新工业时代下的碳纤维复合材料机械臂

一直以来，“轻量化”都是碳纤维复合材料应用较鲜明的标签，随着智能机械化在全球工业领域内所发挥的作用越来越突出,碳纤维也为新一代工业机器人的发展带来了更多的发展空间。近日，英国谢菲尔德大学先进制造研究中心(AMRC)推出了世界上较早的可重构的碳纤维复合材料机器人机床。

该碳纤维复合材料机器人项目是AMRC“未来飞行器工厂”项目的一部分，也是由英国政府航空技术研究所支持，并联合了空客、并联运动机器人系统制造商Exechon共同开发的一个新型轻量化和模块化版本。

AMRC的案例代表了工业机器人与新材料领域融合所达到的新高度，目前国内外的工业机器人制造中，碳纤维复合材料的应用趋势愈发明显。

苏州挪恩复材是国内一家专注碳纤维领域的企业，为客户提供定制研发碳纤维机械臂产品，根据挪恩复材的负责人介绍，从一般的三轴、四轴、直角坐标类机器人到多关节类机器人，从机械连杆、臂管到机械关节，使用碳纤维复合材料制作机器人零部件的比例越大越高，工业机器人对高强度轻质化材料的需求与汽车制造产业同样强烈。

对工业机器人来说，提高负载与自重比是新材料所要肩负的主要任务。承载能力、自重、刚性、运动惯性、位置精度等等是工业机器人对材料选择的几个重要指标，这几项要求看起来是相互矛盾的，因为刚性好、载重大往往就意味着结构粗大、导向杆多，这必然会增加手臂的自重。

如果运动惯量增加的话，冲击力就会变大，位置精度必然就会降低。因此，在工业机器人设计时必须对机械手的抓取重量、自由度、工作范围、运动速度、机械的整体布局、工作环境等多种因素进行综合考虑，越多地使用碳纤维复合材料，就能越好地解决上述的需求矛盾。

手臂的刚性直接影响到抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位的精度。材料自身的刚性不够就会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形或是水平面内侧向的扭转变形，手臂就会随之产生振动，甚至是造成工件卡死。碳纤维复合材料的抗拉强度约为1400MPa，是钢材的数倍，在弹性模量和承载能力方面都比传统的金属材料更具优势，对高强度的操作频率有适应能力。

机械手从启动到制动的运动速度对其工作的平稳性有直接影响，手臂的自重越轻，运动的惯性越小，运转起来就越轻快平稳，较终的位置精度也就越高。例如挪恩复材研发生产的某款碳纤维机械臂，总长930mm，宽150mm，壁厚5mm，整只机械臂的总重量只有3.5kg而已，这种轻量化效果对工业机器人的操作精度具有明显的改善。

在大规模生产背景下，碳纤维复合材料的大量应用将为工业机器人带来更安全的性能和更高的工作效率，将有效降低生产成本、节约能源。随着与新材料技术的进一步融合，工业机器人产业将在拉动经济发展和实现产业转型方面发挥出更大的作用。