Resumo: A rigidez rotacional da dobradiça flexível de rigidez zero é aproximadamente zero, o que supera o defeito de que as dobradiças flexíveis comuns requerem torque de acionamento e podem ser aplicadas a garras flexíveis e outros campos. Tomando as dobradiças flexíveis do anel interno e externo sob a ação do torque puro como o subsistema de rigidez positiva, a pesquisa Mecanismo de rigidez negativa e a correspondência de rigidez positiva e negativa podem construir uma dobradiça flexível de rigidez zero. Proponha um mecanismo de rotação de rigidez negativa——Mecanismo de mola de manivela, modelado e analisado suas características de rigidez negativa; combinando rigidez positiva e negativa, analisou a influência dos parâmetros estruturais do mecanismo de manivela na qualidade de rigidez zero; propôs uma mola linear com rigidez e tamanho personalizáveis——Corda de mola de lâmina em forma de diamante, o modelo de rigidez foi estabelecido e a verificação da simulação de elementos finitos foi realizada; finalmente, o projeto, o processamento e o teste de uma amostra compacta de dobradiça flexível com rigidez zero foram concluídos. Os resultados do teste mostraram que: sob a ação do torque puro,±18°Na faixa de ângulos de rotação, a rigidez rotacional da dobradiça flexível de rigidez zero é, em média, 93% menor do que a das dobradiças flexíveis do anel interno e externo. A dobradiça flexível de rigidez zero construída possui uma estrutura compacta e rigidez zero de alta qualidade; o mecanismo de rotação de rigidez negativa proposto e o linear A mola tem grande valor de referência para o estudo do mecanismo flexível.
0 Prefácio
Dobradiça flexível (rolamento)
[1-2]
Baseando-se na deformação elástica da unidade flexível para transmitir ou converter movimento, força e energia, ela tem sido amplamente utilizada em posicionamento de precisão e outros campos. Comparado com os rolamentos rígidos tradicionais, há um momento de restauração quando a dobradiça flexível gira. Portanto, a unidade de acionamento precisa fornecer torque de saída para acionar e manter a rotação da dobradiça flexível. Dobradiça flexível com rigidez zero
[3]
(Pivô flexural de rigidez zero, ZSFP) é uma junta rotativa flexível cuja rigidez rotacional é aproximadamente zero. Este tipo de dobradiça flexível pode permanecer em qualquer posição dentro da faixa de curso, também conhecida como dobradiça flexível de equilíbrio estático
[4]
, são usados principalmente em campos como pinças flexíveis.
Com base no conceito de design modular do mecanismo flexível, todo o sistema de dobradiça flexível com rigidez zero pode ser dividido em dois subsistemas de rigidez positiva e negativa, e o sistema de rigidez zero pode ser realizado através da correspondência de rigidez positiva e negativa
[5]
. Entre eles, o subsistema de rigidez positiva é geralmente uma dobradiça flexível de grande curso, como uma dobradiça flexível de palheta cruzada
[6-7]
, dobradiça flexível de palheta de três cruzes generalizada
[8-9]
e dobradiças flexíveis de anel interno e externo
[10-11]
etc. Atualmente, a pesquisa sobre dobradiças flexíveis tem alcançado muitos resultados, portanto, a chave para projetar dobradiças flexíveis com rigidez zero é combinar módulos de rigidez negativa adequados para dobradiças flexíveis[3].
As dobradiças flexíveis de anel interno e externo (pivôs flexurais de anel interno e externo, IORFP) possuem excelentes características em termos de rigidez, precisão e desvio de temperatura. O módulo de rigidez negativa correspondente fornece o método de construção da dobradiça flexível de rigidez zero e, finalmente, completa o projeto, processamento de amostra e teste da dobradiça flexível de rigidez zero.
1 mecanismo de mola de manivela
1.1 Definição de rigidez negativa
A definição geral de rigidez K é a taxa de variação entre a carga F suportada pelo elemento elástico e a deformação correspondente dx
K = dF/dx (1)
Quando o incremento de carga do elemento elástico é oposto ao sinal do incremento de deformação correspondente, trata-se de rigidez negativa. Fisicamente, a rigidez negativa corresponde à instabilidade estática do elemento elástico
[12]
.Os mecanismos de rigidez negativa desempenham um papel importante no campo do equilíbrio estático flexível. Normalmente, os mecanismos de rigidez negativa possuem as seguintes características.
