叉车式自动导引小车托臂结构设计与应力分析

吴科奇

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710000）

在液晶显示器产业中，液晶面板是决定液晶显示器亮度、对比度、色彩、可视角度的材料，所以液晶面板质量好坏关系到液晶显示屏整体性能的高低。而玻璃基板作为液晶面板的重要组成部分，虽然只占其总成本的17%，但其非常娇贵。其厚度为0.4mm～0.7mm，如果发生划伤，割断或腐蚀，就可能造成整个器件的报废，所以可以说玻璃基板的安全运输是液晶面板生产中最关键一环。

随着二十一世纪智能传感器技术的发展，工厂生产线逐步趋近自动化，智能化。目前，大部分叉车式自动导引小车主要应用在以下几个方面：

1）仓储物流。主要应用于自动搬运各种货物。2）制造业。例如丰田、大众汽车厂用来运输汽车配件。3）邮局、图书馆。用于运输信件以及图书。4）烟草、食品以及化工等。5）餐饮业。主要用于餐厅给不同编号的桌子送菜品。

本文主要对应苏州某工厂实际需求，设计一种可以将玻璃基板从储存设备GLASS-BOX运输到反转检查设备，且可以自动导航行走，手臂可高精度升降，减震性良好的小车，并且能保证在运输过程玻璃基板不会发生滑落、破损。因此，对小车悬臂梁结构受力情况分析是设计的重中之重，小车手臂合理受力是安全运输的前提，所以本文对小车的托臂（悬臂梁结构） 进行应力分析，研究悬臂梁上的受力情况，得出手臂的表面应力以及形变量，并进行材料强度校核，为实际生产提供理论基础。

1 小车悬臂梁结构设计及实体建模

1.1 托臂设计方案及结构建模

托臂的主要结构如图1所示。其中连接体是车体与托臂连接的桥梁，托臂结构与通过连接体与车体丝杠相连接，实现电机控制托臂上升下降。

根据机械设计原理，本次设计采用压板与连接体螺纹连接方式将手臂压紧在连接体上，即将手臂夹在两个压板之间，并且在每个压板和手臂上做4个通孔，在连接体下部做可以位置数量相同的螺纹孔，注意保证通孔和螺纹孔的规格可以相互配合。其次，为防止在运输过程中玻璃基板发生侧滑，在左右手臂的两侧分别设置分支手臂，并在手臂末端设置侧挡块限制玻璃基板位移。与此同时，垫板高度应与挡块以及侧挡快高度相同，目的是为了尽可能保持玻璃基板表面受力均匀。在手臂上粘附垫板使整个玻璃基板的着力点均匀分布。

图1 托臂结构示意图

已知目标玻璃基板的长宽高为1500mm×925mm×0.5 mm，因此依照目标玻璃基板尺寸对托臂进行初步尺寸设定。注意保持挡块、挡板以及垫板的水平高度一致。详见表1。

表1 托臂结构尺寸设定

注意，在设置挡块时，挡块凸起的一侧和玻璃基板的侧边留有2mm间隙，目的是当手臂发生形变玻璃基板在水平方向上滑动时作为缓冲，同时也便于玻璃基板的取放。

本次设计选用工程设计中常用的三维建模软件SolidWorks。SolidWorks提供了一套完整的动态界面，减少了多余的对话框、以及设计步骤。并且SolidWorks的配置管理体系能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体[1]，很符合本次设计的需求。Ansys-Workbench只能识别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为一个Step.格式，以便后续导入Workbench进行力学仿真分析。

