摘要：對碳纖維復(fù)合材料機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鋪層優(yōu)化情況進(jìn)行分析，總結(jié)出高分子復(fù)合材料在傳統(tǒng)機(jī)械臂金屬材料替代領(lǐng)域的性能優(yōu)勢與價(jià)值，認(rèn)為在滿足同等機(jī)械臂力學(xué)強(qiáng)度和剛度條件下，碳纖維復(fù)合材料能夠有效降低超過90%的機(jī)械臂自重，且變臂厚鋪層方案能夠獲得最為理想的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，對現(xiàn)代機(jī)械臂的輕量化設(shè)計(jì)大有裨益。

　　關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;機(jī)械臂;輕量化設(shè)計(jì);性能優(yōu)勢

　　機(jī)械臂是一種被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、物流產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的裝備，對于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展具有重要價(jià)值。傳統(tǒng)的機(jī)械臂采用的主體結(jié)構(gòu)材料多為鋁合金、鋼材等，由于材料密度大，整體自重較大，在進(jìn)行機(jī)械臂定位校準(zhǔn)時往往會因?yàn)檫\(yùn)動慣量過大帶來的沖擊力影響機(jī)械臂位置精度。碳纖維復(fù)合材料作為新型結(jié)構(gòu)材料，其密度僅有1.7g/cm3左右，相比于傳統(tǒng)的金屬或合金材料低很多，是一種典型的輕量化的材料[1-2]。同時，碳纖維復(fù)合材料具有較高的材料強(qiáng)度，其強(qiáng)度是普通鋼鐵的5倍以上[3]。

　　復(fù)合材料論文： 硅藻土基復(fù)合材料在能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

　　采用碳纖維復(fù)合材料制備而成的機(jī)械臂，能夠大大降低機(jī)械臂自重，從而降低機(jī)械臂在進(jìn)行工作時的慣性，使機(jī)械臂在各場景下作業(yè)更加平穩(wěn)、快捷，同時提升機(jī)械臂的位置精度。總之，碳纖維復(fù)合材料制備的機(jī)械臂能夠在同等結(jié)構(gòu)下增強(qiáng)機(jī)械臂強(qiáng)度，降低機(jī)械臂自重，對于機(jī)械臂加工工件精度和質(zhì)量的提升具有積極作用。因此，本文針對碳纖維復(fù)合材料機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鋪層優(yōu)化進(jìn)行分析，旨在為碳纖維機(jī)械臂的進(jìn)一步發(fā)展與優(yōu)化提供幫助。

　　1機(jī)械臂材料選擇與鋪層設(shè)計(jì)

　　1.1結(jié)構(gòu)分析

　　該機(jī)械臂的最左端為固定端，通常與機(jī)械主軸連接在一起，為論述方便本文將其簡化為一墻壁;原有的機(jī)械臂采用鋁合金材料制備而成，自重較大;在機(jī)械臂進(jìn)行工作時，最右端需要承載最高950g的重物，此時要求機(jī)械臂的變形量小于7mm。然而，在實(shí)際的工作環(huán)境中，由于鋁合金機(jī)械臂的自重較大，長期使用狀態(tài)下會因機(jī)械臂自重與承載重物的共同應(yīng)力下導(dǎo)致變形量大于7mm，最終影響機(jī)械臂的作業(yè)精度。為了進(jìn)一步降低機(jī)械臂自重，提升機(jī)械臂作業(yè)精度與耐久性，需要將傳統(tǒng)的鋁合金材料替換為碳纖維復(fù)合材料。

　　1.2材料選擇

　　本試驗(yàn)所采用的機(jī)械臂替換材料為碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。該復(fù)合材料中的碳纖維采用我國某品牌國產(chǎn)通用級T400型碳纖維以及M46J型高模量碳纖維，環(huán)氧樹脂則使用國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的7901型產(chǎn)品。將T400型碳纖維以及M46J型高模量碳纖維分別與7901型環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行復(fù)合加工制備T400/7901型復(fù)合材料(以下命名為材料Ⅰ)以及M46J/7901型復(fù)合材料(以下命名為材料Ⅱ)。

　　材料Ⅰ、Ⅱ在密度、泊松比、縱向拉伸模量以及彈性模量等性能方面全面優(yōu)于鋁合金材料，僅在橫向拉伸模量方面較鋁合金材料差距較大，因此，需要重點(diǎn)對碳纖維復(fù)合材料的鋪設(shè)角度、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行考量，充分發(fā)揮材料縱向拉伸模量優(yōu)勢[7]。與材料Ⅱ相比，材料Ⅰ的泊松比更小，在單向受力時橫向變形更小，但縱向拉伸模量以及彈性模量無法與材料Ⅱ相比。

　　1.3鋪層設(shè)計(jì)