(1) O mecanismo reserva uma certa quantidade de energia ou sofre uma certa deformação.
(2) O mecanismo está num estado crítico de instabilidade.
(3) Quando o mecanismo é ligeiramente perturbado e sai da posição de equilíbrio, ele pode liberar uma força maior, que está na mesma direção do movimento.
1.2 Princípio de construção da dobradiça flexível de rigidez zero
A dobradiça flexível de rigidez zero pode ser construída usando correspondência de rigidez positiva e negativa, e o princípio é mostrado na Figura 2.
(1) Sob a ação do torque puro, as dobradiças flexíveis do anel interno e externo têm uma relação torque-ângulo de rotação aproximadamente linear, conforme mostrado na Figura 2a. Especialmente, quando o ponto de intersecção está localizado a 12,73% do comprimento da palheta, a relação torque-ângulo de rotação é linear
[11]
, neste momento, o momento restaurador Mpivot (sentido horário) da dobradiça flexível está relacionado ao ângulo de rotação do rolamentoθ(sentido anti-horário) a relação é
Mpivô=(8EI/L)θ (2)
Na fórmula, E é o módulo de elasticidade do material, L é o comprimento da palheta e I é o momento de inércia da seção.
(2) De acordo com o modelo de rigidez rotacional das dobradiças flexíveis do anel interno e externo, o mecanismo rotativo de rigidez negativa é compatível e suas características de rigidez negativa são mostradas na Figura 2b.
(3) Tendo em conta a instabilidade do mecanismo de rigidez negativa
[12]
, a rigidez da dobradiça flexível com rigidez zero deve ser aproximadamente zero e maior que zero, conforme mostrado na Figura 2c.
1.3 Definição de mecanismo de manivela
De acordo com a literatura [4], uma dobradiça flexível com rigidez zero pode ser construída introduzindo uma mola pré-deformada entre o corpo rígido móvel e o corpo rígido fixo da dobradiça flexível. Para a dobradiça flexível do anel interno e externo mostrada na FIG. 1, uma mola é introduzida entre o anel interno e o anel externo, ou seja, um mecanismo de mola-manivela (SCM) é introduzido. Referindo-se ao mecanismo deslizante de manivela mostrado na Figura 3, os parâmetros relacionados do mecanismo de mola de manivela são mostrados na Figura 4. O mecanismo manivela-mola é composto por uma manivela e uma mola (defina a rigidez como k). o ângulo inicial é o ângulo incluído entre a manivela AB e a base AC quando a mola não está deformada. R representa o comprimento da manivela, l representa o comprimento da base e define a razão do comprimento da manivela como a razão entre r e l, I.e. = r/eu (0<<1).
A construção do mecanismo manivela-mola requer a determinação de 4 parâmetros: o comprimento da base l, a relação entre os comprimentos da manivela, o ângulo inicial e a rigidez da mola K.
A deformação do mecanismo de manivela sob força é mostrada na Figura 5a, no momento M
&gama;
Sob a ação, a manivela se move da posição inicial AB
Beta
vire para AB
&gama;
, durante o processo de rotação, o ângulo incluído da manivela em relação à posição horizontal
&gama;
chamado ângulo da manivela.
A análise qualitativa mostra que a manivela gira de AB (posição inicial, M & gama; Zero) a AB0 (“ponto morto”localização, M
&gama;
é zero), o mecanismo manivela-mola apresenta uma deformação com características de rigidez negativas.
1.4 A relação entre torque e ângulo de rotação do mecanismo de mola de manivela
Na Fig. 5, o torque M & gama; no sentido horário é positivo, o ângulo da manivela & gama; no sentido anti-horário é positivo, e o momento de carga M é modelado e analisado abaixo.
&gama;
com ângulo de manivela
&gama;
A relação entre o processo de modelagem é dimensionada.
Conforme mostrado na Figura 5b, a equação de equilíbrio de torque para manivela AB & gama está listada.
Na fórmula, F & gama; é a força restauradora da mola, d & gama; é F & gama; para apontar A. Suponha que a relação deslocamento-carga da mola seja
Na fórmula, K é a rigidez da mola (não necessariamente um valor constante),δ
x&gama;
é a quantidade de deformação da mola (abreviada para positiva),δ
x&gama;
=|B
Beta
C| – |B
&gama;
C|.
