碳纖維復(fù)合材料在機(jī)械手臂中的應(yīng)用

王 娣，朱龍超，韓鴻鵠，張國(guó)良，張斯緯

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中的機(jī)械手臂多數(shù)采用鋼、鐵、鋁合金等金屬材料制造。這種金屬材料制作成的機(jī)械手臂存在速度慢、能耗大、易變形磨損等缺點(diǎn)，并且這些金屬材料的成型條件復(fù)雜，成型難度大，且抗震性及抗氧化性不佳。為解決這些問(wèn)題，連云港鷹游紡機(jī)集團(tuán)開(kāi)始探索將高性能碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到機(jī)械手臂上。采用碳纖維增強(qiáng)材料制作的機(jī)械手臂強(qiáng)度大、模量高、質(zhì)地輕、不易變形、設(shè)計(jì)性和加工性好，同時(shí)減輕了機(jī)械手臂質(zhì)量，節(jié)約能耗，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。研制適合在各種復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的碳纖維機(jī)械手臂已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人工成本的提高，機(jī)器換人的動(dòng)力較過(guò)去更為強(qiáng)烈，智能制造產(chǎn)業(yè)前景極為廣闊。從早期的機(jī)械手到工業(yè)機(jī)器人，再到服務(wù)型機(jī)器人，資本市場(chǎng)的助力也加速了機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)程，機(jī)器人時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。近年來(lái)，碳纖維在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用也逐漸興起。

1.1 國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀

自1962 年美國(guó)制造出第一臺(tái)實(shí)用的示教型工業(yè)機(jī)械手以來(lái), 國(guó)際上對(duì)工業(yè)機(jī)械手的開(kāi)發(fā)、研制和應(yīng)用已有50 多年的歷程。起步晚于美國(guó)的日本工業(yè)機(jī)械手, 在經(jīng)歷了20 世紀(jì)60 年代的搖籃期、20 世紀(jì)70 年代的實(shí)用期后，在20 世紀(jì)80 年代跨入提高并廣泛應(yīng)用期。經(jīng)過(guò)幾年的時(shí)間, 日本工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)已迅速發(fā)展起來(lái), 一躍成為 “工業(yè)機(jī)器人王國(guó)”。德國(guó)工業(yè)機(jī)械手的總數(shù)占世界第3 位, 僅次于日本和美國(guó), 德國(guó)智能機(jī)械手的研究和應(yīng)用在世界上處于領(lǐng)先地位。 IDC 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，2014～2019 年，全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模的復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到17%，按此速度發(fā)展，到2019 年年底，全球機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模為1 354 億美元，成長(zhǎng)空間巨大。

2017 年3 月，《中國(guó)復(fù)合材料》期刊報(bào)道了由美國(guó)洛馬公司、瑞典Tecgrant AB 公司以及阿布扎比的工業(yè)平臺(tái)組織Injaz National 共同成立的一家合資公司——Exechon 公司研制出的世界首臺(tái)采用碳纖維復(fù)合材料制成的XMini 機(jī)器人智能五軸加工機(jī)床, 旨在實(shí)現(xiàn)航空航天領(lǐng)域自動(dòng)化制造范式的轉(zhuǎn)變，也昭示著復(fù)合材料在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。[1]

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

同全球主要工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比, 中國(guó)工業(yè)起步較晚，開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)械手比日本晚5～6 年，工業(yè)機(jī)械手的創(chuàng)新和發(fā)展相對(duì)落后。但是近年來(lái)，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)整體上取得了令人矚目的成就，人機(jī)協(xié)作機(jī)器人、云智能機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人新品不斷涌現(xiàn)，關(guān)鍵零部件的技術(shù)水平持續(xù)提升，手術(shù)機(jī)器人等服務(wù)機(jī)器人的產(chǎn)品類型日益豐富，運(yùn)用領(lǐng)域快速拓展。

