Samenvatting: De rotatiestijfheid van het flexibele scharnier met nulstijfheid is ongeveer nul, wat het defect overwint dat gewone flexibele scharnieren aandrijfkoppel vereisen, en kunnen worden toegepast op flexibele grijpers en andere velden. Door de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring onder invloed van puur koppel te nemen als het positieve stijfheidssubsysteem, kan het onderzoek naar het negatieve stijfheidsmechanisme en het matchen van positieve en negatieve stijfheid een flexibel scharnier met nulstijfheid construeren. Stel een rotatiemechanisme met negatieve stijfheid voor——Het krukveermechanisme heeft de negatieve stijfheidskenmerken ervan gemodelleerd en geanalyseerd; door positieve en negatieve stijfheid te matchen, de invloed van structurele parameters van het krukveermechanisme op de kwaliteit van nulstijfheid geanalyseerd; stelde een lineaire veer voor met aanpasbare stijfheid en grootte——Ruitvormige bladveerstreng, het stijfheidsmodel werd opgesteld en de verificatie van de eindige elementensimulatie werd uitgevoerd; Ten slotte werden het ontwerp, de verwerking en het testen van een compact, flexibel scharniermonster zonder stijfheid voltooid. De testresultaten toonden aan dat: onder invloed van puur koppel,±18°In het bereik van de rotatiehoeken is de rotatiestijfheid van het flexibele scharnier zonder stijfheid gemiddeld 93% lager dan die van de flexibele scharnieren met binnen- en buitenring. Het geconstrueerde flexibele scharnier zonder stijfheid heeft een compacte structuur en hoogwaardige nulstijfheid; het voorgestelde rotatiemechanisme met negatieve stijfheid en het lineaire mechanisme. De veer heeft een grote referentiewaarde voor de studie van het flexibele mechanisme.

0 voorwoord

Flexibel scharnier (lager)

^[1-2]

Vertrouwend op de elastische vervorming van de flexibele eenheid om beweging, kracht en energie over te brengen of om te zetten, wordt het op grote schaal gebruikt in precisiepositionering en andere velden. Vergeleken met traditionele starre lagers is er een herstelmoment wanneer het flexibele scharnier draait. Daarom moet de aandrijfeenheid een uitgangskoppel leveren om de rotatie van het flexibele scharnier aan te drijven en te behouden. Flexibel scharnier zonder stijfheid

^[3]

(Zero Stijfheid Flexural Pivot, ZSFP) is een flexibel draaigewricht waarvan de rotatiestijfheid ongeveer nul is. Dit type flexibel scharnier kan op elke positie binnen het slagbereik blijven staan, ook wel statisch balans flexibel scharnier genoemd

^[4]

, worden meestal gebruikt op gebieden zoals flexibele grijpers.

Gebaseerd op het modulaire ontwerpconcept van het flexibele mechanisme, kan het volledige flexibele scharniersysteem zonder stijfheid worden verdeeld in twee subsystemen met positieve en negatieve stijfheid, en kan het nulstijfheidssysteem worden gerealiseerd door het matchen van positieve en negatieve stijfheid.

^[5]

. Onder hen is het subsysteem met positieve stijfheid gewoonlijk een flexibel scharnier met grote slag, zoals een flexibel scharnier met kruisriet

^[6-7]

, gegeneraliseerd flexibel scharnier met drie kruisjes

^[8-9]

en binnen- en buitenring flexibele scharnieren

^[10-11]

enz. Momenteel heeft het onderzoek naar flexibele scharnieren veel resultaten opgeleverd. Daarom is de sleutel tot het ontwerpen van flexibele scharnieren zonder stijfheid het matchen van geschikte modules met negatieve stijfheid voor flexibele scharnieren[3].

Flexibele scharnieren binnen- en buitenring (Flexural Pivots binnen- en buitenring, IORFP) hebben uitstekende eigenschappen op het gebied van stijfheid, precisie en temperatuurafwijking. De bijpassende negatieve stijfheidsmodule biedt de constructiemethode van het flexibele scharnier zonder stijfheid en voltooit ten slotte het ontwerp, de monsterverwerking en het testen van het flexibele scharnier zonder stijfheid.

