碳纤维机械臂的设计简析
江苏博实科技：工业机器人的工作性质和工作环境要求机械臂质量轻、强度高、刚度好、振动小、精度高、稳定时间短，为了满足这些要求，可以采用碳纤维复合材料制作机械臂，而不是采用传统的金属材料。碳纤维复合材料质量轻、比强度高、阻尼减震效果好，并且与传统金属材料不同的是，它的力学性能可以通过设计来控制改变，利用这一特性，可以对碳纤维机械臂进行力学分析，获得满足设计需求的结构。
一般力学性质认为，减少质量可降低惯性，提高操作速度；增加刚度可以降低挠度；增加阻尼则可以减少稳定时间，这些特性的改进可以提高机械臂的控制精度。碳纤维机械臂可以通过设计来实现几何尺寸的要求和碳纤维材质的特性，从而实现满足机器人装置的要求。
（工业机器人）
碳纤维复合材料与一般金属材质不同，并没有固定的强度、密度和阻尼特性，可以通过改变纤维层片中纤维倾角、纤维的含量和层片的叠放顺序来决定碳纤维制品的物理特性。机器人在运动的时候，机械臂上下板面和两个侧面的纤维将受到不同程度的拉力、压力和剪切力，单向纤维沿着纤维方向有着最大的拉伸强度，但是阻尼是最低的。在偏离纤维轴的方向上，拉伸强度会降低，但此时阻尼值会增高，当纤维接近45°的方向是，剪切强度是最好的。由于机器人在运动的时候，板面受力情况复杂，所以博实在设计制作过程中选择了特定的纤维倾角0°、45°、90°作为选择，以此来简化工艺加工过程。
（碳纤维机械臂）
为了保证碳纤维机械臂的机械性能，博实选择日本东丽产原丝M40（也可选择常用的T300和T700）作为增强材料，该碳纤维原丝拉伸强度为2746MPa，拉伸模量为3920MPa，伸长率仅为0.7%，比重为1.81g/cm3。基体则选用648酚醛环氧树脂。将该碳纤维机械手臂与同等体积的金属材质机械臂放置在在室温变化12℃的环境中，金属材质机械臂变化0.15mm，这会大大影响机器人的作业精度，而碳纤维机械臂则没有产生蠕变。事实证明，优化设计碳纤维机械臂的铺层和方向，可以达到接近0的热变形效果，这是普通金属材质无法做到的。
由此可见，碳纤维复合材料是提高机器人性能的理想材料之一，目前很多精密机器人和大型机械臂多采用该材料制成。要想大面积推广碳纤维机械臂的应用还需建立在成本和技术都优化的基础上。随着智能化机器人应用范围的不断扩大，尤其是为了满足一些特殊工作环境中的应用需求，机械臂性能正朝着高效、低耗、轻质、灵便的方向发展。在此情况下，碳纤维复合材料的应用为提高机械臂的操作性、灵活性以及更强大的功能性做出了突出贡献。
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