Forskning på teoretisk grundlag for designoptimering af fleksible hængsler og fleksible kropsmekanismer

Udvidet

Fleksible hængsler har fået betydelig opmærksomhed på præcisionsenheder på grund af deres evne til at overføre bevægelse eller energi gennem elastisk deformation i stedet for stive komponenter. Sammenlignet med traditionelle bevægelseshængsler giver fleksible hængsler fordele såsom opløsning af høj bevægelse, ingen friktion, ingen smøring og en simpel fremstillingsproces. De er blevet vidt brugt i forskellige præcisionsindretninger, herunder projektionslitografiske objektive linser, siliciumskiver arbejdsbænke, elektroniske scanningsmikroskoper, rumoptiske fjernsensorer og præcisions- og ultra-præcisionsbehandling. De vigtigste parametre for kompatible mekanismer, som fleksible hængsler, påvirker direkte de dynamiske egenskaber og placeringsnøjagtigheden af ​​slutningen. Derfor er der blevet udført omfattende forskning for at forstå fleksibiliteten i fleksible hængsler. Denne artikel sigter mod at studere fleksibilitetsmatrixen for lige stråle afrundede bøjningshænger, analysere dens parametre og give et teoretisk grundlag for deres design og optimering.

Fleksibilitetsmatrix af lige stråle afrundede bøjningshænger:

Den lige stråle afrundede bøjning hængsel består af en lige bjælkeplade -struktur med afrundede hjørner i hængslets ender for at undgå stresskoncentration. De vigtigste geometriske parametre inkluderer hængselhøjde (H), hængslelængde (L), hængsletykkelse (T) og hængselfiletradius (R). For at analysere den deformation i hængslet er en analytisk beregningsmetode, der er baseret på cantilever-strålteorien, afledt. Denne metode etablerer en lukket loop-analytisk model for fleksibilitetsmatrixen i det fleksible hængsel. Derudover gives der en forenklet beregningsformel for fleksibilitetsmatrixen, når forholdet mellem hængsel hjørne radius og tykkelse (R/T) gives.

Verifikation af begrænset element:

For at validere den afledte analytiske formel etableres en endelig elementmodel af den lige stråleafsluttede bøjningshængsel ved hjælp af UGNX Nastran -software. Simuleringsresultaterne af den endelige elementmodel sammenlignes med de analytiske værdier for fleksibilitetsmatrixparametre. Den relative fejl mellem de to analyseres for forskellige variationer i hængslets strukturelle parametre, såsom forholdet mellem hængslængde og tykkelse (L/T) og forholdet mellem hængselshjørnes radius og tykkelse (R/T).

Resultater:

Analysen viser, at for L/T -forhold, der er større end eller lig med 4, er den relative fejl mellem de analytiske og simulerede værdier for fleksibilitetsmatrixen inden for 5,5%. For L/T -forhold er imidlertid mindre end 4, er den relative fejl relativt stor på grund af manglende evne til at forenkle cantilever -bjælken til en slank bjælke. Dette indikerer, at den lukkede loop-analytiske model er mere velegnet til store L/T-tilfælde.

Med hensyn til forholdet R/T afslører analysen, at når 0,1 ≤ R/T ≤ 0,5, kan den relative fejl mellem de analytiske og simulerede værdier kontrolleres inden for 9%. Når 0,2 ≤ r/t ≤ 0,3, kan den relative fejl kontrolleres inden for 6,5%. Disse fund viser nøjagtigheden og anvendeligheden af ​​den lukkede loop-analytiske model for fleksibilitetsmatrixen.

Den lukkede loop-analytiske model, der er udviklet i denne undersøgelse, giver et teoretisk grundlag for design og optimering af lige stråle afrundede bøjningshænger. Analysen demonstrerede, at modellen nøjagtigt kan forudsige fleksibilitetsmatrixparametre, når man overvejer variationer i hængslængde, tykkelse og hjørnesradius. Disse fund vil bidrage til fremme af kompatible mekanismer og deres applikationer i præcisionsenheder.