CN103386692A - 一种新的机器人碳纤维臂杆设计制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的机器人碳纤维臂杆设计制造方法。该碳纤维臂杆由一根碳纤维杆、两个钛合金连接件构成。其中，钛合金连接件与碳纤维臂杆之间采用胶接与螺钉连接这种混合连接的方式粘连到一起。在设计制造过程中主要考虑了臂杆的力学性能、走线方法设计、等电位设计、碳纤维杆与钛合金连接件的连接工艺设计、精度控制等方面的内容。所设计制造的碳纤维臂杆具备了很好的力学性能、等电位为几十毫欧、碳纤维复合材料同钛合金连接件的连接部分有很高的强度，可以很好的满足对碳纤维臂杆的各项要求。

Description

一种新的机器人碳纤维臂杆设计制造方法

技术领域：

本发明涉及机器人的机械臂领域，特别涉及一种适合空间机器人碳纤维臂杆设计制造方法。

背景技术：

近几十年来，机器人技术在各类科研领域方面得到了的广泛应用，开发和利用机器人成为各国高科技和军事发展的焦点，机械臂作为机器人技术作为机器人技术的重要一环得到了越来越多的关注。目前机械臂已经可用于生产、加工、装配、维护和修理工作等等。在未来，随着机器人的研究和应用，尤其是特种机器人的的研究将会变得更加广泛和深入，臂杆作为机器人的重要组成部分，在军事、民用和工业领域有广泛的应用前景。

随着机器人技术的发展，要求臂杆所选用的材料使用量少、质量轻、成本低，同时要求其承载能力大、精度高、空间适应性好，为此在臂杆制造方面对尺寸及形位精度提出了更高的要求。为了解决上述问题，先进复合材料的，特别是碳纤维增强复合材料----以其轻质、高强度、耐高温、耐腐蚀、热力学性能优良、热膨胀系数微小、具备可设计性等特点得到了广泛关注。在复合材料的实际工程应用中，不可避免的出现复合材料构件与金属等材质的零部件相连接的情况，且连接部位往往是整体结构的薄弱环节，据有关资料介绍，在复合材料结构件中有一半以上的破坏都发生在连接部位。现有的机器人碳纤维臂杆存在的主要缺陷是：

1）碳纤维臂杆的力学性能不高。

2）钛合金接口件同碳纤维杆连接不牢固。

3）机器人碳纤维臂杆精度不够。

4）机器人碳纤维臂杆走线固定方式不好。

5）对等电位设计较少。

本发明针对上述缺陷，对碳纤维杆及钛合金接口件进行了设计制造，还包括碳纤维杆与钛合金接口件的连接工艺、碳纤维杆走线、等电位等的设计。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有碳纤维臂杆设计制造方法的不足，提出一种新型的碳纤维臂杆设计制造方法。

本发明的采用如下技术方案：

一种新型的碳纤维臂杆设计制造方法，包括碳纤维臂杆、钛合金接口件，其中，钛合金接口件用于连接碳纤维臂杆。

本发明中，所述的碳纤维臂杆包含内部走线方案，钛合金接口件同臂杆的连接方式采用采用胶接及机螺钉连接相结合的混合连接方法。一种新型的碳纤维臂杆设计制造方法，包括以下步骤：