1 krukveermechanisme

1.1 Definitie van negatieve stijfheid

De algemene definitie van stijfheid K is de mate van verandering tussen de belasting F gedragen door het elastische element en de overeenkomstige vervorming dx

K=dF/dx (1)

Wanneer de belastingstoename van het elastische element tegengesteld is aan het teken van de overeenkomstige vervormingstoename, is er sprake van een negatieve stijfheid. Fysisch komt de negatieve stijfheid overeen met de statische instabiliteit van het elastische element

^[12]

Negatieve stijfheidsmechanismen spelen een belangrijke rol op het gebied van flexibel statisch evenwicht. Meestal hebben mechanismen voor negatieve stijfheid de volgende kenmerken.

(1) Het mechanisme reserveert een bepaalde hoeveelheid energie of ondergaat een bepaalde vervorming.

(2) Het mechanisme bevindt zich in een kritieke instabiliteitstoestand.

(3) Wanneer het mechanisme enigszins wordt verstoord en de evenwichtspositie verlaat, kan het een grotere kracht vrijgeven, die in dezelfde richting is als de beweging.

1.2 Constructieprincipe van flexibel scharnier zonder stijfheid

Het flexibele scharnier zonder stijfheid kan worden geconstrueerd door gebruik te maken van positieve en negatieve stijfheidsaanpassing, en het principe wordt getoond in figuur 2.

(1) Onder invloed van puur koppel hebben de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring een ongeveer lineaire relatie tussen koppel en rotatiehoek, zoals weergegeven in figuur 2a. Vooral wanneer het snijpunt zich op 12,73% van de rietlengte bevindt, is de relatie tussen koppel en rotatiehoek lineair

^[11]

Op dit moment is het herstelmoment Mpivot (met de klok mee) van het flexibele scharnier gerelateerd aan de draaihoek van het lagerθ(tegen de klok in) is de relatie

Mpivot=(8EI/L)θ (2)

In de formule is E de elastische modulus van het materiaal, L is de lengte van het riet en I is het traagheidsmoment van de sectie.

(2) Volgens het rotatiestijfheidsmodel van de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring is het rotatiemechanisme met negatieve stijfheid op elkaar afgestemd en zijn de negatieve stijfheidskarakteristieken ervan weergegeven in figuur 2b.

(3) Gezien de instabiliteit van het negatieve stijfheidsmechanisme

^[12]

moet de stijfheid van het flexibele scharnier met nulstijfheid ongeveer nul en groter dan nul zijn, zoals weergegeven in figuur 2c.

1.3 Definitie van krukveermechanisme

Volgens literatuur [4] kan een flexibel scharnier zonder stijfheid worden geconstrueerd door een voorvervormde veer in te brengen tussen het bewegende stijve lichaam en het vaste stijve lichaam van het flexibele scharnier. Voor het flexibele scharnier van de binnen- en buitenring getoond in FIG. 1 wordt een veer geïntroduceerd tussen de binnenring en de buitenring, d.w.z. er wordt een veer-krukmechanisme (SCM) geïntroduceerd. Verwijzend naar het krukschuifmechanisme getoond in figuur 3, worden de gerelateerde parameters van het krukveermechanisme getoond in figuur 4. Het kruk-veermechanisme bestaat uit een kruk en een veer (stijfheid ingesteld op k). de beginhoek is de ingesloten hoek tussen de kruk AB en de basis AC wanneer de veer niet vervormd is. R vertegenwoordigt de cranklengte, l vertegenwoordigt de basislengte en definieert de cranklengteverhouding als de verhouding van r tot l, I.e. = r/l (0<<1).

De constructie van het kruk-veermechanisme vereist de bepaling van 4 parameters: de basislengte l, de kruklengteverhouding, de beginhoek en de veerstijfheid K.

De vervorming van het krukveermechanisme onder kracht is weergegeven in figuur 5a, op het moment M

_γ

Onder invloed van de actie beweegt de kruk vanuit de beginpositie AB

_Bèta

wenden tot AB

_γ

tijdens het rotatieproces de ingesloten hoek van de kruk ten opzichte van de horizontale positie

_γ

de krukhoek genoemd.

Kwalitatieve analyse laat zien dat de kruk draait vanuit AB (beginpositie, M & gamma; Nul) tot AB0 (“dood punt”locatie, m

_γ

nul is), heeft het krukveermechanisme een vervorming met negatieve stijfheidseigenschappen.

1.4 De relatie tussen koppel en rotatiehoek van het krukveermechanisme

In afb. 5, het koppel M & gamma; met de klok mee is positief, de krukhoek & gamma; tegen de klok in is positief, en de momentbelasting M wordt hieronder gemodelleerd en geanalyseerd.

