Onderzoek naar theoretische basis van ontwerpoptimalisatie van flexibele scharnieren en flexibele lichaamsmechanismen

Uitgebreid

Flexibele scharnieren hebben aanzienlijke aandacht gekregen in precisie -apparaten vanwege hun vermogen om beweging of energie over te dragen door elastische vervorming in plaats van rigide componenten. In vergelijking met traditionele bewegingsscharnieren bieden flexibele scharnieren voordelen zoals hoge bewegingsresolutie, geen wrijving, geen smering en een eenvoudig productieproces. Ze zijn op grote schaal gebruikt in verschillende precisie-apparaten, waaronder Projection Lithography Dobjective Lenzen, Silicon Wafer Workbenches, Electronic Scanning Microscopen, Space Optical Remote Sensors en Precision and Ultra-Precision Processing. De belangrijkste parameters van conforme mechanismen, zoals flexibele scharnieren, hebben direct invloed op de dynamische kenmerken en positioneringsnauwkeurigheid van het einde. Daarom is uitgebreid onderzoek uitgevoerd om de flexibiliteit van flexibele scharnieren te begrijpen. Dit artikel is bedoeld om de flexibiliteitsmatrix van rechte balk afgeronde buigingscharnieren te bestuderen, de parameters te analyseren en een theoretische basis te bieden voor hun ontwerp en optimalisatie.

Flexibiliteitsmatrix van rechte balk afgeronde buiging scharnieren:

De ronde bundel afgeronde buiging scharnier bestaat uit een rechte straalplaatstructuur met afgeronde hoeken aan de uiteinden van het scharnier om spanningsconcentratie te voorkomen. De belangrijkste geometrische parameters omvatten scharnierhoogte (H), scharnierlengte (L), scharnierdikte (T) en scharnierfiletradius (R). Om de vervorming in het vlak van het scharnier te analyseren, wordt een analytische berekeningsmethode op basis van de cantileverstraaltheorie afgeleid. Deze methode vormt een gesloten-lus analytisch model voor de flexibiliteitsmatrix in het vlak van het flexibele scharnier. Bovendien wordt een vereenvoudigde berekeningsformule voor de flexibiliteitsmatrix verstrekt wanneer de verhouding van scharnierhoekradius tot dikte (R/T) wordt gegeven.

Eindige elementverificatie:

Om de afgeleide analytische formule te valideren, wordt een eindig elementenmodel van het rechte balk afgeronde buiging -scharnier geschrapt met behulp van UGNX NASTRAN -software. De simulatieresultaten van het eindige -elementenmodel worden vergeleken met de analytische waarden van de flexibiliteitsmatrixparameters. De relatieve fout tussen de twee wordt geanalyseerd op verschillende variaties in de structurele parameters van het scharnier, zoals de verhouding van scharnierlengte tot dikte (L/T) en de verhouding van scharnierhoekstraal tot dikte (R/T).

Resultaat:

De analyse toont aan dat voor L/T -verhoudingen groter dan of gelijk aan 4, de relatieve fout tussen de analytische en gesimuleerde waarden van de flexibiliteitsmatrix binnen 5,5%ligt. Voor L/T -verhoudingen minder dan 4 is de relatieve fout echter relatief groot vanwege het onvermogen om de cantileverstraal in een slanke balk te vereenvoudigen. Dit geeft aan dat het analytische model met gesloten lus geschikter is voor grote L/T-gevallen.

Wat de verhouding R/T betreft, onthult de analyse dat wanneer 0,1 ≤ r/t ≤ 0,5, de relatieve fout tussen de analytische en gesimuleerde waarden binnen 9%kan worden geregeld. Bovendien, wanneer 0,2 ≤ r/t ≤ 0,3, kan de relatieve fout binnen 6,5%worden geregeld. Deze bevindingen tonen de nauwkeurigheid en toepasbaarheid van het gesloten-lus analytische model voor de flexibiliteitsmatrix aan.

Het gesloten-lusanalytische model dat in deze studie is ontwikkeld, biedt een theoretische basis voor het ontwerp en de optimalisatie van rechte bundelafwijkingen. De analyse toonde aan dat het model de flexibiliteitsmatrixparameters nauwkeurig kan voorspellen bij het overwegen van variaties in scharnierlengte, dikte en hoekradius. Deze bevindingen zullen bijdragen aan de vooruitgang van conforme mechanismen en hun toepassingen in precisie -apparaten.