1：根据任务要求对碳纤维杆的力学性能及走线要求，对碳纤维杆进行设计。：

1-1.碳纤维臂杆结构设计。

1-2.纤维与基体选择。

1-3.纤维体含量控制。

1-4.纤维铺层形式的优化设计。

2：钛合金接口件的设计。

3：设计钛合金接口件与碳纤维臂杆的连接方式及条件设计。

3-1.确保实施环境、连接工装满足要求。

3-2.胶接连接。

3-3.螺钉连接。

3-4．等电位导线连接。

4：进一步加工碳纤维臂杆，达到尺寸及形位公差要求。

本发明的优点有：

1）碳纤维杆与钛合金接口件组成，具备了质量轻，精度高，结构强度、刚度等力学性能优越，温度变化对结构影响小等特点。

2）提出了两种内部走线方案：

方案一：具备易于加工实现，可在满足臂杆各项性能的前提下实现对各类线簇的固定。

方案二：避免了对碳纤维杆的进一步加工，在有效的固定内部走线的同时，加强了臂杆的强度。

3）碳纤维杆与钛合金接口件的连接方式采用胶接连接与螺钉连接的混合连接方法，强化了连接效果，有效保证了碳纤维臂杆结构的安全可靠性。

4）对碳纤维臂杆进行了等电位设计，且等电位值为几十毫欧。

附图说明：

图1是本发明提出的碳纤维臂杆结构示意图。

图2是本发明提出的碳纤维臂杆结构示意剖面图。

图3是本发明提出的第一种碳纤维杆走线设计方案图。

图4是本发明提出的第二种碳纤维杆走线设计方案图。

图5是本发明提出的针对第一种走线方案的碳纤维臂杆设计图。

图6是本发明提出的钛合金接口件1设计图。

图7是本发明提出的钛合金接口件2设计图。

图8是本发明提出的碳纤维臂杆的总装图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

如图1所示为本发明所述的碳纤维臂杆的结构示意图。该臂杆包括：两个钛合金接口件（1与2）、碳纤维杆（3）构成。其装配关系如图2所示，本专利中，由于两钛合金接口件同碳纤维杆采用胶接连接于螺钉连接的混合连接方式，因此，需要在碳纤维杆两端各开有6个螺钉连接孔（301与302），要求呈等间距圆周分布，钛合金接口件也应同样开有螺钉连接孔(101与201)，除此之外，为了能使钛合金接口件同其他机构相连接，还需留有相配合的螺栓孔（102与202）。

步骤1:对碳纤维臂杆进行设计。为满足空间机械手臂杆的结构强度、刚度要求，对其碳纤维复合材料的铺层等进行工艺设计该设计主要包含：

1-1.碳纤维杆结构设计主要是对碳纤维杆的长度、内径、外径、走线、螺纹孔等进行设计。其中，碳纤维杆的长度、内径、外径等均可根据需求进行设计选择，除此之外，针对臂杆内部走线（主要包含信号线、动力线、控制线、视频数据线等）的需求，碳纤维杆内部走线设计可采用如图3所示的在碳纤维杆进行打孔的设计，也可采用如图4所示通过加入走线筒的设计。

方案一如图3所示：在碳纤维杆上开有螺钉连接孔（301与302）、走线孔（303与304），其中走线孔采用开在碳纤维杆的一侧，并每隔距离一定距离左右开一对间隔为20°的开孔方法。在走线时，可将线缆扎成一股，再利用柔性细线穿过走线孔对进行捆扎，可以保证线缆沿固定于碳纤维杆内壁，并进行轴向定位。

方案二如图4所示：在碳纤维杆内部放入一个走线固定件，该固定件由支撑用的钛合金支撑件（4）及开过走线孔的碳纤维管（5）构成，钛合金支撑件的外侧紧贴碳纤维杆的内壁，钛合金支撑件进行开孔（401）可以在起到减重作用的同时，在一定程度上减小其自身重量，线缆可以固定于碳纤维管内，同样通过柔性细线进行捆扎，沿碳纤维管的内壁固定。

本专利针对方案一的走线方案对碳纤维杆及钛合金接口件进行了详细设计，其组成形式如图5所示，因此，需要在钛合金接口件（2）上也开有一对走线孔（203）。

1-2.碳纤维杆刚度要求较高，应选择拉伸强度较大，拉伸模量较大而断裂伸长率较小的碳纤维材料作为臂杆横向增强纤维，选择具备相同特点的另一种碳纤维作为臂杆缠绕增强纤维。同时采用环氧树脂作为树脂基体材料，进一步降低碳纤维杆的热膨胀系数，减小温度对其的变形影响。

1-3.对碳纤维复合材料构件施加外载时，主要承载组分是碳纤维，而树脂基体起着支持纤维承载和通过它与纤维结合界面传递载荷。为此选择压注成型法来进行空间机械手臂杆的成型加工，用以保征碳纤维臂杆的强度、抗冲击性能及尺寸的精度。

1-4.碳纤维/环氧复合材料各向异性严重不均匀，其力学性能分析方法复杂，为确保先进复合材料的准确使用，铺层形式的优化设计是个关键。为充分发挥增强材料的特性，按经验公式估算可以得出铺层形式及铺层层数等。

步骤2：对钛合金接口件进行设计制造。

在接口件方面，由于钛合金材料具备较高的弹性模量以及屈服强度，满足力学性能指标的同时还可以保证臂杆整体的质量不会太重，除此之外，钛合金的线胀系数与碳纤维环氧树脂材料相对接近，使得碳纤维臂杆可以在温度交替变化时仍具备很好的使用性能。

