크랭크 스프링 메커니즘 기반 제로 강성 플렉서블 힌지 연구_힌지 지식 1

요 약: 강성이 0인 플렉서블 힌지의 회전 강성은 거의 0에 가까워 일반 플렉서블 힌지가 구동 토크를 필요로 하는 단점을 극복하고 플렉서블 그리퍼 및 기타 분야에 적용할 수 있다. 순수 토크의 작용 하에 있는 내부 및 외부 링 유연한 힌지를 포지티브 강성 하위 시스템으로 사용하여 네거티브 강성 메커니즘과 포지티브 강성과 네거티브 강성을 일치시키는 연구를 통해 제로 강성 유연한 힌지를 구성할 수 있습니다. 음의 강성 회전 메커니즘 제안——크랭크 스프링 메커니즘, 음의 강성 특성을 모델링하고 분석했습니다. 양의 강성과 음의 강성을 일치시켜 크랭크 스프링 메커니즘의 구조적 매개변수가 강성 제로 품질에 미치는 영향을 분석했습니다. 강성과 크기를 맞춤화할 수 있는 선형 스프링 제안——다이아몬드 모양의 판 스프링 스트링, 강성 모델을 확립하고 유한 요소 시뮬레이션 검증을 수행했습니다. 마지막으로, 강성이 없는 소형 유연한 힌지 샘플의 설계, 처리 및 테스트가 완료되었습니다. 테스트 결과는 다음과 같습니다. 순수한 토크의 작용 하에서,±18°회전각도 범위에서 강성이 0인 플렉서블 힌지의 회전 강성은 내륜 및 외륜 플렉서블 힌지에 비해 평균 93% 낮았다. 강성이 없는 유연한 힌지로 구성된 구조는 컴팩트한 구조와 고품질의 강성을 갖고 있습니다. 제안된 음의 강성 회전 메커니즘과 선형 스프링은 유연한 메커니즘 연구에 큰 참고 가치를 가지고 있습니다.

0 머리말

유연한 힌지(베어링)

^[1-2]

운동, 힘 및 에너지를 전달하거나 변환하기 위해 유연한 장치의 탄성 변형에 의존하여 정밀 위치 지정 및 기타 분야에서 널리 사용되었습니다. 기존의 강성 베어링과 비교하여 유연한 힌지가 회전할 때 복원 순간이 있습니다. 따라서 구동부는 플렉서블 힌지의 회전을 유지하고 구동하기 위한 출력 토크를 제공해야 합니다. 강성이 0인 유연한 힌지

^[3]

(제로 강성 굴곡 피벗, ZSFP)는 회전 강성이 거의 0인 유연한 회전 조인트입니다. 이러한 유형의 유연한 힌지는 스트로크 범위 내의 모든 위치에 머물 수 있으며 정적 균형 유연한 힌지라고도 합니다.

^[4]

, 유연한 그리퍼와 같은 분야에서 주로 사용됩니다.

유연한 메커니즘의 모듈식 설계 개념을 기반으로 전체 제로 강성 플렉서블 힌지 시스템은 양의 강성과 음의 강성의 두 가지 하위 시스템으로 나눌 수 있으며 양의 강성과 음의 강성의 매칭을 통해 무강성 시스템을 구현할 수 있습니다.

^[5]

. 그 중 포지티브 강성 하위 시스템은 일반적으로 크로스 리드 플렉서블 힌지와 같은 대형 스트로크 플렉서블 힌지입니다.

^[6-7]

, 일반화된 3십자 리드 플렉서블 힌지

^[8-9]

내부 및 외부 링 유연한 경첩

^[10-11]

등. 현재 유연한 힌지에 대한 연구는 많은 결과를 얻었으므로 강성이 없는 유연한 힌지를 설계하는 핵심은 유연한 힌지에 적합한 음의 강성 모듈을 일치시키는 것입니다[3].

내부 및 외부 링 유연한 힌지(내부 및 외부 링 굴곡 피벗, IORFP)는 강성, 정밀도 및 온도 드리프트 측면에서 탁월한 특성을 가지고 있습니다. 매칭 음의 강성 모듈은 강성이 없는 유연한 힌지의 구성 방법을 제공하고 마지막으로 강성이 없는 유연한 힌지의 설계, 샘플 처리 및 테스트를 완료합니다.

