碳纖維機械手臂,輕材料提高實際操作準確性

  • 2019-06-13
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碳纖維復合材料作為制作高性能機器人的高端材料,現在許多的發達國家機器人制作均采用這樣的材料。碳纖維復合材料憑借高強度,高剛度能夠更好的發揮機械臂的性能。


碳纖維復合材料作為制作高性能機器人的高端材料,現在許多的發達國家機器人制作均采用這樣的材料。碳纖維復合材料憑借高強度,高剛度能夠更好的發揮機械臂的性能。

以往的工業機器人是由鋼和鋁制成的,一個一米長的鋁結構機械臂桿件,在室溫變化12℃的環境里,桿件變化0.13mm,這將大大影響機器人的精度。對高模量碳纖維復合材料來說,如果優化設計纖維的鋪層和方向,卻可以達到近似零熱變形的設計效果,這是普通金屬材料無法實現的。

機械手臂是機器人技術領域實際應用最廣泛的自動化機械裝置,盡管它們的形態各有不同,但它們都有一個共同的特點,即通過接受指令,精確地定位到三維(或二維)空間上的某一點進行作業。機械手臂一般有伸縮、旋轉和升降這三種運動,其中旋轉、升降運動是由橫臂和產柱去完成的,手臂的基本作用則是將手爪移動到所需位置以及承受抓取工件的最大重量和手臂自身的重量等。此外,管路、冷卻裝置、行程定位裝置和自動檢測裝置等,一般也都裝在手臂上。因此,手臂的結構、工作范圍、承載能力和動作精度都會直接影響整個機械的工作性能。

傳統的機械臂多是采用金屬材質,例如鋁合金、鋼。此外,一些自動檢測裝置、管路、冷卻裝置等也都會安裝在機械臂上,由于機械臂是一個典型的懸臂梁結構,自身的質量對機械臂本身會產生很大的影響,所以如果想要實現在滿足靜、動態性能的同時,還減小機械臂質量,可以通過選擇合適的結構和選擇密度輕的材料來實現機械臂的輕量化。

作為一個運動性部件,機械手臂一般要完成各類已定或將定的運動,材質的選擇決定了機械手臂的動態性能和靜態性能。首先,輕型材料是制作機械臂的良好選擇。因為機械手臂的自重不僅影響它的運動便捷性,還直接影響到驅使運動的能源消耗量。機械手臂是運動的,需要有良好的受控性,因此不能過笨重,重量越輕轉動慣量越小。從這個角度上說,鋼類材料最重,比鋁合金要重60%以上,高強度鋼達到7.8g/cm3,鋁也有2.7g/cm3,碳纖維比重最小,只有1.75g/cm3,因而碳纖維制成的機械臂是目前所有材質中最輕的,能使機械臂操作更加靈便準確。

其次,機械手臂在承受載荷時,不能有斷裂和應變,也就是說用來制作機械手臂的材料要有足夠的強度,必須選擇“高強度的材料”。從絕對性能看,鋁比不上鋼,就算是很好的鋁,從模量、強度和韌性上看,絕對性能仍舊比不上鋼,鋁合金的重量介于碳纖維和碳鋼之間,強度次于碳纖維,高于碳鋼,但韌性較低,缺乏彈性。碳纖維的特點不僅是質輕,強度更高。目前碳纖維復合材料強度約為1400MPa,而鋼呢?一般的鋼不過是600MPa,在比強度上碳纖維要比鋼高出許多。

再者,機械臂的工作環境對材質也提出了相應的要求,比如一定的溫差中,金屬會出現相應的蠕變情況,這種蠕變看似微乎其微,但是對機械臂操作精準的影響還是比較明顯的。碳纖維不同于一般的鋼和鋁合金,在零下幾十度到200℃之間都能保持最小的蠕變性,因此可以適用于不同的工作環境中。

部分廠商對于碳纖維機械臂還具有成本方面的擔憂。雖然碳纖維原材料與傳統機械臂金屬材質相比成本上升不超過50%,但隨著國內碳纖維技術的逐漸成熟,大大降低了企業的應用成本,使碳纖維機械臂與傳統金屬機械臂的價格已經相差無幾,并且碳纖維材質的使用年限比金屬要長,綜合比較下來碳纖維機械臂無論是材質特性還是性價比方面都具有非常大的優勢,后續的發展前景也十分廣闊。

在現在的工業機器人制作中,碳纖維也開始在機械臂的生產中得以應用,除了在一些航空領域中的運用,一些小型的機械臂也開始采用碳纖維材料。碳纖維也將在更多的工業機器人制作中發揮性能優勢。


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