_γ

met krukhoek

_γ

De relatie tussen het modelleringsproces wordt gedimensioneerd.

Zoals weergegeven in figuur 5b, de koppelbalansvergelijking voor kruk AB & gamma staat vermeld.

In de formule is F & gamma; is de veerherstelkracht, d & gamma; is F & gamma; naar punt A. Neem aan dat de verplaatsing-belastingrelatie van de veer gelijk is

In de formule is K de veerstijfheid (niet noodzakelijk een constante waarde),δ

xγ

is de hoeveelheid veervervorming (ingekort tot positief),δ

xγ

=|B

_Bèta

C| – |B

_γ

C|.

Gelijktijdig type (3)(5), moment M

_γ

met hoek

_γ

De relatie is

1.5 Analyse van de negatieve stijfheidskarakteristieken van het krukveermechanisme

Om de analyse van de negatieve stijfheidskarakteristieken van het krukveermechanisme (moment M

_γ

met hoek

_γ

relatie), mag worden aangenomen dat de veer een lineaire positieve stijfheid heeft, dan kan formule (4) worden herschreven als

In de formule is Kconst een constante groter dan nul. Nadat de maat van het flexibele scharnier is bepaald, wordt ook de lengte l van de basis bepaald. Daarom, ervan uitgaande dat l een constante is, kan formule (6) worden herschreven als

waarbij Kconstl2 een constante groter dan nul is, en de momentcoëfficiënt m & gamma; heeft een afmeting van één. De negatieve stijfheidskarakteristieken van het krukveermechanisme kunnen worden verkregen door de relatie tussen de koppelcoëfficiënt m te analyseren & gamma; en de rotatiehoek & gamma.

Uit vergelijking (9) toont Figuur 6 de initiële hoek =π relatie tussen m & gamma; en kruklengteverhouding en rotatiehoek & gamma;, & isin;[0,1, 0,9],& gamma;& isin;[0, π]. Figuur 7 toont de relatie tussen m & gamma; en rotatiehoek & gamma; voor = 0,2 en verschillende . Figuur 8 toont =π Wanneer, onder verschillende , de relatie tussen m & gamma; en hoek & gamma.

Volgens de definitie van het krukveermechanisme (paragraaf 1.3) en formule (9), wanneer k en l constant zijn, m & gamma; Heeft alleen betrekking op de hoek & gamma;, kruklengteverhouding en krukbeginhoek .

(1) Als en slechts als & gamma; is gelijk aan 0 ofπ of, m & gamma; is gelijk aan nul; & gamma; & isin;[0, ],m & gamma; groter is dan nul; & gamma; & is in;[π],M & gamma; minder dan nul. & isin;[0, ],m & gamma; groter is dan nul; & gamma;& is in;[π],M & gamma; minder dan nul.

(2) & gamma; Wanneer [0, ]: de rotatiehoek & gamma; neemt toe, m & gamma; neemt toe van nul tot de hoek van het buigpunt & gamma;0 neemt de maximale waarde m aan & gamma;max, en neemt vervolgens geleidelijk af.

(3) Het negatieve stijfheidskarakteristieke bereik van het krukveermechanisme: & gamma;& isin;[0, & gamma;0], op dit moment & gamma; neemt toe (tegen de klok in), en het koppel M & gamma; neemt toe (met de klok mee). De buigpunthoek & gamma;0 is de maximale rotatiehoek van de negatieve stijfheidskarakteristiek van het krukveermechanisme en & gamma;0 & isin;[0, ];m & gamma;max is de maximale negatieve momentcoëfficiënt. Gegeven en levert de afleiding van vergelijking (9) op & gamma;0

(4) hoe groter de initiële hoek, & gamma; de grotere 0, m

_γmax

groter.

(5) hoe groter de lengteverhouding, & gamma; de kleinere 0, m

_γmax

groter.

In het bijzonder =πDe negatieve stijfheidskarakteristieken van het krukveermechanisme zijn het beste (het bereik van de negatieve stijfheidshoek is groot en het koppel dat kan worden geleverd is groot). =πTegelijkertijd wordt onder verschillende omstandigheden de maximale rotatiehoek bereikt & gamma van de negatieve stijfheid die kenmerkend is voor het krukveermechanisme; 0 en de maximale negatieve koppelcoëfficiënt m & gamma; Max staat vermeld in tabel 1.