Tipo simultâneo (3)(5), momento M
&gama;
com canto
&gama;
O relacionamento é
1.5 Análise das características de rigidez negativa do mecanismo manivela-mola
Para facilitar a análise das características de rigidez negativa do mecanismo manivela-mola (momento M
&gama;
com canto
&gama;
relação), pode-se assumir que a mola tem uma rigidez linear positiva, então a fórmula (4) pode ser reescrita como
Na fórmula, Kconst é uma constante maior que zero. Após a determinação do tamanho da dobradiça flexível, o comprimento l da base também é determinado. Portanto, assumindo que l é uma constante, a fórmula (6) pode ser reescrita como
onde Kconstl2 é uma constante maior que zero, e o coeficiente de momento m & gama; tem uma dimensão de um. As características de rigidez negativa do mecanismo manivela-mola podem ser obtidas analisando a relação entre o coeficiente de torque m & gama; e o ângulo de rotação & gama.
Da equação (9), a Figura 6 mostra o ângulo inicial =π relação entre m & gama; e relação do comprimento da manivela e ângulo de rotação & gama;, & isin;[0,1, 0,9],& gama;& isin;[0, π]. A Figura 7 mostra a relação entre m & gama; e ângulo de rotação & gama; para = 0,2 e diferente. A Figura 8 mostra =π Quando, sob diferentes, a relação entre m & gama; e ângulo & gama.
De acordo com a definição de mecanismo de manivela e mola (seção 1.3) e fórmula (9), quando k e l são constantes, m & gama; Relacionado apenas ao ângulo & gama;, relação do comprimento da manivela e ângulo inicial da manivela.
(1) Se e somente se & gama; é igual a 0 ouπ ou, m & gama; é igual a zero; & gama; & isin;[0, ],m & gama; é maior que zero; & gama; & é em;[π],m & gama; menos que zero. & isin;[0, ],m & gama; é maior que zero; & gama;& é em;[π],m & gama; menos que zero.
(2) & gama; Quando [0, ], o ângulo de rotação & gama; aumenta, m & gama; aumenta de zero até o ângulo do ponto de inflexão & gama;0 assume o valor máximo m & gama;max e depois diminui gradualmente.
(3) A faixa característica de rigidez negativa do mecanismo de mola de manivela: & gama;& isin;[0, & gama;0], neste momento & gama; aumenta (sentido anti-horário) e o torque M & gama; aumenta (sentido horário). O ângulo do ponto de inflexão & gama;0 é o ângulo máximo de rotação da característica de rigidez negativa do mecanismo manivela-mola e & gama;0 & isin;[0, ];m & gama;max é o coeficiente de momento negativo máximo. Dado e, a derivação da equação (9) produz & gama;0
(4) quanto maior o ângulo inicial, & gama; quanto maior 0, m
&gama;máx.
maior.
(5) quanto maior a proporção de comprimento, & gama; o menor 0, m
&gama;máx.
maior.
Em particular, =πAs características de rigidez negativa do mecanismo de mola de manivela são as melhores (a faixa de ângulo de rigidez negativa é grande e o torque que pode ser fornecido é grande). =πAo mesmo tempo, sob diferentes condições, o ângulo máximo de rotação & gama de rigidez negativa característica do mecanismo de manivela; 0 e o coeficiente de torque negativo máximo m & gama; Max está listado na tabela 1.
Tabela 1 O ângulo inicial éπ O ângulo de rigidez negativo máximo & gama;0 e o coeficiente de momento máximo m sob diferentes relações de comprimento da manivela
&gama;máx.
Parâmetro
valor
proporção do comprimento da manivela
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Ângulo máximo de giro & gama;
0
/rad
0.98
0.91
0.84
0.76
0.68
Coeficiente de momento máximo m
&gama;máx.
0.013
0.055
0.13
0.23
0.37
2 Construção de dobradiça flexível com rigidez zero
A correspondência da rigidez positiva e negativa do 2.1 é mostrada na Figura 9, n (n 2) grupos de mecanismos de mola de manivela paralelos são distribuídos uniformemente ao redor da circunferência, formando um mecanismo de rigidez negativa combinado com as dobradiças flexíveis do anel interno e externo.
