碳纤维复合材料在机械手臂中的应用

王 娣，朱龙超，韩鸿鹄，张国良，张斯纬

目前，国内市场中的机械手臂多数采用钢、铁、铝合金等金属材料制造。这种金属材料制作成的机械手臂存在速度慢、能耗大、易变形磨损等缺点，并且这些金属材料的成型条件复杂，成型难度大，且抗震性及抗氧化性不佳。为解决这些问题，连云港鹰游纺机集团开始探索将高性能碳纤维复合材料应用到机械手臂上。采用碳纤维增强材料制作的机械手臂强度大、模量高、质地轻、不易变形、设计性和加工性好，同时减轻了机械手臂质量，节约能耗，提高劳动生产效率，减轻劳动强度。研制适合在各种复杂环境下作业的碳纤维机械手臂已经成为一种趋势。

1 国内外发展现状

随着人工成本的提高，机器换人的动力较过去更为强烈，智能制造产业前景极为广阔。从早期的机械手到工业机器人，再到服务型机器人，资本市场的助力也加速了机器人的技术创新进程，机器人时代已经到来。近年来，碳纤维在工业机器人领域中的应用也逐渐兴起。

1.1 国际发展现状

自1962 年美国制造出第一台实用的示教型工业机械手以来, 国际上对工业机械手的开发、研制和应用已有50 多年的历程。起步晚于美国的日本工业机械手, 在经历了20 世纪60 年代的摇篮期、20 世纪70 年代的实用期后，在20 世纪80 年代跨入提高并广泛应用期。经过几年的时间, 日本工业机械手产业已迅速发展起来, 一跃成为 “工业机器人王国”。德国工业机械手的总数占世界第3 位, 仅次于日本和美国, 德国智能机械手的研究和应用在世界上处于领先地位。 IDC 统计数据预计，2014～2019 年，全球机器人市场规模的复合增长率达到17%，按此速度发展，到2019 年年底，全球机器人的市场规模为1 354 亿美元，成长空间巨大。

2017 年3 月，《中国复合材料》期刊报道了由美国洛马公司、瑞典Tecgrant AB 公司以及阿布扎比的工业平台组织Injaz National 共同成立的一家合资公司——Exechon 公司研制出的世界首台采用碳纤维复合材料制成的XMini 机器人智能五轴加工机床, 旨在实现航空航天领域自动化制造范式的转变，也昭示着复合材料在工业机器人领域的应用越来越广泛。[1]

1.2 国内发展现状

同全球主要工业强国相比, 中国工业起步较晚，开始研制工业机械手比日本晚5～6 年，工业机械手的创新和发展相对落后。但是近年来，我国机器人产业整体上取得了令人瞩目的成就，人机协作机器人、云智能机器人等工业机器人新品不断涌现，关键零部件的技术水平持续提升，手术机器人等服务机器人的产品类型日益丰富，运用领域快速拓展。

工业机器人在我国机器人市场上一直占有主导地位，2018 年占比71.28%，较2017 年的73.78% 略有下滑；服务机器人占比则持续上升，2018 年达到21.05%；特种机器人市场占比相对稳定，约占市场的8%。截至2018 年底，中国工业机器人产量达到了147 682 套，同比增长4.6%。我国已经连续6 年成为世界第一大机器人应用市场。

未来几年，随着我国制造业的发展，特别是作为工业机器人主要应用领域的汽车及汽车零部件制造业的发展，工业机器人的装配量将会快速增长。加之，工业机器人应用领域正逐渐向电子信息产业、建筑以及采矿等领域延伸，预计未来3～5 年，工业机器人年均增速有望达到25%。此外，由于自动化立体仓库以每年40～60 座的增速快速发展，用于物流、搬运的移动机器人每年增幅也将不低于20%。各种迹象表明，世界机器人市场的需求即将进入喷发期，中国潜在的巨大市场需求已出现，但国内外统一的标准还未形成，核心技术还存在巨大的发展空间，产品的利润空间巨大。

2 目的和意义

2.1 满足国防及国民经济的迫切需求

目前，我国机械手主要应用于卫星、航空航天飞行器的制造及隐形武器制造等国防军工领域，同时在机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等领域也有大量应用。高性能碳纤维复合材料在机械手臂上的成功应用将在一定程度上提高国内机械手创新层次，满足高温、高压、腐蚀、潮湿等特殊环境的应用需求，对促进我国国防军工和民用工业的发展具有积极的意义。

