墻板搬運(yùn)機(jī)器人叉裝組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真研究

陳濤， 趙岳

（廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東佛山528313）

0 引言

墻板是指用于建筑物內(nèi)部隔墻的墻體預(yù)制條板，隔墻板包括玻璃纖維增強(qiáng)水泥條板、玻璃纖維增強(qiáng)石膏空心條板、鋼絲（鋼絲網(wǎng)）增強(qiáng)水泥條板、輕混泥土條板、復(fù)合夾芯輕質(zhì)條板等[1]。墻板的優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)保防火、防潮、防水、隔音、輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)等。作為一般工業(yè)建筑、居住建筑、公共建筑工程的非承重內(nèi)隔墻主要材料。墻板搬運(yùn)機(jī)器人是一款專門用于墻板搬運(yùn)類的機(jī)器人，可在室外料場(chǎng)叉取墻板，經(jīng)過施工電梯，進(jìn)入作業(yè)樓層，并將墻板穩(wěn)定的卸放在指定堆料點(diǎn)，墻板搬運(yùn)機(jī)器人如圖1所示。

圖1 墻板搬運(yùn)機(jī)器人

墻板搬運(yùn)機(jī)器人叉裝組件的作用是用于叉取墻板、并將墻板放置在墻板搬運(yùn)機(jī)器人車體上，最終將墻板夾緊固定在機(jī)器人上。叉裝組件是墻板搬運(yùn)機(jī)器人的主要工作組件，因此叉裝組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度及剛度就十分關(guān)鍵。

1 叉裝組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

叉裝組件由滑臺(tái)組件、叉架組件、支撐組件、夾緊組件、提升油缸及平移油缸組成，如圖2所示。整個(gè)叉裝組件通過滑臺(tái)組件中的平移滑塊安裝在底盤上，并通過平移油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，可以使得叉裝組件沿著底盤上的導(dǎo)軌左右滑動(dòng)。叉架組件通過豎向滑塊安裝在滑臺(tái)組件上。支撐組件通過豎向?qū)к壈惭b在叉架組件的側(cè)向滑塊上。提升油缸一端安裝在叉架組件上，另一端安裝在支撐組件上，通過提升油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，可以使得支撐組件及叉架組件的上下移動(dòng)。

1.1 滑臺(tái)組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑臺(tái)組件包括滑臺(tái)焊接、豎向?qū)к壖捌揭苹瑝K，如圖3所示。平移油缸的一端安裝在滑臺(tái)組件上，另一端安裝在底盤上。通過平移油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，可以帶動(dòng)滑臺(tái)組件沿著底盤上的導(dǎo)軌左右移動(dòng)。滑臺(tái)組件的作用主要是支撐整個(gè)叉裝機(jī)構(gòu)，并能帶動(dòng)叉裝結(jié)構(gòu)沿著底盤左右移動(dòng)。

圖2 叉裝組件

1.2 叉架組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

叉架組件包括左叉架焊接、右叉架焊接、連桿焊接、橫梁焊接、豎向滑塊及側(cè)向滑塊，如圖4所示。左右叉架焊接呈現(xiàn)L形結(jié)構(gòu)，目的在于能叉取墻板。連桿焊接、橫梁焊接起到連接左右叉架焊接及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)作用。豎向滑塊的作用是：在提升油缸的作用下，叉架組件能沿著滑臺(tái)組件上下移動(dòng)。側(cè)向滑塊的作用是：在提升油缸的作用下，支撐組件能沿著叉架組件上下移動(dòng)。

1.3 支撐組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐組件包括左立柱焊接、右立柱焊接、中立柱焊接、豎向?qū)к壖爸屋啠鐖D5所示。支撐組件的作用是：在提升油缸伸出時(shí)，將支撐組件的支撐輪支撐到地面，起到在叉架組件叉取墻板時(shí)，將墻板的質(zhì)量由支撐組件來承受，從而避免墻板的質(zhì)量由底盤來承受而導(dǎo)致整車的傾覆。

