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新型曲圆柔性搭钮的设想取剖析-奥门永利官网误乐域-66655.com

搭钮 公布工夫:2017-11-22

择要:为了获得柔度更大和回转精度更高的柔性搭钮,设想了一种新型曲圆柔性搭钮。对两种搭钮的柔度、精度和委靡寿命停止了对照剖析。效果注解,新型曲圆柔性搭钮较传统曲圆柔性搭钮的柔度更大,回转精度更高。传统曲圆柔性搭钮的寿命能够以为是有限寿命,新型柔性搭钮的寿命也靠近有限寿命。因而,相对传统曲圆柔性搭钮,新型柔性搭钮具有更优的机能,相符搭钮的设想要求。

0 弁言

跟着微纳手艺的生长,国内外学者对柔性搭钮停止了深切的研讨。柔性搭钮是一种体积小、无间隙、无机器摩擦和下灵敏度的传动构造,被普遍运用于微机电体系、精密仪器和微操纵等范畴。

柔性搭钮的设想也得到了相干研究人员的喜爱[1-3]。柔性搭钮的主要性能包孕刚度(柔度)、精度、应力特性等几方面。柔性搭钮的机能会影响到它的运用,以是,需求对柔性搭钮的机能停止相干的研讨[4-5]。柔性搭钮相对刚性构造来讲,更轻易发作委靡生效。因而,柔性搭钮正在设想的时刻,需求对其停止委靡剖析[6-7]。

本文设想了一种新型曲圆柔性搭钮,应用有限元软件Workbench15.0对其柔度、精度和委靡寿命停止了剖析,并取传统曲圆柔性搭钮停止了对照。

1 搭钮模子的竖立传统的曲圆柔性搭钮的参数如图1所示。个中,r为曲圆柔性搭钮的圆弧切口半径,t为搭钮的最小厚度,b为搭钮的宽度,h为搭钮的高度,a为非切口处的长度。为了获得更高的精度,a最少为h的3倍[3]。正在本研讨中,与a=3h,b=h。

图1 传统的曲圆柔性搭钮参数

当搭钮的左端面流动时,正在左端面输入沿Y轴背偏向的力F和绕Z轴的力矩M使得柔性搭钮发作θ角度角位移时,获得曲圆柔性搭钮的柔度公式为[4]:

从公式(1)能够看出,曲圆搭钮的柔度取质料的弹性模量E、搭钮切口处的圆弧半径r、搭钮的最小厚度t和搭钮的宽度b有关。个中,搭钮的柔度取搭钮的宽度b成反比,以是当b越小的时刻,搭钮的柔度越大。基于此,对传统的曲圆搭钮停止革新,将切口处的中央局部沿Y轴的偏向切除长度为2r、宽度为b1的实体,获得新型的曲圆柔性搭钮的参数如图2(a)所示,构造的三维模子如图2(b)所示。

从公式(1)能够看出,曲圆搭钮的柔度取质料的弹性模量E、搭钮切口处的圆弧半径r、搭钮的最小厚度t和搭钮的宽度b有关。个中,搭钮的柔度取搭钮的宽度b成反比,以是当b越小的时刻,搭钮的柔度越大。基于此,对传统的曲圆搭钮停止革新,将切口处的中央局部沿Y轴的偏向切除长度为2r、宽度为b1的实体,获得新型的曲圆柔性搭钮的参数如图2(a)所示,构造的三维模子如图2(b)所示。

2 搭钮的机能剖析

对柔性搭钮的根基特性停止剖析,才气设想出公道的柔性搭钮。柔性搭钮的根基机能重要包孕刚度(柔度)、精度及委靡寿命等。

2.1 柔度剖析

柔性搭钮的柔度(刚度)是柔性搭钮设计时的重要设想参数。由公式(1)能够晓得,当其他参数皆稳定的条件下,宽度b越小,柔性搭钮的柔度就越大。因为新型的曲圆柔性搭钮切口处的宽度比传统的曲圆柔性搭钮的宽度小,以是,新型的柔性搭钮具有更大的柔度。