根据以上给出的托臂结构基本参数，建立完成后的托臂三维模型如图2所示。

1.2 托臂材料选择

为保证小车在运输过程中保证玻璃基板的安全平稳，主要承载玻璃基板的托臂结构应具有良好的抗震性以及抗拉强度，并且材质不宜过硬。

图2 托臂三维模型

常见的普通金属及非金属材料，例如铝合金、塑料等材质，大多无法同时满足抗震及抗拉强度的要求，因此经对比几种材料性能，选择各项性能较为良好的碳纤维板作为主要材质。

碳纤维板是将同一方向排列的碳素纤维，使用树脂浸润硬化，形成碳纤维板材。其作为目前靠近科技前沿的复合材料，具有很多别的材料无法比拟的特性[2]。如：

1）密度低、强度高。

抗拉强度是普通钢材的数倍以上，并且重量只有普通钢材的六分之一，有较高的韧性，可以盘卷，能以较大长度供应而无须搭接，弹性模量优于钢材，具有优异的抗蠕变性能[3]和抗震性。

2） 可加工性良好。

碳纤维复合材料是由人工进行合成的，故其材料性能与制作工艺、纤维种类、纤维排序、纤维含量等因素有关，故可以调整以上因素根据实际工程需要设计出合适的纤维增强复合材料，这就是所谓的材料具有可加工性。

3）良好的耐久性和耐腐蚀性。

耐酸、碱、盐及大气环境的腐蚀，不须定期维护，节省人力物力。

4） 制造工艺简单。

碳纤维复合材料的生产过程相对于其他材料，所使用的机械设备都比较简单，而且无需复杂的工序，另外可根据需要制作各种形状的结构，消耗材料、工时都较少。

根据以上各项特性可得知，碳纤维板非常符合本文的设计要求，因此，选用碳纤维板作为小车手臂；

当玻璃基板放置在碳纤维手臂上时，为防止玻璃基板前后左右滑落，应安装材质较软而且可加工性良好的垫块和挡块，挡块用来限制玻璃基板位移，垫块用来与玻璃基板直接接触，都用螺钉固定在碳纤维手臂上。

由上述可知，垫块和垫板表面应光滑平整，且具有一定的摩擦力。

PVC是世界上产量最大的通用塑料[4]，应用非常广泛。在建筑材料、工业制品、日用品、地板革、地板砖、人造革、管材、电线电缆、包装膜、瓶、发泡材料、密封材料、纤维等方面均有广泛应用，PVC材料不仅具有耐腐蚀，不易燃，绝缘，抗氧化等诸多优点，同时具有可再加工以及制作成本低廉等特点。本文主要利用PVC较好的机械性能，以及其抗拉强度约为60MPa，冲击强度为5～10kJ/m2等特性，因此可选用PVC作为挡块和垫块的材质。

由于臂比宽度受限，须在托臂两侧安装分支。其主要作用是防止玻璃基板两端弯曲过大，同时防止玻璃基板侧滑。托臂侧分支对于托臂来说属于外接体，只有通过螺纹与托臂配合，因此托比测分支采用轻便容易打孔的铝合金。

此外设置连接架，其主要作用是固定碳纤维手臂，以及与车体丝杠连接，所以需要连接架具有一定的刚度并且在其上可以打通孔，因此选用铝合金作为连接架的主要材质。

2 小车托臂结构有限元分析

2.1 导入托臂三维模型

在导入Workbench建立分析项目之前，可以对托臂结构进行简化[5]，如图2所示。去掉对分析结果影响不大的结构，例如部分孔、螺钉、以及封口塞等部件。

启动Workbench 18.0。由于本文主要目的是分析玻璃基板放置在手臂上时，手臂的受力情况，因此属于结构静力学分析。左侧Toolbox（工具栏），选择Static Structural（静力学分析）双击建立静力学分析项目。右键单击A3 Geometry选项，选择Replace Geometry—Browse，导入之前保存好的Step.文件。之后双击Geometry打开SpaceClaim确定模型完好的导入成功。

模型导入后，设置各部分材料参数如表2所示。

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表2 托臂结构各部分材料属性

双击Engineering Data打开材料库，按照表2所给出的各项参数将材料属性值添加至Workbench材料库，并添加托臂模型材料属性，以便在分析界面中设定材料属性。

