CN111874558A - 一种高刚度轻量化复合材料托架及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高刚度轻量化复合材料托架及其制造方法，属于托架技术领域，解决了现有大尺寸托架质量大，电机负荷大，托架震颤明显的问题。该高刚度轻量化复合材料托架包括框架、大梁和托盘；框架是由多根管梁组成的方格框，框架设置在大梁上，大梁设置在托盘上；大梁设置有多根，多根大梁以托盘为中心呈散射状对称设置在托盘上，托盘与伺服电机连接。本发明适用于大尺寸托架。

Description

一种高刚度轻量化复合材料托架及其制造方法

技术领域

本发明属于托架技术领域，特别涉及一种高刚度轻量化复合材料托架及其制造方法。

背景技术

随着自动化生产线的大规模应用，一些领域对生产线上的托架提出了更高的要求，包括结构刚度、强度、稳定性等指标。以液晶屏生产线为例，因为新一代液晶玻璃面板面积很大、厚度薄，因此液晶玻璃的刚度很差，需要有足够刚度的支撑托架保证足够低的形变。另外，在转运过程中会产生震动，如果产生共振或者震动不能及时消减，薄玻璃板会产生偏移，影响后续的工序。

随着新一代玻璃面板的增大，重量也呈2次方的提高，现有的托架使用金属制作，会对伺服电机造成很大的负荷，且金属托架边缘震颤明显，同时也提高了生产线的成本。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供了一种高刚度轻量化复合材料托架及其制造方法，用以解决现有大尺寸托架质量大，电机负荷大，托架震颤明显等问题。大尺寸托架是指单边长度(即相邻两根大梁远离托盘的方向最远端之间的距离)≥1m的托架。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种高刚度轻量化复合材料托架，包括框架、大梁和托盘；框架是由多根管梁组成的方格框，框架设置在大梁上，大梁设置在托盘上；

大梁设置有多根，多根大梁以托盘为中心呈散射状对称设置在托盘上，托盘与伺服电机连接。

在一种可能的设计中，大梁和管梁的材料为碳纤维增强树脂基复合材料。

在一种可能的设计中，托盘拉伸模量≥180GPa。

在一种可能的设计中，大梁为口型大梁，大梁的厚度大于管梁的厚度。

在一种可能的设计中，大梁横截面的高度为管梁横截面的高度的2倍以上，大梁的壁厚为管梁壁厚的2倍以上。

在一种可能的设计中，托盘与大梁通过螺栓连接，螺栓连接拧紧力矩与螺栓直径平方的比值≥1.2。

在一种可能的设计中，还包括角片，角片固定在管梁的交叉部位。

在一种可能的设计中，大梁的刚度为小梁的4-20倍。

在一种可能的设计中，框架的中心线部位与大梁连接。

本发明还提供了一种托架的制造方法，包括以下步骤：

加工托盘、管梁和大梁；

将管梁拼接或搭接成框架；

将框架安装到大梁上，将大梁安装到托盘上。

在一种可能的设计中，管梁和大梁采用碳纤维预浸料模压成型。

在一种可能的设计中，将管梁拼接是采用接头插入管梁的孔中，将等长的管梁拼接成框架。

在一种可能的设计中，将管梁搭接是先加工与框架等边长的管梁，根据框架方格的尺寸在管梁上加工出槽，将管梁搭接在一起。

在一种可能的设计中，将框架安装到大梁上时，先通过胶结将框架与大梁完全粘接，然后在管梁上打孔穿透管梁和大梁，用铆接或螺栓连接。

在一种可能的设计中，框架与大梁的胶粘区域的胶的剥离强度≥181MPa。

在一种可能的设计中，框架与大梁的胶粘区域的剪切强度≥27MPa。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)碳纤维复合材料相比金属材料具有高比强度、比模量的优势，在轻量化结构上具有不可替代的应用优势。本发明大梁和管梁采用碳纤维增强树脂基复合材料(即为碳纤维复合材料)，且大梁和管梁都采用中空的管状或工型界面的型材，管梁组成的框架具有中空的方格，在保证了刚度的同时重量更轻，减轻了对电机的负荷，降低了对电机的要求。

本发明托架采用的碳纤维复合材料的阻尼作用使得托架具有清除震动的能力，可防止共振的出现，实现更高的转运精度、更低的生产线成本，延长托架的使用寿命并防止对托架上托运的物品产生损伤。

