Výpočet flexibility a analýza výkonnosti nového jednostranného priameho kruhového hybriho1

Abstraktný:

Flexibilné pánty hrajú rozhodujúcu úlohu v oblasti mikroelektromechanických systémov (MEMS). Tento dokument predstavuje nový typ flexibilného závesu nazývaný jednostranný hybridný flexibilný záves s priamym kruhom. Flexibilita tohto závesu sa vypočíta pomocou Karlovej druhej vety a výsledky sa overia analýzou konečných prvkov. Štrukturálne parametre závesu sa analyzujú, aby sa určilo ich vplyv na jeho flexibilitu. Porovnanie sa tiež uskutočňuje medzi jednostranným a obojstranným hybridným flexibilným závesom s priamym kruhom a dospel sa k záveru, že jednostranný pánt ponúka lepšiu rotáciu a citlivosť na zaťaženie. Celkovo jednostranný hybridný flexibilný pánt poskytuje sľubné riešenie pre kompaktné a vysoko posuvné aplikácie v inžinierstve.

V rýchlo sa vyvíjajúcich sa oblastiach mikroelektromechanických technológií, letectva a biologického inžinierstva už tradičné tuhé mechanizmy nestačia na splnenie požiadaviek na návrh a použitie. Flexibilné mechanizmy s ich malá veľkosť, neprítomnosť mechanického trenia a medzery a citlivosť na vysoký pohyb získali významnú trakciu v rôznych disciplínach vrátane strojov, robotík, počítačov, automatickej kontroly a presného merania. Kľúčovou súčasťou flexibilných mechanizmov je flexibilný pánt, ktorý využíva elastickú deformáciu a vlastné regenerácie na odstránenie strateného pohybu a mechanického trenia, čím sa dosiahne vyššie rozlíšenie posunu. Flexibilné pánty s jednou osou sa dajú klasifikovať na základe ich prierezových tvarov, ako je oblúk, uhol olova, elipsa, parabola a hyperbola. Medzi nimi sa v dôsledku jednoduchých štruktúr široko používajú závesy priameho kola a olova a olovo. Avšak v niektorých prípadoch, keď je priestor obmedzený, potreba kompaktných štruktúr viedla k vzniku jednostranných flexibilných pántov, ktoré našli rozsiahle aplikácie pri presnom meraní a umiestnení. Tento papier, ktorý vychádza z výhod hybridných a jednostranných flexibilných pántov, navrhuje jednostranný hybridný flexibilný pánt, ktorý ponúka nový prístup k inžinierskej aplikácii flexibilných pántov s kompaktnými štruktúrami a veľkými posunmi.

Výpočet flexibility jednostranného hybridného flexibilného závesu s priamym kruhom:

Jednostranný hybridný flexibilný záves s priamym kruhovým ríliom obsahuje polovicu jednostranného závesu s priamym kruhom a polovicu jednostranného eliptického závesu. Medzi jeho geometrické parametre patrí šírka závesu (B), minimálna hrúbka (T), polomer priameho kruhu (R), dĺžka závesu (L), hlavná os elipsy (M) a osi polomenu elipsy (N). Analýza flexibilného závesu je založená na predpoklade s malým konzolovým lúčom, s pravým koncom pevne a deformáciou ohybu spôsobenou silou a momentom. Zohľadňuje sa vplyv axiálneho zaťaženia, zatiaľ čo účinky šmyku a torzie sú zanedbávané. Podľa druhej vety kazety je možné určiť vzťah medzi deformáciou závesu v bode 1 a aplikovaným zaťažením. Vzorec výpočtu flexibility je odvodený na základe tohto vzťahu a súradníc prierezu závesu. Prostredníctvom integrálnych výpočtov je možné získať flexibilitu jednostranného hybridného flexibilného závesu s priamym kruhom.

Príklad výpočtu a overovanie konečných prvkov:

Príklad výpočtu sa vykonáva pomocou vzorca výpočtu odvodeného flexibility pre rôzne hodnoty poloinradovej osi (N) elipsy. Výsledky sa porovnávajú s výsledkami analýzy konečných prvkov (FEA), aby sa overila presnosť vzorca. Zistilo sa, že chyba medzi týmito dvoma množinami výsledkov je menšia ako 8%, čo potvrdzuje platnosť vzorca výpočtu flexibility.

Analýza výkonnosti jednostranného hybridného flexibilného závesu s priamym kruhom:

Flexibilita závesu je ovplyvnená jeho materiálovými a štrukturálnymi parametrami. Vzorec výpočtu flexibility ukazuje, že elastický modul (E) je nepriamo úmerný šírke závesu (B). Flexibilitu tiež ovplyvňujú tiež flexibilitu, ako napríklad polomer s priamym kruhom (R), semi-hlavná os elipsy (M), polomer (R) a minimálna hrúbka (t). Analýza vzorca na výpočet flexibility ukazuje, že jeho parametre sú najcitlivejšie na zmeny v minimálnej hrúbke (T) závesu.

Porovnanie výkonu s bilaterálnym hybridným flexibilným závesom s priamym kruhom:

Jednostranný hybridný flexibilný záves s priamym kruhovým ellipom sa porovnáva s obojstranným hybridným flexibilným závesom s obojstranným kruhovým ellipom navrhnutým v literatúre. Pomer flexibility sa používa ako index výkonu, definovaný ako pomer jednostrannej flexibility k bilaterálnej flexibilite. Výsledky ukazujú, že jednostranný hybridný flexibilný pánt ponúka lepšiu rotáciu a citlivosť na zaťaženie v porovnaní s bilaterálnym hybridným závesom.

Návrh nového typu flexibilného závesu, jednostranného hybridného flexibilného závesu, prináša nové možnosti pre inžinierske aplikácie, ktoré vyžadujú kompaktné štruktúry a veľké posuny. Vzorec výpočtu flexibility je odvodený na základe Karlovej druhej vety a overená pomocou analýzy konečných prvkov. Zistilo sa, že štrukturálne parametre závesu ovplyvňujú jeho flexibilitu, pričom minimálna hrúbka má najvýznamnejší vplyv. Jednostranný hybridný flexibilný pánt má lepší výkon ako bilaterálny hybridný pánt, pokiaľ ide o rotačnú kapacitu a citlivosť na zaťaženie. Celkovo ponúka jednostranný hybridný flexibilný pánt sľubné vyhliadky pre rôzne inžinierske aplikácie.