工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)上一直占有主導(dǎo)地位，2018 年占比71.28%，較2017 年的73.78% 略有下滑；服務(wù)機(jī)器人占比則持續(xù)上升，2018 年達(dá)到21.05%；特種機(jī)器人市場(chǎng)占比相對(duì)穩(wěn)定，約占市場(chǎng)的8%。截至2018 年底，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量達(dá)到了147 682 套，同比增長(zhǎng)4.6%。我國(guó)已經(jīng)連續(xù)6 年成為世界第一大機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)。

未來(lái)幾年，隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，特別是作為工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用領(lǐng)域的汽車及汽車零部件制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的裝配量將會(huì)快速增長(zhǎng)。加之，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸向電子信息產(chǎn)業(yè)、建筑以及采礦等領(lǐng)域延伸，預(yù)計(jì)未來(lái)3～5 年，工業(yè)機(jī)器人年均增速有望達(dá)到25%。此外，由于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)以每年40～60 座的增速快速發(fā)展，用于物流、搬運(yùn)的移動(dòng)機(jī)器人每年增幅也將不低于20%。各種跡象表明，世界機(jī)器人市場(chǎng)的需求即將進(jìn)入噴發(fā)期，中國(guó)潛在的巨大市場(chǎng)需求已出現(xiàn)，但國(guó)內(nèi)外統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)還未形成，核心技術(shù)還存在巨大的發(fā)展空間，產(chǎn)品的利潤(rùn)空間巨大。

2 目的和意義

2.1 滿足國(guó)防及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迫切需求

目前，我國(guó)機(jī)械手主要應(yīng)用于衛(wèi)星、航空航天飛行器的制造及隱形武器制造等國(guó)防軍工領(lǐng)域，同時(shí)在機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等領(lǐng)域也有大量應(yīng)用。高性能碳纖維復(fù)合材料在機(jī)械手臂上的成功應(yīng)用將在一定程度上提高國(guó)內(nèi)機(jī)械手創(chuàng)新層次，滿足高溫、高壓、腐蝕、潮濕等特殊環(huán)境的應(yīng)用需求，對(duì)促進(jìn)我國(guó)國(guó)防軍工和民用工業(yè)的發(fā)展具有積極的意義。

2.2 促進(jìn)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展

目前，國(guó)內(nèi)機(jī)械手臂多數(shù)是金屬材料制造而成，作業(yè)中存在速度慢、能耗大、易變形磨損等缺點(diǎn)。而碳纖維復(fù)合材料是一種新型戰(zhàn)略材料，制造出的碳纖維機(jī)械手臂具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、模量高、防腐蝕、耐高溫、不變形等優(yōu)異性能。碳纖維機(jī)械手臂的誕生和應(yīng)用順應(yīng)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展的需要，是在現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上出現(xiàn)的新一代高新技術(shù)產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程快速自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕機(jī)械手勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約生產(chǎn)能耗，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，是促進(jìn)柔性化生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及促進(jìn)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展起著重要的作用。

3 用途和種類

工業(yè)機(jī)器人是指廣泛適用的能夠自主動(dòng)作且多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，在必要情況下，配備有傳感器，在工作過(guò)程中，無(wú)需任何外力干預(yù)。它們通常配備有機(jī)械手、刀具或其他可裝配的加工工具以及能夠執(zhí)行搬運(yùn)操作與加工制造的任務(wù)，大量應(yīng)用于汽車、電子、信息產(chǎn)品等現(xiàn)代制造業(yè)，特別是在一些危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡(jiǎn)單裝配等工序上以及在原子能工業(yè)等部門中，對(duì)人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作，都需要由機(jī)器人來(lái)完成。此外，還有一些對(duì)精度要求較高的作業(yè)，如弧焊、葉片制造等，人工完成難免存在誤差，因此，從對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性角度出發(fā)，也要由計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的工藝需求。

3.1 機(jī)械手臂用途

工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的必然產(chǎn)物。而機(jī)械手臂是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能最重要的抓手，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。這種新技術(shù)裝備的出現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強(qiáng)大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。

3.2 機(jī)械手臂種類

機(jī)械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂、直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂、球坐標(biāo)系機(jī)械手臂、極坐標(biāo)機(jī)械手臂、柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等，見(jiàn)圖1。