2)整个托架的布局为：最底部是托盘，中间是大梁，最上部是框架。托盘的刚度高于大梁，大梁的刚度高于框架。形成从底部托盘的高刚度到上部小梁的小刚度的刚度逐渐递减，从而保证整体托架在更低重量的情况下可以实现均布载荷作用下的最小变形。本发明采用梁框结构：用大梁起到主支撑，用框架分散均布载荷，在保证了刚度的情况下进一步减轻重量。刚度的分配以垂向的变形量作为度量，大梁的刚度约为小梁4-20倍。

3)由于托架工作以垂直于托架平面的升举和以转轴为中心的转动为主，主要承受垂直于托架平面的重力和过载以及旋转过载，而口型大梁与托盘连接部位承受的过载最集中。本发明每一个大梁与托盘连接不少于4个螺栓，螺栓的直径根据工作条件下的转动力矩而定，螺栓的拧紧力矩值与螺栓直径平方值的比值不低于1.2，保证了连接部位不会松动。

4)本发明在框架上设置角片，角片的角度与框架管梁需要加强的交叉部位相同，保证了框架整体的刚度，并可以加强以框架组成的某一个平面法向的刚度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1为托架示意图。

附图标记：

1-框架；11-管梁；2-大梁；3-托盘；31-固定槽；32-螺栓孔；4-角片。

具体实施方式

以下结合具体实施例对高刚度轻量化复合材料托架及其制造方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

本发明通常的工作面可以为平面或曲面，可以倾斜，也可以水平。为了方便说明，本发明实施例放置在水平面上，并在水平面上使用，并以此限定“高低”和“上下”。

一种高刚度轻量化复合材料托架，包括框架1、大梁2和托盘3；框架1是由多根管梁11组成的方格框，框架1设置在大梁2上，大梁2设置在托盘3上；大梁2设置有多根，并绕圆周均匀分布的设置在托盘3上，托盘3与伺服电机连接。大梁2和管梁11的材料为碳纤维增强树脂基复合材料。

优选的，碳纤维增强树脂基复合材料中的树脂为热固性树脂，示例性的，热固性树脂为环氧、酚醛、不饱和、乙烯基或氰酸酯树脂中的一种。碳纤维增强树脂基复合材料的拉伸模量大于等于140GPa。所用制造工艺为模压、热压罐、卷管、真空辅助、RTM、拉挤成型等工艺中的一种。

碳纤维复合材料相比金属材料具有高比强度、比模量的优势，在轻量化结构上具有不可替代的应用优势。本发明大梁2和管梁11采用碳纤维增强树脂基复合材料(即为碳纤维复合材料)，且大梁2和管梁11都采用中空的管状或工型界面的型材，管梁11组成的框架1具有中空的方格，在保证了刚度的同时重量更轻，减轻了对电机的负荷，降低了对电机的要求。

本发明托架采用的碳纤维复合材料的阻尼作用使得托架具有清除震动的能力，可防止共振的出现，实现更高的转运精度、更低的生产线成本，延长托架的使用寿命并防止对托架上托运的物品产生损伤。

整个托架的布局为：最底部是托盘3，中间是大梁2，最上部是框架1。同时托盘3为高模量的材料，拉伸模量不低于180GPa，沿框架1高度方向上大梁2的厚度大于管梁11的厚度(即大梁2横截面的高度大于管梁11横截面的高度)，以保证托盘3的刚度高于大梁2，大梁2的刚度高于框架1。形成从底部托盘的高刚度到上部管梁11的小刚度的刚度逐渐递减，从而保证整体托架在更低重量的情况下可以实现均布载荷作用下的最小变形。优选的，大梁2横截面的高度为管梁11横截面的高度的2倍以上，大梁2的壁厚为管梁11壁厚的2倍以上。

因为生产线和电机行程的空间有限，对框架1结构的厚度有严格的要求。厚度又影响框架1结构末端的变形，即结构的刚度。因此框架1的设计很关键。为了在保证刚度的情况下进一步减轻重量，本发明采用梁框结构：用大梁2起到主支撑，用框架1分散均布载荷。刚度的分配以垂向的变形量作为度量，大梁2的刚度约为小梁4-20倍。框架1的中心线部位与大梁2连接，使大梁2两侧的部分框架1载荷分布均匀。

