碳纤维机器人臂杆制作过程中的铺层工艺
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发布时间：2022-04-28 13:02
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时间：2023-10-09 17:08
碳纤维复合材料是建造高性能机器人的理想材料之一，目前世界上发达国家的空间机器人和大型机械臂多由此种材料制作而成。碳纤维复合材料具有优良的物理特性，它的比强度高，比刚度大，力学性能可以通过设计进行控制改变，而且其在不同温度中变形极微。
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。
对于给定的机器人运动（具有一定的载荷，在一定的速度下），末端操作器的弹性动力学响应、机械精度、重复性、末端操作器的稳态时间等特性都受到结构部件的质量、刚度、阻尼特性的影响。从力学方面分析，减少质量将降低惯量，提高操作速度；增加刚度将降低挠度；增加材料的阻尼将减少稳态时间。通过设计，合理地选择机械臂的材料特性和几何尺寸，适当选择变量，通过这些特性的改进将有利于提高控制精度。
我们在使用碳纤维复合材料制作机械臂时发现，碳纤维复合材料的铺层方式对上述机械臂的耐热性和力学性能产生直接影响。因此，下面将以无锡威盛新材料科技有限公司(简称：威盛新材）的碳纤维机械臂生产为案例，对该问题作一个简单的分析和说明。
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无锡威盛新材料科技有限公司的科研团队主攻碳纤维复合材料的研发和生产已有十多年的时间，特别是在碳纤维机械臂的应用方面，是属于国内起步较早、发展较快的一家碳纤维装备制造商。其为哈尔滨某知名机器人制造企业制造的机械臂已进入批量生产环节，在行业内具有一定的影响力，在机械臂的生产制造方面也有许多经验可供借鉴。在制作机械臂时，威盛新材对碳纤维复合材料的铺层处理，主要是根据机器人的性能需求，确定碳纤维复合材料的铺层方向、铺层的顺序和铺层总层数。
1、根据载荷的主方向设定铺层方向
过多的铺层角度取向会给设计工作以及制件成型增加复杂度，所以在满足设计要求的情况下尽可能减少铺层方向数，在铺层设计时，铺层角度一般多选取0°、+45°、-45°、90°这四种，对于其它特殊情况则需另案处理。如果需要将复合材料层合板设计成为准各向同性的，可以用60°的铺层方向（60/0/-60)s，对于使用缠绕工艺制造的制件来说，则不受这些*。
在实际操作中，角度取向需要根据所承担载荷的类型来选择，即为了最大程度的利用纤维在轴向上的高性能，纤维铺设方向要根据载荷的主方向设定，在点应力状态，角度为0°的铺层对应正应力，角度为±45°的铺层对应剪应力，角度为90°的铺层是用来保证在复合材料制件的径向上有足够的正压力，若复合材料制件承受的载荷以拉压载荷为主，那么铺层方向应该选择拉压载荷的方向；若复合材料制件承受的载荷以剪切载荷为主，那么铺层之中要以+45°和-45°成对铺设为主；若复合材料制件所承受的载荷情况复杂，同时包括多种载荷，那么铺层设计时以0°、±45°、90°多方向混合铺设。
2、调整铺设方式增加碳纤维复合材料的整体性能
为了避免复合材料机械臂制件的基体在各方向上承受载荷，对于选择0°、+45°、-45°、90°四种基本铺层方式铺层的复合材料制件，每一个方向的铺层数占总铺层数的百分比应不小于6％-10％。
在具体铺设时，一般复合材料制件的铺层均采取对称均衡铺设。对称均衡铺设的特点就是在整体的铺层之中，上下铺层关于中间面对称，如果需要设计成非对称均衡铺层，应将这类非均衡或是非对称的铺层布置于靠近整体铺层中间的位置，这种方式能有效避免复合材料制件经历拉-弯耦合、拉-剪耦合之后发生翘曲形变。
在铺设的顺序上还应注意两个方面：第一，为了减少按照相同的方式铺放的相邻两层分层开裂的可能性，一般连续的相同铺层不超过四层，对性能要求更高的复合材料制件不超过两层；第二，为了降低机械臂的层间应力，在使用上述四种铺层角度时，应该尽量将0°层或者90°层布置在±45°层中间，将﹢45°层或者是-45°层布置在0°层与90°层中间。
3、铺层总厚度要兼顾外部尺寸和内部空间
为了不减工业机器人原有的自由度，并保证其原有性能，碳纤维复合材料机械臂在设计时，要维持外部尺寸大小不变，机械臂的内部同时要给布线以及控制电路的安装留有足够的空间，所以机械臂的壳体厚度要在一定的区间内，下限是维持原有性能的最低值，上限是不超过原铸铁结构臂厚度。
通过威盛新材批量生产出的机械臂案例可知，该碳纤维复合材料机械臂制造成本大约是铸铁机械臂的5.5倍，但是在满足工业机器人性能要求的前提下，碳纤维复合材料机械臂要比铸铁机械臂重量减轻72％，机器人的动力学性能因而得到显著提升，同时能耗明显降低。使用碳纤维复合材料替代传统的钢和铝制作机械臂对提升工业生产效率、节约能源保护环境等方面意义重大。我们也相信，随着我国对碳纤维复合材料的基本性能、典型结构、强度分析及成型工艺等方面研究的深入，碳纤维复合材料将在机器人制造中扮演着越来越重要的角色。
参考文献
【1】陈丰，《碳纤维复合材料机械臂设计》，《郑州工学院学报》，1992，12.