2.2 促进我国工业自动化的快速发展

目前，国内机械手臂多数是金属材料制造而成，作业中存在速度慢、能耗大、易变形磨损等缺点。而碳纤维复合材料是一种新型战略材料，制造出的碳纤维机械手臂具有强度大、质量轻、模量高、防腐蚀、耐高温、不变形等优异性能。碳纤维机械手臂的诞生和应用顺应生产和社会发展的需要，是在现代化生产和科学技术发展基础上出现的新一代高新技术产品，可以实现生产过程快速自动化，提高劳动生产率，减轻机械手劳动强度，节约生产能耗，保证产品质量稳定，是促进柔性化生产过程中不可或缺的自动化设备，对产品的更新换代以及促进我国工业自动化的快速发展起着重要的作用。

3 用途和种类

工业机器人是指广泛适用的能够自主动作且多轴联动的机械设备，在必要情况下，配备有传感器，在工作过程中，无需任何外力干预。它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的加工工具以及能够执行搬运操作与加工制造的任务，大量应用于汽车、电子、信息产品等现代制造业，特别是在一些危险、恶劣环境下的作业，如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上以及在原子能工业等部门中，对人体有害物料的搬运或工艺操作，都需要由机器人来完成。此外，还有一些对精度要求较高的作业，如弧焊、叶片制造等，人工完成难免存在误差，因此，从对产品质量和可靠性角度出发，也要由计算机控制的工业机器人来实现高精度、高质量的工艺需求。

3.1 机械手臂用途

工业机器人是工业生产发展中的必然产物。而机械手臂是机器人实现功能最重要的抓手，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。这种新技术装备的出现和应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。

3.2 机械手臂种类

机械手臂根据结构形式的不同分为多关节机械手臂、直角坐标系机械手臂、球坐标系机械手臂、极坐标机械手臂、柱坐标机械手臂等，见图1。

图1 高性能碳纤维复合材料制备而成的机械手臂组合

3.3 应用现状

随着我国工业生产的飞跃发展, 自动化程度的迅速提高, 工业机械手自动化已愈来愈引起人们的重视。实际生产中，也要求机械手更加灵活、柔性化以适应不同的工作环境。[2]

机械手臂在工业机器人技术领域中得到广泛应用，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。目前，碳纤维机械手臂已经应用于工业机械手上，碳纤维替代钢、铁、铝合金等金属材料制造出的机械手臂，已经达到取出速度快、高效能、震动小、使用寿命长的要求，对实现工业生产自动化，推动生产进程的发展起着重要作用，具有广阔的市场前景。

4 技术方案

碳纤维机械手臂开发阶段需要经历技术研发、小试、中试、产业化等阶段，其中包括产品的工艺优化、安全检测、质量检测、报废产品处理等。碳纤维的质量轻、比强度（强度密度比）和比模量（模量密度比）高，制作相同强度的机械手臂，选用碳纤维复合材料(CFRP）可以做得很轻，可将机械手臂的总质量控制在5～15 kg。几种常见结构材料的力学性能见表1。

表1 几种常见结构材料的力学性能

4.1 复合材料技术原理

国产碳纤维无论是长纤还是短纤，都是经过上浆剂工艺处理之后才出售的，用其制备的碳纤维复合材料具有图2 所示的界面结构。

图2 上浆碳纤维增强树脂基复合材料界面层示意图

根据图2 的复合材料的结构示意图可知，环氧树脂与国产碳纤维的粘结强度主要取决于上浆剂作用于碳纤维表面形成的过渡层这一真实界面。当复合材料（Ⅰ）受到外力作用时，树脂基体（Ⅳ）将应力传递到界面层（Ⅲ），然后界面层又将应力传递到碳纤维（Ⅱ），从而很好地发挥碳纤维的高强、高模等性能。同时，环氧树脂与国产碳纤维的浸润性也是环氧树脂基体（Ⅳ）在界面层（Ⅲ）慢慢浸润过程的评价指标，因此，界面层与国产碳纤维洁净表面及环氧树脂的匹配性是影响碳纤维复合材料综合性能的关键因素。复合材料界面层的形成主要靠两种作用力，一是化学键合力，二是物理锚定力，前者为主，后者为辅，两者协同作用，形成碳纤维与基体树脂之间的牢固黏结作用。因此，提高树脂基体与国产碳纤维界面的化学键合力是改善树脂基体与国产碳纤维黏结强度的主要的方法。