크랭크 스프링 메커니즘 1개

1.1 음의 강성의 정의

강성 K의 일반적인 정의는 탄성 요소가 지탱하는 하중 F와 해당 변형 dx 사이의 변화율입니다.

K= dF/dx (1)

탄성 요소의 하중 증가가 해당 변형 증가의 부호와 반대인 경우 이는 음의 강성입니다. 물리적으로 음의 강성은 탄성 요소의 정적 불안정성에 해당합니다.

^[12]

.음의 강성 메커니즘은 유연한 정적 균형 분야에서 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 음의 강성 메커니즘은 다음과 같은 특징을 갖습니다.

(1) 메커니즘은 일정량의 에너지를 보유하거나 특정 변형을 겪습니다.

(2) 메커니즘이 심각한 불안정 상태에 있습니다.

(3) 메커니즘이 약간 흔들리고 평형 위치를 벗어나면 이동과 동일한 방향으로 더 큰 힘을 방출할 수 있습니다.

1.2 무강성 플렉서블 힌지의 구성 원리

강성 제로 플렉서블 힌지는 양의 강성과 음의 강성 매칭을 이용하여 구성할 수 있으며 그 원리는 그림 2에 나타내었다.

(1) 순수 토크의 작용 하에서 내부 및 외부 링 플렉서블 힌지는 그림 2a와 같이 대략 선형 토크-회전 각도 관계를 갖습니다. 특히, 교차점이 리드 길이의 12.73%에 위치할 때 토크-회전 각도 관계는 선형입니다.

^[11]

, 이때 플렉서블 힌지의 복원모멘트 Mpivot(시계방향)은 베어링 회전각도와 관련이 있다.θ(시계 반대 방향) 관계는 다음과 같습니다.

M피벗=(8EI/L)θ (2)

공식에서 E는 재료의 탄성률, L은 리드의 길이, I는 단면의 관성 모멘트입니다.

(2) 내부 및 외부 링 플렉서블 힌지의 회전 강성 모델에 따르면 음의 강성 회전 메커니즘이 일치하며 음의 강성 특성이 그림 2b에 표시됩니다.

(3) 음의 강성 메커니즘의 불안정성을 고려하여

^[12]

, 강성이 0인 유연한 힌지의 강성은 그림 2c에 표시된 대로 대략 0이고 0보다 커야 합니다.

1.3 크랭크 스프링 메커니즘의 정의

문헌[4]에 따르면, 유연한 힌지의 움직이는 강체와 고정된 강체 사이에 미리 변형된 스프링을 도입하여 강성이 0인 유연한 힌지를 구성할 수 있습니다. 도 1에 도시된 내부 링 및 외부 링 유연한 힌지의 경우. 도 1에서, 내부 링과 외부 링 사이에 스프링이 도입된다. 즉, 스프링-크랭크 메커니즘(SCM)이 도입된다. 그림 3에 표시된 크랭크 슬라이더 메커니즘을 참조하면 크랭크 스프링 메커니즘의 관련 매개변수가 그림 4에 표시됩니다. 크랭크-스프링 메커니즘은 크랭크와 스프링으로 구성됩니다(강성을 k로 설정). 초기 각도는 스프링이 변형되지 않았을 때 크랭크 AB와 베이스 AC 사이의 끼인 각도입니다. R은 크랭크 길이를 나타내고, l은 베이스 길이를 나타내며, 크랭크 길이 비율을 r 대 l의 비율로 정의합니다. =r/l(0<<1).

크랭크-스프링 메커니즘을 구성하려면 기본 길이 l, 크랭크 길이 비율 , 초기 각도 및 스프링 강성 K 등 4가지 매개변수를 결정해야 합니다.

힘을 받는 크랭크 스프링 메커니즘의 변형은 M 순간의 그림 5a에 나와 있습니다.

_&감마;

동작에 따라 크랭크는 초기 위치 AB에서 이동합니다.

_베타

AB로 바꾸세요

_&감마;

, 회전 과정에서 수평 위치에 대한 크랭크의 끼인 각도

_&감마;

크랭크 각도라고 합니다.

정성적 분석에 따르면 크랭크는 AB(초기 위치, M)에서 회전하는 것으로 나타났습니다. & 감마; 0) ~ AB0(“사점”위치, M

_&감마;

0), 크랭크-스프링 메커니즘은 음의 강성 특성을 갖는 변형을 갖습니다.