2 叉裝組件結(jié)構(gòu)仿真

2.1 力學(xué)分析

墻板搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)墻板的過程如下：

1）墻板搬運(yùn)機(jī)器人移動(dòng)到料場(chǎng)墻板放置的指定位置；

2）墻板搬運(yùn)機(jī)器人提升油缸伸出，帶動(dòng)支撐組件下降接觸到地面后，提升油缸繼續(xù)上升，叉架組件被抬起，脫離底盤安放點(diǎn)；

3）此時(shí)平移油缸開始伸出動(dòng)作，帶動(dòng)滑臺(tái)組件伸出，同時(shí)提升油缸開始收縮，帶動(dòng)叉架組件開始下降，當(dāng)提升油缸完全收縮時(shí)，叉架組件的L形叉板略微低于支撐組件的L形支撐板。

圖4 叉架組件

圖5 支撐組件

4）墻板機(jī)器人開始側(cè)向移動(dòng)并靠近墻板，此時(shí)支撐組件的L形支撐板和叉架組件的L形叉板都插入需要搬運(yùn)的墻板下；

5）此時(shí)提升油缸開始伸出運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)叉架組件向上移動(dòng)，此時(shí)叉架組件的L形叉板帶動(dòng)墻板向上移動(dòng)，在此過程中，加緊組件會(huì)將墻板夾緊。

6）平移油缸開始收縮移動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)叉裝組件及墻板向車體運(yùn)動(dòng)。然后提升油缸開始動(dòng)作，完成將叉取的墻板放置在底盤，并將支撐組件收回，脫離地面。此時(shí)即完成整個(gè)墻板的叉取過程。

墻板的卸放過程與墻板的叉取過程相反，在此不再贅述。分析墻板搬運(yùn)機(jī)器人的工作過程可以發(fā)現(xiàn)在支撐組件的支撐輪接觸地面，且叉架組件抬起墻板過程中，叉裝組件的受力最為惡劣。本文將以此過程為分析工況對(duì)叉裝組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

2.2 結(jié)構(gòu)仿真

2.2.1 工況說明

此款墻板搬運(yùn)機(jī)器人一次能搬運(yùn)4塊墻板，每一塊墻板的質(zhì)量為180 kg，在支撐輪不同的支撐條件下進(jìn)行叉裝組件的剛強(qiáng)度分析。由于支撐組件有4個(gè)支撐輪，同時(shí)考慮到地面不可能完全平整的情況下，4個(gè)支撐輪會(huì)存在2輪接觸地面、3輪接觸地面及4輪接觸地面的情況，其中4輪接觸地面的情況叉裝組件受力情況較好，2輪接觸地面的情況叉裝組件受力較為惡劣，本文仿真考慮上述兩類情況，具體工況說明如表1所示，考慮到油缸伸縮速度較慢，設(shè)置慣性載荷為1g。

2.2.2 模型簡化

在幾何模型簡化時(shí)，在確保關(guān)注部件有限元分析精度的前提下盡可能簡化結(jié)構(gòu)的棱角、小凸臺(tái)、小凹槽、圓角、倒角等幾何模型細(xì)節(jié)特征[2-4]。叉裝組件的實(shí)際模型如圖6（a）所示，簡化后的模型如圖6（b）所示。圖6（b）模型中還分別標(biāo)記出4個(gè)支撐輪的位置A、B、C、D。

表1 工況說明

圖6 模型簡化圖

2.2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

1）材料參數(shù)設(shè)置。叉裝組件中的滑塊組件、叉架組件、支撐組件、加緊組件中的主體框架都是采用Q345鋼，將模型中導(dǎo)軌滑塊材料也設(shè)置為Q345鋼。具體的材料性能如表2所示。

表2 材料性能參數(shù)