Usando as dobradiças flexíveis do anel interno e externo como subsistema de rigidez positiva, construa uma dobradiça flexível com rigidez zero. Para obter rigidez zero, combine a rigidez positiva e negativa
simultâneo (2), (3), (6), (11) e & gama;=θ, a carga F & gama da primavera pode ser obtida; e deslocamentoδA relação de x & gama; é
De acordo com a seção 1.5, a faixa de ângulo de rigidez negativa do mecanismo de mola de manivela: & gama;& isin;[0, & gama;0] e & gama;0 & isin;[0, ], o curso da dobradiça flexível de rigidez zero deve ser menor que & gama;0, eu .e. a mola está sempre deformada (δx&gama;≠0). A faixa de rotação das dobradiças flexíveis do anel interno e externo é±0,35rad(±20°), simplifique as funções trigonométricas sin & gama; e porque & gama; do seguinte modo
Após simplificação, a relação carga-deslocamento da mola
2.2 Análise de erros do modelo de correspondência de rigidez positiva e negativa
Avalie o erro causado pelo tratamento simplificado da equação (13). De acordo com os parâmetros reais de processamento da dobradiça flexível de rigidez zero (Seção 4.2):n = 3,l = 40mm, =π, = 0,2,E = 73 GPa; As dimensões da palheta de dobradiça flexível do anel interno e externo L = 46 mm, T = 0,3 mm, W = 9,4 mm; As fórmulas de comparação (12) e (14) simplificam a relação de deslocamento de carga e erro relativo das molas dianteira e traseira conforme mostrado nas Figuras 10a e 10b respectivamente.
Conforme mostrado na Figura 10, & gama; é inferior a 0,35 rad (20°), o erro relativo causado pelo tratamento simplificado à curva carga-deslocamento não ultrapassa 2,0%, e a fórmula
O tratamento simplificado de (13) pode ser usado para construir dobradiças flexíveis com rigidez zero.
2.3 Características de rigidez da mola
Supondo que a rigidez da mola seja K, os resultados simultâneos (3), (6), (14)
De acordo com os parâmetros reais de processamento da dobradiça flexível de rigidez zero (Seção 4.2), a curva de mudança da rigidez da mola K com o ângulo & gama; é mostrado na Figura 11. Em particular, quando & gama;= 0, K assume o valor mínimo.
Para conveniência de projeto e processamento, a mola adota uma mola de rigidez linear positiva e a rigidez é Kconst. Em todo o curso, se a rigidez total da dobradiça flexível de rigidez zero for maior ou igual a zero, Kconst deve assumir o valor mínimo de K
A equação (16) é o valor de rigidez da mola de rigidez linear positiva ao construir a dobradiça flexível de rigidez zero. 2.4 Análise da qualidade de rigidez zero A relação carga-deslocamento da dobradiça flexível de rigidez zero construída é
Fórmula simultânea (2), (8), (16) pode ser obtida
Para avaliar a qualidade da rigidez zero, a faixa de redução da rigidez da dobradiça flexível antes e depois de adicionar o módulo de rigidez negativo é definida como o coeficiente de qualidade de rigidez zeroηη Quanto mais próximo de 100%, maior será a qualidade da rigidez zero. A Figura 12 é 1-η Relação com relação entre comprimento da manivela e ângulo inicial η É independente do número n de mecanismos manivela-mola paralelos e do comprimento l da base, mas apenas relacionado à relação entre o comprimento da manivela e o ângulo de rotação & gama; e o ângulo inicial.
(1) O ângulo inicial aumenta e a qualidade de rigidez zero melhora.
(2) A relação de comprimento aumenta e a qualidade de rigidez zero diminui.
(3) Ângulo & gama; aumenta, a qualidade da rigidez zero diminui.
A fim de melhorar a qualidade de rigidez zero da dobradiça flexível de rigidez zero, o ângulo inicial deve assumir um valor maior; a relação do comprimento da manivela deve ser a menor possível. Ao mesmo tempo, de acordo com os resultados da análise na Seção 1.5, se for muito pequeno, a capacidade do mecanismo manivela-mola de fornecer rigidez negativa será fraca. A fim de melhorar a qualidade de rigidez zero da dobradiça flexível de rigidez zero, o ângulo inicial =π, relação do comprimento da manivela = 0,2, ou seja, os parâmetros reais de processamento da seção 4.2 dobradiça flexível de rigidez zero.