1.4 크랭크 스프링 메커니즘의 토크와 회전 각도의 관계

그림에서. 5, 토크 M & 감마; 시계 방향은 양수, 크랭크 각도 & 감마; 시계반대방향은 양수이고, 모멘트하중 M은 아래와 같이 모델링 및 해석됩니다.

_&감마;

크랭크 각도 포함

_&감마;

모델링 프로세스 간의 관계는 차원화됩니다.

그림 5b와 같이 크랭크 AB에 대한 토크 균형 방정식은 & 감마가 나열됩니다.

공식에서 F & 감마; 스프링 복원력, d는 & 감마; F이다 & 감마; A를 가리킨다. 스프링의 변위-하중 관계는 다음과 같다고 가정합니다.

공식에서 K는 스프링 강성(반드시 일정한 값은 아님)입니다.δ

x&감마;

는 스프링 변형량입니다(양수로 단축).δ

x&감마;

=|B

_베타

C| – |B

_&감마;

C|.

동시형(3)(5), 모멘트 M

_&감마;

코너 있음

_&감마;

관계는

1.5 크랭크-스프링 메커니즘의 음의 강성 특성 분석

크랭크-스프링 메커니즘의 음의 강성 특성 분석을 용이하게 하기 위해(모멘트 M

_&감마;

코너 있음

_&감마;

관계), 스프링이 선형 양수 강성을 갖는다고 가정하면 식(4)는 다음과 같이 다시 작성될 수 있습니다.

공식에서 Kconst는 0보다 큰 상수입니다. 플렉서블 힌지의 크기가 결정되면 베이스의 길이 l도 결정됩니다. 따라서 l이 상수라고 가정하면 식 (6)은 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다.

여기서 Kconstl2는 0보다 큰 상수이고 모멘트 계수는 m입니다. & 감마; 1차원을 가집니다. 크랭크-스프링 메커니즘의 음의 강성 특성은 토크 계수 m 사이의 관계를 분석하여 얻을 수 있습니다. & 감마; 그리고 회전 각도 & 감마.

식 (9)로부터 그림 6은 초기 각도 =π M 사이의 관계 & 감마; 크랭크 길이 비율 및 회전 각도 & 감마;, & 이신;[0.1, 0.9],& 감마;& 이신;[0, π]. 그림 7은 m 사이의 관계를 보여줍니다. & 감마; 및 회전 각도 & 감마; = 0.2 및 다른 경우. 그림 8은 =를 보여줍니다.π 다른 에서 m 사이의 관계가 다를 때 & 감마; 그리고 각도 & 감마.

크랭크 스프링 메커니즘의 정의(1.3절)와 식(9)에 따르면 k와 l이 일정할 때 m은 & 감마; 각도에만 관련됨 & 감마;, 크랭크 길이 비율 및 크랭크 초기 각도.

(1) 만약에 그리고 만약에 & 감마; 0과 같거나π 또는,m & 감마; 0과 같습니다. & 감마; & isin;[0, ],m & 감마; 0보다 크다; & 감마; & 이신;[π],중 & 감마; 0보다 작습니다. & isin;[0, ],m & 감마; 0보다 크다; & 감마;& 이신;[π],중 & 감마; 0보다 작습니다.

(2) & 감마; [0, ]일 때 회전 각도 & 감마; 증가, m & 감마; 0에서 변곡점 각도로 증가 & 감마;0은 최대값 m을 취합니다. & 감마;최대, 이후 점차 감소합니다.

(3) 크랭크 스프링 메커니즘의 음의 강성 특성 범위: & 감마;& 이신;[0, & 감마;0], 이때 & 감마; (시계 반대 방향) 증가하고 토크 M & 감마; 증가합니다(시계방향). 변곡점 각도 & 감마;0은 크랭크-스프링 메커니즘의 음의 강성 특성의 최대 회전 각도입니다. & 감마;0 & isin;[0, ];m & 감마;최대는 최대 음의 모멘트 계수입니다. 주어진 과 , 방정식 (9)의 유도는 다음과 같습니다. & 감마;0

(4) 초기 각도가 클수록, & 감마; 0이 클수록 m

_{&감마;최대}

더 크다.

(5) 길이 비율이 클수록, & 감마; 0이 작을수록 m

_{&감마;최대}

더 크다.

