔过盈连接，再通过紧固螺钉1、II 3、5对原位观测头连接轴I 4进行紧固；压电陶瓷23的一端与原位观测头连接轴I 4的盲孔进行轴孔连接，另一端与原位观测头连接轴II 22的盲孔进行轴孔连接，利用压电陶瓷23的压电效应，通入电流后压电陶瓷会产生微小位移，即对原位观测头连接轴14进行精密驱动；原位观测头连接轴II 22盲孔的另一端通过五个螺钉固定在角铁固定板24上；舵机转动轴I 21上的舵盘焊接在角铁固定板24上，保证舵机转动轴I 21转动时角铁固定板24会同步转动，从而使原位观测头有一个摆动的自由度。
[0032]所述的舵机I?V 6、20、25、26、14是由内置的直流电机驱动输出轴转动，输出轴转角精度为转角精度为0.18°，电位器作为位置检测装置，将输出的转角坐标转换为电压信号，反馈回来，使舵机内形成一个闭环控制，从而精确控制输出位移。
[0033]所述的原位观测头组件可根据原位测试的观测需要更换成超景深成像组件、金相显微镜组件、超声波探伤仪组件等原位监测组件，为原位观测提供一个多样化的选择空间。原位观测头可以在多种载荷工况下对试件表面形貌变化或试件内部缺陷进行原位观测。
[0034]以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台，其特征在于:包括原位观测头组件、精密微调组件、机械臂组件及精密辅助回转组件，所述原位观测头组件和精密微调组件包括:原位观测头(I)、原位观测头固定块(2)、原位观测头连接轴1、11(4、22)、紧固螺钉1、11(3、5)、压电陶瓷(23)及角铁固定板(24)，所述原位观测头(I)固定于原位观测头固定块(2)的孔中，原位观测头连接轴I (4)通过紧固螺钉1、II (3,5)与原位观测头固定块(2)相连接，压电陶瓷(23)的一端与原位观测头连接轴I (4)的盲孔相轴孔连接，另一端与原位观测头连接轴II (22)的盲孔进行轴孔过盈连接，原位观测头连接轴II (22)盲孔的另一端通过螺钉固定在角铁固定板(24)上； 所述机械臂组件和精密辅助回转组件包括舵机转动轴I?IV(21、27、9、11)、舵机I?V (6、20、25、26、14)、多功能连接板I?III(7、19、18)、机械臂1、II (8、10)、舵机固定板(17)、精密辅助回转盘(12)、精密辅助回转底座(16)及固定底板(13)。
2.根据权利要求1所述的便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台，其特征在于:所述的机械臂组件是:舵机IV(26)与多功能连接板111(18)通过螺钉连接后固定在舵机固定板(17)上，舵机转动轴IV (11)铰接在机械臂II (10)上，机械臂II (10)前后摆动，通过控制舵机转动轴IV(Il)的转向来完成手臂动作，由舵机IV(26)提供动力；机械臂II (10)的另一端与舵机111(25)输出的舵机转动轴111(9)相铰接，机械臂I (8)的上下摆动动作由舵机III (25)提供动力。
3.根据权利要求1所述的便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台，其特征在于:所述的精密辅助回转组件是:固定底板(13)通过八个长螺栓(15)固定，八个长螺栓(15)的顶端固定着精密辅助回转底座(16)，精密辅助回转盘(12)与精密辅助回转底座(16)之间设置一圈高精度滚珠；舵机V (14)固定在精密辅助回转底座(16)上，舵机V (14)上的舵盘通过焊接的方式固定在精密辅助回转盘(12)上，舵机固定板(17)固定在精密辅助回转盘(12)上。
4.根据权利要求1所述的便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台，其特征在于:所述的舵机II (20)输出的舵机转动轴(27)与机械臂I (8)相铰接，多功能连接板I(7)和多功能连接板II (19)之间用连接螺钉固定，分别与多功能连接板I (7)、多功能连接板II (19)相固定的舵机I (6)、舵机II (20)以此也相互固定成为一体，通过舵机II (20)提供的驱动动力，舵机1、II (6,20)产生上下摆动动作。
5.根据权利要求1所述的便携式五自由度材料微观力学性能原位测试观测平台，其特征在于:所述的原位观测头(I)与原位观测头固定块(2)通过轴孔固定连接，原位观测头连接轴I (4)与原位观测头固定块(2)通过轴孔过盈连接，再通过紧固螺钉1、II (3,5)对原位观测头连接轴I (4)进行紧固；压电陶瓷(23)的一端与原位观测头连接轴I (4)的盲孔进行轴孔连接，另一端与原位观测头连接轴II (22)的盲孔进行轴孔连接，原位观测头连接轴II (22)盲孔的另一端通过五个螺钉固定在角铁固定板(24)上；舵机转动轴I (21)上的舵盘焊接在角铁固定板(24)上，舵机转动轴I (21)转动时角铁固定板(24)同步转动。
【文档编号】G01N3/00GK203643238SQ201420004202
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年1月4日 优先权日:2014年1月4日
【发明者】赵宏伟, 高景, 佟达, 董晓龙, 韩磊, 杨倚寒, 邵明坤 申请人:吉林大学