Anàlisi de rigidesa i prova experimental del mecanisme de guia de frontissa flexible planera

Una frontissa flexible és un mecanisme mecànic que utilitza una deformació elàstica reversible dels materials per transmetre moviment i energia. Troba aplicacions en diversos camps com ara aeroespacial, fabricació, òptica i bioenginyeria. En els darrers anys, hi ha hagut un ús creixent de frontisses flexibles en camps de tecnologia d’enginyeria com ara micro-posicionament, mesurament, plataformes òptiques, mecanismes de micro-ajustament i mecanismes d’espai a gran escala.

L’avantatge clau d’una frontissa flexible és el seu disseny integrat que permet la transmissió de moviment i energia sense cap reacció, fricció, buit, soroll, desgast i amb alta sensibilitat al moviment. Un tipus específic de frontissa flexible és la frontissa flexible plana, que normalment es fa mitjançant fonts de fulles ordinàries. La frontissa flexible plana ofereix un conjunt d’estructures senzill i un baix cost de processament, cosa que la fa especialment adequada per al disseny mecànic de precisió.

Hi ha quatre formes estructurals comunes de mecanismes de guia de frontissa flexibles, a saber, tipus I, tipus II, tipus III i tipus IV. Aquests mecanismes s’utilitzen sovint per a orientació d’alta precisió en diverses aplicacions. Entre ells, el tipus I és un mecanisme de guia flexible de la frontissa flexible semi-traça coneguda per la seva estructura i estabilitat compactes. Tot i això, pot ser propens a la fatiga. El tipus II és un mecanisme de guia de Reed paral·lel amb una placa de reforç, que ofereix més parts, però ha reduït la resistència a la fatiga en comparació amb el tipus I. El tipus III és un mecanisme de guia paral·lel més senzill, però no té estabilitat general. El tipus IV, el mecanisme de guia de frontissa flexible plana, supera les debilitats del tipus I i és més estable que el tipus III. Té un gran potencial per a diverses aplicacions.

Si bé els primers tres tipus de mecanismes de guia flexible s’han discutit àmpliament a la literatura, el mecanisme de guia de la frontissa flexible plana (tipus IV) no s’utilitza habitualment a la pràctica i hi ha una manca de teoria del disseny rellevant en la literatura actual. Aquest treball té com a objectiu solucionar aquesta bretxa proporcionant una derivació teòrica de la rigidesa de la flexió de la frontissa flexible plana i la fórmula d’anàlisi de rigidesa del mecanisme de guia. També inclou proves experimentals per validar la precisió de la fórmula analítica.

La rigidesa de la flexió de la frontissa flexible pla es deriva en funció de l’equació del moment de flexió de la mecànica del material. S’analitza l’estructura de la part de la frontissa plana, tenint en compte les dimensions i les propietats de la placa d’acer inoxidable utilitzada. La fórmula analítica derivada proporciona una base teòrica per comprendre la rigidesa de la frontissa.

Per verificar la fórmula analítica, està dissenyat i processat un conjunt de mecanismes de guia paral·lelogrames que utilitzen frontisses flexibles planes. Les proves experimentals es realitzen mitjançant un instrument de tensió i compressió de molla per mesurar la relació de desplaçament de la força del mecanisme. Els resultats de les proves es comparen amb els càlculs de la fórmula analítica i es troba un bon acord, tot i que amb un petit error relatiu del 4,7%. La discrepància s’atribueix al fet que la fórmula analítica només considera la deformació de la part de la frontissa i no la canya sencera.

L’aplicació pràctica del mecanisme de guia de la frontissa flexible plana es demostra a través del disseny d’un dispositiu anti-col·lisió de capçal de mesura unidimensional per a un centre de mesurament d’engranatges CNC. Aquest dispositiu combina una sonda TESA unidimensional, un mecanisme de guia flexible pla i un sensor de posició per assegurar la protecció de seguretat de la sonda.

En conclusió, aquest estudi proporciona una derivació teòrica i validació experimental de la rigidesa del mecanisme de guia de frontissa flexible plana. La fórmula analítica mostra una bona precisió, tot i que amb lleugeres discrepàncies a causa de les simplificacions realitzades en la fórmula. Les futures investigacions haurien de considerar la deformació de tota la canya i d’altres factors influents per millorar la precisió del càlcul de la rigidesa de la frontissa. L’aplicació pràctica del mecanisme de guia de la frontissa flexible plana demostra el seu potencial per a diverses aplicacions d’enginyeria.