2 Constructie van flexibel scharnier zonder stijfheid

De afstemming van positieve en negatieve stijfheid van de 2.1 wordt getoond in figuur 9. n(n 2) groepen parallelle krukveermechanismen zijn gelijkmatig verdeeld over de omtrek, waardoor een negatief stijfheidsmechanisme wordt gevormd dat past bij de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring.

Gebruik de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring als het positieve stijfheidssubsysteem en construeer een flexibel scharnier zonder stijfheid. Om een ​​stijfheid van nul te bereiken, moet u de positieve en negatieve stijfheid op elkaar afstemmen

gelijktijdig (2), (3), (6), (11), en & gamma;=θ, de belasting F & gamma van de veer kan worden verkregen; en verplaatsingδDe relatie van x & gamma; is

Volgens paragraaf 1.5 het negatieve stijfheidshoekbereik van het krukveermechanisme: & gamma;& isin;[0, & gamma;0] en & gamma;0 & isin;[0, ], de slag van het flexibele scharnier zonder stijfheid moet kleiner zijn dan & gamma;0, I.e. de veer bevindt zich altijd in een vervormde staat (δxγ≠0). Het draaibereik van de binnen- en buitenring flexibele scharnieren bedraagt±0,35 rad(±20°), vereenvoudig de trigonometrische functies sin & gamma; en co & gamma; als volgt

Na vereenvoudiging de relatie tussen belasting en verplaatsing van de veer

2.2 Foutanalyse van het positieve en negatieve stijfheidsmatchingsmodel

Evalueer de fout die wordt veroorzaakt door de vereenvoudigde behandeling van vergelijking (13). Volgens de werkelijke verwerkingsparameters van een flexibel scharnier met nulstijfheid (sectie 4.2): n = 3,l = 40 mm, =π, = 0,2, E = 73 GPa; De afmetingen van de binnen- en buitenring flexibel scharnier riet L = 46 mm, T = 0,3 mm, B = 9,4 mm; De vergelijkingsformules (12) en (14) vereenvoudigen de verhouding van de belastingverplaatsing en de relatieve fout van de voor- en achterveren, zoals weergegeven in respectievelijk figuren 10a en 10b.

Zoals weergegeven in Figuur 10, & gamma; is minder dan 0,35 rad (20°), de relatieve fout veroorzaakt door de vereenvoudigde behandeling van de belasting-verplaatsingscurve niet groter is dan 2,0%, en de formule

De vereenvoudigde behandeling van (13) kan worden gebruikt om flexibele scharnieren zonder stijfheid te construeren.

2.3 Stijfheidskenmerken van de veer

Ervan uitgaande dat de stijfheid van de veer K is, geldt het gelijktijdige (3), (6), (14)

Volgens de feitelijke verwerkingsparameters van het flexibele scharnier met nulstijfheid (paragraaf 4.2), is de veranderingscurve van veerstijfheid K met hoek & gamma; wordt weergegeven in Figuur 11. In het bijzonder wanneer & gamma;= 0, K neemt de minimumwaarde aan.

Voor het gemak van ontwerp en verwerking gebruikt de veer een lineaire veer met positieve stijfheid, en de stijfheid is Kconst. Als de totale stijfheid van het flexibele scharnier met nulstijfheid over de hele slag groter is dan of gelijk is aan nul, moet Kconst de minimumwaarde K aannemen

Vergelijking (16) is de stijfheidswaarde van de lineaire veer met positieve stijfheid bij het construeren van het flexibele scharnier met nulstijfheid. 2.4 Analyse van de kwaliteit zonder stijfheid De relatie tussen belasting en verplaatsing van het geconstrueerde flexibele scharnier zonder stijfheid is

Gelijktijdige formules (2), (8), (16) kunnen worden verkregen

Om de kwaliteit van de nulstijfheid te evalueren, wordt het reductiebereik van de flexibele scharnierstijfheid voor en na het toevoegen van de negatieve stijfheidsmodule gedefinieerd als de kwaliteitscoëfficiënt van nulstijfheid.η

η Hoe dichter bij 100%, hoe hoger de kwaliteit van nulstijfheid. Figuur 12 is 1-η Relatie met kruklengteverhouding en beginhoek η Het is onafhankelijk van het aantal n parallelle krukveermechanismen en de lengte l van de basis, maar alleen gerelateerd aan de kruklengteverhouding, de rotatiehoek & gamma; en de beginhoek.

(1) De initiële hoek neemt toe en de kwaliteit van de nulstijfheid verbetert.

