Forskning på teoretisk grunnlag for designoptimalisering av fleksible hengsler og fleksible kroppsmekanismer

Utvidet

Fleksible hengsler har fått betydelig oppmerksomhet i presisjonsenheter på grunn av deres evne til å overføre bevegelse eller energi gjennom elastisk deformasjon i stedet for stive komponenter. Sammenlignet med tradisjonelle bevegelseshengsler, gir fleksible hengsler fordeler som høy bevegelsesoppløsning, ingen friksjon, ingen smøring og en enkel produksjonsprosess. De har blitt mye brukt i forskjellige presisjonsinnretninger, inkludert projeksjonslitografi objektive linser, silisiumskive-arbeidsbenker, elektronisk skanningsmikroskop, romoptiske fjernsensorer og presisjon og ultra-presisjonsbehandling. Nøkkelparametrene for kompatible mekanismer, som fleksible hengsler, påvirker direkte de dynamiske egenskapene og plasseringsnøyaktigheten til slutten. Derfor har det blitt utført omfattende forskning for å forstå fleksibiliteten til fleksible hengsler. Denne artikkelen tar sikte på å studere fleksibilitetsmatrisen til ringer av rundet bøyning, analysere parametere og gir et teoretisk grunnlag for deres design og optimalisering.

Fleksibilitetsmatrise av rett bjelke avrundede bøyninger:

Det rette bjelken avrundet bøyningshengsel består av en rett strålearkstruktur med avrundede hjørner i hengslene for å unngå stresskonsentrasjon. De viktigste geometriske parametrene inkluderer hengselhøyde (H), hengslelengde (L), hengsletykkelse (T) og hengselfiletradius (R). For å analysere deformasjonen i planet av hengslet, er en analytisk beregningsmetode basert på Cantilever Beam-teorien avledet. Denne metoden etablerer en analytisk modell med lukket sløyfe for fleksibilitetsmatrisen i flyet til det fleksible hengslet. I tillegg er det gitt en forenklet beregningsformel for fleksibilitetsmatrisen når forholdet mellom hengselhjørneradius og tykkelse (R/T) er gitt.

Endelig elementverifisering:

For å validere den avledede analytiske formelen, etableres en begrenset elementmodell av den rette bjelken avrundet bøyningshengsel ved bruk av UGNX NASTRAN -programvare. Simuleringsresultatene fra den endelige elementmodellen sammenlignes med de analytiske verdiene til fleksibilitetsmatriksparametrene. Den relative feilen mellom de to blir analysert for forskjellige variasjoner i hengslets strukturelle parametere, for eksempel forholdet mellom hengslelengde og tykkelse (L/T) og forholdet mellom hengselhjørneradius og tykkelse (R/T).

Resultater:

Analysen viser at for L/T -forhold som er større enn eller lik 4, er den relative feilen mellom de analytiske og simulerte verdiene for fleksibilitetsmatrisen innen 5,5%. For L/T -forhold mindre enn 4 er den relative feilen imidlertid relativt stor på grunn av manglende evne til å forenkle utkragingsstrålen i en slank bjelke. Dette indikerer at analytisk modell med lukket sløyfe er mer egnet for store L/T-tilfeller.

Når det gjelder forholdet R/T, avslører analysen at når 0,1 ≤ R/T ≤ 0,5, kan den relative feilen mellom de analytiske og simulerte verdiene kontrolleres innen 9%. I tillegg, når 0,2 ≤ r/t ≤ 0,3, kan den relative feilen kontrolleres innen 6,5%. Disse funnene viser nøyaktigheten og anvendeligheten av den lukkede analytiske modellen for fleksibilitetsmatrisen.

Den lukkede analytiske modellen som er utviklet i denne studien gir et teoretisk grunnlag for utforming og optimalisering av avrundede bøyninger med rette bjelker. Analysen demonstrerte at modellen nøyaktig kan forutsi fleksibilitetsmatriksparametrene når man vurderer variasjoner i hengslelengde, tykkelse og hjørneradius. Disse funnene vil bidra til fremme av kompatible mekanismer og deres anvendelser i presisjonsenheter.