【技术帖】碳纤维材料提高机器手臂实际操作准确性

碳纤维复合材料作为制作高性能机器人的高端材料，现在许多的发达机器人制作均采用这样的材料。碳纤维复合材料凭借高强度，高刚度能够更好的发挥机械臂的性能。

 

　　以往的工业机器人是由钢和铝制成的，一个一米长的铝结构机械臂杆件，在室温变化12℃的环境里，杆件变化0.13mm，这将大大影响机器人的精度。对高模量碳纤维复合材料来说，如果优化设计纤维的铺层和方向，却可以达到近似零热变形的设计效果，这是普通金属材料无法实现的。

 

　　机械手臂是机器人技术领域实际应用广泛的自动化机械装置，尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，即通过接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。机械手臂一般有伸缩、旋转和升降这三种运动，其中旋转、升降运动是由横臂和产柱去完成的，手臂的基本作用则是将手爪移动到所需位置以及承受抓取工件的大重量和手臂自身的重量等。此外，管路、冷却装置、行程定位装置和自动检测装置等，一般也都装在手臂上。因此，手臂的结构、工作范围、承载能力和动作精度都会直接影响整个机械的工作性能。

 

 

　　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结构和选择密度轻的材料来实现机械臂的轻量化。
 

　　作为一个运动性部件，机械手臂一般要完成各类已定或将定的运动，材质的选择决定了机械手臂的动态性能和静态性能。先，轻型材料是制作机械臂的良好选择。因为机械手臂的自重不仅影响它的运动便捷性，还直接影响到驱使运动的能源消耗量。机械手臂是运动的，需要有良好的受控性，因此不能过笨重，重量越轻转动惯量越小。从这个角度上说，钢类材料重，比铝合金要重60%以上，高强度钢达到7.8g/cm3，铝也有2.7g/cm3，碳纤维比重小，只有1.75g/cm3，因而碳纤维制成的机械臂是目前所有材质中轻的，能使机械臂操作更加灵便准确。

 

　　其次，机械手臂在承受载荷时，不能有断裂和应变，也就是说用来制作机械手臂的材料要有足够的强度，必须选择“高强度的材料”。从绝对性能看，铝比不上钢，就算是很好的铝，从模量、强度和韧性上看，绝对性能仍旧比不上钢，铝合金的重量介于碳纤维和碳钢之间，强度次于碳纤维，高于碳钢，但韧性较低，缺乏弹性。碳纤维的特点不仅是质轻，强度更高。目前碳纤维复合材料强度约为1400MPa，而钢呢？一般的钢不过是600MPa，在比强度上碳纤维要比钢高出许多。

 

 

　　再者，机械臂的工作环境对材质也提出了相应的要求，比如一定的温差中，金属会出现相应的蠕变情况，这种蠕变看似微乎其微，但是对机械臂操作精准的影响还是比较明显的。碳纤维不同于一般的钢和铝合金，在零下几十度到200℃之间都能保持小的蠕变性，因此可以适用于不同的工作环境中。

 

　　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，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。

 

　　在现在的工业机器人制作中，碳纤维也开始在机械臂的生产中得以应用，除了在一些航空领域中的运用，一些小型的机械臂也开始采用碳纤维材料。碳纤维也将在更多的工业机器人制作中发挥性能优势。