Investigación sobre a base teórica da optimización do deseño de bisagras flexibles e mecanismos do corpo flexibles

Expandido

As bisagras flexibles obtiveron unha atención importante nos dispositivos de precisión debido á súa capacidade para transmitir movemento ou enerxía mediante deformación elástica en lugar de compoñentes ríxidos. En comparación coas bisagras tradicionais de movemento, as bisagras flexibles ofrecen vantaxes como a resolución de alta movemento, sen fricción, sen lubricación e un simple proceso de fabricación. Eles foron moi utilizados en varios dispositivos de precisión, incluíndo lentes obxectivas de litografía de proxección, bancos de traballo de oblea de silicio, microscopios de dixitalización electrónica, sensores de teledetección ópticos espaciais e procesamento de precisión e ultra-precisión. Os parámetros clave de mecanismos compatibles, como as bisagras flexibles, afectan directamente as características dinámicas e a precisión do posicionamento do final. Polo tanto, realizáronse investigacións extensas para comprender a flexibilidade das bisagras flexibles. Este artigo pretende estudar a matriz de flexibilidade de bisagras de flexión redondeada rectas, analizar os seus parámetros e proporcionar unha base teórica para o seu deseño e optimización.

Matriz de flexibilidade de bisagras de flexión redondeadas rectas:

A bisagra de flexión redondeada de feixe recto consiste nunha estrutura de folla de feixe recto con esquinas redondeadas nos extremos da bisagra para evitar a concentración de estrés. Os principais parámetros xeométricos inclúen a altura da bisagra (H), a lonxitude da bisagra (L), o grosor da bisagra (T) e o radio do filete da bisagra (R). Para analizar a deformación no plano da bisagra, deriva un método de cálculo analítico baseado na teoría do feixe de volante. Este método establece un modelo analítico en bucle pechado para a matriz de flexibilidade no plano da bisagra flexible. Ademais, ofrécese unha fórmula de cálculo simplificada para a matriz de flexibilidade cando se dá a relación de radio de esquina de bisagra ao grosor (R/T).

Verificación de elementos finitos:

Para validar a fórmula analítica derivada, establécese un modelo de elemento finito da bisagra de flexión redondeada de feixe recto mediante o software UGNX Nastran. Os resultados de simulación do modelo de elemento finito compáranse cos valores analíticos dos parámetros da matriz de flexibilidade. O erro relativo entre ambos analízase para diferentes variacións nos parámetros estruturais da bisagra, como a relación entre a lonxitude da bisagra e o grosor (L/T) e a relación de radio de esquina de bisagra ao grosor (R/T).

Resultados:

A análise mostra que para as relacións L/T superiores ou iguais a 4, o erro relativo entre os valores analíticos e simulados da matriz de flexibilidade está dentro do 5,5%. Non obstante, para as relacións L/T inferiores a 4, o erro relativamente é relativamente grande debido á incapacidade de simplificar o feixe volante nun feixe esvelto. Isto indica que o modelo analítico en bucle pechado é máis adecuado para grandes casos de L/T.

En canto á relación r/t, a análise revela que cando 0,1 ≤ r/t ≤ 0,5, o erro relativo entre os valores analíticos e simulados pode controlarse dentro do 9%. Ademais, cando 0,2 ≤ r/t ≤ 0,3, o erro relativo pódese controlar dentro do 6,5%. Estes resultados demostran a precisión e aplicabilidade do modelo analítico en bucle pechado para a matriz de flexibilidade.

O modelo analítico en bucle pechado desenvolvido neste estudo proporciona unha base teórica para o deseño e optimización de bisagras de flexión redondeadas de feixe recto. A análise demostrou que o modelo pode predicir con precisión os parámetros da matriz de flexibilidade ao considerar as variacións na lonxitude da bisagra, o grosor e o radio da esquina. Estes resultados contribuirán ao avance de mecanismos conformes e ás súas aplicacións en dispositivos de precisión.