특히 =π크랭크 스프링 메커니즘의 음의 강성 특성이 가장 좋습니다(음의 강성 각도 범위가 크고 제공할 수 있는 토크가 큽니다). =π동시에, 다른 조건에서 최대 회전 각도 & 크랭크 스프링 메커니즘의 음의 강성 특성 감마; 0 및 최대 음의 토크 계수 m & 감마; Max는 표 1에 나열되어 있습니다.

2 강성 제로 플렉서블 힌지 구성

2.1의 양수 및 음수 강성의 일치는 그림 9에 나와 있습니다. n(n 2)개의 평행 크랭크 스프링 메커니즘 그룹은 원주 주위에 고르게 분포되어 내부 및 외부 링 유연한 힌지와 일치하는 음수 강성 메커니즘을 형성합니다.

내부 및 외부 링 유연한 힌지를 포지티브 강성 하위 시스템으로 사용하여 강성이 0인 유연한 힌지를 구성합니다. 강성을 0으로 만들려면 양의 강성과 음의 강성을 일치시키십시오.

동시 (2), (3), (6), (11) 및 & 감마;=θ, 하중 F & 스프링의 감마를 얻을 수 있습니다. 그리고 변위δx의 관계 & 감마; ~이다

섹션 1.5에 따르면 크랭크 스프링 메커니즘의 음의 강성 각도 범위: & 감마;& 이신;[0, & 감마;0] 및 & 감마;0 & isin;[0, ], 강성이 0인 유연한 힌지의 스트로크는 다음보다 작아야 합니다. & 감마;0, 나는 .e. 스프링은 항상 변형된 상태입니다(δx&감마;≠0). 내부 및 외부 링 유연한 힌지의 회전 범위는 다음과 같습니다.±0.35라드(±20°), 삼각함수 sin을 단순화합니다. & 감마; 그리고 왜냐하면 & 감마; 다음과 같이

단순화 후 스프링의 하중-변위 관계

2.2 양수 및 음수 강성 매칭 모델의 오차 분석

방정식 (13)의 단순화된 처리로 인해 발생하는 오류를 평가합니다. 강성이 0인 유연한 힌지의 실제 처리 매개변수(섹션 4.2)에 따르면:n = 3,l = 40mm, =π, = 0.2,E = 73GPa; 내부 및 외부 링 유연한 힌지 리드의 치수 L = 46mm,T = 0.3mm,W = 9.4mm; 비교식 (12)와 (14)는 각각 그림 10a와 10b에 표시된 것처럼 전면 및 후면 스프링의 하중 변위 관계와 상대 오차를 단순화합니다.

도 10에 도시된 바와 같이, & 감마; 0.35rad(20°), 하중-변위 곡선의 단순화된 처리로 인한 상대 오차는 2.0%를 초과하지 않으며, 공식

(13)의 단순화된 처리는 강성이 0인 유연한 힌지를 구성하는 데 사용될 수 있습니다.

2.3 스프링의 강성특성

스프링의 강성을 K라고 가정하면 동시 (3), (6), (14)

강성이 0인 유연한 힌지의 실제 처리 매개변수(4.2절)에 따라 각도에 따른 스프링 강성 K의 변화 곡선 & 감마; 그림 11에 나와 있습니다. 특히, & gamma;= 0, K는 최소값을 취합니다.

설계 및 가공의 편의를 위해 스프링은 선형 포지티브 강성 스프링을 채택하고 강성은 Kconst입니다. 전체 스트로크에서 강성이 0인 플렉서블 힌지의 전체 강성이 0보다 크거나 같을 경우 Kconst는 K의 최소값을 취해야 합니다.

식 (16)은 강성이 0인 유연한 힌지를 구성할 때 선형 양의 강성 스프링의 강성값이다. 2.4 무강성 품질 분석 제작된 무강성 유연힌지의 하중-변위 관계는 다음과 같다.

식 (2), (8), (16)을 동시에 얻을 수 있다.

제로 강성의 품질을 평가하기 위해 음의 강성 모듈을 추가하기 전과 후의 유연 힌지 강성의 감소 범위를 제로 강성 품질 계수로 정의합니다.η

η 100%에 가까울수록 강성 제로 품질이 높아집니다. 그림 12는 1-η 크랭크 길이 비율과 초기 각도와의 관계 η 이는 평행한 크랭크-스프링 메커니즘의 수 n과 베이스의 길이 l과는 무관하지만 크랭크 길이 비율 , 회전 각도에만 관련됩니다. & 감마; 그리고 초기 각도 .