De acordo com os parâmetros reais de processamento da dobradiça flexível de rigidez zero (Seção 4.2), a relação torque-ângulo entre as dobradiças flexíveis do anel interno e externo e a dobradiça flexível de rigidez zero é mostrada na Figura 13; a diminuição na rigidez é o coeficiente de qualidade de rigidez zeroηA relação com o canto & gama; é mostrado na Figura 14. Pela Figura 14: Em 0,35 rad (20°) faixa de rotação, a rigidez da dobradiça flexível de rigidez zero é reduzida em média 97%; 0,26rad(15°) cantos, é reduzido em 95%.
3 Projeto de mola de rigidez linear positiva
A construção de uma dobradiça flexível de rigidez zero geralmente ocorre após o tamanho e a rigidez da dobradiça flexível serem determinados e, em seguida, a rigidez da mola no mecanismo de mola de manivela é invertida, de modo que os requisitos de rigidez e tamanho da mola são relativamente rigorosos. Além disso, o ângulo inicial =π, da Figura 5a, durante a rotação da dobradiça flexível de rigidez zero, a mola está sempre em estado comprimido, ou seja“Mola de compressão”.
A rigidez e o tamanho das molas de compressão tradicionais são difíceis de personalizar com precisão e muitas vezes é necessário um mecanismo de guia nas aplicações. Portanto, é proposta uma mola cuja rigidez e tamanho podem ser customizados.——Corda de mola em forma de diamante. A corda da mola de lâmina em forma de diamante (Figura 15) é composta por múltiplas molas de lâmina em forma de diamante conectadas em série. Possui características de projeto estrutural livre e alto grau de customização. Sua tecnologia de processamento é consistente com a das dobradiças flexíveis, e ambas são processadas por corte de fio de precisão.
3.1 Modelo de deslocamento de carga de corda de mola de lâmina em forma de diamante
Devido à simetria da mola rômbica, apenas uma mola precisa ser submetida à análise de tensão, conforme mostrado na Figura 16. α é o ângulo entre a palheta e a horizontal, o comprimento, largura e espessura da palheta são Ld, Wd, Td respectivamente, f é a carga dimensionalmente unificada na mola de lâmina em losango,δy é a deformação da mola rômbica na direção y, a força fy e o momento m são cargas equivalentes na extremidade de uma única palheta, fv e fw são forças componentes de fy no sistema de coordenadas wov.
De acordo com a teoria de deformação da viga do AWTAR [13], a relação carga-deslocamento dimensionalmente unificada de palheta única
Devido à relação de restrição do corpo rígido na palheta, o ângulo final da palheta antes e depois da deformação é zero, ou sejaθ = 0. Simultâneo (20)(22)
A equação (23) é o modelo de unificação dimensional carga-deslocamento da mola de lâmina rômbica. n2 molas rômbicas são conectadas em série e seu modelo carga-deslocamento é
Da fórmula (24), quandoαQuando d é pequeno, a rigidez da corda da mola de lâmina em forma de diamante é aproximadamente linear sob dimensões e cargas típicas.
3.2 Verificação da simulação de elementos finitos do modelo
É realizada a verificação da simulação de elementos finitos do modelo de carga-deslocamento da mola de lâmina em forma de diamante. Usando ANSYS Mechanical APDL 15.0, os parâmetros de simulação são mostrados na Tabela 2, e uma pressão de 8 N é aplicada à mola de lâmina em forma de diamante.
Tabela 2 Parâmetros de simulação de elementos finitos de cordas de molas rômbicas
Parâmetro
valor
Número aterial
AL7075-T6
Comprimento da palheta L
De
/milímetros
18
Largura da palheta W
De
/milímetros
10
Espessura da palheta T
De
/milímetros
0.25
ângulo de inclinação da palhetaα/°
10/20/30/40
Módulo elástico E/GPa
73
A comparação entre os resultados do modelo e os resultados da simulação da relação carga-deslocamento da mola de lâmina em losango é mostrada na Fig. 17 (dimensionalização). Para quatro molas de lâminas em losango com diferentes ângulos de inclinação, o erro relativo entre o modelo e os resultados da simulação de elementos finitos não excede 1,5%. A validade e precisão do modelo (24) foram verificadas.