圖1 高性能碳纖維復(fù)合材料制備而成的機(jī)械手臂組合

3.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展, 自動(dòng)化程度的迅速提高, 工業(yè)機(jī)械手自動(dòng)化已愈來(lái)愈引起人們的重視。實(shí)際生產(chǎn)中，也要求機(jī)械手更加靈活、柔性化以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。[2]

機(jī)械手臂在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂(lè)服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見(jiàn)到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。目前，碳纖維機(jī)械手臂已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械手上，碳纖維替代鋼、鐵、鋁合金等金屬材料制造出的機(jī)械手臂，已經(jīng)達(dá)到取出速度快、高效能、震動(dòng)小、使用壽命長(zhǎng)的要求，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)生產(chǎn)進(jìn)程的發(fā)展起著重要作用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

4 技術(shù)方案

碳纖維機(jī)械手臂開(kāi)發(fā)階段需要經(jīng)歷技術(shù)研發(fā)、小試、中試、產(chǎn)業(yè)化等階段，其中包括產(chǎn)品的工藝優(yōu)化、安全檢測(cè)、質(zhì)量檢測(cè)、報(bào)廢產(chǎn)品處理等。碳纖維的質(zhì)量輕、比強(qiáng)度（強(qiáng)度密度比）和比模量（模量密度比）高，制作相同強(qiáng)度的機(jī)械手臂，選用碳纖維復(fù)合材料(CFRP）可以做得很輕，可將機(jī)械手臂的總質(zhì)量控制在5～15 kg。幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能

4.1 復(fù)合材料技術(shù)原理

國(guó)產(chǎn)碳纖維無(wú)論是長(zhǎng)纖還是短纖，都是經(jīng)過(guò)上漿劑工藝處理之后才出售的，用其制備的碳纖維復(fù)合材料具有圖2 所示的界面結(jié)構(gòu)。

圖2 上漿碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料界面層示意圖

根據(jù)圖2 的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖可知，環(huán)氧樹(shù)脂與國(guó)產(chǎn)碳纖維的粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于上漿劑作用于碳纖維表面形成的過(guò)渡層這一真實(shí)界面。當(dāng)復(fù)合材料（Ⅰ）受到外力作用時(shí)，樹(shù)脂基體（Ⅳ）將應(yīng)力傳遞到界面層（Ⅲ），然后界面層又將應(yīng)力傳遞到碳纖維（Ⅱ），從而很好地發(fā)揮碳纖維的高強(qiáng)、高模等性能。同時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂與國(guó)產(chǎn)碳纖維的浸潤(rùn)性也是環(huán)氧樹(shù)脂基體（Ⅳ）在界面層（Ⅲ）慢慢浸潤(rùn)過(guò)程的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此，界面層與國(guó)產(chǎn)碳纖維潔凈表面及環(huán)氧樹(shù)脂的匹配性是影響碳纖維復(fù)合材料綜合性能的關(guān)鍵因素。復(fù)合材料界面層的形成主要靠?jī)煞N作用力，一是化學(xué)鍵合力，二是物理錨定力，前者為主，后者為輔，兩者協(xié)同作用，形成碳纖維與基體樹(shù)脂之間的牢固黏結(jié)作用。因此，提高樹(shù)脂基體與國(guó)產(chǎn)碳纖維界面的化學(xué)鍵合力是改善樹(shù)脂基體與國(guó)產(chǎn)碳纖維黏結(jié)強(qiáng)度的主要的方法。