(1) 초기 각도가 증가하고 제로 강성 품질이 향상됩니다.

(2) 길이 비율이 증가하고 제로 강성 품질이 감소합니다.

(3) 각도 & 감마; 증가하면 제로 강성 품질이 감소합니다.

제로 강성 플렉서블 힌지의 제로 강성 품질을 향상시키기 위해서는 초기 각도가 더 큰 값을 취해야 합니다. 크랭크 길이 비율은 가능한 한 작아야 합니다. 동시에 섹션 1.5의 분석 결과에 따르면 가 너무 작으면 음의 강성을 제공하는 크랭크-스프링 메커니즘의 능력이 약해질 것입니다. 제로강성 플렉서블 힌지의 제로강성 품질을 향상시키기 위해 초기각 =π, 크랭크 길이 비율 = 0.2, 즉 섹션 4.2 제로 강성 유연한 힌지의 실제 처리 매개변수입니다.

강성이 0인 유연한 힌지(4.2절)의 실제 처리 매개변수에 따라 내부 및 외부 링 유연한 힌지와 강성이 없는 유연한 힌지 사이의 토크-각 관계가 그림 13에 나와 있습니다. 강성의 감소는 강성이 0인 품질 계수입니다.η코너와의 관계 & 감마; 그림 14에 나와 있습니다. 그림 14: 0.35rad(20°) 회전 범위에서 강성이 없는 유연한 힌지의 강성은 평균 97% 감소합니다. 0.26라드(15°) 코너에서는 95% 감소합니다.

3 선형 포지티브 강성 스프링 설계

강성이 0인 유연한 힌지의 구성은 일반적으로 유연한 힌지의 크기와 강성이 결정된 후 크랭크 스프링 메커니즘의 스프링 강성이 반전되므로 스프링의 강성과 크기 요구 사항이 상대적으로 엄격합니다. 또한, 초기 각도 =π, 그림 5a에서 강성이 없는 유연한 힌지가 회전하는 동안 스프링은 항상 압축된 상태입니다.“압축 스프링”.

기존 압축 스프링의 강성과 크기는 정확하게 맞춤화하기 어렵고, 적용 분야에서는 가이드 메커니즘이 필요한 경우가 많습니다. 따라서 강성과 크기를 맞춤화할 수 있는 스프링을 제안한다.——다이아몬드 모양의 판 스프링 스트링. 다이아몬드 모양의 판 스프링 스트링(그림 15)은 직렬로 연결된 여러 개의 다이아몬드 모양 판 스프링으로 구성됩니다. 자유로운 구조 설계와 높은 수준의 맞춤화가 특징입니다. 가공 기술은 유연한 경첩의 가공 기술과 일치하며 둘 다 정밀 와이어 절단으로 가공됩니다.

3.1 다이아몬드형 판스프링 스트링의 하중-변위 모델

마름모꼴 판 스프링의 대칭으로 인해 그림 16에 표시된 것처럼 하나의 판 스프링만 응력 분석을 받아야 합니다. α 는 리드와 수평 사이의 각도이고 리드의 길이, 너비 및 두께는 각각 Ld, Wd, Td입니다. f는 마름모 판 스프링의 치수적으로 통일된 하중입니다.δy는 마름모 판 스프링의 y 방향 변형이고, 힘 fy와 모멘트 m은 단일 리드 끝에 가해지는 등가 하중이고, fv와 fw는 wov 좌표계에서 fy의 구성 힘입니다.

AWTAR[13]의 빔 변형 이론에 따르면 단일 리드의 치수적으로 통일된 하중-변위 관계

리드에 대한 강체의 구속 관계로 인해 변형 전후 리드의 끝 각도는 0입니다.θ = 0. 동시 (20)(22)

식 (23)은 마름모형 판스프링의 하중-변위 차원 통합 모델이다. n2 마름모형 판스프링이 직렬로 연결되어 있으며, 하중-변위 모델은 다음과 같습니다.

식 (24)로부터,αd가 작을 때 다이아몬드 모양의 판 스프링 스트링의 강성은 일반적인 치수와 일반적인 하중 하에서 대략 선형입니다.