4 Projeto e teste de dobradiça flexível de rigidez zero
4.1 Projeto de parâmetros de dobradiça flexível de rigidez zero
Para projetar uma dobradiça flexível de rigidez zero, os parâmetros de projeto da dobradiça flexível devem ser determinados primeiro de acordo com as condições de serviço e, em seguida, os parâmetros relevantes do mecanismo de mola de manivela devem ser calculados inversamente.
4.1.1 Parâmetros de dobradiça flexíveis
O ponto de intersecção das dobradiças flexíveis do anel interno e externo está localizado a 12,73% do comprimento da palheta e seus parâmetros são mostrados na Tabela 3. Substituindo na equação (2), a relação torque-ângulo de rotação das dobradiças flexíveis do anel interno e externo é
Tabela 3 Parâmetros estruturais e propriedades do material das dobradiças flexíveis do anel interno e externo
Parâmetro
valor
Número aterial
AL7075-T6
Comprimento da palheta L/mm
46
Largura da palheta W/mm
9.4
Espessura da palheta T/mm
0.30
Módulo elástico E/GPa
73
4.1.2 Parâmetros do mecanismo de rigidez negativa
Como mostrado na fig. 18, tomando o número n de mecanismos de manivela em paralelo como 3, o comprimento l = 40 mm é determinado pelo tamanho da dobradiça flexível. de acordo com a conclusão da seção 2.4, o ângulo inicial =π, relação do comprimento da manivela = 0,2. De acordo com a equação (16), a rigidez da mola (I.e. corda de mola de lâmina de diamante) é Kconst = 558,81 N/m (26)
4.1.3 Parâmetros da corda da mola de lâmina diamantada
por l = 40 mm, =π, = 0,2, o comprimento original da mola é 48 mm e a deformação máxima (& gama;= 0) é 16mm. Devido a limitações estruturais, é difícil para uma única mola de lâmina em losango produzir uma deformação tão grande. Usando quatro molas de lâminas em losango em série (n2 = 4), a rigidez de uma única mola de lâminas em losango é
Kd=4Kconst=2235,2 N/m (27)
De acordo com o tamanho do mecanismo de rigidez negativa (Figura 18), dado o comprimento da palheta, largura e ângulo de inclinação da palheta da mola de lâmina em forma de diamante, a palheta pode ser deduzida da fórmula (23) e da fórmula de rigidez (27) de a espessura da mola em forma de diamante. Os parâmetros estruturais das molas de lâmina em losango estão listados na Tabela 4.
superfície4
Em resumo, os parâmetros da dobradiça flexível de rigidez zero baseada no mecanismo de mola de manivela foram todos determinados, conforme mostrado na Tabela 3 e na Tabela 4.
4.2 Projeto e processamento da amostra de dobradiça flexível com rigidez zero Consulte a literatura [8] para o método de processamento e teste da dobradiça flexível. A dobradiça flexível de rigidez zero é composta por um mecanismo de rigidez negativa e uma dobradiça flexível de anel interno e externo em paralelo. O projeto estrutural é mostrado na Figura 19.
As dobradiças flexíveis do anel interno e externo e as cordas de mola em forma de diamante são processadas por máquinas-ferramentas de corte de fio de precisão. As dobradiças flexíveis do anel interno e externo são processadas e montadas em camadas. A Figura 20 é a imagem física de três conjuntos de cordas de molas em forma de diamante, e a Figura 21 é a imagem física montada com rigidez zero da amostra de dobradiça flexível.
4.3 A plataforma de teste de rigidez rotacional da dobradiça flexível de rigidez zero Referindo-se ao método de teste de rigidez rotacional em [8], a plataforma de teste de rigidez rotacional da dobradiça flexível de rigidez zero é construída, conforme mostrado na Figura 22.
4.4 Processamento de dados experimentais e análise de erros
A rigidez rotacional das dobradiças flexíveis do anel interno e externo e das dobradiças flexíveis de rigidez zero foi testada na plataforma de teste, e os resultados do teste são mostrados na Figura 23. Calcule e desenhe a curva de qualidade de rigidez zero da dobradiça flexível de rigidez zero de acordo com a fórmula (19), conforme mostrado na Fig. 24.
