碳纤维复合材料机械臂结构设计与性能优势研究

　　摘要：对碳纤维复合材料机械臂的结构设计与铺层优化情况进行分析，总结出高分子复合材料在传统机械臂金属材料替代领域的性能优势与价值，认为在满足同等机械臂力学强度和刚度条件下，碳纤维复合材料能够有效降低超过90%的机械臂自重，且变臂厚铺层方案能够获得最为理想的机械臂结构。碳纤维复合材料的应用，对现代机械臂的轻量化设计大有裨益。

　　关键词：碳纤维复合材料;机械臂;轻量化设计;性能优势

　　机械臂是一种被广泛应用于工业制造、物流产业等领域的装备，对于现代工业的发展具有重要价值。传统的机械臂采用的主体结构材料多为铝合金、钢材等，由于材料密度大，整体自重较大，在进行机械臂定位校准时往往会因为运动惯量过大带来的冲击力影响机械臂位置精度。碳纤维复合材料作为新型结构材料，其密度仅有1.7g/cm3左右，相比于传统的金属或合金材料低很多，是一种典型的轻量化的材料[1-2]。同时，碳纤维复合材料具有较高的材料强度，其强度是普通钢铁的5倍以上[3]。

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　　采用碳纤维复合材料制备而成的机械臂，能够大大降低机械臂自重，从而降低机械臂在进行工作时的惯性，使机械臂在各场景下作业更加平稳、快捷，同时提升机械臂的位置精度。总之，碳纤维复合材料制备的机械臂能够在同等结构下增强机械臂强度，降低机械臂自重，对于机械臂加工工件精度和质量的提升具有积极作用。因此，本文针对碳纤维复合材料机械臂的结构设计与铺层优化进行分析，旨在为碳纤维机械臂的进一步发展与优化提供帮助。

　　1机械臂材料选择与铺层设计

　　1.1结构分析

　　该机械臂的最左端为固定端，通常与机械主轴连接在一起，为论述方便本文将其简化为一墙壁;原有的机械臂采用铝合金材料制备而成，自重较大;在机械臂进行工作时，最右端需要承载最高950g的重物，此时要求机械臂的变形量小于7mm。然而，在实际的工作环境中，由于铝合金机械臂的自重较大，长期使用状态下会因机械臂自重与承载重物的共同应力下导致变形量大于7mm，最终影响机械臂的作业精度。为了进一步降低机械臂自重，提升机械臂作业精度与耐久性，需要将传统的铝合金材料替换为碳纤维复合材料。

　　1.2材料选择

　　本试验所采用的机械臂替换材料为碳纤维环氧树脂复合材料。该复合材料中的碳纤维采用我国某品牌国产通用级T400型碳纤维以及M46J型高模量碳纤维，环氧树脂则使用国内某企业生产的7901型产品。将T400型碳纤维以及M46J型高模量碳纤维分别与7901型环氧树脂材料进行复合加工制备T400/7901型复合材料(以下命名为材料Ⅰ)以及M46J/7901型复合材料(以下命名为材料Ⅱ)。

　　材料Ⅰ、Ⅱ在密度、泊松比、纵向拉伸模量以及弹性模量等性能方面全面优于铝合金材料，仅在横向拉伸模量方面较铝合金材料差距较大，因此，需要重点对碳纤维复合材料的铺设角度、结构等进行考量，充分发挥材料纵向拉伸模量优势[7]。与材料Ⅱ相比，材料Ⅰ的泊松比更小，在单向受力时横向变形更小，但纵向拉伸模量以及弹性模量无法与材料Ⅱ相比。

　　1.3铺层设计

　　原有的铝合金机械臂采用等壁厚中空结构设计而成，按照原有结构长度2480mm尺寸不变的原则，用材料Ⅰ、材料Ⅱ替换铝合金材料。由于材料Ⅰ、Ⅱ的性能存在差异，且碳纤维复合材料本身横向拉伸模量较低，因此本试验将材料Ⅰ、Ⅱ按照不同的角度和层次进行叠加铺设，得到两种不同的材料铺层设计方案。