3.2 모델의 유한요소 시뮬레이션 검증

다이아몬드형 판스프링의 하중-변위 모델에 대한 유한요소 시뮬레이션 검증을 수행합니다. ANSYS Mechanical APDL 15.0을 사용하여 시뮬레이션 매개변수를 Table 2에 나타내었고, 다이아몬드 모양의 판스프링에 8N의 압력을 가했습니다.

마름모형 판스프링 하중-변위 관계에 대한 모델 결과와 시뮬레이션 결과의 비교는 그림 1에 나와 있습니다. 17(차원화). 경사각이 서로 다른 4개의 마름모 판 스프링의 경우 모델과 유한 요소 시뮬레이션 결과 간의 상대 오차는 1.5%를 초과하지 않습니다. 모델(24)의 타당성과 정확성이 검증되었습니다.

4 강성이 없는 유연한 힌지의 설계 및 시험

4.1 강성이 없는 유연한 힌지의 매개변수 설계

강성이 0인 유연한 힌지를 설계하려면 먼저 사용 조건에 따라 유연한 힌지의 설계 매개변수를 결정한 다음 크랭크 스프링 메커니즘의 관련 매개변수를 역으로 계산해야 합니다.

4.1.1 유연한 힌지 매개변수

내측 링과 외측 링 플렉서블 힌지의 교차점은 리드 길이의 12.73%에 위치하며 그 매개변수는 표 3에 나와 있습니다. 식 (2)로 대체하면, 내부 링 및 외부 링 플렉서블 힌지의 토크-회전 각도 관계는 다음과 같습니다.

4.1.2 음의 강성 메커니즘 매개변수

그림과 같이. 도 18에서, 평행한 크랭크 스프링 기구의 수 n을 3으로 하면, 길이 l = 40 mm는 플렉서블 힌지의 크기에 의해 결정된다. 섹션 2.4의 결론에 따르면 초기 각도 =π, 크랭크 길이 비율 = 0.2. 방정식(16)에 따르면 스프링의 강성(즉, 다이아몬드 판 스프링 스트링)은 Kconst = 558.81 N/m (26)입니다.

4.1.3 다이아몬드 판스프링 스트링 매개변수

l = 40mm, =π, = 0.2, 스프링의 원래 길이는 48mm이고 최대 변형(& 감마;= 0)은 16mm입니다. 구조적 한계로 인해 단일 마름모 판스프링으로는 이러한 큰 변형을 생성하기가 어렵습니다. 4개의 마름모 판 스프링을 직렬로 사용하면(n2 = 4) 단일 마름모 판 스프링의 강성은 다음과 같습니다.

Kd=4Kconst=2235.2N/m (27)

음의 강성 메커니즘(그림 18)의 크기에 따라 다이아몬드 모양의 판 스프링의 리드 길이, 너비 및 리드 경사각을 고려하여 리드는 다음의 식(23)과 강성 식(27)으로부터 추론할 수 있습니다. 다이아몬드 모양의 판 스프링 두께. 마름모 판 스프링의 구조적 매개 변수는 표 4에 나열되어 있습니다.

표면4

요약하면, 크랭크 스프링 메커니즘을 기반으로 한 강성이 없는 플렉서블 힌지의 매개변수는 Table 3 및 Table 4와 같이 모두 결정되었습니다.

4.2 강성이 없는 유연한 힌지 샘플의 설계 및 처리 유연한 힌지의 가공 및 테스트 방법에 대해서는 문헌 [8]을 참조하십시오. 강성이 없는 유연한 힌지는 네거티브 강성 메커니즘과 내부 및 외부 링 유연한 힌지가 평행하게 구성됩니다. 구조 설계는 그림 19에 나와 있습니다.

내부 및 외부 링 유연한 힌지와 다이아몬드 모양의 판 스프링 스트링은 모두 정밀 와이어 절단 공작 기계로 가공됩니다. 내부 및 외부 링 유연한 힌지는 여러 층으로 가공 및 조립됩니다. 그림 20은 다이아몬드 모양의 판 스프링 스트링 3개 세트의 실제 사진이고, 그림 21은 조립된 강성이 없는 유연한 힌지 샘플의 실제 사진입니다.

4.3 무강성 플렉서블 힌지의 회전 강성 시험 플랫폼 [8]의 회전 강성 시험 방법을 참조하면 그림 22와 같이 무강성 플렉서블 힌지의 회전 강성 시험 플랫폼을 구축한다.

