Model cinemàtic i investigació de rendiment de la rigidesa zero creuen el coneixement flexible flexible

El mecanisme flexible és un concepte innovador en el camp de la mecànica, ja que utilitza la deformació elàstica dels materials per transmetre moviment, força o energia. Aquest mecanisme ha guanyat popularitat en diverses indústries, incloent posicionament de precisió, processament MEMS i aeroespacial, a causa dels seus nombrosos avantatges com ara fricció zero, funcionament perfecte, manteniment fàcil, alta resolució i capacitats de processament integrat.

No obstant això, els mecanismes rígids tradicionals encara dominen el mercat a causa de certes limitacions del mecanisme flexible. Una d’aquestes limitacions és la rigidesa positiva que es produeix en la direcció funcional durant l’acció del mecanisme. Aquesta rigidesa positiva requereix una força motriu més gran i requisits estrictes del conductor, cosa que redueix finalment l’eficiència de la transferència d’energia. Aquestes mancances han dificultat l’aplicació més àmplia del mecanisme flexible.

Per superar els efectes adversos de la rigidesa positiva, molts estudiosos han introduït el concepte de rigidesa zero en el mecanisme flexible. Utilitzant de forma intel·ligent la rigidesa negativa per compensar la rigidesa positiva, es pot aconseguir un mecanisme amb rigidesa zero. Aquest sistema, també conegut com a mecanisme d’equilibri estàtic flexible, pot aconseguir un estat d’equilibri estàtic en qualsevol punt del rang de moviment. Aquest tipus de mecanisme ofereix diversos avantatges, incloent un excel·lent rendiment de transmissió de força, la capacitat de funcionar amb forces de conducció més petites i una alta eficiència de transmissió d’energia. En conseqüència, el focus de recerca en el camp dels mecanismes d’equilibri estàtic flexible ha estat principalment en micro-pinça flexible.

Entre els diversos components dels mecanismes flexibles, les frontisses flexibles han rebut una atenció important a causa de les seves característiques excepcionals. El viatge relatiu de frontisses flexibles de recorregut creuat generalitzat és relativament curt, cosa que els fa molt valuosos per a una àmplia gamma d’aplicacions. En conseqüència, la frontissa flexible de zero basada en aquest disseny s'ha convertit en l'elecció preferida per construir mecanismes complexos d'equilibri estàtic flexible, cosa que fa que la seva investigació sigui altament significativa.

Per aconseguir característiques de rigidesa zero en les frontisses flexibles, cal compensar la rigidesa positiva de la torsió amb la rigidesa negativa rotacional. En aquest sentit, s'ha desenvolupat un model de rigidesa negativa rotacional. El model consisteix en utilitzar una molla de fulla composta per dues canyes superposades, una fixa i l’altra lliure. Quan la deformació de l’extrem d’obertura és relativament petita en comparació amb la longitud de la canya, la molla presenta una bona linealitat i es pot analitzar com a molla de longitud zero.

L’anàlisi del model de rigidesa negativa rotacional considera els parells exercits per les dues molles en un punt específic del sistema. A partir de la llei sinusoïdal triangular, els parells es poden expressar matemàticament. Combinant aquests parells, es pot determinar el parell total exercit al punt. Aquesta anàlisi revela que quan l’angle de rotació és inferior a 90 graus, les molles exerceixen un parell en la mateixa direcció que l’angle de rotació, creant així la rigidesa negativa rotativa.

Per establir un model de frontissa flexible i flexible precisa, és crucial analitzar les propietats mecàniques de la frontissa flexible de reedició creuada. Aquesta anàlisi considera diversos factors com la influència de la força radial i la càrrega pura de la torsió en la rigidesa torsional de la frontissa. En comprendre aquests factors, es pot calcular la rigidesa torsional dimensional de les frontisses. Aleshores es pot obtenir el model conceptual de la frontissa flexible zero, substituint la parella giratori i equilibrar les molles en el model de rigidesa negativa rotacional. Aquest model conceptual és simètric, que permet l’anàlisi de la rotació en sentit antihorari de la plataforma en moviment.

Per verificar la precisió del model teòric, es fa una anàlisi d’elements finits mitjançant el programari ANSYS. L’anàlisi consisteix a simular i analitzar les característiques de l’angle de rotació de moment de la frontissa flexible de zero. Els resultats es comparen amb els càlculs teòrics. La simulació es realitza amb frontisses amb diferents paràmetres i la rigidesa de la molla d’equilibri s’ajusta gradualment fins que la rigidesa de la frontissa es redueix a zero. Si es compara els resultats de la simulació i els càlculs teòrics, es confirma que el model teòric representa amb precisió el comportament de la frontissa flexible de l’estimada zero.

A més, s’explora la viabilitat d’utilitzar molles de fulles com a brots d’equilibri en frontisses flexibles de zero. S’estableix un model d’elements finits per a aquest propòsit i els resultats de la simulació es comparen amb els obtinguts mitjançant l’element Combine14. Els resultats tornen a validar la precisió i la fiabilitat del model teòric.

En conclusió, l’ús de la rigidesa negativa de rotació per compensar la rigidesa positiva en les frontisses flexibles permet la creació de sistemes de frontissa flexibles de l’estiu zero. Aquests sistemes ofereixen nombrosos avantatges, inclòs el parell de conducció reduït, el rendiment de la transmissió de la força millorat i la major eficiència d’utilització d’energia. S’analitzen dos mètodes d’equilibri diferents, a saber, les molles de doble equilibri i les fonts d’equilibri únic i es determinen les seves condicions d’equilibri estàtic. A continuació, es verifiquen els resultats teòrics mitjançant l’anàlisi d’elements finits. L’estudi confirma que el mètode de doble equilibri és adequat per a escenaris en què la força radial no afecta la rigidesa de la frontissa, mentre que el model de molla d’equilibri únic té una gamma més àmplia d’aplicacions. Tot i això, la compacitat espacial axial d’aquest model està una mica compromesa, cosa que necessita una consideració completa durant el disseny estructural. En general, la investigació sobre les frontisses flexibles i les seves aplicacions té una importància important per avançar en el camp dels mecanismes flexibles.