Os resultados do teste mostram que a rigidez rotacional da dobradiça flexível com rigidez zero é próxima de zero. Em comparação com as dobradiças flexíveis do anel interno e externo, a dobradiça flexível de rigidez zero±0,31rad(18°) a rigidez foi reduzida em média 93%; 0,26rad (15°), a rigidez é reduzida em 90%.
Conforme mostrado nas Figuras 23 e 24, ainda existe uma certa lacuna entre os resultados do teste de qualidade de rigidez zero e os resultados do modelo teórico (o erro relativo é inferior a 15%), e as principais razões para o erro são as seguintes.
(1) O erro do modelo causado pela simplificação das funções trigonométricas.
(2) Fricção. Há atrito entre a corda da mola diamantada e o eixo de montagem.
(3) Erro de processamento. Existem erros no tamanho real da palheta, etc.
(4) Erro de montagem. A lacuna entre o orifício de instalação da corda da mola em forma de diamante e o eixo, a lacuna de instalação do dispositivo da plataforma de teste, etc.
4.5 Comparação de desempenho com uma dobradiça flexível de rigidez zero típica Na literatura [4], uma dobradiça flexível de rigidez zero ZSFP_CAFP foi construída usando um pivô flexural de eixo cruzado (CAFP), conforme mostrado na Figura 25.
Comparação da dobradiça flexível de rigidez zero ZSFP_IORFP (Fig. 21) e ZSFP_CAFP (Fig. 25) construído usando dobradiças flexíveis de anel interno e externo
(1) ZSFP_IORFP, a estrutura é mais compacta.
(2) O intervalo de canto de ZSFP_IORFP é pequeno. A faixa de canto é limitada pela faixa de canto da própria dobradiça flexível; a faixa de canto de ZSFP_CAFP80°, faixa de canto ZSFP_IORFP40°.
(3) ±18°Na faixa de cantos, ZSFP_IORFP possui maior qualidade de rigidez zero. A rigidez média do ZSFP_CAFP é reduzida em 87% e a rigidez média do ZSFP_IORFP é reduzida em 93%.
5 Conclusão
Tomando a dobradiça flexível dos anéis interno e externo sob torque puro como o subsistema de rigidez positiva, o seguinte trabalho foi realizado para construir uma dobradiça flexível com rigidez zero.
(1) Propor um mecanismo de rotação de rigidez negativa——Para o mecanismo de mola de manivela, foi estabelecido um modelo (Fórmula (6)) para analisar a influência dos parâmetros estruturais em suas características de rigidez negativa, e foi dada a faixa de suas características de rigidez negativa (Tabela 1).
(2) Ao combinar a rigidez positiva e negativa, as características de rigidez da mola no mecanismo de manivela (Equação (16)) são obtidas, e o modelo (Equação (19)) é estabelecido para analisar o efeito dos parâmetros estruturais do mecanismo de mola de manivela na qualidade de rigidez zero da dobradiça flexível de rigidez zero Influência, teoricamente, no curso disponível da dobradiça flexível dos anéis interno e externo (±20°), a redução média da rigidez pode chegar a 97%.
(3) Proponha uma rigidez personalizável“primavera”——Uma corda de mola em forma de diamante foi estabelecida para estabelecer seu modelo de rigidez (Equação (23)) e verificada pelo método dos elementos finitos.
(4) Concluiu o projeto, processamento e teste de uma amostra compacta de dobradiça flexível com rigidez zero. Os resultados dos testes mostram que: sob a ação do torque puro, o36°Na faixa de ângulos de rotação, em comparação com as dobradiças flexíveis do anel interno e externo, a rigidez da dobradiça flexível com rigidez zero é reduzida em 93% em média.
A dobradiça flexível construída com rigidez zero está apenas sob a ação de puro torque, que pode realizar“rigidez zero”, sem considerar o caso de suportar condições de carregamento complexas. Portanto, a construção de dobradiças flexíveis com rigidez zero sob condições de carga complexas é o foco de futuras pesquisas. Além disso, reduzir o atrito que existe durante o movimento de dobradiças flexíveis com rigidez zero é uma importante direção de otimização para dobradiças flexíveis com rigidez zero.
referências
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Sobre o autor: Bi Shusheng (autor correspondente), sexo masculino, nascido em 1966, médico, professor, orientador de doutorado. Sua principal direção de pesquisa é mecanismo totalmente flexível e robô biônico.
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