【2】田龙飞，《工业机器人用碳纤维复合材料上臂的设计》，中国科学院大学2014年硕士毕业论文。
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时间：2023-10-09 17:09
碳纤维复合材料是建造高性能机器人的理想材料之一，目前世界上发达国家的空间机器人和大型机械臂多由此种材料制作而成。碳纤维复合材料具有优良的物理特性，它的比强度高，比刚度大，力学性能可以通过设计进行控制改变，而且其在不同温度中变形极微。
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。
对于给定的机器人运动（具有一定的载荷，在一定的速度下），末端操作器的弹性动力学响应、机械精度、重复性、末端操作器的稳态时间等特性都受到结构部件的质量、刚度、阻尼特性的影响。从力学方面分析，减少质量将降低惯量，提高操作速度；增加刚度将降低挠度；增加材料的阻尼将减少稳态时间。通过设计，合理地选择机械臂的材料特性和几何尺寸，适当选择变量，通过这些特性的改进将有利于提高控制精度。
我们在使用碳纤维复合材料制作机械臂时发现，碳纤维复合材料的铺层方式对上述机械臂的耐热性和力学性能产生直接影响。因此，下面将以无锡威盛新材料科技有限公司(简称：威盛新材）的碳纤维机械臂生产为案例，对该问题作一个简单的分析和说明。
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无锡威盛新材料科技有限公司的科研团队主攻碳纤维复合材料的研发和生产已有十多年的时间，特别是在碳纤维机械臂的应用方面，是属于国内起步较早、发展较快的一家碳纤维装备制造商。其为哈尔滨某知名机器人制造企业制造的机械臂已进入批量生产环节，在行业内具有一定的影响力，在机械臂的生产制造方面也有许多经验可供借鉴。在制作机械臂时，威盛新材对碳纤维复合材料的铺层处理，主要是根据机器人的性能需求，确定碳纤维复合材料的铺层方向、铺层的顺序和铺层总层数。
1、根据载荷的主方向设定铺层方向
过多的铺层角度取向会给设计工作以及制件成型增加复杂度，所以在满足设计要求的情况下尽可能减少铺层方向数，在铺层设计时，铺层角度一般多选取0°、+45°、-45°、90°这四种，对于其它特殊情况则需另案处理。如果需要将复合材料层合板设计成为准各向同性的，可以用60°的铺层方向（60/0/-60)s，对于使用缠绕工艺制造的制件来说，则不受这些*。
在实际操作中，角度取向需要根据所承担载荷的类型来选择，即为了最大程度的利用纤维在轴向上的高性能，纤维铺设方向要根据载荷的主方向设定，在点应力状态，角度为0°的铺层对应正应力，角度为±45°的铺层对应剪应力，角度为90°的铺层是用来保证在复合材料制件的径向上有足够的正压力，若复合材料制件承受的载荷以拉压载荷为主，那么铺层方向应该选择拉压载荷的方向；若复合材料制件承受的载荷以剪切载荷为主，那么铺层之中要以+45°和-45°成对铺设为主；若复合材料制件所承受的载荷情况复杂，同时包括多种载荷，那么铺层设计时以0°、±45°、90°多方向混合铺设。
2、调整铺设方式增加碳纤维复合材料的整体性能
为了避免复合材料机械臂制件的基体在各方向上承受载荷，对于选择0°、+45°、-45°、90°四种基本铺层方式铺层的复合材料制件，每一个方向的铺层数占总铺层数的百分比应不小于6％-10％。
在具体铺设时，一般复合材料制件的铺层均采取对称均衡铺设。对称均衡铺设的特点就是在整体的铺层之中，上下铺层关于中间面对称，如果需要设计成非对称均衡铺层，应将这类非均衡或是非对称的铺层布置于靠近整体铺层中间的位置，这种方式能有效避免复合材料制件经历拉-弯耦合、拉-剪耦合之后发生翘曲形变。
在铺设的顺序上还应注意两个方面：第一，为了减少按照相同的方式铺放的相邻两层分层开裂的可能性，一般连续的相同铺层不超过四层，对性能要求更高的复合材料制件不超过两层；第二，为了降低机械臂的层间应力，在使用上述四种铺层角度时，应该尽量将0°层或者90°层布置在±45°层中间，将﹢45°层或者是-45°层布置在0°层与90°层中间。
3、铺层总厚度要兼顾外部尺寸和内部空间
为了不减工业机器人原有的自由度，并保证其原有性能，碳纤维复合材料机械臂在设计时，要维持外部尺寸大小不变，机械臂的内部同时要给布线以及控制电路的安装留有足够的空间，所以机械臂的壳体厚度要在一定的区间内，下限是维持原有性能的最低值，上限是不超过原铸铁结构臂厚度。
通过威盛新材批量生产出的机械臂案例可知，该碳纤维复合材料机械臂制造成本大约是铸铁机械臂的5.5倍，但是在满足工业机器人性能要求的前提下，碳纤维复合材料机械臂要比铸铁机械臂重量减轻72％，机器人的动力学性能因而得到显著提升，同时能耗明显降低。使用碳纤维复合材料替代传统的钢和铝制作机械臂对提升工业生产效率、节约能源保护环境等方面意义重大。我们也相信，随着我国对碳纤维复合材料的基本性能、典型结构、强度分析及成型工艺等方面研究的深入，碳纤维复合材料将在机器人制造中扮演着越来越重要的角色。
参考文献
【1】陈丰，《碳纤维复合材料机械臂设计》，《郑州工学院学报》，1992，12.
【2】田龙飞，《工业机器人用碳纤维复合材料上臂的设计》，中国科学院大学2014年硕士毕业论文。
