叉車式自動導引小車托臂結構設計與應力分析

吳科奇

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710000）

在液晶顯示器產業中，液晶面板是決定液晶顯示器亮度、對比度、色彩、可視角度的材料，所以液晶面板質量好壞關系到液晶顯示屏整體性能的高低。而玻璃基板作為液晶面板的重要組成部分，雖然只占其總成本的17%，但其非常嬌貴。其厚度為0.4mm～0.7mm，如果發生劃傷，割斷或腐蝕，就可能造成整個器件的報廢，所以可以說玻璃基板的安全運輸是液晶面板生產中最關鍵一環。

隨著二十一世紀智能傳感器技術的發展，工廠生產線逐步趨近自動化，智能化。目前，大部分叉車式自動導引小車主要應用在以下幾個方面：

1）倉儲物流。主要應用于自動搬運各種貨物。2）制造業。例如豐田、大眾汽車廠用來運輸汽車配件。3）郵局、圖書館。用于運輸信件以及圖書。4）煙草、食品以及化工等。5）餐飲業。主要用于餐廳給不同編號的桌子送菜品。

本文主要對應蘇州某工廠實際需求，設計一種可以將玻璃基板從儲存設備GLASS-BOX運輸到反轉檢查設備，且可以自動導航行走，手臂可高精度升降，減震性良好的小車，并且能保證在運輸過程玻璃基板不會發生滑落、破損。因此，對小車懸臂梁結構受力情況分析是設計的重中之重，小車手臂合理受力是安全運輸的前提，所以本文對小車的托臂（懸臂梁結構） 進行應力分析，研究懸臂梁上的受力情況，得出手臂的表面應力以及形變量，并進行材料強度校核，為實際生產提供理論基礎。

1 小車懸臂梁結構設計及實體建模

1.1 托臂設計方案及結構建模

托臂的主要結構如圖1所示。其中連接體是車體與托臂連接的橋梁，托臂結構與通過連接體與車體絲杠相連接，實現電機控制托臂上升下降。

根據機械設計原理，本次設計采用壓板與連接體螺紋連接方式將手臂壓緊在連接體上，即將手臂夾在兩個壓板之間，并且在每個壓板和手臂上做4個通孔，在連接體下部做可以位置數量相同的螺紋孔，注意保證通孔和螺紋孔的規格可以相互配合。其次，為防止在運輸過程中玻璃基板發生側滑，在左右手臂的兩側分別設置分支手臂，并在手臂末端設置側擋塊限制玻璃基板位移。與此同時，墊板高度應與擋塊以及側擋快高度相同，目的是為了盡可能保持玻璃基板表面受力均勻。在手臂上粘附墊板使整個玻璃基板的著力點均勻分布。

圖1 托臂結構示意圖

已知目標玻璃基板的長寬高為1500mm×925mm×0.5 mm，因此依照目標玻璃基板尺寸對托臂進行初步尺寸設定。注意保持擋塊、擋板以及墊板的水平高度一致。詳見表1。

表1 托臂結構尺寸設定

注意，在設置擋塊時，擋塊凸起的一側和玻璃基板的側邊留有2mm間隙，目的是當手臂發生形變玻璃基板在水平方向上滑動時作為緩沖，同時也便于玻璃基板的取放。

本次設計選用工程設計中常用的三維建模軟件SolidWorks。SolidWorks提供了一套完整的動態界面，減少了多余的對話框、以及設計步驟。并且SolidWorks的配置管理體系能夠在一個CAD文檔中，通過對不同參數的變換和組合，派生出不同的零件或裝配體[1]，很符合本次設計的需求。Ansys-Workbench只能識別Step.格式的外部文件，因此在建模完成后，要把建立好的模型文件另存為一個Step.格式，以便后續導入Workbench進行力學仿真分析。