　　原有的鋁合金機(jī)械臂采用等壁厚中空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成，按照原有結(jié)構(gòu)長度2480mm尺寸不變的原則，用材料Ⅰ、材料Ⅱ替換鋁合金材料。由于材料Ⅰ、Ⅱ的性能存在差異，且碳纖維復(fù)合材料本身橫向拉伸模量較低，因此本試驗(yàn)將材料Ⅰ、Ⅱ按照不同的角度和層次進(jìn)行疊加鋪設(shè)，得到兩種不同的材料鋪層設(shè)計(jì)方案。

　　1.3.1等壁厚鋪層設(shè)計(jì)

　　在0°、±45°處使用材料Ⅱ，充分利用材料Ⅱ高模量特征;90°處采用材料Ⅰ，充分降低機(jī)械臂的整體泊松比[8-10]。

　　1.3.2變壁厚設(shè)計(jì)

　　在方案Ⅰ的基礎(chǔ)上，仍然按照0°、±45°處使用材料Ⅱ，90°處采用材料Ⅰ的原則，將機(jī)械臂按照不同的階段進(jìn)行劃分。各分段的機(jī)械臂厚度保持一定的差異性，從而在保證機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)性能的同時，嘗試進(jìn)一步降低機(jī)械臂的自重。在近固定端0~400mm處鋪設(shè)26層、400~800mm處鋪設(shè)24層、800~1220mm處鋪設(shè)20層、1220~1640mm處鋪設(shè)18層、1640~2060mm處鋪設(shè)15層、2060~2480mm處鋪設(shè)11層。

　　2碳纖維復(fù)合材料機(jī)械臂性能優(yōu)勢分析

　　2.1性能分析

　　本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的兩種方案碳纖維復(fù)合材料機(jī)械臂在950g同等質(zhì)量承載物條件下進(jìn)行受力分析，對承載物、機(jī)械臂自重等給機(jī)械臂整體帶來的應(yīng)力情況進(jìn)行總結(jié)。為方案Ⅰ在不同檢測受力節(jié)點(diǎn)所受最大應(yīng)力與對應(yīng)位移情況�？梢�，在方案Ⅰ等壁厚條件下，機(jī)械臂受到的最大應(yīng)力為12.18MPa，遠(yuǎn)低于兩種碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度;最大應(yīng)力對應(yīng)的機(jī)械臂位移也為最大位移，為6.88mm，滿足機(jī)械臂設(shè)計(jì)變形量小于7mm的要求。

　　2.2性能優(yōu)勢分析

　　為充分了解碳纖維復(fù)合材料機(jī)械臂性能優(yōu)勢，按照相同的力學(xué)參數(shù)檢測原則對原鋁合金機(jī)械臂的整體應(yīng)力和位移情況進(jìn)行分析，鋁合金機(jī)械臂與方案Ⅰ、Ⅱ整體應(yīng)力與位移情況。與鋁合金機(jī)械臂相比，方案Ⅰ、Ⅱ在最大位移、壁厚以及機(jī)械臂整體質(zhì)量方面均擁有巨大優(yōu)勢。鋁合金機(jī)械臂的最大位移在7.00mm，長期使用無法保證機(jī)械臂小于7mm的變形要求;方案Ⅱ的機(jī)械臂整體質(zhì)量與鋁合金機(jī)械臂相比降低了91.6%左右，能夠顯著降低機(jī)械臂自重且降低幅度較方案Ⅰ更大�？紤]到方案Ⅱ帶來的材料損耗降低等優(yōu)勢，本試驗(yàn)認(rèn)為采用方案Ⅱ變壁厚方案能夠獲得最為理想的碳纖維復(fù)合材料機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。

　　3結(jié)語

　　在滿足機(jī)械臂小于7mm的變形要求下，采用方案Ⅱ變壁厚結(jié)構(gòu)能夠有效降低機(jī)械臂自重，降低碳纖維材料的使用量。方案Ⅱ狀態(tài)下能夠在最大應(yīng)力9.68MPa條件下獲得僅6.80mm的機(jī)械臂最大位移，遠(yuǎn)優(yōu)于一般鋁合金機(jī)械臂，也較優(yōu)于方案Ⅰ等壁厚結(jié)構(gòu);方案Ⅱ的機(jī)械臂整體質(zhì)量僅0.77kg，與鋁合金機(jī)械臂相比降低了91.6%左右。因此，本試驗(yàn)認(rèn)為方案Ⅱ?yàn)槿�種機(jī)械臂結(jié)構(gòu)中的最佳設(shè)計(jì)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]宋前前,李俊姣,孫湘東,等.纖維素基碳纖維研究進(jìn)展[J].合成纖維,2021,50(6):41-44.

　　[2]張育洋,李飛,虢海銀.T700碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備與性能研究[J].合成纖維,2021,50(3):54-58.

　　[3]姚江薇,占海華,鄒專勇.熱熔膜法碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制備工藝[J].合成纖維,2018,47(2):19-21.

　　[4]程燕婷,孟家光,劉青,等.碳纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能表征[J].合成纖維,2016,45(3):38-42.

　　[5]隋顯航,郭輝,李顯華,等.碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究[J].化工新型材料,2020,48(7):235-237,243.

　　作者：張澤月1，羅俊波1，楊芳1，張夢佳2，戢曉珊3*