(2) De lengteverhouding neemt toe en de nulstijfheidskwaliteit neemt af.

(3) Hoek & gamma; neemt toe, de kwaliteit van de nulstijfheid neemt af.

Om de kwaliteit van nulstijfheid van het flexibele scharnier zonder stijfheid te verbeteren, moet de initiële hoek een grotere waarde aannemen; de kruklengteverhouding moet zo klein mogelijk zijn. Tegelijkertijd zal, volgens de analyseresultaten in paragraaf 1.5, het vermogen van het krukveermechanisme om negatieve stijfheid te verschaffen zwak zijn als het te klein is. Om de nulstijfheidskwaliteit van het flexibele scharnier met nulstijfheid te verbeteren, moet de initiële hoek =π, kruklengteverhouding = 0,2, dat wil zeggen de werkelijke verwerkingsparameters van sectie 4.2 flexibel scharnier zonder stijfheid.

Volgens de feitelijke verwerkingsparameters van het flexibele scharnier zonder stijfheid (paragraaf 4.2) wordt de koppelhoekrelatie tussen de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring en het flexibele scharnier zonder stijfheid weergegeven in figuur 13; de afname in stijfheid is de kwaliteitscoëfficiënt nul-stijfheidηDe relatie met de hoek & gamma; wordt getoond in Figuur 14. Volgens afbeelding 14: in 0,35 rad (20°) rotatiebereik, de stijfheid van het flexibele scharnier zonder stijfheid wordt met gemiddeld 97% verminderd; 0,26 rad(15°) hoeken, wordt deze met 95% verminderd.

3 Ontwerp van lineaire veer met positieve stijfheid

De constructie van een flexibel scharnier zonder stijfheid vindt meestal plaats nadat de maat en stijfheid van het flexibele scharnier zijn bepaald, en vervolgens is de stijfheid van de veer in het krukveermechanisme omgekeerd, zodat de stijfheids- en maatvereisten van de veer relatief streng zijn. Bovendien is de beginhoek =πUit figuur 5a blijkt dat tijdens de rotatie van het flexibele scharnier zonder stijfheid de veer zich altijd in een samengedrukte toestand bevindt, dat wil zeggen“Drukveer”.

De stijfheid en grootte van traditionele drukveren zijn moeilijk precies aan te passen, en bij toepassingen is vaak een geleidingsmechanisme vereist. Daarom wordt een veer voorgesteld waarvan de stijfheid en grootte kunnen worden aangepast——Ruitvormig bladveerkoord. De ruitvormige bladverenstreng (Figuur 15) bestaat uit meerdere ruitvormige bladveren die in serie zijn verbonden. Het heeft de kenmerken van een vrij structureel ontwerp en een hoge mate van maatwerk. De verwerkingstechnologie komt overeen met die van flexibele scharnieren en beide worden verwerkt door nauwkeurig draadsnijden.

3.1 Lastverplaatsingsmodel van ruitvormige bladveerstreng

Vanwege de symmetrie van de ruitvormige bladveer hoeft slechts één bladveer aan een spanningsanalyse te worden onderworpen, zoals weergegeven in Figuur 16. α is de hoek tussen het riet en de horizontaal, de lengte, breedte en dikte van het riet zijn respectievelijk Ld, Wd, Td, f is de dimensioneel uniforme belasting op de ruitvormige bladveer,δy is de vervorming van de ruitvormige bladveer in de y-richting, kracht fy en moment m zijn equivalente belastingen op het uiteinde van een enkel riet, fv en fw zijn samenstellende krachten van fy in het wov-coördinatensysteem.

Volgens de bundelvervormingstheorie van AWTAR[13] is de dimensioneel uniforme belasting-verplaatsingsrelatie van een enkel riet

Vanwege de beperkende relatie van het stijve lichaam op het riet, is de eindhoek van het riet voor en na vervorming nul, dat wil zeggenθ = 0. Gelijktijdig (20)(22)

Vergelijking (23) is het dimensionale unificatiemodel van de ruitvormige bladveer. n2 ruitvormige bladveren zijn in serie geschakeld, en het belastingverplaatsingsmodel is dat ook

Uit formule (24), wanneerαWanneer d klein is, is de stijfheid van de ruitvormige bladveerstreng bij typische afmetingen en typische belastingen ongeveer lineair.

