慧闻简析碳纤维复合材料机械手臂的设计与制造工艺

碳纤维复合材料作为新型的结构材料，是建造高性能机器人的理想材料之一，国外一些新型工业机器人手臂也多有采用，碳纤维复合材料具有优良的物理性能，且比强度好，比刚度大，其力学性能可通过设计进行控制改变。以往的机器人是由常规金属材料制成的，环境因素对机器人精度的影响较大，而碳纤维复合材料有更多的设计灵活性，是可以具备所期望的物性的材料。

采用碳纤维复合材料制造机械臂时，碳纤维的铺层方式对其性能会产生直接影响，现以深圳慧闻智造技术有限公司的碳纤维机械臂为例作简单分析。

慧闻智造对碳纤维复合材料的铺层处理，主要根据机器人性能要求，确定碳纤维复合材料的铺层方向、铺层顺序和铺层总层数。过多的铺层角度取向会给设计工作及制件成型增加难度，因此在不影响设计要求的情况下尽可能减少铺层方向数。在铺层设计时，铺层角度一般多选0°、+45°、-45°、90°这四种，其他特殊情况则需另外处理。

具体铺层时一般复合材料制件的铺层均采取对称均衡铺设，其特点是在整体的铺层中，上下铺层关于中间面对称。如果需要设计成非对称均衡铺层，应将这类非均衡铺层布置于靠近整体铺层中间的位置，这种方式能有效避免复合材料制件经历拉-弯耦合、拉-剪耦合之后发生翘曲形变。

在铺层顺序方面，为了减少按照相同的方式铺放的相邻两层分层开裂的可能性，一般连续的相同铺层不超过四层，对性能要求更高的复合材料制造不超过两层。铺层角度尽量将0°层或90°层布置在±45°层中间，将+45°层或-45°层布置在0°层与90°层中间，目的是降低机械臂的层间应力。

在保证机器人原有自由度和性能的前提下，设计时要维持外部尺寸大小不变，机械臂内部同时要给布线以及控制电路的安装留有足够的空间，所以机械臂的壳体厚度值在维持原有性能的最 低值不超过原铸铁结构臂厚度之间。

通过慧闻智造生产的机械臂案例可知，使用碳纤维复合材料代替传统金属材料制造的机械臂对提升工业生产效率、节能环保等方面具有重要意义，随着国内对碳纤维复合材料性能各方面的深入研究，碳纤维复合材料在机器人制造中扮演者越来越重要的角色。慧闻智造专注高精、高难、研发性零件中小批量加工，在轻质合金镁合金零件加工，复合材料碳纤维零件加工制造上积累了较多经验。