根據以上給出的托臂結構基本參數，建立完成后的托臂三維模型如圖2所示。

1.2 托臂材料選擇

為保證小車在運輸過程中保證玻璃基板的安全平穩，主要承載玻璃基板的托臂結構應具有良好的抗震性以及抗拉強度，并且材質不宜過硬。

圖2 托臂三維模型

常見的普通金屬及非金屬材料，例如鋁合金、塑料等材質，大多無法同時滿足抗震及抗拉強度的要求，因此經對比幾種材料性能，選擇各項性能較為良好的碳纖維板作為主要材質。

碳纖維板是將同一方向排列的碳素纖維，使用樹脂浸潤硬化，形成碳纖維板材。其作為目前靠近科技前沿的復合材料，具有很多別的材料無法比擬的特性[2]。如：

1）密度低、強度高。

抗拉強度是普通鋼材的數倍以上，并且重量只有普通鋼材的六分之一，有較高的韌性，可以盤卷，能以較大長度供應而無須搭接，彈性模量優于鋼材，具有優異的抗蠕變性能[3]和抗震性。

2） 可加工性良好。

碳纖維復合材料是由人工進行合成的，故其材料性能與制作工藝、纖維種類、纖維排序、纖維含量等因素有關，故可以調整以上因素根據實際工程需要設計出合適的纖維增強復合材料，這就是所謂的材料具有可加工性。

3）良好的耐久性和耐腐蝕性。

耐酸、堿、鹽及大氣環境的腐蝕，不須定期維護，節省人力物力。

4） 制造工藝簡單。

碳纖維復合材料的生產過程相對于其他材料，所使用的機械設備都比較簡單，而且無需復雜的工序，另外可根據需要制作各種形狀的結構，消耗材料、工時都較少。

根據以上各項特性可得知，碳纖維板非常符合本文的設計要求，因此，選用碳纖維板作為小車手臂；

當玻璃基板放置在碳纖維手臂上時，為防止玻璃基板前后左右滑落，應安裝材質較軟而且可加工性良好的墊塊和擋塊，擋塊用來限制玻璃基板位移，墊塊用來與玻璃基板直接接觸，都用螺釘固定在碳纖維手臂上。

由上述可知，墊塊和墊板表面應光滑平整，且具有一定的摩擦力。

PVC是世界上產量最大的通用塑料[4]，應用非常廣泛。在建筑材料、工業制品、日用品、地板革、地板磚、人造革、管材、電線電纜、包裝膜、瓶、發泡材料、密封材料、纖維等方面均有廣泛應用，PVC材料不僅具有耐腐蝕，不易燃，絕緣，抗氧化等諸多優點，同時具有可再加工以及制作成本低廉等特點。本文主要利用PVC較好的機械性能，以及其抗拉強度約為60MPa，沖擊強度為5～10kJ/m2等特性，因此可選用PVC作為擋塊和墊塊的材質。

由于臂比寬度受限，須在托臂兩側安裝分支。其主要作用是防止玻璃基板兩端彎曲過大，同時防止玻璃基板側滑。托臂側分支對于托臂來說屬于外接體，只有通過螺紋與托臂配合，因此托比測分支采用輕便容易打孔的鋁合金。

此外設置連接架，其主要作用是固定碳纖維手臂，以及與車體絲杠連接，所以需要連接架具有一定的剛度并且在其上可以打通孔，因此選用鋁合金作為連接架的主要材質。

2 小車托臂結構有限元分析

2.1 導入托臂三維模型

在導入Workbench建立分析項目之前，可以對托臂結構進行簡化[5]，如圖2所示。去掉對分析結果影響不大的結構，例如部分孔、螺釘、以及封口塞等部件。

啟動Workbench 18.0。由于本文主要目的是分析玻璃基板放置在手臂上時，手臂的受力情況，因此屬于結構靜力學分析。左側Toolbox（工具欄），選擇Static Structural（靜力學分析）雙擊建立靜力學分析項目。右鍵單擊A3 Geometry選項，選擇Replace Geometry—Browse，導入之前保存好的Step.文件。之后雙擊Geometry打開SpaceClaim確定模型完好的導入成功。

模型導入后，設置各部分材料參數如表2所示。

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表2 托臂結構各部分材料屬性

雙擊Engineering Data打開材料庫，按照表2所給出的各項參數將材料屬性值添加至Workbench材料庫，并添加托臂模型材料屬性，以便在分析界面中設定材料屬性。