3.2 Eindige-elementensimulatieverificatie van het model

De eindige-elementensimulatieverificatie van het lastverplaatsingsmodel van de ruitvormige bladveer wordt uitgevoerd. Met behulp van ANSYS Mechanical APDL 15.0 worden de simulatieparameters weergegeven in Tabel 2 en wordt een druk van 8 N uitgeoefend op de ruitvormige bladveer.

De vergelijking tussen de modelresultaten en de simulatieresultaten van de relatie tussen belasting en verplaatsing van de ruitbladveer wordt getoond in Fig. 17 (dimensionalisering). Voor vier ruitvormige bladveren met verschillende hellingshoeken bedraagt ​​de relatieve fout tussen het model en de eindige-elementensimulatieresultaten niet meer dan 1,5%. De geldigheid en nauwkeurigheid van het model (24) zijn geverifieerd.

4 Ontwerp en test van een flexibel scharnier zonder stijfheid

4.1 Parameterontwerp van flexibel scharnier zonder stijfheid

Om een ​​flexibel scharnier zonder stijfheid te ontwerpen, moeten de ontwerpparameters van het flexibele scharnier eerst worden bepaald op basis van de gebruiksomstandigheden, en vervolgens moeten de relevante parameters van het krukveermechanisme omgekeerd worden berekend.

4.1.1 Parameters flexibele scharnieren

Het snijpunt van de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring bevindt zich op 12,73% van de rietlengte en de parameters ervan worden weergegeven in Tabel 3. Als we vergelijking (2) vervangen, is de relatie tussen koppel en rotatiehoek van de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring gelijk

4.1.2 Parameters voor negatieve stijfheidsmechanismen

Zoals weergegeven in afb. 18, waarbij het aantal n parallelle krukveermechanismen 3 bedraagt, wordt de lengte l = 40 mm bepaald door de grootte van het flexibele scharnier. volgens de conclusie van paragraaf 2.4 is de initiële hoek =π, kruklengteverhouding = 0,2. Volgens vergelijking (16) is de stijfheid van de veer (I .e. diamantbladveerkoord) is Kconst = 558,81 N/m (26)

4.1.3 Parameters van diamantbladveerstrings

bij l = 40 mm, =π, = 0,2, de oorspronkelijke lengte van de veer is 48 mm en de maximale vervorming (& gamma;= 0) is 16 mm. Vanwege structurele beperkingen is het moeilijk voor een enkele ruitvormige bladveer om zo'n grote vervorming te veroorzaken. Bij gebruik van vier ruitvormige bladveren in serie (n2 = 4) is de stijfheid van een enkele ruitvormige bladveer

Kd=4Kconst=2235,2 N/m (27)

Afhankelijk van de grootte van het negatieve stijfheidsmechanisme (Figuur 18), gegeven de rietlengte, breedte en riethellingshoek van de ruitvormige bladveer, kan het riet worden afgeleid uit formule (23) en de stijfheidsformule (27) van de ruitvormige bladveer Dikte. De structurele parameters van ruitbladveren zijn vermeld in Tabel 4.

oppervlak4

Samenvattend zijn de parameters van het flexibele scharnier zonder stijfheid op basis van het krukveermechanisme allemaal bepaald, zoals weergegeven in Tabel 3 en Tabel 4.

4.2 Ontwerp en verwerking van het monster van het flexibele scharnier zonder stijfheid. Raadpleeg literatuur [8] voor de verwerkings- en testmethode van het flexibele scharnier. Het flexibele scharnier zonder stijfheid bestaat uit een mechanisme met negatieve stijfheid en een flexibel binnen- en buitenringflexibel scharnier. Het structurele ontwerp wordt getoond in Figuur 19.

Zowel de flexibele scharnieren van de binnen- als de buitenring en de ruitvormige bladveerstrengen worden verwerkt door precisiedraadsnijwerktuigmachines. De binnen- en buitenring flexibele scharnieren worden in lagen verwerkt en gemonteerd. Figuur 20 is de fysieke afbeelding van drie sets ruitvormige bladveerstrengen, en figuur 21 is de gemonteerde nulstijfheid. De fysieke afbeelding van het flexibele scharniermonster.

4.3 Het testplatform voor de rotatiestijfheid van het flexibele scharnier zonder stijfheid Verwijzend naar de testmethode voor de rotatiestijfheid in [8] wordt het testplatform voor de rotatiestijfheid van het flexibele scharnier zonder stijfheid gebouwd, zoals weergegeven in Figuur 22.