4.2 理論分析及探討

4.2.1 碳纖維編織布的研制

碳纖維絲束在應(yīng)用前的較大障礙是如何使之編織成布以便于碳纖維直接應(yīng)用或深加工成各種制件。為解決傳統(tǒng)工藝流程不適合碳纖維織布的問(wèn)題，針對(duì)碳纖維織造工藝流程越短越好的現(xiàn)實(shí)，考慮到國(guó)產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)的品種大多是3K、6K、12K 布，這些品種的幅寬不大，總經(jīng)根數(shù)不多，纖維纖度較粗，設(shè)計(jì)借鑒簾子布生產(chǎn)工藝，去掉絡(luò)筒、整經(jīng)、漿紗工序，在織機(jī)后配碳纖維筒子架，碳纖維從架子上引出后直接織布。由于碳纖維易起毛、剪切強(qiáng)力低，提綜時(shí)經(jīng)紗很容易摩擦而形成斷頭。因此，利用劍桿織機(jī)劍桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將緯紗引入梭口，用積極運(yùn)動(dòng)的劍桿代替自由飛行的梭子，可以避免飛梭、軋梭事故，減少機(jī)物料消耗，降低織機(jī)的噪聲，有利于勞動(dòng)保護(hù)。劍桿織機(jī)卷布裝置由刺毛輥以表面接觸摩擦傳動(dòng)卷布輥的卷取方式，將影響布輥卷裝量的增加。由于碳纖維布比較厚重，因此摩擦傳動(dòng)效果不好，容易起毛。卷布機(jī)構(gòu)采用卷布軸與剌毛輥分離，由刺毛輥經(jīng)過(guò)鏈條直接傳動(dòng)卷布輥，利用摩擦離合器，以滑差來(lái)保持卷布輥表面線速度一致。

4.2.2 碳纖維預(yù)浸料的研制

預(yù)浸料的優(yōu)劣直接影響碳纖維復(fù)合材料的綜合性能，基于碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的基本原理，通過(guò)與國(guó)產(chǎn)碳纖維匹配的環(huán)氧樹(shù)脂基體的設(shè)計(jì)、改性及合成展開(kāi)研究，解決碳纖維預(yù)浸料中樹(shù)脂與國(guó)產(chǎn)碳纖維相容性的關(guān)鍵問(wèn)題，重點(diǎn)是固化前樹(shù)脂基體與國(guó)產(chǎn)碳纖維具有良好浸潤(rùn)性及固化后兩者之間具有高黏結(jié)強(qiáng)度。對(duì)現(xiàn)有的環(huán)氧樹(shù)脂基體的改性主要有添加丙烯酰胺等強(qiáng)偶極矩的小分子等方法，能顯著提高碳纖維復(fù)合材料成型后樹(shù)脂基體與國(guó)產(chǎn)碳纖維的界面黏結(jié)強(qiáng)度。同時(shí)，改性后的樹(shù)脂基體在碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)過(guò)程中還必須具有適中的黏度，保證在卷樣時(shí)便于施工操作等工藝。新型環(huán)氧樹(shù)脂基體的設(shè)計(jì)、合成及制備充分考慮了碳纖維復(fù)合材料的高性能化，在分子水平上引入F 等惰性原子、酰亞胺環(huán)或飽和脂肪環(huán)等結(jié)構(gòu)，制備的新型環(huán)氧樹(shù)脂基體，使之具有更加優(yōu)良的耐腐蝕、耐高溫或耐候等性能。在開(kāi)發(fā)新型高性能環(huán)氧樹(shù)脂的同時(shí)，注重新型樹(shù)脂基體與國(guó)產(chǎn)碳纖維表面的匹配性，主要是與上漿劑的匹配性，保證樹(shù)脂基體在國(guó)產(chǎn)碳纖維上的浸潤(rùn)性良好，提高碳纖維復(fù)合材料成型后樹(shù)脂基體與國(guó)產(chǎn)碳纖維界面的黏結(jié)強(qiáng)度。[3]最后，將納米復(fù)合改性技術(shù)應(yīng)用于制備碳纖維預(yù)浸料用樹(shù)脂，在這方面主要是在環(huán)氧樹(shù)脂中引入高長(zhǎng)徑比的碳納米管等，由此制備出的碳纖維復(fù)合材料制品具有更加優(yōu)異的層間剪切強(qiáng)度。