4.4 실험 데이터 처리 및 오류 분석

내측 및 외측 링 플렉서블 힌지와 제로 강성 플랙시블 힌지의 회전 강성을 테스트 플랫폼에서 테스트하였으며, 테스트 결과는 그림 23에 나타내었다. 그림 2와 같이 식 (19)에 따라 강성이 없는 유연한 힌지의 강성 없는 품질 곡선을 계산하고 그립니다. 24.

테스트 결과, 강성이 0인 플렉서블 힌지의 회전 강성은 0에 가까운 것으로 나타났습니다. 내부 및 외부 링 플렉서블 힌지와 비교하여 강성이 없는 플렉서블 힌지는±0.31라드(18°) 강성은 평균 93% 감소했습니다. 0.26라드(15°), 강성이 90% 감소합니다.

그림 23과 24에서 볼 수 있듯이, 제로 강성 품질의 테스트 결과와 이론적인 모델 결과 사이에는 여전히 일정한 차이가 있으며(상대 오차는 15% 미만), 오차가 발생하는 주요 원인은 다음과 같습니다.

(1) 삼각함수의 단순화로 인해 발생하는 모델 오류.

(2) 마찰. 다이아몬드 판 스프링 스트링과 장착 샤프트 사이에 마찰이 있습니다.

(3) 처리 오류. 리드의 실제 크기 등에 오류가 있습니다.

(4) 조립 오류. 다이아몬드 모양의 판 스프링 스트링의 설치 구멍과 샤프트 사이의 간격, 테스트 플랫폼 장치의 설치 간격 등

4.5 일반적인 제로 강성 유연한 힌지와의 성능 비교 문헌 [4]에서 그림 25와 같이 교차 축 굴곡 피벗(CAFP)을 사용하여 강성이 없는 유연한 힌지 ZSFP_CAFP를 구성했습니다.

강성이 없는 유연한 힌지 ZSFP_IORFP의 비교(그림 1) 21) 및 ZSFP_CAFP(그림. 25) 내부 및 외부 링 플렉서블 힌지를 사용하여 제작됨

(1) ZSFP_IORFP, 구조가 더 컴팩트합니다.

(2) ZSFP_IORFP의 코너 범위는 작습니다. 코너 범위는 유연한 힌지 자체의 코너 범위에 의해 제한됩니다. ZSFP_CAFP의 코너 범위80°, ZSFP_IORFP 코너 범위40°.

(3) ±18°모서리 범위에서 ZSFP_IORFP는 강성이 0인 더 높은 품질을 갖습니다. ZSFP_CAFP의 평균 강성은 87% 감소하고, ZSFP_IORFP의 평균 강성은 93% 감소합니다.

5 결론

순수 토크 하에서 내부 및 외부 링의 유연한 힌지를 포지티브 강성 하위 시스템으로 사용하여 강성이 0인 유연한 힌지를 구성하기 위해 다음 작업이 수행되었습니다.

(1) 부강성 회전 메커니즘 제안——크랭크 스프링 메커니즘의 경우 구조적 매개변수가 음의 강성 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 모델(식 (6))을 설정하고 음의 강성 특성의 범위를 제시하였다(표 1).

(2) 양의 강성과 음의 강성을 일치시켜 크랭크 스프링 기구의 스프링 강성 특성(식 (16))을 구하고, 모델(식 (19))을 확립하여 구조적 매개변수의 영향을 분석한다. 제로 강성 유연한 힌지의 제로 강성 품질에 대한 크랭크 스프링 메커니즘의 영향은 이론적으로 내부 및 외부 링의 유연한 힌지의 사용 가능한 스트로크 내에 영향을 미칩니다(±20°), 강성의 평균 감소는 97%에 도달할 수 있습니다.

(3) 맞춤형 강성을 제안합니다.“봄”——강성 모델(식 (23))을 확립하기 위해 다이아몬드 모양의 판 스프링 스트링을 설정하고 유한 요소법으로 검증했습니다.

(4) 소형 제로 강성 유연한 힌지 샘플의 설계, 처리 및 테스트를 완료했습니다. 테스트 결과는 다음과 같습니다. 순수 토크의 작용 하에서36°회전 각도 범위에서 내륜 및 외륜 플렉서블 힌지에 비해 강성이 0인 플렉서블 힌지의 강성은 평균 93% 감소했다.

