碳纖維復(fù)合材料在機(jī)器人應(yīng)用中的四大“亮點(diǎn)”

機(jī)械臂是機(jī)器人執(zhí)行操作任務(wù)的主要部件之一，其主要功能是在與環(huán)境進(jìn)行交互的過(guò)程中，能夠準(zhǔn)確接受指令，并精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范性作業(yè)。作為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中最為廣泛應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置之一，機(jī)械臂在工業(yè)制造、醫(yī)療、民用、軍事、交通物流以及太空探索等領(lǐng)域中都發(fā)揮出重要作用。越來(lái)越多的新型機(jī)械臂開始采用碳纖維復(fù)合材料，這種比金屬材料貴許多倍的新材料到底有哪些“過(guò)人之處”？機(jī)械臂設(shè)計(jì)師選擇碳纖維復(fù)合材料的理由是什么？

理由一：自重輕=能耗低、生產(chǎn)效率高

機(jī)械臂的自重要盡量輕，機(jī)械臂越輕，其運(yùn)動(dòng)慣量越小。通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)可以使機(jī)械臂的功率自重比達(dá)到最優(yōu)化，選擇輕量化的制作材料也是機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)輕量化的重要途徑。碳纖維復(fù)合材料的密度僅是鋼材的1/3，比鋁合金也要輕30%左右，輕自重意味著機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中需要消耗的能量更少，運(yùn)行更為輕便快捷。哪怕是能耗比只降低一點(diǎn)點(diǎn)，或者生產(chǎn)效率提升一點(diǎn)點(diǎn)，這在長(zhǎng)周期和批量化工作中帶來(lái)的效果都是巨大的。

理由二：強(qiáng)度大=承載多、功能多樣化

機(jī)械臂在實(shí)現(xiàn)輕自重的同時(shí)，更要保證自身具備足夠的負(fù)載能力。機(jī)械手臂要承受的基本重量包括手臂本身的重量加上其手爪抓取工件的最大重量，碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量都比鋼高，其抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7～9倍。某碳纖維企業(yè)為隧道勘探機(jī)器人配置的一款可伸縮式碳纖維機(jī)械臂，其臂厚僅為5 mm，直徑為18 cm，卻能夠承載高達(dá)一百多千克的儀器設(shè)備，這種高承載性能賦予了機(jī)器人向多元化功能方向發(fā)展的可能性。

理由三：蠕變小=精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)

碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)微乎其微，蠕變小，能夠適應(yīng)溫差較大的工作環(huán)境。一款專為電力巡檢機(jī)器人配備的矩形可伸縮式機(jī)械臂管，不僅通過(guò)降低自重，減少能耗，成倍地延長(zhǎng)了工作周期，而且其在嚴(yán)寒、高溫等惡劣氣候環(huán)境下工作性能穩(wěn)定，能夠精確、快速地完成指令，在替代人工巡檢工作中發(fā)揮出巨大作用，這也是許多特定工作環(huán)境下機(jī)器人設(shè)計(jì)優(yōu)選碳纖維復(fù)合材料的重要原因。

理由四：耐疲勞=壽命長(zhǎng)、使用成本低

碳纖維復(fù)合材料具有良好的耐疲勞性，采用這種先進(jìn)復(fù)合材料制作的零部件使用壽命長(zhǎng)，用于維護(hù)或者更新的頻率低。要想充分發(fā)揮出碳纖維復(fù)合材料的耐疲勞性能，應(yīng)從最基本的設(shè)計(jì)制作出發(fā)，因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料機(jī)械臂的實(shí)際耐疲勞性往往受制于復(fù)合材料鋪層方向與載荷方向的角度設(shè)計(jì)。因此，在采用碳纖維復(fù)合材料制作機(jī)械臂時(shí)，需要針對(duì)機(jī)械臂所承受的載荷與實(shí)際工況設(shè)計(jì)一套專門的制作方案。