上面应用有限元软件Workbench15.0对两种柔性搭钮的柔度停止考证。对两种柔性搭钮停止柔度剖析时需求接纳雷同的质料、雷同的载荷和边界条件。选用不锈钢作为柔性搭钮的模型材料,不锈钢的弹性模量为190GPa,泊松比0.305。传统的曲圆柔性搭钮的尺寸巨细为:搭钮的非切口处长度a=30mm,宽度b=10mm,高度h=10mm,最小厚度t=1mm,圆弧半径r=4.5mm。新型的搭钮参数除多了尺寸b1,其他尺寸皆取传统曲圆搭钮一样。考虑到柔性搭钮的尺寸相对较小,以是把网格分别的单位尺寸设置为2mm。因为柔性搭钮的左端为流动端,以是正在搭钮的左端部施加一切偏向的束缚。正在搭钮的右端(自在端)输入沿Y轴背偏向的集中力1N,和绕Z轴的集中力矩1N·m。当输入的载荷雷同时,输出的形变越大,则示意响应的柔度越大。以是,只需求对照两种柔性搭钮的输出形变便能够对照出两种柔性搭钮的柔度巨细。

当输入沿Y轴背偏向的集中力F=1N和绕Z轴的集中力矩Y=1N·m,传统的曲圆柔性搭钮的形变图如图3所示。

图3 传统柔性搭钮形变图

图3 传统柔性搭钮形变图

从图3能够看出,传统的曲圆柔性搭钮的最大形变为0.519mm。当输入沿Y轴背偏向的集中力F=1N以绕Z轴的集中力矩M=1N·m,尺寸b1离别与值2mm,3mm,4mm,5mm,6mm时,新型的曲圆柔性搭钮的最大形变如表1所示。

表1 新型的曲圆柔性搭钮的最大形变
b1 新型搭钮最大形变 b1 新型搭钮最大形变
2 0.634 5 1.045
3 0.724 6 1.29
4 0.852    

正在外界载荷和边界条件皆雷同的状况下,传统的曲圆柔性搭钮输出的最大形变为0.519mm。从表1中能够看出,新型的曲圆柔性搭钮输出的最大形变较传统曲圆柔性搭钮的形变大。以是,新型的曲圆柔性搭钮具有更大的柔度,且随b1的增大而增大。个中,当b1=6mm时,新型柔性搭钮的柔度最大。

2.2 精度剖析

正在设想柔性搭钮的时刻,幻想的曲圆柔性搭钮就是一个幻想的迁移转变副,可以或许实现绕回转中央迁移转变。以是,柔性搭钮要求具有较下的回转精度。正在权衡回转精度的上下时,当输出位移雷同的时刻,搭钮的扭转中央的偏移量越小,则证实柔性搭钮的回转精度越下。

柔性搭钮的尺寸巨细为:搭钮的非切口处长度a=30mm,宽度b=10mm,高度h=10mm,最小厚度t=1mm,圆弧半径r=4.5mm,尺寸b1离别与值2mm,3mm,4mm,5mm,6mm。为了对照功用方向上的回转精度,离别正在传统的曲圆柔性搭钮和新型的曲圆柔性搭钮的自在端面输入沿Y轴负方向上的单元力F和绕Z轴的单元力矩M。两种柔性搭钮的回转中央的偏移量如表2所示。

表2 两种柔性搭钮的回转中央偏移量
搭钮 回转中央偏移量/μm 搭钮 回转中央偏移量/μm
传统 10.687 新型b1=4 mm 15.661
新型b1=2 mm 12.628 新型b1=5 mm 18.284
新型b1=3 mm 14.062 新型b1=6 mm 23.363

 

正在允许应力范围内,柔性搭钮的最大形变量取回转中央的偏移量的比值(记为λ)越大,柔性搭钮便具有更高的回转精度[5]。传统柔性搭钮和新型的柔性搭钮的λ值如表3所示。

表3 两种柔性搭钮的λ值
搭钮 λ 搭钮 λ
传统 48.56 新型b1=4 mm 54.4
新型b1=2 mm 50.21 新型b1=5 mm 57.15
新型b1=3 mm 51.49 新型b1=6 mm 55.22

 

从表3看出,新型柔性搭钮较传统的柔性搭钮的λ大,以是,新型柔性搭钮相对传统的柔性搭钮具有更高的回转精度,且随b1的增大而增大(b1=6mm时除外)。当b1=5mm时,新型搭钮的回转精度最高。

2.3 委靡剖析

柔性搭钮正在事情的时刻,蒙受了周期性的载荷。一般,这些载荷每每会反复上百万次的轮回,以至是更多的轮回。以是,柔性搭钮相对刚性机构来讲,更轻易发作委靡生效。恰是由于云云,以是需求对柔性搭钮停止委靡剖析。应用Workbench15.0对两种直圆柔性搭钮停止委靡剖析。当柔性搭钮应用于微动平台时,因为柔性搭钮遭到的力相对比较小,将柔性搭钮的左端面流动,正在左端面施加5N沿Y轴背偏向的集中力F(F的施加体式格局取图2中的一样),停止静力剖析。由剖析的效果晓得,传统的曲圆柔性搭钮和新型的曲圆柔性搭钮的最大应力皆位于搭钮回转中央的位置,个中,传统的柔性搭钮的最大应力为66.351MPa。当b1离别与值为2mm、3mm、4mm、5mm和6mm时,新型的柔性搭钮的最大应力的最大值196.82Pa,皆小于不锈钢的屈就强度。以是,这两种柔性搭钮发作委靡损坏的时刻,仍处于质料的弹性变形区。因而,接纳名义应力法对这两种柔性搭钮停止委靡剖析。

