机器人在工业制造领域有着十分广泛的应用，其轻量化不仅有助于提升动力性、操控性等整体机械性能，而且在减重的同时有利于节能减排、降低生产成本。轻量化技术在工业用机器人的应用是一个庞大而复杂的系统工程，涉及到产品的结构设计、材料选择和工艺制造等各个方面，最终轻量化的设计方案要综合考虑产品性能、重量、加工工艺和成本等多种因素。机械臂作为工业用机器人的核心部件，其轻量化设计一直以来受到科研人员的广泛关注。如何在满足强度和刚度等性能要求的前提下，最大限度地降低机械臂的重量，是研究人员不断追求的目标。

　　原有的机械臂为7075铝合金材质，长度2480mm，重量较重，使用工况为后端固定，前端加载950g，要求变形量小于7mm，为了进一步降低产品重量，在满足原有产品性能要求的前提下将铝合金材质更换为CFRP。综合性能和成本的考虑，纤维选用通用级T300碳纤维和M40J高模量碳纤维。产品浏览：《G8耐热250℃碳纤维牙叉》

　　原有机械臂为等壁厚铝合金矩形空箱截面结构，将材质换为CFRP等壁厚结构。0°和士45°铺层采用M40J碳纤维预浸料，以充分发挥其高模量的特点；90°铺层选用通用级T300碳纤维预浸料，预浸料单层厚度为0.1mm。同时，为了进一步降低机械臂的重量，充分发挥复合材料可设计性的优势，改变原有的等壁厚设计，采用变壁厚设计，将机械臂的铺层沿轴向分为六段。复合材料铺层设计一般采用对称铺层，要求同一角度铺层相邻不超过4层，连续减层不超过3层。

　　机械臂在实际使用过程中主要承受端部（950g）和自身重力载荷。经过有限元计算分析，CFRP机械臂整体应力水平较低，所受最大应力为12.27MPa，远低于材料强度。此时，CFRP机械臂的最大位移为6.878mm，满足小于7mm变形量的结构刚度要求。CFRP变壁厚机械臂的整体应力云图可见，CFRP机械臂整体应力水平较低，所受最大应力为9.693MPa，远低于材料强度。此时，CFRP机械臂的最大位移为6.814mm，也满足小于7mm变形量的结构刚度要求。

　　铝合金和CFRP机械臂所受应力、位移和壁厚对比可以看出，在满足产品性能要求的前提下，铝合金机械臂的壁厚最厚，达到7.8mm。而此时，CFRP机械臂的壁厚可以控制在3mm以内。铝合金和CFRP机械臂重量对比可见，在满足7mm变形量的要求下，相同结构等壁厚CFRP和铝合金机械臂相比，重量可减轻89.4%，减重效果十分明显。通过对铺层的进一步优化，变壁厚CFRP机械臂比等壁厚CFRP机械臂的重量进一步降低14.3%，相比较于等壁厚的铝合金机械臂重量显著降低了90.9%。

　　变壁厚CFRP机械臂由于过渡区域的铺层变化明显，相对于等壁厚铝合金和CFRP机械臂更容易产生应力集中现象。同时，CFRP结构在第二段和第三段截面的突然变化导致应力集中更加明显，因此，在实际的结构设计和使用过程中这一点必须加以注意。