碳纖維復合材料在機械手臂中的應用

王 娣，朱龍超，韓鴻鵠，張國良，張斯緯

目前，國內(nèi)市場中的機械手臂多數(shù)采用鋼、鐵、鋁合金等金屬材料制造。這種金屬材料制作成的機械手臂存在速度慢、能耗大、易變形磨損等缺點，并且這些金屬材料的成型條件復雜，成型難度大，且抗震性及抗氧化性不佳。為解決這些問題，連云港鷹游紡機集團開始探索將高性能碳纖維復合材料應用到機械手臂上。采用碳纖維增強材料制作的機械手臂強度大、模量高、質(zhì)地輕、不易變形、設計性和加工性好，同時減輕了機械手臂質(zhì)量，節(jié)約能耗，提高勞動生產(chǎn)效率，減輕勞動強度。研制適合在各種復雜環(huán)境下作業(yè)的碳纖維機械手臂已經(jīng)成為一種趨勢。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人工成本的提高，機器換人的動力較過去更為強烈，智能制造產(chǎn)業(yè)前景極為廣闊。從早期的機械手到工業(yè)機器人，再到服務型機器人，資本市場的助力也加速了機器人的技術(shù)創(chuàng)新進程，機器人時代已經(jīng)到來。近年來，碳纖維在工業(yè)機器人領(lǐng)域中的應用也逐漸興起。

1.1 國際發(fā)展現(xiàn)狀

自1962 年美國制造出第一臺實用的示教型工業(yè)機械手以來, 國際上對工業(yè)機械手的開發(fā)、研制和應用已有50 多年的歷程。起步晚于美國的日本工業(yè)機械手, 在經(jīng)歷了20 世紀60 年代的搖籃期、20 世紀70 年代的實用期后，在20 世紀80 年代跨入提高并廣泛應用期。經(jīng)過幾年的時間, 日本工業(yè)機械手產(chǎn)業(yè)已迅速發(fā)展起來, 一躍成為 “工業(yè)機器人王國”。德國工業(yè)機械手的總數(shù)占世界第3 位, 僅次于日本和美國, 德國智能機械手的研究和應用在世界上處于領(lǐng)先地位。 IDC 統(tǒng)計數(shù)據(jù)預計，2014～2019 年，全球機器人市場規(guī)模的復合增長率達到17%，按此速度發(fā)展，到2019 年年底，全球機器人的市場規(guī)模為1 354 億美元，成長空間巨大。

2017 年3 月，《中國復合材料》期刊報道了由美國洛馬公司、瑞典Tecgrant AB 公司以及阿布扎比的工業(yè)平臺組織Injaz National 共同成立的一家合資公司——Exechon 公司研制出的世界首臺采用碳纖維復合材料制成的XMini 機器人智能五軸加工機床, 旨在實現(xiàn)航空航天領(lǐng)域自動化制造范式的轉(zhuǎn)變，也昭示著復合材料在工業(yè)機器人領(lǐng)域的應用越來越廣泛。[1]

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

同全球主要工業(yè)強國相比, 中國工業(yè)起步較晚，開始研制工業(yè)機械手比日本晚5～6 年，工業(yè)機械手的創(chuàng)新和發(fā)展相對落后。但是近年來，我國機器人產(chǎn)業(yè)整體上取得了令人矚目的成就，人機協(xié)作機器人、云智能機器人等工業(yè)機器人新品不斷涌現(xiàn)，關(guān)鍵零部件的技術(shù)水平持續(xù)提升，手術(shù)機器人等服務機器人的產(chǎn)品類型日益豐富，運用領(lǐng)域快速拓展。

工業(yè)機器人在我國機器人市場上一直占有主導地位，2018 年占比71.28%，較2017 年的73.78% 略有下滑；服務機器人占比則持續(xù)上升，2018 年達到21.05%；特種機器人市場占比相對穩(wěn)定，約占市場的8%。截至2018 年底，中國工業(yè)機器人產(chǎn)量達到了147 682 套，同比增長4.6%。我國已經(jīng)連續(xù)6 年成為世界第一大機器人應用市場。

未來幾年，隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，特別是作為工業(yè)機器人主要應用領(lǐng)域的汽車及汽車零部件制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機器人的裝配量將會快速增長。加之，工業(yè)機器人應用領(lǐng)域正逐漸向電子信息產(chǎn)業(yè)、建筑以及采礦等領(lǐng)域延伸，預計未來3～5 年，工業(yè)機器人年均增速有望達到25%。此外，由于自動化立體倉庫以每年40～60 座的增速快速發(fā)展，用于物流、搬運的移動機器人每年增幅也將不低于20%。各種跡象表明，世界機器人市場的需求即將進入噴發(fā)期，中國潛在的巨大市場需求已出現(xiàn)，但國內(nèi)外統(tǒng)一的標準還未形成，核心技術(shù)還存在巨大的發(fā)展空間，產(chǎn)品的利潤空間巨大。