4.2.3 碳纖維機(jī)械手臂的研制

通過(guò)裁布、卷布、設(shè)計(jì)、整體成型、打磨、涂裝、包裝等一系列生產(chǎn)流程，制造碳纖維機(jī)械手臂。橫走部分采用大型碳纖維結(jié)構(gòu)框架，優(yōu)質(zhì)直線導(dǎo)軌，高級(jí)別齒輪齒條傳動(dòng)，交流伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，滿足高剛性、高速度、精確定位控制；引撥部分采用雙梁機(jī)構(gòu)，主題采用優(yōu)質(zhì)碳纖維型材梁，優(yōu)質(zhì)直線導(dǎo)軌，優(yōu)質(zhì)同步帶傳動(dòng)，交流伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，滿足輕質(zhì)和高剛性、精確定位、高速度需求；主臂部分采用雙截倍速結(jié)構(gòu)，主體采用優(yōu)質(zhì)碳纖維型材，優(yōu)質(zhì)直線導(dǎo)軌，高級(jí)別的齒輪齒條傳動(dòng)，交流伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，滿足高剛性、高速度、精確定位的需求。碳纖維機(jī)械手臂采用三軸AC 伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，使定位精準(zhǔn)、快速、平穩(wěn)，設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)原理，使操作簡(jiǎn)單方便。

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

5.1 理論創(chuàng)新

針對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體相容性這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，基于“國(guó)產(chǎn)碳纖維—上漿劑—環(huán)氧樹(shù)脂” 的雙界面體系理論及國(guó)產(chǎn)碳纖維的表面性質(zhì)，通過(guò)現(xiàn)有環(huán)氧樹(shù)脂的改性以及新型環(huán)氧樹(shù)脂的設(shè)計(jì)和合成，研制出與國(guó)產(chǎn)碳纖維匹配的環(huán)氧樹(shù)脂新品種。同時(shí)，針對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維表面性質(zhì)，設(shè)計(jì)、合成及制備新型碳纖維上漿劑，該上漿劑以環(huán)氧樹(shù)脂為主體并添加了水性聚氨酯，研制出可自乳化成乳液，與國(guó)產(chǎn)碳纖維及環(huán)氧樹(shù)脂體系的相容性更好、熱穩(wěn)定性更高的上漿劑。采用上述環(huán)氧樹(shù)脂體系和上漿劑的碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能更好，能很好地解決樹(shù)脂基體與碳纖維相容性差的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并且為基于聚合物分子結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)優(yōu)化碳纖維/ 樹(shù)脂界面等方面的研究提供了理論指導(dǎo)。基于碳纖維復(fù)合材料不同領(lǐng)域的應(yīng)用要求，建立了增強(qiáng)碳纖維組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論及受力分析理論，可用于指導(dǎo)碳纖維復(fù)合材料在更多應(yīng)用場(chǎng)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并達(dá)到力學(xué)的最大適應(yīng)性。

5.2 應(yīng)用創(chuàng)新

碳纖維機(jī)械手臂不僅具有其主要組分碳纖維復(fù)合材料及環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)良特征，而且還可協(xié)同兩者的優(yōu)點(diǎn)，從而發(fā)揮出更加優(yōu)良的特性。碳纖維機(jī)械手臂具有強(qiáng)度高、模量大、比重低、抗疲勞性能好、阻尼大、震動(dòng)小、耐酸堿腐蝕性能強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)金屬材料的最佳替代品。應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料代替金屬材料，可研制出輕量化、性能好、質(zhì)量高的碳纖維機(jī)械手臂。

5.3 技術(shù)創(chuàng)新

（1）采用高強(qiáng)、高模的碳纖維復(fù)合材料替代金屬材料，減輕機(jī)械手臂質(zhì)量，減少電機(jī)功率，節(jié)約能耗，制造出適合在各種環(huán)境下作業(yè)的碳纖維機(jī)器手臂。

（2）針對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)的高性能復(fù)合材料，開(kāi)發(fā)了功能化環(huán)氧樹(shù)脂新品種，在耐腐蝕、耐高溫、耐磨損等性質(zhì)上更加優(yōu)越。同時(shí)，將納米改性技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料，進(jìn)一步增強(qiáng)了碳纖維機(jī)械手臂的力學(xué)性能。采用最佳的碳纖維/ 樹(shù)脂界面設(shè)計(jì)，圍繞碳纖維的表面改性以及配套樹(shù)脂的設(shè)計(jì)和合成展開(kāi)研究工作，目的是促進(jìn)碳纖維與聚合物樹(shù)脂基材的界面相容性，提高界面黏結(jié)強(qiáng)度。

