碳纤维机械手臂的较其他材料的优点

一年一度的中国国际工业博览会顺利闭幕，此次盛会共设八个展区，其中“工业机器人展”汇集了国内外最新最前沿的机器人技术，成为整个博览会人气最旺、市场转化率最高的展区。从目前的情况上看，随着人工费上涨及人手不足问题越来越严重，各生产行业对机器人的需求也将日益增多，工业机器人将成为工厂自动化越来越重要的一部分。

机械手臂是机器人技术领域实际应用最广泛的自动化机械装置，尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，即通过接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。机械手臂一般有伸缩、旋转和升降这三种运动，其中旋转、升降运动是由横臂和产柱去完成的，手臂的基本作用则是将手爪移动到所需位置以及承受抓取工件的最大重量和手臂自身的重量等。此外，管路、冷却装置、行程定位装置和自动检测装置等，一般也都装在手臂上。因此，手臂的结构、工作范围、承载能力和动作精度都会直接影响整个机械的工作性能。

合金钢、经过热处理的优质钢、铝合金等轻型合金都是制作机械手臂的原材料，但是从此次工业博览会的展出情况看，以碳纤维复合材料为原材料的机械手臂将成为未来几年机械臂生产的一大趋势。如：有一款机械手臂长930mm，宽150mm，壁厚５mm，总重量却只有3千克。据悉，虽然碳纤维机械臂在成型工艺上存在一定难度，不过，从比重、强度、蠕变性及成本价格等多方面因素综合比较，碳纤维机器人手臂取代传统金属材质机械臂的风头正健。

作为一个运动性部件，机械手臂一般要完成各类已定或将定的运动，材质的选择决定了机械手臂的动态性能和静态性能。首先，轻型材料是制作机械臂的良好选择。因为机械手臂的自重不仅影响它的运动便捷性，还直接影响到驱使运动的能源消耗量。机械手臂是运动的，需要有良好的受控性，因此不能过笨重，重量越轻转动惯量越小。从这个角度上说，钢类材料最重，比铝合金要重60%以上，高强度钢达到7.8g/cm3，铝也有2.7g/cm3，碳纤维比重最小，只有1.75g/cm3，因而碳纤维制成的机械臂是目前所有材质中最轻的，能使机械臂操作更加灵便准确。

其次，机械手臂在承受载荷时，不能有断裂和应变，也就是说用来制作机械手臂的材料要有足够的强度，必须选择“高强度的材料”。从绝对性能看，铝比不上钢，就算是很好的铝，从模量、强度和韧性上看，绝对性能仍旧比不上钢，铝合金的重量介于碳纤维和碳钢之间，强度次于碳纤维，高于碳钢，但韧性较低，缺乏弹性。碳纤维的特点不仅是质轻，强度更高。目前碳纤维复合材料强度约为1400MPa，而钢呢？一般的钢不过是600MPa，在比强度上碳纤维要比钢高出许多。

再者，机械臂的工作环境对材质也提出了相应的要求，比如一定的温差中，金属会出现相应的蠕变情况，这种蠕变看似微乎其微，但是对机械臂操作精准的影响还是比较明显的。碳纤维不同于一般的钢和铝合金，在零下几十度到200℃之间都能保持最小的蠕变性，因此可以适用于不同的工作环境中。

另外，从经济的角度方面来取舍的话，看似碳纤维原材料比铝合金要贵很多，但是在具体应用中，从原材料到成型，这其中的加工成本所占的成本比例更大。根据近期市场的反映，同样型号的铝合金机械臂与碳纤维机械臂的成本价格所差无几，因此，在性价比综合因素上看，碳纤维材质的机械臂将有非常广阔的应用前景。