4.2 理论分析及探讨

4.2.1 碳纤维编织布的研制

碳纤维丝束在应用前的较大障碍是如何使之编织成布以便于碳纤维直接应用或深加工成各种制件。为解决传统工艺流程不适合碳纤维织布的问题，针对碳纤维织造工艺流程越短越好的现实，考虑到国产碳纤维生产的品种大多是3K、6K、12K 布，这些品种的幅宽不大，总经根数不多，纤维纤度较粗，设计借鉴帘子布生产工艺，去掉络筒、整经、浆纱工序，在织机后配碳纤维筒子架，碳纤维从架子上引出后直接织布。由于碳纤维易起毛、剪切强力低，提综时经纱很容易摩擦而形成断头。因此，利用剑杆织机剑杆的往复运动将纬纱引入梭口，用积极运动的剑杆代替自由飞行的梭子，可以避免飞梭、轧梭事故，减少机物料消耗，降低织机的噪声，有利于劳动保护。剑杆织机卷布装置由刺毛辊以表面接触摩擦传动卷布辊的卷取方式，将影响布辊卷装量的增加。由于碳纤维布比较厚重，因此摩擦传动效果不好，容易起毛。卷布机构采用卷布轴与剌毛辊分离，由刺毛辊经过链条直接传动卷布辊，利用摩擦离合器，以滑差来保持卷布辊表面线速度一致。

4.2.2 碳纤维预浸料的研制

预浸料的优劣直接影响碳纤维复合材料的综合性能，基于碳纤维复合材料界面结构的基本原理，通过与国产碳纤维匹配的环氧树脂基体的设计、改性及合成展开研究，解决碳纤维预浸料中树脂与国产碳纤维相容性的关键问题，重点是固化前树脂基体与国产碳纤维具有良好浸润性及固化后两者之间具有高黏结强度。对现有的环氧树脂基体的改性主要有添加丙烯酰胺等强偶极矩的小分子等方法，能显著提高碳纤维复合材料成型后树脂基体与国产碳纤维的界面黏结强度。同时，改性后的树脂基体在碳纤维预浸料生产过程中还必须具有适中的黏度，保证在卷样时便于施工操作等工艺。新型环氧树脂基体的设计、合成及制备充分考虑了碳纤维复合材料的高性能化，在分子水平上引入F 等惰性原子、酰亚胺环或饱和脂肪环等结构，制备的新型环氧树脂基体，使之具有更加优良的耐腐蚀、耐高温或耐候等性能。在开发新型高性能环氧树脂的同时，注重新型树脂基体与国产碳纤维表面的匹配性，主要是与上浆剂的匹配性，保证树脂基体在国产碳纤维上的浸润性良好，提高碳纤维复合材料成型后树脂基体与国产碳纤维界面的黏结强度。[3]最后，将纳米复合改性技术应用于制备碳纤维预浸料用树脂，在这方面主要是在环氧树脂中引入高长径比的碳纳米管等，由此制备出的碳纤维复合材料制品具有更加优异的层间剪切强度。

4.2.3 碳纤维机械手臂的研制

通过裁布、卷布、设计、整体成型、打磨、涂装、包装等一系列生产流程，制造碳纤维机械手臂。横走部分采用大型碳纤维结构框架，优质直线导轨，高级别齿轮齿条传动，交流伺服马达驱动，满足高刚性、高速度、精确定位控制；引拨部分采用双梁机构，主题采用优质碳纤维型材梁，优质直线导轨，优质同步带传动，交流伺服马达驱动，满足轻质和高刚性、精确定位、高速度需求；主臂部分采用双截倍速结构，主体采用优质碳纤维型材，优质直线导轨，高级别的齿轮齿条传动，交流伺服马达驱动，满足高刚性、高速度、精确定位的需求。碳纤维机械手臂采用三轴AC 伺服马达驱动，使定位精准、快速、平稳，设计符合人体工程学原理，使操作简单方便。

5 主要创新点

5.1 理论创新

针对国产碳纤维与环氧树脂基体相容性这一关键技术问题，基于“国产碳纤维—上浆剂—环氧树脂” 的双界面体系理论及国产碳纤维的表面性质，通过现有环氧树脂的改性以及新型环氧树脂的设计和合成，研制出与国产碳纤维匹配的环氧树脂新品种。同时，针对国产碳纤维表面性质，设计、合成及制备新型碳纤维上浆剂，该上浆剂以环氧树脂为主体并添加了水性聚氨酯，研制出可自乳化成乳液，与国产碳纤维及环氧树脂体系的相容性更好、热稳定性更高的上浆剂。采用上述环氧树脂体系和上浆剂的碳纤维复合材料力学性能更好，能很好地解决树脂基体与碳纤维相容性差的关键技术问题，并且为基于聚合物分子结构，设计优化碳纤维/ 树脂界面等方面的研究提供了理论指导。基于碳纤维复合材料不同领域的应用要求，建立了增强碳纤维组织结构的设计理论及受力分析理论，可用于指导碳纤维复合材料在更多应用场合的结构设计并达到力学的最大适应性。