2）單元設(shè)置。方鋼等薄壁結(jié)構(gòu)用殼體進(jìn)行模擬，液壓缸用梁單元模擬，其余用實(shí)體單元建模，墻板定義為剛體。結(jié)構(gòu)之間的焊接主要通過剛性單元、殼單元網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)或面面綁定模擬。螺栓連接主要采用Beam連接。分析假設(shè)所有的焊接良好，裝配、焊接工藝沒有缺陷。

3）約束設(shè)置。A、B、C、D點(diǎn)約束Z方向位移。固定滑臺(tái)組件的平移滑塊安裝面。支撐組件和叉架組件上的導(dǎo)軌滑塊定義為滑動(dòng)約束。

4）載荷設(shè)置。在叉架組件中叉取墻板的兩個(gè)L形板上加載墻板的質(zhì)量（7200 N）。

2.2.4 仿真結(jié)果分析

1）工況1：A、B、C、D點(diǎn)四輪支撐。

a.應(yīng)力分析。理想四點(diǎn)支撐工況下，原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為267.7 MPa，出現(xiàn)在支撐腳與加筋板焊接處，由于模型沒有考慮具體焊縫形式，導(dǎo)致此處幾何形狀為直角過渡，存在應(yīng)力奇異，附近應(yīng)力水平為73 MPa，此處注意焊縫質(zhì)量，失效風(fēng)險(xiǎn)偏低；貨叉根部處的最大等效應(yīng)力為99.3 MPa，出現(xiàn)在與貨叉連接的槽鋼翼板處，如圖7所示。

圖7 應(yīng)力圖

b.位移分析。整體結(jié)構(gòu)的總位移為3.5 mm，出現(xiàn)在貨叉前端，主要表現(xiàn)為Z方向向下移動(dòng)，如圖8（a）所示。X方向的位移為1.9 mm，主要表現(xiàn)為夾手組件的X方向橫移，如圖8（b）所示。Y方向的位移為0.1 mm，由于沒有考慮載荷在Y方向的偏載，位移很小, 如圖8（c）所示。Z方向的位移為2.9 mm，主要表現(xiàn)為貨叉的Z方向的下移, 如圖8（d）所示。

圖8 位移圖

2）工況2：A、B點(diǎn)兩輪支撐。

a.應(yīng)力分析。靠近車身的兩個(gè)輪子支撐工況下，原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為234.8 MPa，出現(xiàn)在支撐腳與加筋板焊接處，由于模型沒有考慮具體焊縫形式，導(dǎo)致此處幾何形狀為直角過渡，存在應(yīng)力奇異，附近應(yīng)力水平為104.5 MPa，此處注意焊縫質(zhì)量，失效風(fēng)險(xiǎn)偏低；圖示B位置處的最大等效應(yīng)力為128.5 MPa，出現(xiàn)在槽鋼翼板處，失效風(fēng)險(xiǎn)低，如圖9所示。

圖9 應(yīng)力圖

b.位移分析。整體結(jié)構(gòu)的總位移為8.9 mm，出現(xiàn)在支撐腳，主要表現(xiàn)為-X方向移動(dòng)，如圖10（a）所示。X方向的位移為7.9 mm，主要表現(xiàn)為支撐腳的-X方向橫移，如圖10（b）所示。Y方向的位移為0.1 mm，由于沒有考慮載荷在Y方向的偏載，位移很小，如圖10（c）所示。Z方向的位移為5.3 mm，主要表現(xiàn)為貨叉的Z方向的下移，如圖10（d）所示。

圖10 位移圖

3）工況3：C、D點(diǎn)兩輪支撐。

a.應(yīng)力分析。整體結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為792.7 MPa，出現(xiàn)在支撐腳與加筋板焊接處，由于模型沒有考慮具體焊縫形式，導(dǎo)致此處幾何形狀為直角過渡，存在應(yīng)力奇異，附近應(yīng)力水平為215.1 MPa，從正應(yīng)力結(jié)果看出，此處的應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，注意焊縫質(zhì)量，失效風(fēng)險(xiǎn)較低；圖示B位置處的最大等效應(yīng)力為136 MPa，出現(xiàn)在槽鋼翼板處，失效風(fēng)險(xiǎn)低，如圖11所示。