2 目的和意義

2.1 滿足國防及國民經(jīng)濟的迫切需求

目前，我國機械手主要應用于衛(wèi)星、航空航天飛行器的制造及隱形武器制造等國防軍工領(lǐng)域，同時在機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等領(lǐng)域也有大量應用。高性能碳纖維復合材料在機械手臂上的成功應用將在一定程度上提高國內(nèi)機械手創(chuàng)新層次，滿足高溫、高壓、腐蝕、潮濕等特殊環(huán)境的應用需求，對促進我國國防軍工和民用工業(yè)的發(fā)展具有積極的意義。

2.2 促進我國工業(yè)自動化的快速發(fā)展

目前，國內(nèi)機械手臂多數(shù)是金屬材料制造而成，作業(yè)中存在速度慢、能耗大、易變形磨損等缺點。而碳纖維復合材料是一種新型戰(zhàn)略材料，制造出的碳纖維機械手臂具有強度大、質(zhì)量輕、模量高、防腐蝕、耐高溫、不變形等優(yōu)異性能。碳纖維機械手臂的誕生和應用順應生產(chǎn)和社會發(fā)展的需要，是在現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上出現(xiàn)的新一代高新技術(shù)產(chǎn)品，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程快速自動化，提高勞動生產(chǎn)率，減輕機械手勞動強度，節(jié)約生產(chǎn)能耗，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，是促進柔性化生產(chǎn)過程中不可或缺的自動化設備，對產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及促進我國工業(yè)自動化的快速發(fā)展起著重要的作用。

3 用途和種類

工業(yè)機器人是指廣泛適用的能夠自主動作且多軸聯(lián)動的機械設備，在必要情況下，配備有傳感器，在工作過程中，無需任何外力干預。它們通常配備有機械手、刀具或其他可裝配的加工工具以及能夠執(zhí)行搬運操作與加工制造的任務，大量應用于汽車、電子、信息產(chǎn)品等現(xiàn)代制造業(yè)，特別是在一些危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上以及在原子能工業(yè)等部門中，對人體有害物料的搬運或工藝操作，都需要由機器人來完成。此外，還有一些對精度要求較高的作業(yè)，如弧焊、葉片制造等，人工完成難免存在誤差，因此，從對產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性角度出發(fā)，也要由計算機控制的工業(yè)機器人來實現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的工藝需求。

3.1 機械手臂用途

工業(yè)機器人是工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的必然產(chǎn)物。而機械手臂是機器人實現(xiàn)功能最重要的抓手，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)裝備。這種新技術(shù)裝備的出現(xiàn)和應用，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。

3.2 機械手臂種類

機械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機械手臂、直角坐標系機械手臂、球坐標系機械手臂、極坐標機械手臂、柱坐標機械手臂等，見圖1。

圖1 高性能碳纖維復合材料制備而成的機械手臂組合

3.3 應用現(xiàn)狀

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展, 自動化程度的迅速提高, 工業(yè)機械手自動化已愈來愈引起人們的重視。實際生產(chǎn)中，也要求機械手更加靈活、柔性化以適應不同的工作環(huán)境。[2]

機械手臂在工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應用，在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但都有一個共同的特點，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點進行作業(yè)。目前，碳纖維機械手臂已經(jīng)應用于工業(yè)機械手上，碳纖維替代鋼、鐵、鋁合金等金屬材料制造出的機械手臂，已經(jīng)達到取出速度快、高效能、震動小、使用壽命長的要求，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動生產(chǎn)進程的發(fā)展起著重要作用，具有廣闊的市場前景。

4 技術(shù)方案

碳纖維機械手臂開發(fā)階段需要經(jīng)歷技術(shù)研發(fā)、小試、中試、產(chǎn)業(yè)化等階段，其中包括產(chǎn)品的工藝優(yōu)化、安全檢測、質(zhì)量檢測、報廢產(chǎn)品處理等。碳纖維的質(zhì)量輕、比強度（強度密度比）和比模量（模量密度比）高，制作相同強度的機械手臂，選用碳纖維復合材料(CFRP）可以做得很輕，可將機械手臂的總質(zhì)量控制在5～15 kg。幾種常見結(jié)構(gòu)材料的力學性能見表1。

