碳纤机械臂比较金属机械臂的优势

由于传统金属材料机械臂自身重量较重，大大降低了机器人的工作效率、精准性及安全可靠性，在长期的工作中增加了很多不必要的能源消耗，从而对环境产生不友好的影响。因此寻求一种既能满足强度和刚度等性能要求，又可以最大限度地降低机械臂的自身重量的替代材料是很重要的。不管是材料的选择还是机械臂的设计对于产品的使用效果都有着同样大的影响。

使用工业机器人是现代制造业的典型标志，不仅是在批量化、高强度作业中有着重要的作用，在一些具有危险性或者不适于人类工作的恶劣环境中，以及在一些精度要求较高的作业中，其作用更加明显。作为一种高强度、高模量的高性能先进复合材料，碳纤维复合材料在强度方面远高于钢铁等传统金属，但是其重量却比钢铁轻很多。强度比轻质的镁合金强度又高很多，能够适用于重工业的高强度工作任务，与既轻又廉价的铝合金相比，碳纤维材料在较大温差下不容易发生蠕变，有助于提升机械手臂操作的稳定性和精准性。

虽然碳纤维复合材料的应用成本比铝合金等传统金属要高很多，但在机械臂的长期使用中，最初的材料成本将以低能耗、高效率和长使用寿命等形式予以价值回馈。因此，除了主操作臂外，大型结构框架、型材梁等部位也可尽量使用碳纤维复合材料制作，这种材料有助于机械臂实现轻质化、高刚性、精确定位和高速度的完美性能表现。

机械臂在实际使用过程中需要承受来自端部和自身重力这两方面的载荷。碳纤维复合材料虽然强度较高，但是其材料具有各向异性以及容易撕裂的缺陷，因此挪恩复材研发人员充分考虑到了这一点，在采用这种材料制作机械臂时进行复杂的应力计算，通过不同方案的性能对比，实现机械臂的结构优化。在此基础上，为充分发挥出碳纤维复合材料可设计性的优势，挪恩复材研发工程师与机械臂设计人员通力合作，尝试改变原有的等壁厚设计，采用变壁厚设计，根据机械臂的实际受力点不同，对该机械臂的壁厚铺层进一步优化。最终，变壁厚碳纤维机械臂比等壁厚碳纤维机械臂的重量进一步降低了约11％。

轻量化机械臂的设计必须结合材料实际情况进行，采用碳纤维复合材料制造机械臂时，如果过渡区域的铺层变化过大，就比较容易产生应力集中现象。因此，机械臂设计者在追求最轻薄化设计的同时，还需要考虑机械臂的整体应力水平，在二者之间实现平衡，才能结构刚度和轻量化效应兼得。

来源：苏州挪恩