2.2 网格划分

对于三维几何来讲，Workbench网格划分主要分为以下两种方法[6]。

①Automatic（自动网格划分）；

②Tetrahedrons（四面体网格划分）。

其中②又可细分为Patch Conforming[6]（Workbench自带功能）、Patch Independed[6]法等等，此处不作详细介绍。

托臂结构主要为多个规则的八面体组成的多体部件，其各个面均为规则矩形。因此，基于Patch Conforming法的以下功能，选用此方法对托臂结构进行网格划分。

网格划分结果如图3所示，网格划分后得到84597个单元，和39350个节点。

图3 网格划分结果

2.3 施加约束与载荷

根据之前所提到的托臂安装方式，连接架与车体丝杠的外接体连接方式为螺纹连接，因此可看作连接体是不可转动的，在竖直方向上有一个自由度[7]。之前提到过的手臂与连接体之间的连接方式，是利用压板与压板之间的螺纹连接将手臂加紧在两个压板中间，因此在施加约束时，只需对压板施加一个约束即可表示已将手臂固定在连接架上。

物体所受载荷通常分为常规载荷、偶然载荷、特殊载荷，其他载荷等[8]。本文是对小车托比结构进行静力学分析，可以得出托臂所受的载荷只有玻璃基板对其的额定载荷以及托臂的自重载荷。根据1.1中目标玻璃基板的基本尺寸可知其体积为 V=1.5×0.925×0.0005=6.9375×10-4m3，玻璃的密度ρ=2500kg/m3，因此可得目标玻璃基板的质量m=ρV=1.734375kg，故玻璃基板对托臂手臂的总载荷即为其自身重力G=mg=17.34375N，因此在ANSYS-Workbench中设置托臂受垂直向下17.34375N的外力载荷，并且均匀分布于垫板的上表面；同时在ANSYS-Workbench软件处理模块中对整个结构添加垂直向下重力加速度，进而得到自重载荷。施加约束和载荷结果如图4所示。

图4 施加载荷

3 结果分析与处理

施加载荷结束后，在Workbench工具栏中指定输出结果。由于本次仿真主要目的是对托臂结构受力情况进行仿真模拟，计算其结构强度，进而证明选材的正确性，因此在工具栏中选择输出结果 Equivalent Elastic Strain（等效应变）、Equivalent Stress（等效应力）、Total Deformation（总形变）。

然后右键单击Solution（A6） —Solve换获取分析结果，所得分析云图如图5、图6所示。

图5 等效应力

图6 总形变量

由图5看出，托臂结构所受最大应力为3.5253e8 Pa=352.53 MPa，远小于碳纤维板的许用应力 [σ]=3500 MPa。根据之前提到的设计原理，在碳纤维手臂的始末以及分支手臂外侧端均设置了挡块。假设在手臂不发生形变玻璃基板静置在手臂上时，每个挡块均对玻璃基板侧边留有2mm间隙，当手臂发生形变时，之前留有的2mm间隙作为缓冲。由图5可知，最大形变量极小约为2.7718 mm。挡块对玻璃基板的格挡作用力不足以令玻璃基板崩坏，因此在玻璃基板静置在碳纤维手臂上时，手臂的最大应力在安全范围之内[9]。其形变量不会对玻璃基板产生致命影响，进而证明了结构设计和选材的合理以及可行性。

4 结语

通过Solidworks和Workbench的结合，建立了托臂结构的三维模型，并模拟了玻璃基板静置在手臂上时的受力情况，对托臂结构进行了结构静力学分析。通过静态分析，了解小车托臂在工作过程中的形变在允许范围内，达到了设计要求，同时在结构设计与制造材料的选取上也完全满足设计要求，验证了碳纤维板作为托臂的主要材料的可行性，并给出了合理的结构设计尺寸，为小车托臂装置的研发提供了理论依据。

同时，通过对碳纤维板在叉车手臂上的应用研究，为运输易损坏大工件自动化设备的研发设计提供了可靠性较强的一种材料，对此类设备的研发设计具有重要的指导意义。