　　1.3.1等壁厚铺层设计

　　在0°、±45°处使用材料Ⅱ，充分利用材料Ⅱ高模量特征;90°处采用材料Ⅰ，充分降低机械臂的整体泊松比[8-10]。

　　1.3.2变壁厚设计

　　在方案Ⅰ的基础上，仍然按照0°、±45°处使用材料Ⅱ，90°处采用材料Ⅰ的原则，将机械臂按照不同的阶段进行划分。各分段的机械臂厚度保持一定的差异性，从而在保证机械臂整体结构性能的同时，尝试进一步降低机械臂的自重。在近固定端0~400mm处铺设26层、400~800mm处铺设24层、800~1220mm处铺设20层、1220~1640mm处铺设18层、1640~2060mm处铺设15层、2060~2480mm处铺设11层。

　　2碳纤维复合材料机械臂性能优势分析

　　2.1性能分析

　　本试验所设计的两种方案碳纤维复合材料机械臂在950g同等质量承载物条件下进行受力分析，对承载物、机械臂自重等给机械臂整体带来的应力情况进行总结。为方案Ⅰ在不同检测受力节点所受最大应力与对应位移情况。可见，在方案Ⅰ等壁厚条件下，机械臂受到的最大应力为12.18MPa，远低于两种碳纤维复合材料的机械强度;最大应力对应的机械臂位移也为最大位移，为6.88mm，满足机械臂设计变形量小于7mm的要求。

　　2.2性能优势分析

　　为充分了解碳纤维复合材料机械臂性能优势，按照相同的力学参数检测原则对原铝合金机械臂的整体应力和位移情况进行分析，铝合金机械臂与方案Ⅰ、Ⅱ整体应力与位移情况。与铝合金机械臂相比，方案Ⅰ、Ⅱ在最大位移、壁厚以及机械臂整体质量方面均拥有巨大优势。铝合金机械臂的最大位移在7.00mm，长期使用无法保证机械臂小于7mm的变形要求;方案Ⅱ的机械臂整体质量与铝合金机械臂相比降低了91.6%左右，能够显著降低机械臂自重且降低幅度较方案Ⅰ更大。考虑到方案Ⅱ带来的材料损耗降低等优势，本试验认为采用方案Ⅱ变壁厚方案能够获得最为理想的碳纤维复合材料机械臂结构。

　　3结语

　　在满足机械臂小于7mm的变形要求下，采用方案Ⅱ变壁厚结构能够有效降低机械臂自重，降低碳纤维材料的使用量。方案Ⅱ状态下能够在最大应力9.68MPa条件下获得仅6.80mm的机械臂最大位移，远优于一般铝合金机械臂，也较优于方案Ⅰ等壁厚结构;方案Ⅱ的机械臂整体质量仅0.77kg，与铝合金机械臂相比降低了91.6%左右。因此，本试验认为方案Ⅱ为三种机械臂结构中的最佳设计。

　　参考文献

　　[1]宋前前,李俊姣,孙湘东,等.纤维素基碳纤维研究进展[J].合成纤维,2021,50(6):41-44.

　　[2]张育洋,李飞,虢海银.T700碳纤维增强树脂基复合材料的制备与性能研究[J].合成纤维,2021,50(3):54-58.

　　[3]姚江薇,占海华,邹专勇.热熔膜法碳纤维/环氧树脂预浸料制备工艺[J].合成纤维,2018,47(2):19-21.

　　[4]程燕婷,孟家光,刘青,等.碳纤维-环氧树脂复合材料的制备及力学性能表征[J].合成纤维,2016,45(3):38-42.

　　[5]隋显航,郭辉,李显华,等.碳纤维增强环氧复合材料机械臂结构设计与性能研究[J].化工新型材料,2020,48(7):235-237,243.

　　作者：张泽月1，罗俊波1，杨芳1，张梦佳2，戢晓珊3*