5.2 应用创新

碳纤维机械手臂不仅具有其主要组分碳纤维复合材料及环氧树脂的优良特征，而且还可协同两者的优点，从而发挥出更加优良的特性。碳纤维机械手臂具有强度高、模量大、比重低、抗疲劳性能好、阻尼大、震动小、耐酸碱腐蚀性能强等显著优点，是传统金属材料的最佳替代品。应用碳纤维复合材料代替金属材料，可研制出轻量化、性能好、质量高的碳纤维机械手臂。

5.3 技术创新

（1）采用高强、高模的碳纤维复合材料替代金属材料，减轻机械手臂质量，减少电机功率，节约能耗，制造出适合在各种环境下作业的碳纤维机器手臂。

（2）针对国产碳纤维生产的高性能复合材料，开发了功能化环氧树脂新品种，在耐腐蚀、耐高温、耐磨损等性质上更加优越。同时，将纳米改性技术应用于复合材料，进一步增强了碳纤维机械手臂的力学性能。采用最佳的碳纤维/ 树脂界面设计，围绕碳纤维的表面改性以及配套树脂的设计和合成展开研究工作，目的是促进碳纤维与聚合物树脂基材的界面相容性，提高界面黏结强度。

（3）利用碳纤维预浸料的可设计性，制造出特定造型的碳纤维机械手臂或其部件，满足特殊环境组装工序的需求。

（4）使用模压一体成型技术，使碳纤维机械手臂结构更加密实，保证了碳纤维机械手臂的安全性。

5.4 工艺创新

在碳纤维机械手臂原材料——碳纤维布的生产以及碳纤维热溶合等工艺方面进行了创新。例如，采用筒子架，直接喂入经纱，省去整经工序，解决了传统工艺流程不适合碳纤维织布问题。根据碳纤维织造工艺流程越短越好的要求，针对主要生产的3K、6K、12K 国产碳纤维布品种幅宽不大、总经根数不多、纤维纤度较粗的特点，借鉴帘子布生产工艺，去掉络筒、整经、浆纱工序，在织机后面加筒子架，使碳纤维从架子上引出后直接织布。采用外固内扩的成型新工艺，通过工艺路线的综合对比，降低成本，提高效率，优化设计了简洁高效的工艺流程，在织造效率、产品质量及降低碳纤维损耗等方面都有很大改善。

5.5 结构创新

（1）利用特殊的叠层技术，使碳纤维预浸料形成特殊结构排布，设计出的碳纤维机械手臂具有较高的力学性能和稳定性。计算机辅助优化的叠层设计，确保机械手的安全性、轻量化，依据力学原理在结构设计上采用碳纤维单向预浸布，进行合理裁剪形成0°、30°、45°、90°等纤维走向，将复杂的构件分解为每一片层逐一卷制叠成为预制件。

（2）利用碳纤维复合材料的结构可设计性，根据使用需求及受力分析，设计并制备合适形状的碳纤维机械手臂结构件。

6 工艺流程

碳纤维机械手臂工艺流程见图3。

图3 碳纤维机械手臂工艺流程

7 目标市场和应用优势

7.1 军用领域

碳纤维机械手臂被广泛应用于导弹、弹体、箭体和发动机的结构部件制造以及卫星、战斗机、直升机等军工领域，同时，也被应用于战略导弹、卫星构件、卫星承力筒、桁架、夹层面板及电池板支架方面的生产之中。

7.2 工业、农业领域

在工业方面，主要用于汽车工业、机电工业（包括电讯工业）、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其他重型工业和轻工业部门。在农业方面，已把机器人用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，剪羊毛和挤牛奶等成为潜在的产业机器人的应用领域。

8 结语

通过碳纤维表面处理，有效增大了碳纤维的表面粗糙度和表面活性，大大提高了界面结合性能。自主研发的环氧树脂体系提高了目标产品的抗冲击性能及层间剪切强度。采用有限元设计技术、袋压成型工艺技术研制的碳纤维机械手臂更符合人机工程学，具有更好的稳定性。研制的碳纤维机械手臂性能与金属材料相比，耐腐蚀、稳定性高、使用寿命长，产品性能达到国内领先水平。