表1 幾種常見結(jié)構(gòu)材料的力學性能

4.1 復合材料技術(shù)原理

國產(chǎn)碳纖維無論是長纖還是短纖，都是經(jīng)過上漿劑工藝處理之后才出售的，用其制備的碳纖維復合材料具有圖2 所示的界面結(jié)構(gòu)。

圖2 上漿碳纖維增強樹脂基復合材料界面層示意圖

根據(jù)圖2 的復合材料的結(jié)構(gòu)示意圖可知，環(huán)氧樹脂與國產(chǎn)碳纖維的粘結(jié)強度主要取決于上漿劑作用于碳纖維表面形成的過渡層這一真實界面。當復合材料（Ⅰ）受到外力作用時，樹脂基體（Ⅳ）將應力傳遞到界面層（Ⅲ），然后界面層又將應力傳遞到碳纖維（Ⅱ），從而很好地發(fā)揮碳纖維的高強、高模等性能。同時，環(huán)氧樹脂與國產(chǎn)碳纖維的浸潤性也是環(huán)氧樹脂基體（Ⅳ）在界面層（Ⅲ）慢慢浸潤過程的評價指標，因此，界面層與國產(chǎn)碳纖維潔凈表面及環(huán)氧樹脂的匹配性是影響碳纖維復合材料綜合性能的關(guān)鍵因素。復合材料界面層的形成主要靠兩種作用力，一是化學鍵合力，二是物理錨定力，前者為主，后者為輔，兩者協(xié)同作用，形成碳纖維與基體樹脂之間的牢固黏結(jié)作用。因此，提高樹脂基體與國產(chǎn)碳纖維界面的化學鍵合力是改善樹脂基體與國產(chǎn)碳纖維黏結(jié)強度的主要的方法。

4.2 理論分析及探討

4.2.1 碳纖維編織布的研制

碳纖維絲束在應用前的較大障礙是如何使之編織成布以便于碳纖維直接應用或深加工成各種制件。為解決傳統(tǒng)工藝流程不適合碳纖維織布的問題，針對碳纖維織造工藝流程越短越好的現(xiàn)實，考慮到國產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)的品種大多是3K、6K、12K 布，這些品種的幅寬不大，總經(jīng)根數(shù)不多，纖維纖度較粗，設計借鑒簾子布生產(chǎn)工藝，去掉絡筒、整經(jīng)、漿紗工序，在織機后配碳纖維筒子架，碳纖維從架子上引出后直接織布。由于碳纖維易起毛、剪切強力低，提綜時經(jīng)紗很容易摩擦而形成斷頭。因此，利用劍桿織機劍桿的往復運動將緯紗引入梭口，用積極運動的劍桿代替自由飛行的梭子，可以避免飛梭、軋梭事故，減少機物料消耗，降低織機的噪聲，有利于勞動保護。劍桿織機卷布裝置由刺毛輥以表面接觸摩擦傳動卷布輥的卷取方式，將影響布輥卷裝量的增加。由于碳纖維布比較厚重，因此摩擦傳動效果不好，容易起毛。卷布機構(gòu)采用卷布軸與剌毛輥分離，由刺毛輥經(jīng)過鏈條直接傳動卷布輥，利用摩擦離合器，以滑差來保持卷布輥表面線速度一致。

4.2.2 碳纖維預浸料的研制

預浸料的優(yōu)劣直接影響碳纖維復合材料的綜合性能，基于碳纖維復合材料界面結(jié)構(gòu)的基本原理，通過與國產(chǎn)碳纖維匹配的環(huán)氧樹脂基體的設計、改性及合成展開研究，解決碳纖維預浸料中樹脂與國產(chǎn)碳纖維相容性的關(guān)鍵問題，重點是固化前樹脂基體與國產(chǎn)碳纖維具有良好浸潤性及固化后兩者之間具有高黏結(jié)強度。對現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂基體的改性主要有添加丙烯酰胺等強偶極矩的小分子等方法，能顯著提高碳纖維復合材料成型后樹脂基體與國產(chǎn)碳纖維的界面黏結(jié)強度。同時，改性后的樹脂基體在碳纖維預浸料生產(chǎn)過程中還必須具有適中的黏度，保證在卷樣時便于施工操作等工藝。新型環(huán)氧樹脂基體的設計、合成及制備充分考慮了碳纖維復合材料的高性能化，在分子水平上引入F 等惰性原子、酰亞胺環(huán)或飽和脂肪環(huán)等結(jié)構(gòu)，制備的新型環(huán)氧樹脂基體，使之具有更加優(yōu)良的耐腐蝕、耐高溫或耐候等性能。在開發(fā)新型高性能環(huán)氧樹脂的同時，注重新型樹脂基體與國產(chǎn)碳纖維表面的匹配性，主要是與上漿劑的匹配性，保證樹脂基體在國產(chǎn)碳纖維上的浸潤性良好，提高碳纖維復合材料成型后樹脂基體與國產(chǎn)碳纖維界面的黏結(jié)強度。[3]最后，將納米復合改性技術(shù)應用于制備碳纖維預浸料用樹脂，在這方面主要是在環(huán)氧樹脂中引入高長徑比的碳納米管等，由此制備出的碳纖維復合材料制品具有更加優(yōu)異的層間剪切強度。