4.4 Experimentele gegevensverwerking en foutenanalyse

De rotatiestijfheid van de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring en de flexibele scharnieren met nulstijfheid werden getest op het testplatform en de testresultaten worden getoond in Figuur 23. Bereken en teken de kwaliteitscurve zonder stijfheid van het flexibele scharnier zonder stijfheid volgens formule (19), zoals weergegeven in Fig. 24.

De testresultaten laten zien dat de rotatiestijfheid van het flexibele scharnier zonder stijfheid bijna nul is. Vergeleken met de flexibele binnen- en buitenringscharnieren, het flexibele scharnier zonder stijfheid±0,31 rad(18°) de stijfheid werd met gemiddeld 93% verminderd; 0,26 rad (15°), wordt de stijfheid met 90% verminderd.

Zoals weergegeven in figuren 23 en 24 is er nog steeds een zekere kloof tussen de testresultaten van de kwaliteit van nulstijfheid en de resultaten van het theoretische model (de relatieve fout is minder dan 15%), en de belangrijkste redenen voor de fout zijn als volgt.

(1) De modelfout veroorzaakt door de vereenvoudiging van trigonometrische functies.

(2) Wrijving. Er is wrijving tussen de diamantbladveerstreng en de montageas.

(3) Verwerkingsfout. Er zijn fouten in de werkelijke grootte van het riet, enz.

(4) Montagefout. De opening tussen het installatiegat van de ruitvormige bladveerstreng en de as, de installatieopening van het testplatformapparaat, enz.

4.5 Prestatievergelijking met een typisch flexibel scharnier zonder stijfheid In de literatuur [4] werd een flexibel scharnier zonder stijfheid ZSFP_CAFP geconstrueerd met behulp van een dwars as-buigscharnier (CAFP), zoals weergegeven in figuur 25.

Vergelijking van het flexibele scharnier zonder stijfheid ZSFP_IORFP (Fig. 21) en ZSFP_CAFP (afb. 25) geconstrueerd met behulp van de flexibele scharnieren van de binnen- en buitenring

(1) ZSFP_IORFP, de structuur is compacter.

(2) Het hoekbereik van ZSFP_IORFP is klein. Het hoekbereik wordt beperkt door het hoekbereik van het flexibele scharnier zelf; het hoekbereik van ZSFP_CAFP80°, ZSFP_IORFP hoekbereik40°.

(3) ±18°In het bereik van de hoeken heeft ZSFP_IORFP een hogere kwaliteit zonder stijfheid. De gemiddelde stijfheid van ZSFP_CAFP wordt met 87% verminderd en de gemiddelde stijfheid van ZSFP_IORFP wordt met 93% verminderd.

5 conclusie

Door het flexibele scharnier van de binnen- en buitenringen onder puur koppel te nemen als het subsysteem met positieve stijfheid, is het volgende werk gedaan om een ​​flexibel scharnier zonder stijfheid te construeren.

(1) Stel een rotatiemechanisme met negatieve stijfheid voor——Voor het krukveermechanisme werd een model (formule (6)) opgesteld om de invloed van structurele parameters op de negatieve stijfheidskarakteristieken ervan te analyseren, en werd het bereik van de negatieve stijfheidskarakteristieken gegeven (tabel 1).

(2) Door de positieve en negatieve stijfheden met elkaar te vergelijken, worden de stijfheidskarakteristieken van de veer in het krukveermechanisme (vergelijking (16)) verkregen en wordt het model (vergelijking (19)) opgesteld om het effect van de structurele parameters te analyseren van het krukveermechanisme op de kwaliteit van nulstijfheid van het flexibele scharnier zonder stijfheid Invloed, theoretisch, binnen de beschikbare slag van het flexibele scharnier van de binnen- en buitenringen (±20°), kan de gemiddelde stijfheidsvermindering 97% bereiken.

(3) Stel een aanpasbare stijfheid voor“lente”——Er werd een ruitvormige bladveerstreng opgesteld om het stijfheidsmodel ervan vast te stellen (vergelijking (23)) en geverifieerd met behulp van de eindige-elementenmethode.

(4) Voltooiing van het ontwerp, de verwerking en het testen van een compact, flexibel scharniermonster zonder stijfheid. De testresultaten laten zien dat: onder invloed van puur koppel, de36°In het bereik van de rotatiehoeken wordt, vergeleken met de flexibele scharnieren met binnen- en buitenring, de stijfheid van het flexibele scharnier zonder stijfheid gemiddeld met 93% verminderd.

