碳纤维复合材料在机械臂中扮演的重要角色

碳纤维复合材料在机械臂中扮演的重要角色机械手臂是目前机器人领域中实际应用最广泛的机械自动化装置，应用于电子、医学治疗、机械制造等众多领域。机械手臂的基本作用是引导手爪准确抓取工件到所需位置以及承受手臂自重和抓取工件的最大重量，虽然机械臂的形态各不相同，但是他们都有一个相同点，那就是可以接受指令，并且精准定位到某点进行操作。机械臂作为一个运动性部件，在材质方面的选择会决定机械臂的静态性能与动态性能，目前机械臂材质方面呈现利用碳纤维材料代替传统金属的趋势。碳纤维机械臂在国外的发展则更为成熟。瑞典TecgrantAB公司、洛克希德•马丁与阿联酋Injaz国家公司共同出资组成了Exechon有限公司，他们在阿布扎比防务展上展出了一款型号为XMini的智能5轴加工机床，这是世界首台采用碳纤维复合材料的智能5轴加工机床。它可以在飞机机翼翼盒等人或者传统机器人无法操作的空间进行组装和拆卸，并且XMini还应用了并联加工（PKM）技术，既可以集成到现有的生产系统中，也可作为独立工具使用。传统的机械臂多是采用金属材质，例如铝合金、钢，此外，一些自动检测装置、管路、冷却装置等也都会安装在机械臂上，由于机械臂是一个典型的悬臂梁结构，自身的质量对机械臂本身会产生很大的影响，所以如果想要实现在满足静、动态性能的同时，还减小机械臂质量，可以通过选择合适的构件材料来实现机械臂的轻量化。在机械臂轻量化中，碳纤维扮演了重要角色。以铝合金为例，铝合金的比重是2.7g/cm3，碳纤维比铝合金要轻，它的比重仅有1.5—2.0g/cm3，利用碳纤维材料制成的机械臂也是目前所有不同材质的机械臂中最轻的。除此之外，碳纤维在室温下变形极微。根据权威机构提供的实验数据，同是100cm长度的铝合金机械臂零件与碳纤维机械臂零件，在室温12℃中放置相同时间，最终铝合金机械臂零件变化0.13mm，而碳纤维则无变化，这对操作要求十分精准的机械臂来说尤为重要。机械臂不仅要承受自身重量，还需要承担抓取工件的最大重量，这就需要机械臂在承受载荷时不能出现应变和断裂的情况。从抗拉强度方面来看，碳纤维复合材料的抗拉强度为2000MPa，铝合金的抗拉强度约为800MPa；在韧性方面，铝合金的韧性比较低缺乏弹性，碳纤维由于具备纺织纤维的柔软可加工性，所以韧性要远远高于铝合金，并且碳纤维材质也更不容易发生断裂。部分厂商对于碳纤维机械臂还具有成本方面的担忧。虽然碳纤维原材料与传统机械臂金属材质相比成本上升不超过50%，但随着国内碳纤维技术的逐渐成熟，挪恩也针对碳纤维的加工工艺进行技术研究和开发，大大降低了企业的应用成本，使碳纤维机械臂与传统金属机械臂的价格已经相差无几，并且碳纤维材质的使用年限比金属要长，综合比较下来碳纤维机械臂无论是材质特性还是性价比方面都具有非常大的优势，后续的发展前景也十分广阔。在国内工业机器人制造中，碳纤维在机械臂上的应用趋势也越来越明显，除了一些在航空领域的大型碳纤维机械臂，生活中的一些中小型机械臂上也开始出现碳纤维材质。苏州挪恩复合材料有限公司为中国电子科技集团公司某研究所研制了碳纤维6轴关节机器人手臂，应用在其电子、机械制造等领域的生产线上，双方也借此达成了继续合作的意