Izračun prilagodljivosti in analiza uspešnosti novega enostranskega hibrisa z ravnim krogom1

Izvleček:

Prilagodljivi tečaji igrajo ključno vlogo na področju mikroelektromehanskih sistemov (MEMS). Ta članek uvaja novo vrsto fleksibilnega tečaja, imenovanega enostranski hibridni prožni tečaj z ravnim krogom. Prilagodljivost tega tečaja se izračuna z drugim Karlovim drugim teoremom, rezultati pa so potrjeni z analizo končnih elementov. Strukturni parametri tečaja se analizirajo, da se ugotovi njihov vpliv na njegovo prožnost. Primerjava je tudi med enostranskim in dvostranskim hibridnim prožnim tečajem z ravnim krogom, in sklenjeno je, da enostranski tečaj ponuja boljšo vrtilno zmogljivost in občutljivost na obremenitev. Na splošno enostranski hibridni fleksibilen tečaj ponuja obetavno rešitev za kompaktne in zelo premične aplikacije v inženirstvu.

Na hitro razvijajočih se poljih mikroelektromehanske tehnologije, vesoljskega in biološkega inženiringa tradicionalni togi mehanizmi ne zadostujejo za izpolnjevanje potreb po oblikovanju in uporabi. Prilagodljivi mehanizmi so z majhno velikostjo, odsotnostjo mehanskega trenja in vrzeli ter visoko občutljivostjo gibanja pridobili znatno oprijem v različnih disciplinah, vključno s stroji, robotiki, računalniki, samodejnim nadzorom in natančnostjo. Ključna sestavina fleksibilnih mehanizmov je fleksibilen tečaj, ki uporablja lastnosti elastične deformacije in lastnosti samo-rekutorja za odpravo izgubljenega gibanja in mehanskega trenja in s tem doseže večjo ločljivost premikov. Enoosne prožne tečaje je mogoče razvrstiti na podlagi njihovih prečnih oblik, kot so lok, svinčni kot, elipse, parabola in tipi hiperbole. Med njimi se zaradi svojih preprostih struktur pogosto uporabljajo naravni krog in svinčevi kotni tečaji. Vendar pa je v nekaterih primerih, ko je prostor omejen, potreba po kompaktnih strukturah privedla do nastanka enostranskih fleksibilnih tečajev, ki so našli obsežne aplikacije pri natančnem merjenju in pozicioniranju. Ta članek, ki temelji na prednostih hibridnih in enostranskih fleksibilnih tečajev, predlaga enostranski hibridni prilagodljiv tečaj, ki ponuja nov pristop k inženirskemu uporabi prožnih tečajev s kompaktnimi strukturami in velikimi premiki.

Prilagodljivo izračun enostranskega hibridnega prožnega tečaja z ravnim krogom-elipse:

Enostranski hibridni prožni tečaj z ravnim krogom-Ellipse obsega polovico enostranskega tečaja z ravnim krogom in polovico enostranskega eliptičnega tečaja. Njeni geometrijski parametri vključujejo širino tečaja (b), minimalno debelino (T), polmer ravnega kroga (R), dolžino tečaja (L), glavno os elipse (M) in pol-mininorne osi elipse (n). Analiza prilagodljivega tečaja temelji na predpostavki majhnega deformiranega konzolnega žarka, pri čemer je desna končna deformacija in upogibna deformacija, ki jo povzročata sila in trenutek. Upošteva se vpliv osne obremenitve, medtem ko so zanemarjeni strižni in torzijski učinki. Po drugem izrek kasete lahko določimo razmerje med deformacijo tečaja v točki 1 in uporabljeno obremenitvijo. Formula za izračun prožnosti je izpeljana na podlagi tega razmerja in koordinat prereza tečaja. S integralnimi izračuni lahko dobimo prožnost enostranskega hibridnega prožnega tečaja z ravnim krogom.

Primer izračuna in preverjanje končnih elementov:

Primer izračuna se izvede z uporabo izpeljane formule za izračun prilagodljivosti za različne vrednosti pol-minorske osi (n) elipse. Rezultate primerjamo z rezultati analize končnih elementov (FEA), da se preveri natančnost formule. Ugotovljeno je, da je napaka med obema nizoma rezultatov manjša od 8%, kar potrjuje veljavnost formule za izračun prožnosti.

Analiza uspešnosti enostranskega hibridnega prožnega tečaja z ravnim krogom-elipsi:

Na prilagodljivost tečaja vplivajo njegovi materialni in strukturni parametri. Formula za izračun prožnosti razkriva, da je elastični modul (E) obratno sorazmeren širini tečaja (b). Drugi parametri, kot so polmer ravnega kroga (r), pol-glavno os elipse (m), pol-mininor osi elipse (N) in minimalna debelina (T), vplivajo tudi na prožnost. Analiza formule za izračun prožnosti kaže, da so njegovi parametri najbolj občutljivi na spremembe v najmanjši debelini (t) tečaja.

Primerjava zmogljivosti z dvostranskim hibridnim prožnim tečajem z ravnim krogom-elipsi:

Enostranski hibridni prožni tečaj z ravnim krogom-elipsi primerjamo z dvostranskim hibridnim fleksibilnim tečajem z ravnim krogom, ki je predlagan v literaturi. Razmerje prožnosti se uporablja kot indeks zmogljivosti, opredeljen kot razmerje enostranske prožnosti in dvostranske prožnosti. Rezultati kažejo, da enostranski hibridni fleksibilen tečaj ponuja boljšo zmogljivost vrtenja in občutljivost obremenitve v primerjavi z dvostranskim hibridnim tečajem.

Predlog nove vrste prilagodljivega tečaja, enostranskega hibridnega prilagodljivega tečaja, prinaša nove možnosti za inženirske aplikacije, ki zahtevajo kompaktne strukture in velike premike. Formula za izračun prilagodljivosti je izpeljana na podlagi Karlavega drugega teorema in potrjena z analizo končnih elementov. Ugotovljeno je, da strukturni parametri tečaja vplivajo na njegovo prilagodljivost, pri čemer je najpomembnejša vpliva minimalna debelina. Enostranski hibridni fleksibilen tečaj deluje bolje kot dvostranski hibridni tečaj glede na sposobnost vrtenja in občutljivost obremenitve. Na splošno enostranski hibridni prilagodljivi tečaj ponuja obetavne možnosti za različne inženirske aplikacije.