Het geconstrueerde flexibele scharnier zonder stijfheid staat alleen onder invloed van puur koppel, wat kan worden gerealiseerd“nul stijfheid”, zonder rekening te houden met complexe belastingsomstandigheden. Daarom is de constructie van flexibele scharnieren zonder stijfheid onder complexe belastingsomstandigheden de focus van verder onderzoek. Bovendien is het verminderen van de wrijving die ontstaat tijdens de beweging van flexibele scharnieren zonder stijfheid een belangrijke optimalisatierichting voor flexibele scharnieren zonder stijfheid.

referenties

[1] HOWELL L L. Conforme mechanismen[M]. New York: John Wiley&Zonen, Inc, 2001.

[2] Yu Jingjun, Pei Xu, Bi Shusheng, enz. Onderzoeksvoortgang naar ontwerpmethoden voor flexibel scharniermechanisme [J]. Chinees tijdschrift voor werktuigbouwkunde, 2010, 46(13):2-13. Y u jin-kampioen, PEI X U, BIS-oproep, verwachte aankomsttijd. State-of-art ontwerpmethode voor buigmechanismen[J]. Tijdschrift voor Werktuigbouwkunde, 2010, 46(13):2-13.

[3] MORSCH FM, Herder JL. Ontwerp van een generieke verbinding die voldoet aan de eisen van nulstijfheid[C]// ASME International Design Engineering Conferences. 2010:427-435.

[4] MERRIAM EG, Howell L L. Niet-dimensionale benadering voor het statisch balanceren van rotatiebuigingen [J]. Mechanisme & Machinetheorie, 2015, 84(84):90-98.

[5] HOETMER K, Woo G, Kim C, et al. Bouwstenen voor negatieve stijfheid voor statisch gebalanceerde conforme mechanismen: ontwerp en testen [J]. Journal of Mechanismen & Robotica, 2010, 2(4):041007.

[6] JENSEN BD, Howell L L. Het modelleren van dwarsas-buigdraaipunten[J]. Mechanisme en machinetheorie, 2002, 37(5):461-476.

[7] WITTRICK W H. De eigenschappen van gekruiste buigscharnieren en de invloed van het kruispunt van de stroken[J]. Het Aeronautical Quarterly, 1951, II: 272-292.

[8] l IU l, BIS, yang Q, ETA. Ontwerp en experiment van gegeneraliseerde drievoudige veerbuigscharnieren toegepast op de ultraprecieze instrumenten [J]. Overzicht van wetenschappelijke instrumenten, 2014, 85(10): 105102.

[9] Yang Qizi, Liu Lang, Bi Shusheng, enz. Onderzoek naar de rotatiestijfheidskarakteristieken van gegeneraliseerde flexibele rietscharnieren met drie kruispunten[J]. Chinees tijdschrift voor werktuigbouwkunde, 2015, 51(13): 189-195.

yang Q Ik woord, l IU Lang, BIS stem, ETA. Rotatiestijfheidskarakterisering van gegeneraliseerde buigscharnieren met drievoudige kruisveren [J]. Tijdschrift voor Werktuigbouwkunde, 2015, 51(13):189-195.

[10] IU l, Zhao H, BIS, ETA. Onderzoek naar prestatievergelijking van de topologiestructuur van buigzame draaipunten met meerdere veren [C]// ASME 2014 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, augustus 17–20, 2014, Buffalo, New York, VS. ASME, 2014 : V05AT08A025.

[11] l IU l, BIS, yang Q. Stijfheidskenmerken van binnen–buigscharnieren van de buitenste ring toegepast op de ultraprecieze instrumenten [J]. ARCHIEF Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Deel C Journal of Mechanical Engineering Science 1989-1996 (vols 203-210), 2017: 095440621772172.

[12] SANCHEZ J A G. Criteria voor het statisch balanceren van conforme mechanismen[C]// ASME 2010 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, augustus 15–18, 2010, Montreal, Quebec, Canada. ASME, 2010:465-473.

[13] AWTAR S, senator S. Een gegeneraliseerd beperkingsmodel voor tweedimensionale buigingen van balken: niet-lineaire rek-energieformulering [J]. Journal of Mechanisch Ontwerp, 2010, 132: 81009.

Over de auteur: Bi Shusheng (corresponderende auteur), man, geboren in 1966, arts, professor, promotor. Zijn belangrijkste onderzoeksrichting is volledig flexibel mechanisme en bionische robot.