正在接纳静力剖析的基础上,增加委靡东西的体式格局去对这两种柔性搭钮停止委靡剖析。委靡东西正在静力求解以后增加。由于委靡剖析需求S-N曲线数据,因而正在工程数据中手工增加剖析质料(不锈钢)的S-N曲线,该曲线如图4所示。

图4 不锈钢的S-N曲线

图4 不锈钢的S-N曲线

凭据静力剖析的应力散布效果,应力最大的中央的委靡寿命最低,也就是只要检察委靡剖析效果的最小寿命,就是全部柔性搭钮的委靡寿命。由委靡剖析的效果能够晓得,传统曲圆柔性搭钮的委靡寿命轮回次数为108次,能够以为是有限寿命。当b1的与值离别为2mm、3mm和4mm时,新型的曲圆柔性搭钮的轮回次数为108次,能够以为是有限寿命;当b1=5mm时,新型柔性搭钮的轮回次数为5644万次;当b1=6mm时,新型柔性搭钮的轮回次数为192万次。

3 新型搭钮的参数肯定

由前面搭钮的机能对照能够晓得,正在沿Y轴负方向上施加单元力F和绕Z轴的单元力矩M,新型的曲圆柔性搭钮较传统的曲圆柔性搭钮的柔度大,且随b1的增大而增大,新型的曲圆柔性搭钮相对传统的曲圆柔性搭钮具有更高的回转精度,且随b1的增大而增大(b1=6mm时除外)。传统曲圆柔性搭钮的委靡寿命轮回次数为108次,能够以为是有限寿命。当b1的与值离别为2mm、3mm和4mm时,新型的曲圆柔性搭钮的轮回次数为108次;当b1=5mm时,新型柔性搭钮的轮回次数泛起敏捷下落。现将获得的新型搭钮的最大形变、回转精度的λ值和寿命值的数据离别根据公式(2)停止归一化处置惩罚,便能够把这些数据映射到0~1局限以内处置惩罚,获得的效果如图5所示。

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图5 最大形变、λ值及寿命归一化图

图5 最大形变、λ值及寿命归一化图

从图5能够看出当b1=4.5mm时,三条曲线订交于一点。以是,b1与该值时,新型曲圆柔性搭钮具有最优的机能。

4 结论

在外载荷雷同的状况下,新型的曲圆柔性搭钮较传统的曲圆柔性搭钮的柔度大,且随b1的增大而增大;此时,新型的曲圆柔性搭钮相对传统的曲圆柔性搭钮具有更高的回转精度,且随b1的增大而增大(b1=6mm时除外)。当b1=5mm时,新型柔性搭钮的轮回次数泛起敏捷下落。

从最大形变、λ值及寿命归一化图获得,当b1=4.5mm时,新型的曲圆柔性搭钮具有最优的机能。

参考文献:

[1]陈贵敏,韩琪.深切心椭圆柔性搭钮[J].光学周详工程,2009(03):570-575.

[2]李玉和,李庆祥,陈璐云,等.单轴柔性搭钮设想要领研讨[J].清华大学学报:自然科学版,2002(02):172-174.

[3]LiuM,ZhangX,FatikowS.Designandanalysisofamulti-notchedflexurehingeforcompliantmechanisms[J].PrecisionEngineering,2017,48:292-304.

[4]闪明才,马树元,谢虎,等.典范柔性搭钮转角柔度对照剖析[J].机械设计取制造,2013(09):97-100.

[5]陈贵敏,贾建援,刘小院,等.柔性搭钮精度特性研讨[J].仪器仪表学报,2004,25(s2):107-109.

[6]肖圣龙.倒圆角直梁型柔性搭钮委靡剖析[J].电机工程技术,2014(07):66-68.

[7]杜文婷.叶型柔性搭钮委靡剖析取寿命展望[J].电机工程技术,2011(6):52-56.

第一作者简介:黄兴山,男,1991年生,广东茂名人,硕士研究生。研讨范畴:周详设备。

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