4.2.3 碳纖維機械手臂的研制

通過裁布、卷布、設計、整體成型、打磨、涂裝、包裝等一系列生產(chǎn)流程，制造碳纖維機械手臂。橫走部分采用大型碳纖維結(jié)構(gòu)框架，優(yōu)質(zhì)直線導軌，高級別齒輪齒條傳動，交流伺服馬達驅(qū)動，滿足高剛性、高速度、精確定位控制；引撥部分采用雙梁機構(gòu)，主題采用優(yōu)質(zhì)碳纖維型材梁，優(yōu)質(zhì)直線導軌，優(yōu)質(zhì)同步帶傳動，交流伺服馬達驅(qū)動，滿足輕質(zhì)和高剛性、精確定位、高速度需求；主臂部分采用雙截倍速結(jié)構(gòu)，主體采用優(yōu)質(zhì)碳纖維型材，優(yōu)質(zhì)直線導軌，高級別的齒輪齒條傳動，交流伺服馬達驅(qū)動，滿足高剛性、高速度、精確定位的需求。碳纖維機械手臂采用三軸AC 伺服馬達驅(qū)動，使定位精準、快速、平穩(wěn)，設計符合人體工程學原理，使操作簡單方便。

5 主要創(chuàng)新點

5.1 理論創(chuàng)新

針對國產(chǎn)碳纖維與環(huán)氧樹脂基體相容性這一關(guān)鍵技術(shù)問題，基于“國產(chǎn)碳纖維—上漿劑—環(huán)氧樹脂” 的雙界面體系理論及國產(chǎn)碳纖維的表面性質(zhì)，通過現(xiàn)有環(huán)氧樹脂的改性以及新型環(huán)氧樹脂的設計和合成，研制出與國產(chǎn)碳纖維匹配的環(huán)氧樹脂新品種。同時，針對國產(chǎn)碳纖維表面性質(zhì)，設計、合成及制備新型碳纖維上漿劑，該上漿劑以環(huán)氧樹脂為主體并添加了水性聚氨酯，研制出可自乳化成乳液，與國產(chǎn)碳纖維及環(huán)氧樹脂體系的相容性更好、熱穩(wěn)定性更高的上漿劑。采用上述環(huán)氧樹脂體系和上漿劑的碳纖維復合材料力學性能更好，能很好地解決樹脂基體與碳纖維相容性差的關(guān)鍵技術(shù)問題，并且為基于聚合物分子結(jié)構(gòu)，設計優(yōu)化碳纖維/ 樹脂界面等方面的研究提供了理論指導。基于碳纖維復合材料不同領(lǐng)域的應用要求，建立了增強碳纖維組織結(jié)構(gòu)的設計理論及受力分析理論，可用于指導碳纖維復合材料在更多應用場合的結(jié)構(gòu)設計并達到力學的最大適應性。

5.2 應用創(chuàng)新

碳纖維機械手臂不僅具有其主要組分碳纖維復合材料及環(huán)氧樹脂的優(yōu)良特征，而且還可協(xié)同兩者的優(yōu)點，從而發(fā)揮出更加優(yōu)良的特性。碳纖維機械手臂具有強度高、模量大、比重低、抗疲勞性能好、阻尼大、震動小、耐酸堿腐蝕性能強等顯著優(yōu)點，是傳統(tǒng)金屬材料的最佳替代品。應用碳纖維復合材料代替金屬材料，可研制出輕量化、性能好、質(zhì)量高的碳纖維機械手臂。

5.3 技術(shù)創(chuàng)新

（1）采用高強、高模的碳纖維復合材料替代金屬材料，減輕機械手臂質(zhì)量，減少電機功率，節(jié)約能耗，制造出適合在各種環(huán)境下作業(yè)的碳纖維機器手臂。