钛合金接口件（1）的设计图如图6所示，主要包含螺钉连接孔（1）、螺栓孔（102）定位销孔（104）、等电位固定螺纹孔（105）。另一个的钛合金接口件（2）除上述的特点外，针对第一种走线方案，如图7所示，还在开有走线孔（203）。在加工时应特别需要保证的是钛合金接口件的止口内圆面和外圆面同轴，两法兰端面与其轴线的垂直度要求，以及定位销孔（104与204）、螺栓孔（102与202）的位置度要求。

步骤3：设计钛合金接口件与碳纤维臂杆的连接方式设计。

由于在复合材料的实际工程应用中，复合材料构件与金属等材质的零部件相连接的部分一般均为整体结构的薄弱环节，为此通过对碳纤维复合材料构件的各种连接方式的研究，对碳纤维杆与钛合金接口件的连接方式定为：胶接连接与螺钉连接相结合的混合连接，为了保证连接能够达到设计指标要求，需要对连接实施环境、连接工装及连接工艺流程等进行严格控制，确保连接实施的质量。连接工艺流程首先是进行胶接工艺，实现臂杆与接口件的连接，而后进行螺钉连接，该种混合连接可以有效强化连接效果，确保碳纤维杆同钛合金接口件的连接性能。

3-1.为了保证胶接质量及强度，对实施环境的要求主要是指胶接连接时的室内温度、相对湿度和净化程度的要求，在保证产品外形和零件的相互位置均能满足设计要求，对连接工装要求如下：工装工作面的型面必须精度准确，定位基准合理可行，热容量和热膨胀系数应尽可能小，采用了轻质金属结构模具。

3-2.首先对检查碳纤维杆与钛合金接口件的相互配合情况，并制定胶接定位基准和需要表面制备的部位；随后，对对碳纤维杆先用砂纸打磨再用有机溶剂清洗，对钛合金接口件采用喷砂或强酸酸洗处理，去除所受污染；采用环氧类胶进行胶接工艺，在胶接面上涂敷底胶、铺贴胶膜，然后在胶接固化模具上进行胶接装配；最后进行固化成型工艺，保证胶粘剂充分交联，使胶接零件复合成为一个整体结构。

3-3．采用螺钉连接方式，强化连接效果，完成混合连接，确保碳纤维杆与钛合金接口件的连接性能。

3-4．等电位设计中，导线两端各连接一个中心有通孔的垫片，其作用是将导线通过螺钉固定于钛合金接口件上，导线的中间部分则采用螺旋方式穿过在碳纤维杆内壁，并通过点胶的工艺将其固定于内壁上。

步骤4：进一步加工碳纤维臂杆，达到尺寸及形位公差要求。

对连接完毕的碳纤维臂杆采取进一步加工走刀的方式，去除加工余量，最终达到如图8所示碳纤维臂杆的总装图中的各项同轴度、位置度、垂直度的要求。

Claims (4)

1.一种新的机器人碳纤维臂杆设计制造方法，其特征在于，采用了碳纤维\环氧树脂作为碳纤维杆的材料，并与两个钛合金接口件的组合成为一个机器人碳纤维机械臂，其中，钛合金接口件分别位于碳纤维杆两端，其通过法兰及螺栓与外部结构件连接。

2.一种新的机器人碳纤维臂杆设计制造方法，其特征在于，针对臂杆内部走线要求，对碳纤维臂杆进行打孔及走线设计。这种设计包括了两种方案，方案一是将线缆扎成一股，在碳纤维杆杆的一侧每隔距离一定距离左右开一对间隔为20°的走线孔，再利用穿过走线孔的柔性细线对走线进行捆扎，沿臂杆内壁固定，并进行轴向定位的设计方式；方案二是将通过采用铝合金材料的走线支架，将碳纤维材料制造的走线管支撑在碳纤维杆内部，走线管开有小孔，利用柔性细线对走线捆扎，进行轴向定位的设计。

3.一种新的碳纤维臂杆设计制造方法，其特征在于，针对连接部分容易发生破坏的情况，设计了钛合金接口件与碳纤维杆的混合连接方式，该方式特别是指在采用先胶接连接，再采用螺钉连接这种混合连接方式。其中，为了进行螺钉连接，在碳纤维杆两端及钛合金接口件上需进行打孔设计，再胶接完成之后，再使用在用螺钉将两者固定的设计。

4.一种新的碳纤维臂杆设计制造方法，其特征在于，进行了等电位设计，特别是指将导线采用螺旋方式粘接固定在碳纤维杆内壁上，并将导线的两端通过螺钉固定于钛合金接口件上的设计。

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