강성이 0인 유연한 힌지는 순수한 토크의 작용 하에만 구성되어 실현할 수 있습니다.“강성 제로”, 복잡한 하중 조건을 베어링하는 경우를 고려하지 않고. 따라서 복잡한 하중 조건에서 강성이 없는 유연한 힌지를 구성하는 것이 추가 연구의 초점입니다. 또한, 강성이 없는 유연한 힌지의 이동 중에 존재하는 마찰을 줄이는 것이 강성이 없는 유연한 힌지의 중요한 최적화 방향입니다.

참고자료

[1] HOWELL L L. 호환 메커니즘[M]. 뉴욕: 존 와일리&아들, 주식 회사, 2001.

[2] Yu Jingjun, Pei Xu, Bi Shusheng 등 유연한 힌지 메커니즘의 설계 방법에 관한 연구 진행[J]. 중국기계공학저널, 2010, 46(13):2-13. 유진 챔피언, PEI X U, BIS 콜, ETA 업. 굴곡 메커니즘을 위한 최첨단 설계 방법[J]. 기계공학저널, 2010, 46(13):2-13.

[3] MORSCH FM, Herder J L. 일반 제로 강성 준수 조인트 설계[C]// ASME 국제 설계 엔지니어링 컨퍼런스. 2010:427-435.

[4] MERRIAM EG, Howell L L. 회전 굴곡의 정적 균형을 위한 무차원적 접근[J]. 기구 & 기계이론, 2015, 84(84):90-98.

[5] HOETMER K, Woo G, 김 C, 외. 정적으로 균형 잡힌 준수 메커니즘을 위한 음의 강성 빌딩 블록: 설계 및 테스트[J]. 메커니즘 저널 & 로봇공학, 2010, 2(4):041007.

[6] 젠센 B D, 하웰 L L. 교차축 굴곡 피벗의 모델링[J]. 메커니즘과 기계이론, 2002, 37(5):461-476.

[7] WITTRICK W H. 교차 굴곡 피벗의 특성과 스트립이 교차하는 지점의 영향[J]. 항공계간지, 1951, II: 272-292.

[8] l 아이유 l, BIS, 양 Q, ETA. 초정밀 기기에 적용되는 일반화된 삼중 크로스 스프링 플렉셔 피벗의 설계 및 실험[J]. 과학 장비 검토, 2014, 85(10): 105102.

[9] Yang Qizi, Liu Lang, Bi Shusheng 등 일반화된 3크로스 리드 플렉서블 힌지의 회전강성 특성에 관한 연구[J]. 중국기계공학저널, 2015, 51(13): 189-195.

yang Q I word, l 아이유 Lang, BIS voice, ETA. 일반화된 삼중 교차 스프링 굴곡 피벗의 회전 강성 특성[J]. 기계공학저널, 2015, 51(13):189-195.

[10] l IU l, Zhao H, BIS, ETA. 교차 스프링 굴곡 피벗의 토폴로지 구조 성능 비교 연구[C]// ASME 2014 국제 디자인 엔지니어링 기술 컨퍼런스 및 컴퓨터 및 엔지니어링 컨퍼런스 정보, 8월 17–2014년 2월 20일, 미국 뉴욕 주 버팔로. ASME, 2014 : V05AT08A025.

[11] l 아이유 l, BIS, 양Q. 내부의 강성 특성–초정밀 기기에 적용되는 외부 링 굴곡 피벗[J]. ARCHIVE 기계 공학 협회 Part C Journal of Mechanical Engineering Science 1989-1996(vols 203-210), 2017:095440621772172의 간행물.

[12] SANCHEZ J A G. 규정 준수 메커니즘의 정적 균형 조정 기준[C]// ASME 2010 국제 설계 엔지니어링 기술 컨퍼런스 및 엔지니어링 컨퍼런스의 컴퓨터 및 정보, 8월 15–2010년 18일, 캐나다 퀘벡 주 몬트리올. ASME, 2010:465-473.

[13] AWTAR S, 센 S. 2차원 빔 굴곡에 대한 일반화된 제약 모델: 비선형 변형 에너지 공식[J]. 기계설계학회지, 2010, 132: 81009.

저자소개: Bi Shusheng(교신저자), 남성, 1966년생, 의사, 교수, 박사 지도교수. 그의 주요 연구 방향은 완전 유연 메커니즘과 생체공학 로봇입니다.