（2）針對國產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)的高性能復合材料，開發(fā)了功能化環(huán)氧樹脂新品種，在耐腐蝕、耐高溫、耐磨損等性質(zhì)上更加優(yōu)越。同時，將納米改性技術(shù)應用于復合材料，進一步增強了碳纖維機械手臂的力學性能。采用最佳的碳纖維/ 樹脂界面設計，圍繞碳纖維的表面改性以及配套樹脂的設計和合成展開研究工作，目的是促進碳纖維與聚合物樹脂基材的界面相容性，提高界面黏結(jié)強度。

（3）利用碳纖維預浸料的可設計性，制造出特定造型的碳纖維機械手臂或其部件，滿足特殊環(huán)境組裝工序的需求。

（4）使用模壓一體成型技術(shù)，使碳纖維機械手臂結(jié)構(gòu)更加密實，保證了碳纖維機械手臂的安全性。

5.4 工藝創(chuàng)新

在碳纖維機械手臂原材料——碳纖維布的生產(chǎn)以及碳纖維熱溶合等工藝方面進行了創(chuàng)新。例如，采用筒子架，直接喂入經(jīng)紗，省去整經(jīng)工序，解決了傳統(tǒng)工藝流程不適合碳纖維織布問題。根據(jù)碳纖維織造工藝流程越短越好的要求，針對主要生產(chǎn)的3K、6K、12K 國產(chǎn)碳纖維布品種幅寬不大、總經(jīng)根數(shù)不多、纖維纖度較粗的特點，借鑒簾子布生產(chǎn)工藝，去掉絡筒、整經(jīng)、漿紗工序，在織機后面加筒子架，使碳纖維從架子上引出后直接織布。采用外固內(nèi)擴的成型新工藝，通過工藝路線的綜合對比，降低成本，提高效率，優(yōu)化設計了簡潔高效的工藝流程，在織造效率、產(chǎn)品質(zhì)量及降低碳纖維損耗等方面都有很大改善。

5.5 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

（1）利用特殊的疊層技術(shù)，使碳纖維預浸料形成特殊結(jié)構(gòu)排布，設計出的碳纖維機械手臂具有較高的力學性能和穩(wěn)定性。計算機輔助優(yōu)化的疊層設計，確保機械手的安全性、輕量化，依據(jù)力學原理在結(jié)構(gòu)設計上采用碳纖維單向預浸布，進行合理裁剪形成0°、30°、45°、90°等纖維走向，將復雜的構(gòu)件分解為每一片層逐一卷制疊成為預制件。

（2）利用碳纖維復合材料的結(jié)構(gòu)可設計性，根據(jù)使用需求及受力分析，設計并制備合適形狀的碳纖維機械手臂結(jié)構(gòu)件。

6 工藝流程

碳纖維機械手臂工藝流程見圖3。

圖3 碳纖維機械手臂工藝流程

7 目標市場和應用優(yōu)勢

7.1 軍用領(lǐng)域

碳纖維機械手臂被廣泛應用于導彈、彈體、箭體和發(fā)動機的結(jié)構(gòu)部件制造以及衛(wèi)星、戰(zhàn)斗機、直升機等軍工領(lǐng)域，同時，也被應用于戰(zhàn)略導彈、衛(wèi)星構(gòu)件、衛(wèi)星承力筒、桁架、夾層面板及電池板支架方面的生產(chǎn)之中。

7.2 工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

在工業(yè)方面，主要用于汽車工業(yè)、機電工業(yè)（包括電訊工業(yè)）、通用機械工業(yè)、建筑業(yè)、金屬加工、鑄造以及其他重型工業(yè)和輕工業(yè)部門。在農(nóng)業(yè)方面，已把機器人用于水果和蔬菜嫁接、收獲、檢驗與分類，剪羊毛和擠牛奶等成為潛在的產(chǎn)業(yè)機器人的應用領(lǐng)域。

8 結(jié)語

通過碳纖維表面處理，有效增大了碳纖維的表面粗糙度和表面活性，大大提高了界面結(jié)合性能。自主研發(fā)的環(huán)氧樹脂體系提高了目標產(chǎn)品的抗沖擊性能及層間剪切強度。采用有限元設計技術(shù)、袋壓成型工藝技術(shù)研制的碳纖維機械手臂更符合人機工程學，具有更好的穩(wěn)定性。研制的碳纖維機械手臂性能與金屬材料相比，耐腐蝕、穩(wěn)定性高、使用壽命長，產(chǎn)品性能達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。