（3）利用碳纖維預(yù)浸料的可設(shè)計(jì)性，制造出特定造型的碳纖維機(jī)械手臂或其部件，滿足特殊環(huán)境組裝工序的需求。

（4）使用模壓一體成型技術(shù)，使碳纖維機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，保證了碳纖維機(jī)械手臂的安全性。

5.4 工藝創(chuàng)新

在碳纖維機(jī)械手臂原材料——碳纖維布的生產(chǎn)以及碳纖維熱溶合等工藝方面進(jìn)行了創(chuàng)新。例如，采用筒子架，直接喂入經(jīng)紗，省去整經(jīng)工序，解決了傳統(tǒng)工藝流程不適合碳纖維織布問(wèn)題。根據(jù)碳纖維織造工藝流程越短越好的要求，針對(duì)主要生產(chǎn)的3K、6K、12K 國(guó)產(chǎn)碳纖維布品種幅寬不大、總經(jīng)根數(shù)不多、纖維纖度較粗的特點(diǎn)，借鑒簾子布生產(chǎn)工藝，去掉絡(luò)筒、整經(jīng)、漿紗工序，在織機(jī)后面加筒子架，使碳纖維從架子上引出后直接織布。采用外固內(nèi)擴(kuò)的成型新工藝，通過(guò)工藝路線的綜合對(duì)比，降低成本，提高效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔高效的工藝流程，在織造效率、產(chǎn)品質(zhì)量及降低碳纖維損耗等方面都有很大改善。

5.5 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

（1）利用特殊的疊層技術(shù)，使碳纖維預(yù)浸料形成特殊結(jié)構(gòu)排布，設(shè)計(jì)出的碳纖維機(jī)械手臂具有較高的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化的疊層設(shè)計(jì)，確保機(jī)械手的安全性、輕量化，依據(jù)力學(xué)原理在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用碳纖維單向預(yù)浸布，進(jìn)行合理裁剪形成0°、30°、45°、90°等纖維走向，將復(fù)雜的構(gòu)件分解為每一片層逐一卷制疊成為預(yù)制件。

（2）利用碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，根據(jù)使用需求及受力分析，設(shè)計(jì)并制備合適形狀的碳纖維機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)件。

6 工藝流程

碳纖維機(jī)械手臂工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 碳纖維機(jī)械手臂工藝流程

7 目標(biāo)市場(chǎng)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

7.1 軍用領(lǐng)域

碳纖維機(jī)械手臂被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、彈體、箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)部件制造以及衛(wèi)星、戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)等軍工領(lǐng)域，同時(shí)，也被應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈、衛(wèi)星構(gòu)件、衛(wèi)星承力筒、桁架、夾層面板及電池板支架方面的生產(chǎn)之中。

7.2 工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

在工業(yè)方面，主要用于汽車工業(yè)、機(jī)電工業(yè)（包括電訊工業(yè)）、通用機(jī)械工業(yè)、建筑業(yè)、金屬加工、鑄造以及其他重型工業(yè)和輕工業(yè)部門。在農(nóng)業(yè)方面，已把機(jī)器人用于水果和蔬菜嫁接、收獲、檢驗(yàn)與分類，剪羊毛和擠牛奶等成為潛在的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)碳纖維表面處理，有效增大了碳纖維的表面粗糙度和表面活性，大大提高了界面結(jié)合性能。自主研發(fā)的環(huán)氧樹(shù)脂體系提高了目標(biāo)產(chǎn)品的抗沖擊性能及層間剪切強(qiáng)度。采用有限元設(shè)計(jì)技術(shù)、袋壓成型工藝技術(shù)研制的碳纖維機(jī)械手臂更符合人機(jī)工程學(xué)，具有更好的穩(wěn)定性。研制的碳纖維機(jī)械手臂性能與金屬材料相比，耐腐蝕、穩(wěn)定性高、使用壽命長(zhǎng)，產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。