b.位移分析。整體結(jié)構(gòu)的總位移為12.1 mm，出現(xiàn)在支撐腳根部，主要表現(xiàn)為X方向向下移動(dòng)，如圖12（a）所示。X方向的位移為8.8 mm，主要表現(xiàn)為夾手組件的X方向橫移，如圖12（b）所示。Y方向的位移為0.1 mm，由于沒有考慮載荷在Y方向的偏載，位移很小，如圖12（c）所示。Z方向的位移為5.3 mm，主要表現(xiàn)為整體Z方向的下移，如圖12（d）所示。

圖11 應(yīng)力圖

圖12 位移圖

4）工況4：B、C點(diǎn)兩輪支撐。

a.應(yīng)力分析。整體結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為917.9 MPa，出現(xiàn)在支撐腳與加筋板焊接處，由于模型沒有考慮具體焊縫形式，導(dǎo)致此處幾何形狀為直角過渡，存在應(yīng)力奇異，附近應(yīng)力水平為201.3 MPa，從正應(yīng)力結(jié)果看出，此處的應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力，有一定的失效風(fēng)險(xiǎn)，注意焊縫質(zhì)量，如圖13所示。

圖13 應(yīng)力圖

b.位移分析。整體結(jié)構(gòu)的總位移為9.0 mm，出現(xiàn)在沒有約束的支撐腳處，主要表現(xiàn)為Z方向向下移動(dòng)，如圖14（a）所示。X方向的位移為2.4 mm，主要表現(xiàn)為夾手組件的X方向橫移，如圖14（b）所示。Y方向的位移為1.2 mm，主要表現(xiàn)在上裝頂部，如圖14（c）所示。Z方向的位移為8.6 mm，主要表現(xiàn)為墻板一側(cè)Z方向的下移，如圖14（d）所示。

圖14 位移圖

5）工況5：B、D點(diǎn)兩輪支撐。

a.應(yīng)力分析。整體結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為503.1 MPa，出現(xiàn)在支撐腳與加筋板焊接處，由于模型沒有考慮具體焊縫形式，導(dǎo)致此處幾何形狀為直角過渡，存在應(yīng)力奇異，附近應(yīng)力水平為132.3 MPa，從正應(yīng)力結(jié)果看出，此處的應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，失效風(fēng)險(xiǎn)低，圖示B位置處的最大等效應(yīng)力為140 MPa，出現(xiàn)在槽鋼翼板處，失效風(fēng)險(xiǎn)低，如圖15所示。

圖15 應(yīng)力圖

b.位移分析。整體結(jié)構(gòu)的總位移為4.6 mm，出現(xiàn)在貨叉處，主要表現(xiàn)為Z方向向下移動(dòng)，如圖16（a）所示。X方向的位移為3.2 mm，主要表現(xiàn)為支撐腳的-X方向橫移，如圖16（b）所示。Y方向的位移為2.4 mm，主要表現(xiàn)在支撐腳-Y向移動(dòng)，如圖16（c）所示。Z方向的位移為4.2 mm，主要表現(xiàn)為貨叉一側(cè)Z方向的下移，如圖16（d）所示。

圖16 位移圖

3 結(jié)論

1）通過創(chuàng)新式設(shè)計(jì)提出一種叉裝組件，主要包括滑臺(tái)組件、叉架組件、支撐組件、夾緊組件、提升油缸及平移油缸。可以實(shí)現(xiàn)墻板的叉取、卸放功能。

2）通過對(duì)叉裝組件5種工況的應(yīng)力和位移分析，除去由于模型沒有考慮具體焊縫形式，導(dǎo)致此處幾何形狀為直角過渡，存在應(yīng)力奇異的情況，5種工況的最大應(yīng)力值都在零部件材料的屈服強(qiáng)度之內(nèi)。5種工況下的位移值都在可接受范圍內(nèi)。