2.2 網格劃分

對于三維幾何來講，Workbench網格劃分主要分為以下兩種方法[6]。

①Automatic（自動網格劃分）；

②Tetrahedrons（四面體網格劃分）。

其中②又可細分為Patch Conforming[6]（Workbench自帶功能）、Patch Independed[6]法等等，此處不作詳細介紹。

托臂結構主要為多個規則的八面體組成的多體部件，其各個面均為規則矩形。因此，基于Patch Conforming法的以下功能，選用此方法對托臂結構進行網格劃分。

網格劃分結果如圖3所示，網格劃分后得到84597個單元，和39350個節點。

圖3 網格劃分結果

2.3 施加約束與載荷

根據之前所提到的托臂安裝方式，連接架與車體絲杠的外接體連接方式為螺紋連接，因此可看作連接體是不可轉動的，在豎直方向上有一個自由度[7]。之前提到過的手臂與連接體之間的連接方式，是利用壓板與壓板之間的螺紋連接將手臂加緊在兩個壓板中間，因此在施加約束時，只需對壓板施加一個約束即可表示已將手臂固定在連接架上。

物體所受載荷通常分為常規載荷、偶然載荷、特殊載荷，其他載荷等[8]。本文是對小車托比結構進行靜力學分析，可以得出托臂所受的載荷只有玻璃基板對其的額定載荷以及托臂的自重載荷。根據1.1中目標玻璃基板的基本尺寸可知其體積為 V=1.5×0.925×0.0005=6.9375×10-4m3，玻璃的密度ρ=2500kg/m3，因此可得目標玻璃基板的質量m=ρV=1.734375kg，故玻璃基板對托臂手臂的總載荷即為其自身重力G=mg=17.34375N，因此在ANSYS-Workbench中設置托臂受垂直向下17.34375N的外力載荷，并且均勻分布于墊板的上表面；同時在ANSYS-Workbench軟件處理模塊中對整個結構添加垂直向下重力加速度，進而得到自重載荷。施加約束和載荷結果如圖4所示。

圖4 施加載荷

3 結果分析與處理

施加載荷結束后，在Workbench工具欄中指定輸出結果。由于本次仿真主要目的是對托臂結構受力情況進行仿真模擬，計算其結構強度，進而證明選材的正確性，因此在工具欄中選擇輸出結果 Equivalent Elastic Strain（等效應變）、Equivalent Stress（等效應力）、Total Deformation（總形變）。

然后右鍵單擊Solution（A6） —Solve換獲取分析結果，所得分析云圖如圖5、圖6所示。

圖5 等效應力

圖6 總形變量

由圖5看出，托臂結構所受最大應力為3.5253e8 Pa=352.53 MPa，遠小于碳纖維板的許用應力 [σ]=3500 MPa。根據之前提到的設計原理，在碳纖維手臂的始末以及分支手臂外側端均設置了擋塊。假設在手臂不發生形變玻璃基板靜置在手臂上時，每個擋塊均對玻璃基板側邊留有2mm間隙，當手臂發生形變時，之前留有的2mm間隙作為緩沖。由圖5可知，最大形變量極小約為2.7718 mm。擋塊對玻璃基板的格擋作用力不足以令玻璃基板崩壞，因此在玻璃基板靜置在碳纖維手臂上時，手臂的最大應力在安全范圍之內[9]。其形變量不會對玻璃基板產生致命影響，進而證明了結構設計和選材的合理以及可行性。

4 結語

通過Solidworks和Workbench的結合，建立了托臂結構的三維模型，并模擬了玻璃基板靜置在手臂上時的受力情況，對托臂結構進行了結構靜力學分析。通過靜態分析，了解小車托臂在工作過程中的形變在允許范圍內，達到了設計要求，同時在結構設計與制造材料的選取上也完全滿足設計要求，驗證了碳纖維板作為托臂的主要材料的可行性，并給出了合理的結構設計尺寸，為小車托臂裝置的研發提供了理論依據。

同時，通過對碳纖維板在叉車手臂上的應用研究，為運輸易損壞大工件自動化設備的研發設計提供了可靠性較強的一種材料，對此類設備的研發設計具有重要的指導意義。