具体的，托盘3中心有固定槽31和螺栓孔32，与下部的伺服电机连接。托盘3与口型大梁2通过螺栓连接，螺栓连接的拧紧力矩与螺栓直径平方的比值大于等于1.2。

相比传统铝合金的托架，碳纤维复合材料无法焊接，对于大尺寸框架1结构的组装和连接是实现框架1结构高刚度、高强度的关键技术。本发明中的框架1为方形或矩形框架1，优选的，为正方形框，采用管梁11进行拼接或搭接而成。

拼接方式为采用三通、四通等接头将等长的管梁11通过胶粘结将管梁11拼接在一起，然后用铆钉或螺栓固定。搭接方式为，加工与框架1等边长的管梁11，根据框架1方格的尺寸加工出槽，将管梁11搭接在一起，并用胶粘接，然后用铆接或螺栓固定。

框架1采用机械连接和胶结与大梁2连接。具体的，先通过胶结将框架1与大梁2完全粘接，然后在管梁11上打孔穿透管梁11和大梁2，用铆接或螺栓连接。胶的剥离强度≥181MPa。框架1与大梁2的胶粘区域的剪切强度不低于27MPa。大梁2通过螺栓连接在托盘3上，便于拆卸更换。

由于托架工作以垂直于托架平面的升举和以转轴为中心的转动为主，主要承受垂直于托架平面的重力和过载以及旋转过载，而口型大梁2与托盘3连接部位承受的过载最集中，为了保证连接部位不会松动，需要每一个梁与托盘3连接不少于4个螺栓，螺栓的直径根据工作条件下的转动力矩而定，螺栓的拧紧力矩与螺栓直径平方的比值不低于1.2。

为了保证框架1整体的刚度，或者加强以框架1组成的某一个平面法向的刚度，进一步的，可以在框架1上设置角片4，角片4的角度与框架1的管梁11需要加强的交叉部位相同，然后通过胶结、机械连接等方式与框架1粘接。角片4可以与框架1材料相同，也可以不同。

进一步的，在框架1上设置硅胶垫，用于放置转运物品，如液晶玻璃板等。

本发明还公开了一种高刚度轻量化复合材料托架的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

加工托盘3、管梁11和大梁2；

将管梁11拼接或搭接成框架1；

将框架1安装到大梁2上，将大梁2安装到托盘3上。

具体的，先加工出细的碳纤维复合材料管梁11，管梁11可以通过搭接或拼接形成框架1，然后接头部位通过胶粘接或者机械连接加固提高强度和刚度，可以通过装配工装保证组合框架1的平面度。装配成方形或者矩形的框架1结构。拼接方法是采用接头插入管梁11的孔中，将等长的管梁11拼接成框架1；搭接方法是先加工与框架1等边长的管梁11，根据框架1方格的尺寸在管梁11上加工出槽，将管梁11搭接在一起。

制造尺寸大的碳纤维复材口型大梁2，长度大于等于框架1的单边长度。大梁2布置在框架1的下部，然后通过机械连接和胶结与框架1连接为整体，先通过胶结将框架1与大梁2完全粘接，然后在管梁11上打孔穿透管梁11和大梁2，用铆接或螺栓连接。大梁2与中心的托盘3连接方式为：大梁2布置在托盘3之上，通过螺栓方式连接。

进一步的，制作角片4，角度与框架1管梁11需要加强的交叉部位相同，然后通过胶结或机械连接等方式与框架1连接。

实施例1

托架设置有4根大梁2，每个大梁2上设置一个框架1，每个大梁2的一端采用螺栓固定在托盘3上。

以方形托盘为例，在方形托盘的四个角处设置有大梁安装部，大梁安装部可以为沿方形托盘对角线延伸的突出部，每个大梁的一端固定安装在突出部的上表面，且大梁的一端完全覆盖突出部。优选地，托盘为正方形托盘，相邻大梁2之间垂直，可以实现载荷均布，使得载荷作用下的最小变形。

本实施例中框架1的单边长度为1.4m，大梁2的横截面高度为70mm，大梁2的壁厚为4mm，管梁11的横截面高度为20mm，管梁11壁厚为2mm。

使用碳钢加工成底部托盘3，使用碳纤维预浸料模压成型加工碳纤维复合材料口型大梁2和更细的管梁11。

示例性地，框架1为方形框架，优选正方形框架，每个框架1由6根管梁11拼接形成，3根管梁11平行设置，其余3根管梁平行设置，3根管梁与其余3根管梁垂直交叉形成具有4个小方格的大方格框。

