Pesquisa sobre base teórica na otimização do projeto de dobradiças flexíveis e mecanismos corporais flexíveis

Expandido

As dobradiças flexíveis ganharam atenção significativa em dispositivos de precisão devido à sua capacidade de transmitir movimento ou energia através de deformação elástica em vez de componentes rígidos. Comparados às dobradiças de movimento tradicionais, as dobradiças flexíveis oferecem vantagens como resolução de alto movimento, sem atrito, sem lubrificação e um simples processo de fabricação. Eles têm sido amplamente utilizados em vários dispositivos de precisão, incluindo lentes objetivas de litografia por projeção, bancadas de trabalho de wafer de silício, microscópios de varredura eletrônica, sensores remotos ópticos espaciais e processamento de precisão e ultra-precisão. Os principais parâmetros dos mecanismos compatíveis, como dobradiças flexíveis, afetam diretamente as características dinâmicas e a precisão do posicionamento do final. Portanto, uma extensa pesquisa foi realizada para entender a flexibilidade de dobradiças flexíveis. Este artigo tem como objetivo estudar a matriz de flexibilidade de dobradiças de flexão arredondada de feixe reto, analisar seus parâmetros e fornecer uma base teórica para seu projeto e otimização.

Matriz de flexibilidade de dobradiças de flexão arredondadas de feixe reto:

A dobradiça de flexão arredondada do feixe reto consiste em uma estrutura de folha de feixe reta com cantos arredondados nas extremidades da dobradiça para evitar a concentração de estresse. Os principais parâmetros geométricos incluem altura da dobradiça (H), comprimento da dobradiça (L), espessura da dobradiça (T) e raio do filete de dobradiça (R). Para analisar a deformação no plano da dobradiça, é derivado um método de cálculo analítico baseado na teoria do feixe cantilever. Este método estabelece um modelo analítico de circuito fechado para a matriz de flexibilidade no plano da dobradiça flexível. Além disso, é fornecida uma fórmula de cálculo simplificada para a matriz de flexibilidade quando a proporção do raio do canto da dobradiça e a espessura (R/T) é fornecida.

Verificação de elementos finitos:

Para validar a fórmula analítica derivada, um modelo de elemento finito da dobradiça de flexão arredondada do feixe reto é estabelecido usando o software Ugnx Nastran. Os resultados da simulação do modelo de elemento finito são comparados com os valores analíticos dos parâmetros da matriz de flexibilidade. O erro relativo entre os dois é analisado quanto a diferentes variações nos parâmetros estruturais da dobradiça, como a razão entre o comprimento da dobradiça e a espessura (L/T) e a razão entre o raio do canto da dobradiça e a espessura (R/T).

Resultados:

A análise mostra que, para as relações L/T maiores ou iguais a 4, o erro relativo entre os valores analíticos e simulados da matriz de flexibilidade está dentro de 5,5%. No entanto, para relações L/T inferiores a 4, o erro relativo é relativamente grande devido à incapacidade de simplificar o feixe de cantilever em um feixe delgado. Isso indica que o modelo analítico de circuito fechado é mais adequado para casos L/T grandes.

Em relação à razão R/T, a análise revela que, quando 0,1 ≤ R/T ≤ 0,5, o erro relativo entre os valores analíticos e simulados pode ser controlado dentro de 9%. Além disso, quando 0,2 ≤ r/t ≤ 0,3, o erro relativo pode ser controlado dentro de 6,5%. Esses achados demonstram a precisão e a aplicabilidade do modelo analítico de circuito fechado para a matriz de flexibilidade.

O modelo analítico de circuito fechado desenvolvido neste estudo fornece uma base teórica para o projeto e otimização de dobradiças de flexão arredondadas do feixe reto. A análise demonstrou que o modelo pode prever com precisão os parâmetros da matriz de flexibilidade ao considerar variações no comprimento da dobradiça, espessura e raio de canto. Essas descobertas contribuirão para o avanço de mecanismos compatíveis e suas aplicações em dispositivos de precisão.