需要说明的是，为了用框架分散均布载荷，大方格框的相邻的外侧的2根管梁共顶点固定在托盘的突出部的上表面的中心处上方的大梁一端，也就是说，框架1的大方格框的相邻的第一边和第二边共顶点。

优选地，平行的管梁之间的间距小于二分之一管梁长度，即大方格框远离托盘的一端的大梁两侧形成翅片状结构，便于力矩传导和托架外释放。大梁2的尺寸与框架1的对角线相同。管梁11的长度与框架1的方格的边长相同。用接头将管梁11拼接成方形框架1，接头插入到管梁11的孔中，然后采用胶结方式粘接成整体。将组装好的框架1与大梁2先胶结，然后使用螺栓将框架1与大梁2固定。再将大梁2与托盘3用螺栓连接。

托盘还可以为圆形，此时，大梁2绕圆周均匀分布在托盘3上，为了实现载荷均布，使得载荷作用下的最小变形，相邻大梁2之间垂直设置。

实施例2

托架设置有4根大梁2，每个大梁2上设置一个框架1，每个大梁2的一端采用螺栓固定在托盘3上。大梁2绕圆周均匀分布在托盘3上，相邻大梁2之间垂直。

本实施例中框架1的单边长度为2m，大梁2的横截面高度为80mm，大梁2的壁厚为8mm，管梁11的横截面高度为30mm，管梁11壁厚为3mm。

使用碳钢加工成底部托盘3，使用碳纤维预浸料拉挤成型加工碳纤维复合材料口型大梁2和更细的管梁11，大梁2的尺寸与框架1的对角线相同。管梁11的长度与框架1的方格的边长相同。

采用搭接的方法制作框架1，先加工与框架1等边长的管梁11，根据框架1方格的尺寸在管梁11上加工出槽，将管梁11搭接在一起，然后采用胶结方式粘接成整体。

将组装好的框架1与大梁2先胶结，然后使用螺栓将框架1与大梁2固定。再将大梁2与托盘3用螺栓连接。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高刚度轻量化复合材料托架，其特征在于，包括框架、大梁和托盘；所述框架是由多根管梁组成的方格框，所述框架设置在大梁上，所述大梁设置在托盘上；

所述大梁的数量为多根，多根大梁以托盘为中心呈散射状对称设置在托盘上；

所述框架的数量为多个，多个框架一一对应地设置在多根所述大梁上；

所述托盘与伺服电机连接。

2.根据权利要求1所述的高刚度轻量化复合材料托架，其特征在于，所述大梁和所述管梁的材料均为碳纤维增强树脂基复合材料。

3.根据权利要求1所述的高刚度轻量化复合材料托架，其特征在于，所述托盘拉伸模量≥180GPa。

4.根据权利要求1所述的高刚度轻量化复合材料托架，其特征在于，所述大梁为口型大梁，所述大梁的厚度大于所述管梁的厚度。

5.根据权利要求1所述的高刚度轻量化复合材料托架，其特征在于，所述托盘与大梁通过螺栓连接，螺栓连接拧紧力矩值与螺栓直径平方值的比值≥1.2。

6.根据权利要求1-5任一项所述的高刚度轻量化复合材料托架，其特征在于，还包括角片，所述角片固定在管梁的交叉部位。

7.根据权利要求1-6所述的高刚度轻量化复合材料托架的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

加工托盘、管梁和大梁；

将管梁拼接或搭接成框架；

将框架安装到大梁上，将大梁安装到托盘上。

8.根据权利要求7所述的高刚度轻量化复合材料托架的制造方法，其特征在于，所述管梁和大梁采用碳纤维预浸料模压成型。

9.根据权利要求7所述的高刚度轻量化复合材料托架的制造方法，其特征在于，将管梁拼接是采用接头插入管梁的孔中，将等长的管梁拼接成框架。

10.根据权利要求7所述的高刚度轻量化复合材料托架的制造方法，其特征在于，将管梁搭接是先加工与框架等边长的管梁，根据框架方格的尺寸在所述管梁上加工出槽，将管梁搭接在一起。

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